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新工科背景下以数据为中心的计算机专业教学改革

时间:2018-10-30 编辑整理:李翠平? 柴云鹏? 杜小勇? 张孝? 文继荣? 陈红 来源:早发表网

? 要:工科人才培养的关键是要根据产业和技术的最新发展,创新性地改革人才培养 模式、改造课程体系、改革教学范式。本文针对大数据、云计算和人工智能等新技术和新产 业对计算机专业人才培养提出的新要求,对传统计算机专业教育存在的问题进行分析和总结, 探索以数据为中心的适应时代发展和产业需求的新型计算机专业课程体系,通过课程建设全 面更新教学内容、促进新工科建设,并在中国人民大学信息学院进行实践。

关键词:大数据;以数据为中心;计算机专业;教学改革;新工科

进入 21 世纪以来,大数据、云计算和人工 智能等新技术进入了飞速发展的新阶段,并且不 仅局限在计算机领域发展,而是与大量其他的行 业进行交叉融合,帮助其他行业升级,并不断创 造出新的行业,是新经济最重要的驱动力之一。 但是,反观计算机专业教学,培养方式和课程体 系的发展速度明显滞后于新技术的发展速度。中 国人民大学信息学院针对大数据、云计算和人工 智能等新技术和新产业对计算机专业人才培养 提出的新要求,以新工科建设为背景,以面向产 出的计算机工程教育专业认证为抓手,对传统计 算机专业教学存在的问题进行分析和总结,探索 以数据为中心的适应时代发展和产业需求的新 型计算机专业课程体系,通过课程建设全面更新 教学内容,取得了良好的实践效果。

一、传统以计算为中心的培养模式的局限

大数据、云计算和人工智能的核心是数据。 大数据技术自不必言;云计算主要为各行各业提 供弹性、稳定、高效的数据存储、管理和处理平 台;人工智能的主要驱动力是机器学习和深度学 习,智能程度的提高主要依赖远超以往规模的大数据积累。目前全球绝大多数计算机都是用于数 据的存储、管理和处理,数据是计算机最大的用 户,不仅决定了计算机如何应用,也深刻地影响 了计算机软硬件的设计。但是,目前计算机专业 教学仍然是沿用传统的以计算为中心的培养模 式,这种培养模式主要存在以下几个问题。

(1)程序设计和计算机问题求解方面的课 程缺少对并行计算的足够重视。大数据和人工智 能目前主要依赖大规模集群、GPU 等新型硬件 的并行数据处理。但在传统计算机专业教学中, 学生在并行算法、并行数据结构、并行程序设计 和并行编程工具等方面的培养和训练较少。

(2)传统计算机系统课程主要关注单机系 统,一般是以计算机组成原理、操作系统、编 译原理为核心,学生对单机上的软硬件系统较 为了解,但是对现代大规模分布式系统的了解 和训练比较少。

(3)传统课程体系以计算为中心,主要围 绕如何构造计算机系统、如何加快计算机计算速 度而展开,在数据方面往往只有数据库一门课 程,学生对大数据的平台(云计算)、大数据的 核心科知识题、计算智能等方面的了解不够。

(4)大数据、人工智能的意义不仅仅在于计算机行业本身,其更广阔的市场是与社会上 其他领域深度结合,升级改造其他行业,甚至 创造新的行业。但是目前的计算机人才培养主 要专注于计算机自身的工科专业训练,对学生 的人文素养,以及经济、法律等社会学科的交 叉培养还不够。

因此,需要研究分析新经济对传统计算机 专业人才培养提出的新要求,特别是大数据、 云计算和人工智能等新技术发展对计算机专业 学生常识、能力和素质的新要求,探索从传统 的以计算为中心的计算机专业教学,向新时代 下以数据为中心的计算机专业教学升级转换的 关键和方法。

二、计算机专业教学改革的时代需求

随着计算机及互联网的飞速发展,当今社 会已进入数据时代,数据已深入到社会和人民生 活的方方面面。不仅需管理的数据数量呈爆炸式 快速增长,而且类型也越来越多,越来越复杂。 2015 年 9 月 5 日国务院发布了《促进大数据发 展行动纲要》,系统部署了大数据发展工作,这 意味着中国大数据发展经由顶层设计,正式上升 为国家战略。可以说,数据的掌握能力是国家主 权或企业自主常识产权的体现,数据的处理与分 析是推动生产力增长的关键要素,也是保证国家 安全与社会进步的重要因素,国家急需能架构系 统、会分析数据、懂领域业务的复合型人才。

大数据的全生命周期包括 4 个阶段:大数 据的获取与管理,大数据的存储与处理,大数 据的分析与理解,结合领域的大数据应用。在 整个过程中,数据是基础、平台是支撑、分析 是核心、效益是根本。因此,以数据为中心的 计算机专业教学必须注重学科交叉,强调系统 实现,关注实际应用,培养学生解决综合性实 际问题的能力。只有建立起一个跨学科、全方 位的以“数据”为中心的新型计算机专业教学 体系,通过扎实的课程体系设计和课程建设, 才能真正提高计算机专业人才培养的质量,适 应新经济、新时代的需求。

