课程体系

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2006-4-14 一个论文 本文说明了计算机科学与技术的学科内涵及特征、计算机科学与技术的学科结构和计算机科学与技术学科的知识体系及课程体系，提出了计算机科学与技术本科教育的若干建议，对于计算机科学与技术学科（专业）教学计划的制订、课程设置的构成和学科（专业）的建设及学习，将起到指导或参考作用。 一、计算机科学与技术学科的内涵 （一）计算机科学与技术学科和计算学科[1] 计算学科（computing discipline）是研究通过在计算机上建立模型并模拟物理过程来进行科学调查和研究的学科。该学科是对信息描述和变换算法的系统研究，主要包括它们的理论、分析、效率、实现和应用。计算学科包括计算机科学、计算机工程、软件工程、信息工程等学科。 计算机科学与技术学科（computer science and technology discipline）包括计算学科的大部分内容，既可以看成计算学科的一种全面体现，又可以看成计算学科的最基本学科，所以，计算机科学与技术学科可以与计算学科相对应。 （二）计算机科学与技术学科的内涵 计算机科学与技术学科是研究计算机的设计、制造和利用计算机进行信息获取、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。它包括科学与技术两个方面。科学侧重于研究现象、揭示规律；技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。科学是技术的依据，技术是科学的体现；技术得益于科学，又向科学提出新的课题。科学与技术相辅相成、相互作用，二者高度融合是计算机科学与技术学科的突出的特点。它除了具有较强的科学性外，还具有较强的工程性，因此，它是一门科学性与工程性并重的学科，表现为理论性和实践性紧密结合的特征。 二、计算机科学与技术的学科结构 （一）CC2001教程和CCC2002教程简述 美国的IEEE-CS（The Computer Society of the Institute for Electrical and Electronic Engineers，即美国电气和电子工程师协会下属的计算机学会）和ACM（The Accociation for Computing Machinery，即美国计算机协会）于20世纪60年代以来，分别发表了一系列在国际上最有影响的计算机专业指导性教学计划。其中包括ACM68课程体系、ACM78课程体系、IEEE-CS83教程，Computing Curricula 1991（简称CC1991），2001年12月15日，IEEE-CS和ACM联合推出计算机教程2001（Computing Curricula 2001简称CC2001教程）的最终版。该最终版本全面、准确地的总结了自CC1991十年来社会的发展给计算（机）学科教育带来的巨大影响，它除了继承CC1991的知识描述体系结构之外，还增加了各级课程体系的设计方法。CC2001教程共有14个知识领域，132个知识单元。 我国在1999年以前，计算机专业被划分为六个专业，它们是计算机及应用、计算机软件、计算机科学教育、软件工程、计算机器件及设备和计算机科学与技术。1998年7月，教育部正式颁布了《普通高等学校本科专业目录》。该专业目录本着拓宽专业口径，增强适应性，加强专业建设和管理，提高人才培养质量为目的，对我国各个专业进行大合并的同时，将计算机原来的六个专业合并为“计算机科学与技术”一个专业，并强调该专业可授于工学或理学学士学位。与此同时，中国计算机学会教育专业委员会和全国高等学校计算机教育研究会在20世纪50年代初就开始对我国计算（机）学科的本科教学计划研究成果（诸如参考ACM68、ACM78和IEEE-CS83，于1987年推出的“87教程”，参考CC1991而推出的“93教程”）的基础上，全面启动了中国面向21世纪计算机专业课程体系和课程内容改革的研究，并于1999年联合推出《计算机学科教学计划2000》（简称CS2000），继而参考CC2001，于2002年8月推出了《中国计算机科学与技术学科教程2002》（China Computing Curricula 2002，简称CCC2002教程）。它是根据我国计算（机）学科发展的现状和我国计算机教育的具体情况，借鉴CC2001的一些成功经验而提出的一个适合我国计算机本科教育要求的参考计划。 （二）计算机科学与技术学科中的3个学科形态 计算机科学与技术学科中的3个学科形态是理论、抽象和设计。