他们培养有“系统能力”的计算机类创新人才
他们培养有“系统能力”的计算机类创新人才
湖南大学计算机类专业以“系统能力”为核心，将其内涵拓展为“程序设计能力+系统设计能力+系统工程能力+IT职业素养”，构建“双重环链”，提出了“1234”教学模式，即：一套全过程跟踪的人才培养教学体系、双重环链的培养方案、三级递进的实践体系和四维的学习成果评价机制。
统一实践平台：从零开始构建实用操作系统
2025年1月5日上午，湖南大学赵欢教授及杨科华副教授以“计算机核心课程贯通式实践教学体系介绍”为主题开启直播，三小时的直播获得了12878人数的观看。
教研活动直播及数据概览
这次直播主要是介绍该团队基于华为鲲鹏Pro教育开发板建立了计算机专业的统一实践平台。该平台搭载鲲鹏Pro CPU，集成FPGA可编程模块和硬件加速引擎，构建了从门电路到操作系统的完整实践环境，提供从寄存器级到应用层的全栈开发能力。不仅能够支持学生从零开始构建一个实用的操作系统，还能在开发板上运行该系统，大大激发学生的创新热情与创造力。
计算机科学与技术2202 钟睿熙表示：“在这个实践平台上操作，感觉自己就像一名真正的工程师。通过参与数字电路、操作系统等课程的实践项目，我对计算机系统有了更深刻的理解，而且能够将所学知识应用到实际项目中，这让我对未来的职业发展充满信心。”
教学团队据此编著的《计算机系统综合实践》，已列入教育部计算机领域本科教育教学改革试点工作计划（简称“101计划”）规划实践教材，将在年内出版。
“双重环链”教学模式：系统性提升人才培养质量
该团队曾获国家级教学成果奖。2023年7月，由湖南大学完成的“构建双重环链，强化系统能力，培养新时代高质量计算机人才”教学成果荣获2022年高等教育(本科)国家级教学成果奖。该成果由赵欢教授主持，李肯立、罗娟、荣辉桂、肖德贵、肖国庆、杨科华、秦云川、刘楚波、汪忠、周旭、刘璇、阳王东、段明星等老师共同完成。
该成果针对计算机专业学生的系统能力培养开展持续探索和实践，建立计算机核心能力模型，逐步形成“构建双重环链，强化系统能力”的培养模式，全面提升了计算机人才培养质量，有效解决了传统计算机教学中存在的“教学体系松散、实践环节无序、计算机系统能力培养不足”等核心问题，为数字中国建设和经济社会发展做出了积极贡献。
成果总体框架
一直以来，赵欢教授教学团队坚持从问题出发，积极探索计算机类专业核心课程的融通式教学方案。
核心模型：横向系统能力链+纵向课程群链
教学团队以系统能力培养为核心，对教学体系和核心课程内容进行整体性重构，以《计算机系统》课程为核心，构建了“系统能力——课程群”人才培养双重环链，即贯穿4年的系统能力横向链以及每个学年的课程群纵向链，环环相扣、前后支撑、层层反馈。
“系统能力-课程群”双重环链
赵欢教授解读道：“这个双重环链模型是我们团队多年探索的结晶。在构建横向链时，我们参考了大量行业标准与前沿技术发展趋势，确保学生系统能力的培养符合时代需求。纵向链则是对课程内容的深度整合，我们组织多门课程老师集体备课，梳理出相互支撑的关键知识点，形成跨课程知识对照表，就是为了让学生获得多维度的知识融合。例如在原型机设计与实现这个实践案例中，涉及多门课程知识，从数字电路的硬件设计，到计算机系统的指令集，再到操作系统的调度，让学生在实践中实现知识的串联。通过这种方式，学生能更好地理解计算机系统的运行机制，提升解决复杂问题的能力。”
这样的创新教学方式令学生们也受益匪浅。在大学四年中收获了成长与蜕变。
智能科学与技术2103 姚姬娜表示：“这个双重环链模型对我的帮助太大了。大一学习数字电路时，感觉知识比较零散。但到了大二学习计算机系统课程，通过横向链的关联，我一下子明白了之前所学数字电路知识在计算机系统中的具体应用，原来它们是紧密相连的。而且在实践环节，纵向链的课程群协同作用，比如在做操作系统课程设计时，计算机系统课程所学知识能帮助我更好的理解系统的底层运行机制，这种多课程联动的学习模式，极大提升了我的实践能力与解决复杂问题的能力。现在我对自己未来进入计算机行业充满信心。”
