面向計算機專業(yè)創(chuàng)新實踐教學體系構(gòu)建的案例探索

周靖

摘 要：以提升大學生創(chuàng)新實踐能力為目的，圍繞計算機專業(yè)，闡述創(chuàng)新實踐教學體系構(gòu)建的思路，針對現(xiàn)有的基礎(chǔ)性驗證實驗、獨立實踐型課程、大學生科技競賽和教師科研4種標準教學形式，以案例的形式提出并剖析體系構(gòu)建過程中不同的實踐教學模式、實驗內(nèi)容選擇及成績評價方法，說明近年來專業(yè)在構(gòu)建創(chuàng)新實踐體系過程中取得的成績，總結(jié)持續(xù)完善創(chuàng)新實踐體系的長期性特點。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；實驗教學；計算機專業(yè)；案例

0 引 言

為貫徹《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，教育部提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在培養(yǎng)具有較強工程實踐創(chuàng)新能力的優(yōu)秀工程應(yīng)用人才[1]。顯然，自主創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，對整個高等教育人才培養(yǎng)模式的改革起著舉足輕重的作用，是高水平拔尖創(chuàng)新型人才教育的關(guān)鍵[2-3]。目前，很多高校都非常重視各類實驗教學環(huán)節(jié)對學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。但大部分創(chuàng)新實踐教學訓練平臺、體系結(jié)構(gòu)在實用性、綜合性、細則化程度等方面均缺乏系統(tǒng)研究。從生源角度看，受區(qū)域軟硬件配置、經(jīng)濟條件、師資配備等因素影響，生源自身基礎(chǔ)狀況參差不齊；從教學角度看，整體的育人理念、大綱要求、教案設(shè)置等忽視了學生的個體差異，容易滋生依賴、消極的負面氛圍。本文以計算機專業(yè)為例，對創(chuàng)新實踐教學的標準形式進行分析、改造、嘗試、細則化，以此完善實踐教學質(zhì)量保障體系，構(gòu)建創(chuàng)新實踐教學體系。

1 創(chuàng)新實踐教學體系構(gòu)建的思路

以計算機專業(yè)實踐設(shè)計類課程為主線，貫穿本科4個年級的專業(yè)課程，構(gòu)建創(chuàng)新性實驗教學體系。創(chuàng)新性實驗開展范圍面向電類專業(yè)本科的所有學生，普及化開展。實驗內(nèi)容采用模塊化、層次性、滲透式立體化的選擇方式，實驗設(shè)計分為基礎(chǔ)、拓展和自主創(chuàng)意3部分，在對原實驗教學方案剖析的基礎(chǔ)上，注重各類實驗教學環(huán)節(jié)的組合改造、無縫銜接，制訂計劃指標性實驗細則，并根據(jù)差異性原則，針對不同類型學生的接受能力進行項目分類，區(qū)分指導，逐級深入，既讓優(yōu)等生創(chuàng)新能力充分得到發(fā)揮，又讓后進生跟上隊伍，提高因材施教的效果。教學過程遵循以人為本的理念，注重實際綜合能力的培養(yǎng)，主要包括4種能力。一是前沿信息的檢索、收集、加工能力。學生能夠掌握搜索提煉有用信息的方法，開拓專業(yè)知識視野。二是獨立分析決策能力。學生能夠進行方案可行性分析，敲定實驗設(shè)計方案，同時根據(jù)實驗目的選擇多種可操作的實驗方法，并進行比較。三是團隊合作能力。學會集思廣益，捆綁大智慧，深入溝通互助，協(xié)調(diào)任務(wù)和時間。四是總結(jié)歸納能力。通過對實驗結(jié)果的比較和報告寫作的鍛煉，揭示實驗結(jié)果的本質(zhì)，建立扎實的邏輯思維等。成績評定方式否定“一刀切”，必須綜合全面地考慮各個實驗設(shè)計點的得分，本文將從創(chuàng)新實驗實踐形式、案例解釋、實驗評價方式等方面進行詳細說明。

