校企共建模式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)體系

蘇統(tǒng)華+李全龍+涂志瑩+李東+王忠杰

摘 要：針對(duì)當(dāng)前課程對(duì)實(shí)踐能力培養(yǎng)不足的問題，提出校企共建模式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目，立足于面向產(chǎn)業(yè)界培養(yǎng)領(lǐng)軍人才的特定目標(biāo)，引入校企合作機(jī)制，采用以校為主、為校所用的基本原則，構(gòu)建獨(dú)具風(fēng)格的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程共建體系。經(jīng)過在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)上的多年實(shí)踐和驗(yàn)證，證實(shí)了共建模式在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程上的有效性。

關(guān)鍵詞：校企合作；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐教學(xué)；合作模式改革

0 引 言

針對(duì)創(chuàng)新及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，美國(guó)制定了著名的“2061計(jì)劃”，旨在用一代人的時(shí)間改變美國(guó)的教育體制，造就新一代具有高度科學(xué)素養(yǎng)的國(guó)民[1]。我國(guó)教育部在2012年發(fā)布了《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》，明確提出將“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”作為提高高等教育質(zhì)量的重要舉措。

針對(duì)計(jì)算機(jī)類課程，筆者提出校企共建模式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課建設(shè)方案。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課是“985工程”建設(shè)項(xiàng)目“創(chuàng)新能力提升計(jì)劃”的子項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在通過集中優(yōu)質(zhì)教育資源，為基礎(chǔ)好、能力強(qiáng)、有精力、有興趣的優(yōu)秀本科生提供優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)平臺(tái)，安排難度和深度適當(dāng)?shù)木C合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)為案例，本文詳細(xì)探討了其共建模式和課程體系。不論是從最初的建設(shè)模式還是最終收到的效果來看，該模式都頗具特色，最終實(shí)現(xiàn)了學(xué)生、學(xué)校和企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、三方共贏。

1 校企合作模式

工科高校要培養(yǎng)掌握現(xiàn)代工程技術(shù)、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才，因此實(shí)踐能力培養(yǎng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)。然而，目前我國(guó)開設(shè)計(jì)算機(jī)和軟件類專業(yè)的高等院校，存在著人才培養(yǎng)體系重課堂教學(xué)、輕實(shí)踐教學(xué)，師資隊(duì)伍缺乏實(shí)踐教學(xué)能力，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)習(xí)基地建設(shè)嚴(yán)重滯后等問題[2]。如何借助社會(huì)力量，盡快培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的計(jì)算機(jī)類高級(jí)工程技術(shù)人才，已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)和軟件類高等教育教學(xué)的重要問題。

校企合作聯(lián)合培養(yǎng)軟件人才是解決學(xué)校教育與社會(huì)需求脫節(jié)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑[3]。教育部“卓越工程師計(jì)劃”中明確指出：企業(yè)不僅是人才的使用者，還要深入人才培養(yǎng)過程，與高校深度合作，聯(lián)合制訂人才培養(yǎng)計(jì)劃。企業(yè)為人才培養(yǎng)提供實(shí)踐環(huán)境和技術(shù)支持，學(xué)校為企業(yè)提供智力支持，高效能地為國(guó)家建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)服務(wù)。

課程共建的合作模式是決定課程最終目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的重要因素。在合作模式的探索上，有的學(xué)者從企業(yè)角度進(jìn)行討論[4]，更多的則是從高校角度進(jìn)行總結(jié)[5-6]。大體來講，可以分成企業(yè)主導(dǎo)型、高校主導(dǎo)型和企業(yè)—高校共同主導(dǎo)型。對(duì)于企業(yè)主導(dǎo)型，很多高職類院校遵從這一模式。在這一模式下，以企業(yè)的需求為第一目標(biāo)，高校所有的課程設(shè)置和實(shí)踐安排均為了滿足企業(yè)需要的技能。高校主導(dǎo)型則以高校力量為主，企業(yè)的參與處于從屬地位。這一模式中，在制訂培養(yǎng)體系或課程實(shí)施過程時(shí)加入了企業(yè)的力量。有的是在授課過程中聘請(qǐng)企業(yè)專家進(jìn)行授課或指導(dǎo)，有的則在培養(yǎng)方案制訂期間，征詢企業(yè)專家的意見。對(duì)于共同主導(dǎo)型模式，企業(yè)和高校雙方以對(duì)等方式合作，培養(yǎng)目標(biāo)和課程設(shè)置經(jīng)雙方深入議定，雙方均有決定權(quán)。