软件工程2101 程启轩表示：“以往我们可能学完一门课就结束了，知识缺乏连贯性。但在这个模型下，每学年的课程群就像拼图一样，一点点拼凑出完整的计算机专业知识体系。通过参与基于真实项目的实践，我能将不同课程的知识融会贯通，真正感受到自己在系统能力上的成长。这种学习体验是前所未有的，也让我更加热爱我的专业。”
创新举措：全方位提升实践创新能力
教学团队构建了计算机核心能力模型，并将其中的核心能力具化为系统能力，创新性提出“1234”教学模式，有效解决基于课程、课程群组、毕业要求多级评价、改进的系统性和客观性问题，实现系统能力的可培养以及能力达成的可评估。围绕提高学生复杂工程问题应对能力的目标，按照系统能力的培养规律，建立起逐级递进多层反馈机制，形成计算机人才培养全过程可跟踪、可追溯教学体系。
“1234”教学模式
全链式创新生态环境，提升实践创新能力
教学团队依托国家超级计算长沙中心打造全链式创新生态环境，形成“课程实验-综合实践-领域创新应用”三级实践教学体系。即，自创以HNU原型机为代表的“计算思维、上下贯通”的课程实验、自制以HNU口袋猫为代表的“系统思维、层层递进”的综合实践、共建以大数据并行处理与机器学习平台为代表的“工程思维、内外融合”的领域应用创新等实践平台，学生通过“做中学”使用和“学中创”开发平台，直接面对最新领域应用的复杂工程问题。
全链式创新生态环境
物联网工程2201王蔚同学就受益颇多“我们的项目始于《计算机系统》课程中一次关于“软硬件协同设计”的讨论课。当时老师抛出一个问题：‘如何用底层系统思维解决现实世界的复杂需求？’这让我们意识到，计算机不仅是代码和电路，更是连接生命的桥梁。在老师的鼓励下，我们尝试将课程中学到的嵌入式系统架构设计、实时数据流处理和低功耗通信协议优化等技术，与省三甲医院的临床需求结合，最终开发出这套面向生命早期健康的物联网智能监护系统。目前项目已获湖南省创业基金立项，企业正在湘江新区大创园孵化。”
“5+3”教学新方法与4维学习成果评价体系
教学团队设计了“5+3”教学新方法，覆盖“教-学-练-测-评”5个学习环节和“大班授课-小班研讨-强化实践”3种教学层次，提升教与学的效果，实现教学数据跟踪和统计分析。提出4维学习成果评价新方法：学习过程评测依据学生学习行为、学习轨迹数据进行；专业教师测评评价课程学习的能力目标达成；第三方评测负责考察学生程序设计等专业技能；企业导师测评参与系统能力的达成评价。通过4维测评实现了学习成果的多维度、个性化科学评价。
团队的教学成果获得了《中国教育报》的关注，刊发于2025年3月5日06版“高教周刊|探索”《培养系统能力 提升学生核心竞争力——湖南大学计算机类专业教学改革与实践》。
教学改革成效显著
新工科是高等工程教育改革的新范式，其核心目标是提升工程类人才培养质量。然而，我们经过调研发现，当前高等工程教育主要存在以下问题，与现代工程对人才培养提出的更高要求形成了鲜明对比。一是课程体系松散，支撑不足。专业课程一般按软件、硬件、设计等模块分散式教学，课程间融会贯通性差，核心内容滞后于产业发展，难以支撑系统能力培养。二是实践环节无序，技术脱节。实践教学分散于独立实验课程，平台不一、手段单一，验证性实验占比高，缺乏递进式能力培养设计，且远离行业需求，学生难以接触前沿技术。三是评价机制单一，反馈薄弱。一些高校仍以学生的课程考试成绩为主评价学生的“产出”，形式过于单一，不够科学全面，而且反馈机制可溯性差，难以为教学改进提供有效依据。
当前，面对现代工程通常具有的系统结构复杂、设计约束繁多、内部要素冲突等特征，高等工程教育亟须改革，以更好地满足人才培养的高要求。具体到计算机专业教育领域，教育工作者亟须回答：智能计算时代，应如何重构核心课程？什么才是计算机专业学生走向社会的安身立命之本？未来程序员需具备哪些能力？高校如何让学生掌握核心竞争力？