2 創(chuàng)新實驗教學體系構(gòu)建的案例研究

計算機專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)主要來源于下列4類標準形式：①基礎(chǔ)驗證性實驗；②課程設(shè)計、綜合實驗等獨立的實踐性課程；③參與科技競賽，如全國或全省范圍內(nèi)的大學生電子設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯等；④參與教師科研項目的研發(fā)。目前，上述4類方法，針對不同層次、不同年級的學生，開展普及面呈“金字塔”分布狀。

2.1 基礎(chǔ)驗證性實驗

基礎(chǔ)驗證性實驗是低年級（大一新生）理解教學內(nèi)容、掌握研究技能、學習設(shè)備使用方式的“入門”必修課，處于金字塔的底層，其開展形式主要以“教師講授示范、學生模仿”為主。該方式雖然對鍛煉學生的實驗技能起到奠基性的作用，但學習的被動性太強，千篇一律的實驗過程和釘死的實驗結(jié)果往往使學生不需要思考，甚至限制了學生對科學實驗的好奇心和解決科研問題的靈感。因而，提出“填空串聯(lián)式”驗證性實驗的創(chuàng)新模式，即一是教師講授實驗原理，解釋難點，演示實驗過程，但僅僅展示實驗方案的中間部分、中間結(jié)果或分段給出過程、結(jié)果，學生需要承上啟下，自行思考填充空白的解決實驗方案點；二是同一門課程的所有驗證性實驗設(shè)置都提供知識關(guān)聯(lián)點，要求學生融會貫通新舊知識點，在學期總結(jié)時能串聯(lián)所有實驗點，形成一個設(shè)計性實驗，將驗證性實驗開展為“驗證+思考”的模式。

對具體案例的解析，以計算機本科一年級C++程序設(shè)計課程中“實現(xiàn)選擇排序”實驗為例。教師在整個教學過程中遵循“指導→點撥→鼓勵”的順序。實驗平臺采用萬維捷通考試系統(tǒng)中的C++模塊。指導，教師給出不完整的具體的參考方案，并將部分程序編制成操作填空題錄入考試系統(tǒng)，提示數(shù)據(jù)存儲方式采用數(shù)組形式，循環(huán)點采用for循環(huán)，講解選擇排序原理并提示程序編制流程圖。點撥，依據(jù)選擇排序原理，給出不完整程序中填空部分的具體任務(wù)，讓學生了解方案的基本思路和形成過程，并在考試系統(tǒng)中填空，完成程序的編寫、編譯、運行結(jié)果。鼓勵，實驗課程到這一步時，大部分學生受固有思維和惰性限制，會傾向等待老師指示或就此終止設(shè)計，為了讓學生有動力積極主動探索下一步的可行方案，可考慮設(shè)置專門的獎勵政策，勉勵學生利用已經(jīng)學過的知識完善實驗方案，如for循環(huán)方式可以改成while循環(huán)，改變數(shù)據(jù)存儲形式，擴大數(shù)據(jù)量，改變運行界面，改變系統(tǒng)提交答案時間長短等，同時考究專門的獎勵政策，對完善實驗的內(nèi)容設(shè)定加分制等，期望這些舉措會敦促越來越多的學生停止等待，甚至因擔心落伍從而積極地開展行動。實驗具體方案見表1。對該案例的考核評價，直接采用萬維捷通考試系統(tǒng)中的成績分析功能，對學生編制程序的完整性、準確性進行歸納，定位尖子生與差生之間的距離，并在此基礎(chǔ)上，對有增加實驗內(nèi)容的部分學生依據(jù)增加點設(shè)定加分制度。

