摘 要：生成式人工智能技术的快速迭代与普遍应用，标志着人工智能时代的到来。针对传统计算机课程体系还停留在面向单机的时代，培养方法主要以知识传授为主的问题，文章从认识工程教育入手，阐述课程重组、知识点融会贯通的必要性，从计算技术迅速发展视角，介绍如何持续更新教学内容，最后探讨如何在知识爆炸时代选择合理的内容，从而在有限的教学时间内完成预期的教学目标。
关键词：工程教育；智能时代；课程体系
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引 言
2002 年我开始创建复旦大学软件学院。由于没有历史包袱，得以在计算机类本科教学体系上进行大胆尝试。经过 20 余年的探索，借鉴了 MIT、Stanford、CMU 等顶尖学校计算机类本科教学的先进经验，融合工程教育理念，结合『互联网』的技术特征，经过在复旦大学和上海交通大学两所大学的软件学院的实践，最终构建了相对满意的本科课程体系。本次论坛中，我将从工程教育、持续更新教学内容、合理取舍平衡等方面论述如何构建课程体系。
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认识工程教育，重构课程体系
传统的工科教育属于技术教育，每门课程关注专门的技术，整个课程体系往往忽略多项技术的综合运用。在工程教育认证的实践中我们发现，绝大部分专业在培养学生解决复杂工程问题的能力时存在明显不足。
培养学生解决复杂工程问题的能力，首先要认识工程、认识工程与技术的区别。习近平总书记在 2014 年国际工程科技大会指出“中国的造纸术、火药、印刷术、指南针等重大技术创造和万里长城、都江堰、京杭大运河等重大工程，都是当时人类文明形成的关键因素和重要标志”。以四大发明为代表的古代技术和三大古代重大工程存在明显区别。科学发现推动技术进步，综合运用多种技术完成具体的工程实践，最终推动人类文明进步。冯·卡门有句名言“『工程师』创造前所未有之世界”。因此工程教育必须以科学和技术为基础，培养学生综合运用多种技术的能力；为创造前所未有之世界、推动人类文明进步，就必须强调在工程实践中体现创新性和社会
价值。
解决复杂工程问题必须综合运用多种技术，这好比大脑思考问题时必须通过由多个神经元构成的突触网络才能工作，因此工程教育强调如何通过多种途径培养学生综合使用技术的能力，而传统的技术教育只强调单个知识点（神经元）的重要性，忽略知识融合（突触）的重要性。该问题不仅在计算机本科教学中存在，其他学科也有类似问题。例如，临床医学领域传统上按生化、生理、呼吸、消化、病生、寄生虫等相互独立的科目开展教学，现在国际上更流行“器官系统整合式课程”模式。这种教学模式基于现代建构主义学习理论，以临床问题及实践为导向、器官系统为主线，将医学基础与临床、医学与人文、理论与实践有机整合。南方科技大学系统设计与智能制造学院（SDIM）通过多门课程共享综合实践项目的方式实现知识点融合。例如，大二上学期通过“可回收垃圾收集/分类装置”综合项目，将设计思维与工程、机械设计与制造、模拟电路系统设计、材料工程基础和快速原型设计技术 5 门课程关联；大三上则联合相关企业，通过智慧农业项目将产品设计、控制工程与设计、计算机仿真设计和人机工程学 4 门课程关联。通过综合实践课程，他们将不同方向的知识点串联起来，达成知识的深度融合。这种创新不仅帮助学生理解学科关联，还提高他们的实际操作能力和综合素质。
在复旦大学和上海交通大学的软件学院，我借鉴 CMU 和 MIT 的先进经验，通过“解构”传统计算机系统课程，再分别从程序员和设计者的角度“重构”新课程。这种改革显著减少必修课学分，大幅增加分布式内容；同时遵循先实践再认识的原则，先从程序员角度进行实践，再从设计者角度理解原理。这种“先应用再原理”的方法，可让学生在实践中逐步理解理论知识，增强学习效果。
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与时俱进，持续更新教学内容
计算机本科教学体系经过 50 多年演进，大致经历 4 个阶段。第 1 阶段是 20 世纪 70 年代中期至 80 年代中期的“百花齐放”时期，当时技术发展尚无明确主流，如计算机结构从巨型机、大型机、小型机到微机各类迥异结构并存，对应产生计算机体系结构、计算机组成原理、微机原理与接口等课程。第 2 阶段“独尊儒术”，主流技术逐渐成熟，如主流计算机架构、操作系统、网络协议、编译器等都有主导产品。这时教学内容和实践都比较聚焦，该阶段延续至 20 世纪末 21 世纪初，以单机技术为主。21 世纪前 20 年迎来『互联网』时代，分布式和『互联网』技术占据主导。2022 年底 ChatGPT 问世，标志人工智能时代到来，课程体系正迈入拥抱人工智能的新篇章。