三、以数据为中心的计算机专业课程体系

在新体系下,计算机专业课程分为“问题 求解”“系统平台”和“数据科学”三条主线 进行建设,同时还有“数学和自然科学”“人 文社科教育”两条辅线起到支撑作用。

“问题求解”类课程主要训练用计算机求 解问题的思维方式、方法和实现手段(主要是 编程)。“系统平台”类课程主要先容和训练 支撑问题求解的实际计算机软、硬件系统如何 分析、设计与实现。“问题求解”和“系统平台” 两条主线中的课程主要是为计算机专业学生在 两个方面打下扎实的基础,而“数据科学”类 课程涉及大数据从获取、存储、管理、分析到 领域应用等整个数据生命周期各个环节的内容, 尤其是大数据、云计算、人工智能等新技术将 重点集中在这一主线中讲授和训练。“数学和 自然科学”辅线课程将为计算机专业学生打下 扎实的数学和自然科学基础,“人文社科教育” 类课程主要目标是提高学生的人文素养,积累 社会学科的基础常识,同时数据科学中的关于 大数据和人工智能的课程也会与人文社会学科 深度结合。

从纵向看,从大一到大四,四个年级的课 程深度逐步加强。大一阶段主要通过“问题求 解”主线中的程序设计等课程,训练大家的计算 机编程能力,培养计算思维。从大二开始设置“系 统平台”和“数据科学”类课程,系统培养学生 问题求解的方法和能力,训练如何抽象问题、建 立模型、求解问题,并编程实现;通过系统平台 方面的基础课让学生初步了解计算机软硬件系 统,学习实际系统模块的设计与开发;同时通过 导论类型的课程开启“数据科学”主线课程的学 习。大三阶段的学习增加一个难度,增强问题求 解的理论基础和复杂问题求解的能力,并训练学 生完整设计和开发复杂的计算机系统;在“数据 科学”方面对大数据从获取、存储、管理、挖掘 到可视化等整个数据生命周期各个环节进行综 合讲授和训练。大四阶段的学习会进入一个全新 的模式,即通过毕业设计的形式,对导师提出的开放性问题进行探索,在调研、分析、研究、设 计与开发等方面得到进一步的训练。

下面分别阐述计算机专业核心的“问题求 解”“系统平台”和“数据科学”三条主线的 课程建设。

(1)“问题求解”主线。问题求解主线中 的课程包括程序设计、数据结构和算法等内容, 不仅是计算机常识和能力体系中非常重要和基 础的一环,往往也是计算机专业学生的入门课 程,因此非常重要。但是正因为这类课程非常 经典,传统计算机专业教学中这类课程在过去 很长时间内变化并不大,在新时期至少需要在 以下两个方面进行改进。一是在云计算和大数 据时代主要依赖高度并行化来提高运算速度的 情况下,需要从入门阶段开始就培养学生的并 行计算思维,学习并行数据结构和并行算法的 常识,学习并行编程的理论、方法和工具。二 是面向新技术的需求,建设丰富的编程语言方 面的必修和选修课程群,包括函数式编程以及 新兴的主流编程语言等内容。

(2)“系统平台”主线。在计算机系统方 面的传统专业教学中,往往存在以下三个问题: 一是课程实验复杂度与实际工程有较大脱节, 设计、开发和调试复杂系统的训练不足;二是 课程之间缺少衔接,缺少对计算机系统的整体 认识,只见树木不见森林;三是常识更新速度 不够快,对最新的现代新型分布式系统关注不 够,实际上以 Hadoop 以及 Spark 为代表的开源 App生态的重要性相当于 20 世纪八九十年代的 CPU 和操作系统,重要且发展迅速,需要在课 程体系中体现。因此,需要对以上问题做出有 针对性的改革,包括加强计算机系统骨干课程的 复杂系统大实验改革和建设、开设贯通整个计算 机系统的整体视图课程、增加包含最新技术的新 课程等。

(3)“数据科学”主线。传统计算机专业 教学是以计算为中心的,数据科学相关的课程 设置非常薄弱,一般只包括关系数据库系统一 门课程,甚至只是一门选修课。但是在新经济 环境下,云计算、物联网、人工智能都和大数据密切相关,需要转换思维,增加一系列重要 的数据科学和大数据相关的新课程,涵盖从获 取、存储、管理、分析到领域应用等整个数据 生命周期各个环节的内容。而且这些新技术领 域的发展迭代速度非常快,需要设计一套机制, 以便在课程内容更新上做到快速反应,尽快把 最新的思想、方法和工具引入相关课程。

此外,在课程体系建设方面,需要加强实 践课程的建设,尤其是设计和建设以数据管理 课程为核心的在线实验平台,加强学生的实践 能力和动手能力的训练,并可以将该在线实验 平台推广到其他高校。同时,可以与企业合作 建设新课程,给学生提供机会了解工业界的实 际情况和最新技术,以及充分的锻炼机会。

信息学院通过充分利用中国人民大学过去 几十年在数据库等数据科学领域的科研和人才 培养的优势,并将人工智能、大数据等新技术 与学校在人文社科方面的学科优势深度结合, 力求将过去以计算为中心的计算机专业人才培 养模式转变为适应未来技术发展的以数据为中 心的计算机专业人才培养模式。希翼能将改革 过程中得到的经验和教训与国内外同行进行分 享,也希翼其他相关高校能够参考大家的教育 理念和课程体系,在应用和讨论中对这个体系 进行不断改进。


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