2.2 獨立實踐性課程

獨立實踐性課程是創(chuàng)新實驗開展的關(guān)鍵載體，現(xiàn)階段由于師資配備、實踐設(shè)備、人才培養(yǎng)方案設(shè)置等原因，傳統(tǒng)“一布置任務(wù)，二有問題再解決”的授課方式導致大部分學生在規(guī)定的實踐周常處于不思考、不討論、不實踐、不應(yīng)用的學習狀態(tài)中，最終上交的實踐報告內(nèi)容、結(jié)果雷同，無法達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。因而，提出下列有針對性的開展方式：一是綜合設(shè)計性實驗內(nèi)容要涵蓋基本、拓展和創(chuàng)意3部分，基本部分的定性要求要具有典型性，其實驗結(jié)果指標要配置定量要求，在此基礎(chǔ)上提供若干可能的拓展功能接口或功能修改思路，最后對少數(shù)尖子生提出實驗創(chuàng)意要求；二是分組多向交流，開放共享結(jié)題方案、實驗結(jié)果，提高學生的參與度，擴大獨立性實踐課程在“金字塔”分布中的普及面積。

對具體案例的解析，以計算機本科二年級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計的“迷宮”為例 。教師可提示將迷宮若干路線規(guī)劃為若干個“圖”組，基礎(chǔ)實驗的定性要求是設(shè)計程序并實現(xiàn)迷宮的存儲結(jié)構(gòu)及遍歷方法。在設(shè)計平臺和編程工具不限的條件下，實驗的定量要求：①迷宮圖組的存儲結(jié)構(gòu)形式的實現(xiàn)不能單一化，對迷宮的某一條路線（n個頂點e條邊的圖），存儲形式的設(shè)計可以從鄰接表、鄰接矩陣和十字鏈表3種存儲結(jié)構(gòu)中，任選兩種實現(xiàn)（建議以鄰接表為主）；②遍歷迷宮的過程須設(shè)計實現(xiàn)深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先兩種方式，學生通過對教材內(nèi)容、相關(guān)文獻的理解，自行設(shè)計實驗方案和步驟，驗證程序運行結(jié)果。實驗的拓展思路是在完成基礎(chǔ)部分后，為學生提供幾種可能的功能延伸或程序流程設(shè)計變化的思路。針對上述內(nèi)容，為學生推薦兩種深入理解“圖”知識點的方向。拓展一：提高走出迷宮的效率，即以數(shù)點的方式計算并對比3種“圖”存儲方式的時間復雜度（鄰接表O（n+e），鄰接矩陣O（n+n2+e）和十字鏈表O（n+e））；拓展二：細化迷宮“圖”的類型，要求分為有向圖（迷宮路線有出路）和無向圖（迷宮路線無出路）進行存儲和遍歷操作；拓展三：以“樹”的形式實現(xiàn)迷宮的遍歷。通過拓展思路的擬定，進一步拓寬視野，完善代碼設(shè)計，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，鍛煉學生提出問題和解決問題的能力。拓展部分要求學生必須在掌握基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上才能完成擴充，避免基礎(chǔ)驗證性實驗“依葫蘆畫瓢”的弊端。最后是課程的創(chuàng)意設(shè)計部分，主要針對一些理論知識較扎實、對創(chuàng)新實驗興趣濃厚的學生，鼓勵其完全自由創(chuàng)新設(shè)計，創(chuàng)新實驗應(yīng)用范圍，天馬行空地實現(xiàn)實驗要求。創(chuàng)新過程中，結(jié)合分組多向交流的形式（“尖子生”提出想法及方案，教師評價，組員聽取并反饋意見），以較為逼真的方式進行“研發(fā)”，將理論知識進行工程性驗證，體驗作為一名研發(fā)人員如何高效地捕獲資源，如何思考設(shè)計方案并以合作的形式動手實現(xiàn)它。

對本案例的評價規(guī)則從以下4方面考慮：一是制定考核評價表，課程任務(wù)分層次進行，制定中段和末段考核階段評分，末段考核中要重點設(shè)置自主創(chuàng)新或特色鮮明的拓展部分的附加分數(shù)分量；二是任務(wù)得分點的評分規(guī)則要盡可能地細化，須從多方面綜合評估，制定較為科學的評分制度；三是個人得分的制定要引入競爭機制，組內(nèi)設(shè)定互相評價，公平比較小組成員在任務(wù)中的貢獻程度，根據(jù)貢獻度加分或扣分；四是重視實驗報告的評分，依據(jù)細則扣分，嚴禁抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)抄襲扣除所有分數(shù)。該案例考核評價見表2。