由于进入人工智能时代时间不长，课程体系建立尚处于探索阶段，这里着重介绍 20 年来构建『互联网』时代课程体系的尝试。课程由编程、系统、『互联网』 3 条主线构成。
由于上海交通大学特色化示范性软件学院以关键基础软件为人才培养特色，编程类课程实践中实现简单计算机系统占比较大，如面向指令集和编译技术的指令模拟器/汇编器、简单语言解释器/调试器以及面向数据存储的 LSM 树。
『互联网』应用技术主要包含 3 门课程。大二下学期学习基础『互联网』编程，掌握基础开发技能；大二暑期小学期学习使用『互联网』工具构建大型应用系统脚手架；大三上学期学习搭建类淘宝的『互联网』系统，从实践中学习分布式系统架构和应用，全面提升系统设计与实现能力。
系统类课程的集大成者是计算机系统工程，在单机为主的计算机系统基础和『互联网』架构类课程基础上，详细讲解『互联网』时代分布式系统构建方法，以及必须考虑的性能可扩展性、系统容错性、操作原子性、数据一致性、信息安全性等属性。
当前我们已处于人工智能时代，面向『互联网』的课程体系面临巨大挑战。我们正积极应对这一挑战，例如引导学生正确使用大模型作为编程工具；增加AI相关技术特别是系统类技术，如 GPU 架构/编程、算子优化与编译、深度学习框架、大模型训练/推理系统构建、大模型加速技术等。
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仔细谋划，谨慎取舍平衡
本科教学仅有 4 年时间，扣除通识教育和专业实践，有效专业教学约两年。计算机技术快速发展，如何在有限教学时间内合理安排教学内容成为挑战。
计算机技术与其他工程技术相比具有独特特征——技术进步造就新的工具，新工具反过来推动技术加速发展。最新的例子是大模型技术，这就导致了技术外延不断迅速拓展。两年时间可以教授的内容非常丰富，具体教授哪些则必须取舍。所幸计算机类专业可将某些成熟技术视为黑盒子直接使用（如DDR内存技术），而在传统理科教学中这点较难实现，那些学科必须扎实掌握经典基础知识才能掌握现代知识。
上海交通大学软件学院按照计算机系统由单机向『互联网』发展趋势，以大规模『互联网』软件系统为教学主线，因此大幅缩减单机与硬件技术。以『互联网』技术为主线构建新课程时，重要的经典知识被融合其中，部分知识点被摒弃。被摒弃的知识点并非无用，而是特定教学思路下的特定选择，例如中国科学院大学计算机专业强调计算机硬件系统及『芯片』设计，因此弱化『互联网』软件技术传授。新时代若不改变教学内容，最好的结果是学生只学到了一些经典知识而对最新技术知之甚少。
以“教轮子、做轮子”为例，为课程设计提供一个视角，目标是让学生了解轮子基本特征并最终能自建轮子。较差的教学方法是“讲轮子”，仅讲解轮子的基本特征和构建方法，让学生死记硬背，最终大多被遗忘。20 多年前计算机专业教学多处于此状态。后来通过改革增加实践形成“造轮子”理念，但在实践中遇到取舍问题，有限学时下如何安排教学内容取决于专业定位。以下为 3 种取舍方法。
第一类“学大轮子”：让学生接触工业级开源系统（如Linux），通过源码剖析、模块添加、在特定场景下利用系统特征解决问题等培养实际应用能力。一些应用类本科学校用此法教授“操作系统”效果良好。这类教学方法能够让学生了解流行软件，在实际工作中能很好使用，而缺点是基础不够扎实，属于强化“流行”弱化“基础”。上海交通大学软件学院在研究生阶段采用此法（如在高级操作系统中以Open Harmony系统为主线），究其原因是学生在本科阶段已打牢基础。
与之相反的是第二类“造小轮子”：头部高校在计算机组成、操作系统、编译技术等课程中多采用此方法。学生在理论课上学习经典知识，课后自主设计编写小 CPU、小操作系统、小编译器，此法强化“基础”但弱化“主流”系统了解。
第三类“用大轮子，造小车子”是折中方法：把开源大型软件看成“大轮子”，要求学生构建的小型软件系统为“小车子”。除课堂学习外，学生须自行研究“大轮子”的特征，并用于复杂系统的设计和实现中。在理解小车子构建原理的同时，也掌握大轮子的使用方法。通过“看、造、用”学习路径，学生能掌握基础理论，积累实践经验，培养独立解决问题能力。
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结 语
认识工程教育是设计新的课程体系和培养学生解决复杂工程问题能力的起点，课程重组、知识点融会贯通是构造课程体系的核心。计算技术迅速发展，课程内容面临持续更新的压力。知识爆炸使得如何选择合理的内容在有限的时间内教授，成为一个新的挑战。
作者简介：臧斌宇，男，教授，研究方向为系统软件，byzang@sjtu.edu.cn。