它们描述了该学科的研究与实践的3种形态，对应于计算机科学与技术学科中问题求解的3个过程，是学科方法论最根本的内容。 1.理论 理论源于数学，换言之，数学是计算机科学理论基础的核心，其主要要素为定义、公理、定理、证明和结果。即用定义和公理来表达所研究对象的特征；用定理来假设对象之间的基本性质和对象之间可能存在的关系；用证明来确定这些关系是否为真；最后得到相应的结果。 在计算机科学与技术学科中，理论形态的基本特征是其研究内容的构造性数学特征。构造性是计算机软件和硬件系统的最根本特征，而递归与迭代是最具代表性的构造性数学方法，它广泛运用于计算机科学的各个领域。正确理解递归和迭代的基本思想，有助于计算机科学与技术专业学生今后的学习。 2.抽象 抽象源于现实世界和实验科学。抽象建模是自然科学之根本。其主要要素为确定可能的实现环境并形成假设，构造模型并作出预测，设计实验和采集数据，实验结果分析。 抽象即抽出事物的本质特征，它是从现象中把握本质的认知过程和思维方法。抽象的结果是概念、符号、模型。培养抽象思维模式，有利提高学习计算机科学与技术学科的基础知识和专业知识。 3.设计 设计源于工程科学，即广泛采用工程科学的研究方法来开发或求解某个待定问题的系统和装备。设计乃工程之根本。其主要要素为需求分析、规格说明、设计和实现方法、测试和分析。 计算机科学与技术学科中的3个学科形态是该学科中问题求解的3个过程，它们相互交织、相互影响。 按照辩证唯物主义的认识观，人们对事物的认识是从“实践”到“理论”，再从“理论”到“实践”，先在实践中获得感性认识，通过对感知来的信息的加工，总结形成“经验”，再用这些经验去指导新的实践。一般地，计算领域中的“认识”对应于抽象和理论，而“实践”对应于设计。认识过程以数学方法为主，实践过程以系统方法为主。 实践表明，没有抽象就没有理论，理论本身就是抽象的主要体现；没有理论指导下的设计是很难成功的；反之，没有设计和在设计基础上的抽象，就不可能建立起任何新的理论。可见，抽象、理论和设计三者的相互依赖和相互影响，共同构成了计算机科学的数学基础和理论基础。 （三）计算机科学与技术学科中的14个知识领域 CC2001教程和CCC2002教程定义了计算机科学与技术本科教育所必需的14个知识领域，这些领域中的知识将是计算机科学与技术本科教育的主要内容。这14个知识领域为离散结构（DS）、程序设计基础（PF）、算法与复杂性（AL）、计算机组织与体系结构（AR）、操作系统（OS）、网络及其计算（NC）、程序设计语言（PL）、人机交互（HC）、图形学和可视化计算（GV）、智能系统（IS）、信息系统（IM）、社会与职业问题（SP）、软件工程（SE）和数值计算科学（CN。） 计算机科学与技术学科的3个学科形态和14个知识领域构成该学科认知领域的理论体系，亦是该学科一个高度概括，可用“二维定义矩阵”来描述，如表1所示。 其中“横向”关系的内容，即抽象、理论、设计3个学科形态的内在联系与发展规律的内容；“纵向”关系的内容，即14个知识领域中所具有的共同的能反映学科某一方面本质特征的内容。 表1                       学科二维定义矩阵 三个过程 学科主领域 抽象 理论 设计 1．离散结构（DS） 2．程序设计基础（PF） 3．算法与复杂性（AL） 4．体系结构（AR） 5．操作系统（OS） 6．网络计算（NC） 7．程序设计语言（PL） 8．人机交互（HC） 9．图形学和可视化计算（GV） 10．智能系统（IS） 11．信息管理（IM） 12．软件工程（SE） 13．社会和职业的问题（SP） 14．科学计算（CN） （四）计算机科学与技术学科中的12个基本概念 CC1991、CC2001和CCC2002三个教程都提出了在计算机科学与技术学科中重复出现的12个基本概念。这12个重复出现的基本概念描述了该学科具有普遍性、持久性的重要思想、原则和方法，描述了贯穿于认识和实践过程中问题求解的12个基本方面。CCC2002教程认为，这12个基本方面是人们认识和实践计算机科学与技术过程中经常用到的基本概念，对这些基本概念的深入理解，并在实践中经常运用它们，是计算机科学与技术专业的毕业生今后能否成才的重要标志之一。 计算机科学与技术学科中重复出现的12个基本概念如表2所示。 以下12个基本概念在计算机科学与技术学科中多处出现，在各个支领域及抽象理论和设计的各层面上都有很多示例，在技术上有高度的独立性，并都在数学科学和工程中出现。它们表达了计算机科学与技术学科特有的思维方式，在整个本科教学过程中起着重要作用。 