2.3 參與大學生科技競賽

大學科技競賽是整合教學碎片化內(nèi)容、碎片化時間的關(guān)鍵點，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效手段。現(xiàn)階段雖然各大高校都在積極地參與并宣傳其重要性，但卻很難擴大參與范圍，活躍創(chuàng)新氣氛。因而，提出基于大方向基礎(chǔ)教學與個性化專業(yè)理念相融合的創(chuàng)新實踐班的開展方式。在教學資源允許的情況下，遵循“以人為本”的個性化發(fā)展，學生可以自由選擇研究方向；針對不同的科技競賽，指導老師與學生共同討論制定專業(yè)教學實踐計劃，共同安排實踐教學時間；發(fā)揮學生的主體地位，鼓勵學生跨專業(yè)、跨領(lǐng)域交流，突出素質(zhì)、知識能力統(tǒng)一；進一步加強實踐班師資隊伍建設(shè)，以高水平教師結(jié)合企業(yè)前瞻性、創(chuàng)新性人才的組建方式，潛移默化地影響學生。

對具體案例的解析，以我校參與“全國機器人足球大賽”為例。在完成大一基礎(chǔ)性課程后，依據(jù)學生自身預期選擇，結(jié)合機器人足球大賽規(guī)則性約束的研究方向，不限制人數(shù)組建實踐班；對學生的選拔，專業(yè)領(lǐng)域不局限于計算機（上位機程序編寫），可擴至電子科學與技術(shù)（擅長信號處理，電路設(shè)計，負責機器人硬件設(shè)計）、電氣工程及其自動化（側(cè)重控制原理，負責機器人自動控制）、數(shù)學（優(yōu)化算法）等，并逐年形成高、低年級“梯隊式”創(chuàng)新團隊；分步制訂教學計劃，首先設(shè)置機器人足球?qū)д摻榻B，其次是機器人基本動作、路徑規(guī)劃、決策能力等研究課程，然后是目前系統(tǒng)的實時性、準確性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性配置及測試；循序漸進，讓學生中分化出來的自信心強、有領(lǐng)導能力的“高手”擔當起各競賽小團隊的核心角色，可授權(quán)其制作教案，講授部分專業(yè)知識，小組成員點評；模擬歷年比賽場景，搭建交流平臺，找缺點，找技術(shù)創(chuàng)新特色點，使各項技術(shù)成熟化；與學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院對接，期望通過與銘賽等國內(nèi)知名機器人研發(fā)企業(yè)合作的方式，給學生提供從工程角度思考并對比自身思維的平臺，讓其自行判斷應(yīng)用技術(shù)及機器人產(chǎn)品的應(yīng)用價值。

對本案例的考核評價公式是：成績分數(shù)=β×基本分×團隊成員評價平均分數(shù)+（1-β）×基本分+主觀調(diào)控分（教師主觀因素，表現(xiàn)因素，高低年級因素）其中，β=0.2×（基本分/100）2，基本分配置為10分。

2.4 參與教師科研項目的研發(fā)

參與大學生科技競賽和教師科研項目的研發(fā)均是學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)“金字塔”普及應(yīng)用形態(tài)的頂層部分。若只強調(diào)科技競賽的重要性會存在以下問題：“全國電子設(shè)計大賽”等高水平科技競賽參賽院校大都包括“985” “211”等名校，想在競賽中取得突出成績很難，如果幾年訓練下來無法獲得獎項，會對競賽實踐班的生存造成很大的困擾；對教師而言，若科技競賽內(nèi)容與自身科研方向大相徑庭，也會感到動力不足，當訓練強度加大時，科技競賽反而會成為教師的困擾。因而，提出科技競賽緊密貫穿教師科研項目，定位教師主導、學生主體，共同保障科研團隊的開展模式。