湖南大学计算机类专业以“系统能力”为核心，将其内涵拓展为“程序设计能力+系统设计能力+系统工程能力+IT职业素养”，构建“双重环链”，提出了“1234”教学模式，即：一套全过程跟踪的人才培养教学体系、双重环链的培养方案、三级递进的实践体系和四维的学习成果评价机制。
双重环链：横向能力链与纵向课程群链。“1234”教学模式的核心是“双重环链结构”培养方案。它围绕培养学生解决复杂工程问题的能力，将学生4年的课程学习进行体系化划分，构造贯穿4年的“三个能力+一个素养”的横向能力链，以及支撑能力培养的纵向课程群链，横向链与纵向链环环相扣，前续环节为后续环节的支撑，后续环节为前续环节的反馈。具体而言，横向链贯穿本科4年，分阶段递进式培养“程序设计→系统设计→系统工程→职业素养”能力。“程序设计”强调编程和算法设计实现能力，“系统设计”强调计算机软/硬件、系统的协同设计能力，“系统工程”强调解决复杂工程问题能力，“职业素养”强调专业精神和社会责任，并体现计算思维、系统思维、大工程观等思想。纵向链按学年设置“基础课程→高阶课程→集中实践→成果评测”环节，支撑年度能力目标达成，两链环环相扣，形成“支撑—反馈”闭环。由此，达到加强课程间关联、强化系统能力、提高评价反馈时效性的目的。
螺旋迭代：课程与实践深度融合。为了实现课程之间的融会贯通，我们设计了一套基于“螺旋迭代”的课程新体系，两台自创机器“一虚一实、一软一硬”，以螺旋迭代结构，以解决一个实际工程问题为出发点，将其分解成不同内容和不同能力层级落实到各门核心课程和各个实践环节。课程贯穿。自主研发HNU原型机，贯穿“数字逻辑”“计算机系统”“操作系统”“编译”等核心课程。例如，在“数字逻辑”中仿真CPU部件，“计算机系统”中实现汇编器，“操作系统”中开发链接器，“编译原理”中开发编译器，使学生逐层理解程序底层逻辑，具备全栈开发和优化能力。实践融通。设计HNU口袋猫实验板，贯穿4年实践环节。大一焊接基础板，大二扩展接口，大三开发应用，大四完成毕业设计。通过夏季学期集中实训，实现实践能力的螺旋提升。同一个原型机、同一块开发板，贯穿了多门核心课程和集中实践环节，与以前分散的、以知识灌输为主的教学方式，效果截然不同。
立体教学：启发、探索与共创。在拥有了一套完善的课程体系之后，如何选择核心课程的教学方法以有效达成培养目标，就显得尤为关键。为此，我们采用了“启发式大班授课+探究式小班讨论+阶梯式强化实践”的三层立体化教学方式，并结合数字化工具来增强教学互动。此外，我们还秉持师生共研共创的教学理念。以原型机开发为例，教师负责设计指令集架构，学生则在此基础上逐年进行迭代，开发可视化模拟器和网页版虚拟机，逐步强化原型机的功能。这种教学模式不仅实现了“做中学、学中创”，还极大地激发了学生的自主探索精神。
四维评价：过程化与个性化。我们基于CBE教育理念，建立了“学习过程—教师—第三方—企业导师”四维评价机制。开发智能分析系统、代码评测平台等，实时追踪学习轨迹，侧重个人进步而非横向比较。成绩评定融合多环节细粒度考核，形成“学期大循环+模块小循环”反馈体系，为教学改进提供数据支撑。
改革实施以来，学生的系统能力得到了显著提升，毕业设计质量、就业竞争力以及企业反馈均优于传统教学模式。该项目荣获2022年高等教育国家级教学成果奖二等奖，“鲲鹏计算机系统能力培养课程群虚拟教研室”被教育部选为首批虚拟教研室建设试点项目，“原型机+口袋猫”教学体系也成功入选“101计划”实践平台。
在教育创新的征程中，湖南大学将继续做好教学成果的应用和示范引领，持续探索人才培养模式改革，以新一轮人才培养方案修订为契机，全面提升人才自主培养质量，加快建设富有历史文化传承的中国特色世界一流大学。