表2                         12个基本概念 序号 基本概念 序号 基本概念 1 绑定（Binding） 7 抽象层次(Levels of Abstraction) 2 大问题的复杂性 (Complexity of largeproblem) 8 按空间排序(Ordering in Space) 3 概念与形式模型 (Conceptual and Format Models) 9 按时间排序(Ordering in Time) 4 一般性和完备性 (Consistency and Completeness) 10 重用(Reuse) 5 效率(Efficency) 11 安全性(Security) 6 演化(Evolution) 12 折衷与结论 (Tradeoff and Consequences) （五）计算机科学与技术学科中典型的学科方法 计算机科学与技术学科中典型的学科方法可分为数学方法和系统科学方法两大类，它们描述了贯穿于认识和实践过程中问题求解的方法。 数学方法是以数学为工具进行科学研究的方法，它用数学语言表达事物的状态、关系和过程，经过逻辑推理对问题进行描述、加工、变换、处理和判断。在计算机科学与技术学科中，数学已经成为一种必不可少的重要工具。最常用的数学方法有离散方法、公理化和证明方法、形式化方法和以递归、归纳与迭代为代表的构造性方法等。 系统科学方法是指用系统的观点来认识和处理问题的各种方法的总称。通常是将研究的对象看成一个整体，以使思维对应于适当的抽象级别上，遵循整体性、动态、最优化、模型化原则，力争系统的整体优化。具体方法有系统分析法、原型化方法、黑箱方法、功能模拟方法和信息分析方法等。 三、计算机科学与技术学科的知识体系和课程体系 （一）知识体系简述 CCC2002教程将计算机科学与技术学科的知识体系划分为知识领域（area）、知识单元(unit)和知识点(topic)等三个相互关联的层次结构。其中知识领域（前面已说明了计算机科学与技术学科的14个知识领域）处于层次结构的最高层，它表示特定的学科子域，且每一个知识领域又可分解成若干个知识单元；知识单元处于层次结构的中间层，表示知识领域中独立的主题（thematic）模块，一个知识单元又可划分为若干知识点；知识点处于层次结构的最低层，它是构成知识单元的基本单位。 简言之，可用14个知识领域，132个知识单元和一系列知识点来描述计算机科学与技术学科的知识体系，其中132个知识单元中有68个核心知识单元。核心知识单元是指在计算机科学与技术学科本科教学中必要的最基本的那些知识单元。不在该核心知识单元集合中的知识单元为选修知识单元。换言之，核心知识单元提供的是知识体系的最小集合。 （二）课程体系简述 CCC2002教程指出，知识体系的14个知识领域及相关的知识单元、知识点构成了计算机科学与技术专业教学的知识结构，但这并不意味着就是实施教学的课程体系，14个知识领域亦并不恰好是14门课程。完整的本科课程体系结构由三部分组成，即奠定基础的基础课程，涵盖知识体系大部分核心单元的主干课程，用来完备课程体系的特色课程。基础课程和主干课程应该覆盖知识体系中的全部核心知识单元。如果某个核心知识单元未能包括在前两层课程中，则应保证在特色课程中能找到。 （三）核心课程简述 CCC2002教程根据我国计算机科学与技术学科教育的现状及对典型课程设置的分析，并参考CC2001教程的相关内容，给出了16门核心课程。鉴于我国各高等学校的定位和培养规格不同，对核心课程内容的选择也会有不同要求。因此，CCC2002教程建议各高校可根据各自的特点，采取少学时/中学时/多学时的方式来制订不同的教学计划，以体现各自的特色。这里仅指出16门核心课程的名称如表3所示。 表3                          16门核心课程 序号 课程名称 序号 课程名称 序号 课程名称 序号 课程名称 1 计算机导论 5 计算机组织与体系结构 9 编译原理 13 人工智能 2 程序设计基础 6 微型机系统与接口 10 软件工程 14 数字逻辑 3 离散结构 7 操作系统 11 计算机图形学 15 计算机组成基础 4 算法与数据结构 8 数据库系统原理 12 计算机网络 16 计算机体系结构     应指出的是，限于篇幅，关于计算机科学与技术学科的14个知识领域、132个知识单元及其相关的知识点，课程体系中的基础课程、主干课程、特色课程和16门核心课程，重复出现的12个基本概念的详细内容，请读者参见参考文献[1]。 四、计算机科学与技术的本科教育 （一）制订符合人才培养定位的教学计划 人才培养定位取决于高等学校的定位。高等学校的定位主要取决于社会人才市场需求和学校的具体条件。本节提及的高等学校是以教学型本科学校，特别是以独立学院为模型来论述计算机科学与技术学科的本科教育。 