以筆者的廣東青年創(chuàng)新人才項目“面向混合屬性對象的伸縮性聚類方法及其應(yīng)用研究”為例。課題中數(shù)據(jù)點熵特征變化、平均互信息的距離度量等內(nèi)容可提高機器人性能，提取該研究點融入實踐班教學中，讓學生學習教師的成果。布置搜索任務(wù)，團隊每位成員須在知網(wǎng)等公共資源中查找5～8篇相關(guān)文獻，了解其前沿科學動態(tài)，并緩解科技競賽長時間工程訓練的乏味。各成員總結(jié)歸納搜索捕獲的知識點，與教師討論相關(guān)研究點的距離變換的原理解析、MATLAB仿真過程，提高看問題、屢思路的平臺。將科研項目的結(jié)題工作作為科技競賽的延續(xù)，鼓勵學生參與整理、總結(jié)結(jié)題報告，歸納資料，搭建算法仿真系統(tǒng)平臺。針對熵特征變換、平均互信息距離度量等創(chuàng)新點，可以指導學生撰寫相關(guān)專利申請、科研論文，并將其篩選出來繼續(xù)深入挖掘，作為學生的畢業(yè)設(shè)計選題，將科技競賽、畢業(yè)設(shè)計實踐、科研項目研發(fā)貫穿成一條線。另外，本階段，應(yīng)逐步放手，全方位開放實驗室資源，并提供一定資金（教師科研經(jīng)費、實驗室低值易耗品經(jīng)費等）由學生自主掌握購買測試數(shù)據(jù)、實驗設(shè)備等。同時，力爭與上游產(chǎn)品接軌，與業(yè)界主流公司合作，讓公司工程師直接進入實驗室，為創(chuàng)新性實驗課題的擬定提供技術(shù)支持。

3 取得的成績

我系計算機專業(yè)自2011年逐步建立創(chuàng)新實驗教學體系以來，已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的、混合的創(chuàng)新團隊。人員數(shù)量逐年增加，涵蓋了院系各個電類專業(yè)大二至大四的同學。團隊在全國機器人競賽、全國電子設(shè)計大賽、“挑戰(zhàn)杯”等競賽中獲得近百余項較好成績，其中國家級競賽季軍5項，一等獎20多項，二等獎60項。同時，團隊也積極參與國家自然科學基金、省自然科學基金、省市級科技計劃等科研項目的申報與結(jié)題工作。團隊中的學生考研深造時成績突出，直接就業(yè)時也都能很快獲得企業(yè)的青睞。以此為契機，創(chuàng)新實驗教學體系的構(gòu)建為提升我院的綜合競爭力奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

對高校而言，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才，是實現(xiàn)國家發(fā)展戰(zhàn)略目標的切實要求[4-5]。計算機創(chuàng)新實踐教學體系的構(gòu)建是漫長的、循序漸進的過程。隨著計算機前沿理論、技術(shù)不斷更新?lián)Q代，需要及時將新的科研成果、技術(shù)平臺、管理理念應(yīng)用到創(chuàng)新教學中，進一步擴大培養(yǎng)成果，提升創(chuàng)新實驗訓練效果，完善其運行機制，為今后學校培養(yǎng)更多具有工程創(chuàng)新實踐能力的綜合性人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部. 卓越工程師教育培養(yǎng)計劃[Z]. 2010.

[2] 童軍軍， 崔秀紅. 創(chuàng)新實驗的設(shè)計性和自主性[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2008， 25（7）： 23-24.

[3] 劉志剛. 以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標構(gòu)建高水平實驗教學大平臺[J]. 中國高等教育， 2009（6）： 20-22.

[4] 楊玨， 張文明. 以科技競賽為載體提升大學生創(chuàng)新實踐能力[J]. 中國高等教育， 2014， （20）： 30-32.

[5] 柯文德， 彭志平， 陳珂， 等. 實驗教學質(zhì)量監(jiān)控在創(chuàng)新科技競賽中的應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索， 2013， 32（11）： 160-163.

（見習編輯：景貴英）