在信息化社会中所需要的计算机科学与技术人才是多方位的，不仅需要研究型、设计型的人才，而且需要应用型人才；不仅需要开发型的人才，而且需要维护型、服务型、操作型人才。由于信息技术的发展日新月异，信息产业是国民经济中变化最快的产业，因此要求计算机科学与技术人才具有较高的综合素质和创新能力，并对于新技术的发展具有良好的适应性。根据我院实际条件，计算机科学与技术专业的人才培养定位为应用型或技术应用型人才。 为培养符合社会需求的人才，必须要有高水平的教学计划，它主要包括该学科（专业）的培养目标、业务规格、课程设置、课程结构、课内学时、实验学时和实践环节等方面的内容。 教学计划的制订除要遵照一般的基本原则外，这里还要指出，其一要突出计算机科学与技术的学科特点，即实践教育的重要和该学科发展迅速、知识更新快、应用面广、学科交叉程度高，这就要求教学内容更新要快；其二要依据学校的定位、人才培养规格和本学科课程体系从整体上优化课程结构，精练教学内容，拓宽专业基础，加强教学实践，特别注意综合素质的培养，逐步形成“基础理论实、专业能力强、综合素质高、适应能力宽”的新体系。 （二）精心组织教学计划的实施 在高等教育中，教师、学生、设备、教材和管理构成实施教学计划的五个不可缺少的要素。 在教学计划实施过程中，管理者要精心组织理论教学和实践教学体系的各个教学环节。计算机科学与技术学科（专业）的理论教学体系包括基础课程、主干课程、特色课程和广泛的选修课程等；实践教学体系包括课程实验、课程设计、实习实训、社会实践和毕业设计（论文）等。教师是执行理论和实践教学体系的主体，要充分发挥其主导作用；学生是接受教育的主体，要充分调动其学习主体的作用。 精心组织高水平教师走上本科教学的讲台是保证高水平教学的必要条件，提倡知名教授给本科生讲授基础课和开设专题讲座，可为学生提供亲身感受大师风范的机会；所有教师都应以自己良好的职业与专业道德素养去引导和感染学生，充分体现教师教书育人的职责。优秀教材是保证高水平教学的另一个重要因素。 加大教改力度，积极探索教学内容、方法改革，提倡网络和多媒体教学以及利用其他现代教学手段、建立健全教学质量监控和保障体系、提高教学管理水平等，都对实施教学计划和提高教学质量具有重要意义。 （三）教师和学生在教与学中要充分把握学科的特点 计算机科学与技术学科中，科学与技术相辅相成、相互作用，二者高度融合是其突出的特点，主要表现为理论性和实践性紧密结合的特征。因此，在本学科（专业）教学中加强实践性教学环节或专业实践是把握学科特点的重要标志。不仅要在教学计划中保证实践教学40周，还要在计划实施中认真落实。 另外，计算机科学与技术学科的3个学科形态中指出，理论源于数学，理论形态的基本特征是其研究内容的构造性数学特征，该学科（专业）的每门核心课程都需要采用抽象思维模式去了解和领悟，因此，该学科的教师与学生都必须具有较好的数学功底和数学基础。同时要培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，它是学生认识客观世界和计算机世界的基础。具体地体现在两个方面：其一是面向计算机科学与技术学科的思维能力；其二是具有开发和使用计算机软件、硬件工具的能力。强调思维能力亦是把握学科特点的体现。 （四）加强学生的素质教育与能力培养 知识是基础、是载体、是表现形式；能力是技能化的知识，是知识的综合体现；素质是知识和能力的升华。一般地，素质教育是指在知识和能力的基础上，以全面提高受教育者的基本素质为目的，以尊重学生的主体作用和主动精神，注重开发人的潜能，形成健全人格为根本特征的教育。 依据计算机科学与技术具有工科兼理科的学科特点，人们主张选择适当的知识为载体，实施素质教育和能力培养，并强调创新意识和丰富想象力的培养。从科学的世界观和方法论到学科自身的重要方法和学科的每一形态，全面进行学科综合能力的提高和学科综合素质的培养，是本专业学生的关键之所在。 知识、能力、素质是进行高科技创新的基础，只有将这三者融会贯通于教育的全过程，才有可能培养出高水平的应用型人才。 综上所述，粗浅地论及了21世纪初计算机科学与技术学科的学科内涵、学科形态、知识体系、课程体系和基本概念，特别是计算机科学与技术学科本科教育的若干建设。我院计算机科学与技术学科（专业）教学计划[2]已执行了近五年，并有了一届本科毕业生，本着“总结经验、巩固成果、深化教学改革、提高教学质量、开创我院教学工作新局面”的精神，进一步完善计算机科学与技术学科（专业）教学计划，为培养高质量的应用型人才而努力。 参考文献 [1]黄国兴等.中国计算机科学与技术学科教程2002.北京：清华大学出版社，2002.8 [2]哈尔滨商业大学商务学院教务处.哈商大商务学院本科教学计划，2002