筆者啟動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課采用高校主導(dǎo)型共建模式。確定這一合作模式的理由有3點(diǎn)：第一，高校對(duì)于如何培養(yǎng)具有未來競(jìng)爭(zhēng)力的高端人才更有經(jīng)驗(yàn)；第二，以往的合作經(jīng)驗(yàn)表明，高校如果失去人才培養(yǎng)的獨(dú)立性，將退化為職業(yè)技術(shù)教育；第三，引入企業(yè)的力量，并不單單為了這個(gè)企業(yè)培養(yǎng)人才，而應(yīng)為整個(gè)行業(yè)培養(yǎng)人才，如果教學(xué)內(nèi)容淪為某個(gè)企業(yè)專有工具的使用技術(shù)，培養(yǎng)出的學(xué)生是難以具有較高競(jìng)爭(zhēng)力的。

2 課程共建體系

課程的共建體系，既要保證高校在人才培養(yǎng)上的獨(dú)立性，又要培養(yǎng)出適合行業(yè)需求的人才。本文結(jié)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)，具體說明課程共建體系。在與合作公司開展校企合作共建過程中，筆者從4個(gè)方面做了頂層規(guī)劃：首先是課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容；其次是軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境；再者是課程的認(rèn)證和質(zhì)量保證體系；最后是教學(xué)服務(wù)平臺(tái)。這4個(gè)方面并不是相互獨(dú)立的，存在很多交織。

本課程面向全校學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生開設(shè)，在課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)上，結(jié)合GPU程序設(shè)計(jì)實(shí)例，旨在幫助學(xué)生學(xué)會(huì)采用并行思想解決問題，同時(shí)鍛煉和發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力和計(jì)算思維能力，提高解決實(shí)際大規(guī)模任務(wù)中性能相關(guān)的高級(jí)技能。為了達(dá)到這一教學(xué)目的，必須密切聯(lián)系企業(yè)所在行業(yè)的重點(diǎn)需求，并在需求驅(qū)動(dòng)下設(shè)計(jì)經(jīng)企業(yè)認(rèn)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。經(jīng)過雙方多輪次的深入討論，確定了課程的講授內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。目前課程為24學(xué)時(shí)，其中8學(xué)時(shí)進(jìn)行CUDA基本編程知識(shí)的講授，8學(xué)時(shí)完成4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，剩余8學(xué)時(shí)完成一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目。整個(gè)講授內(nèi)容分成相互銜接、難度逐次遞增的3個(gè)層次。第1層次介紹并行處理的基本概念和常用并行模式，配合實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐，比較串行程序設(shè)計(jì)與并行程序設(shè)計(jì)的區(qū)別。并行程序的開發(fā)有其不同于單核程序的特殊性，并行模式和算法是重中之重。第2層次是結(jié)合實(shí)例，學(xué)習(xí)CUDA程序設(shè)計(jì)，從最簡(jiǎn)單的矩陣加法入手，介紹CUDA程序的一般結(jié)構(gòu)和流程，然后重點(diǎn)介紹CUDA針對(duì)GPU的核心抽象機(jī)制，這些機(jī)制將嚴(yán)重影響GPU上的程序性能，也是本部分的難點(diǎn)之一。在此基礎(chǔ)上，講解如何對(duì)CUDA程序的性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)，充分利用硬件的潛力。在最后的第3層次，提供多個(gè)CUDA問題場(chǎng)景，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，重點(diǎn)讓他們嘗試解決這些實(shí)際問題，并優(yōu)化CUDA程序的性能。

在軟硬件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建過程中，應(yīng)發(fā)揮雙方的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)需要配置英偉達(dá)顯卡的計(jì)算機(jī)和支持GPU計(jì)算的工具包軟件。在硬件環(huán)境上，一部分學(xué)生沒有攜帶該顯卡的筆記本電腦，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。筆者從兩個(gè)方面解決這一問題：一方面利用學(xué)校對(duì)本課程的經(jīng)費(fèi)支持，購(gòu)置兩臺(tái)服務(wù)器；另一方面，從合作公司申請(qǐng)近10塊最新的GPU顯卡或嵌入式GPU設(shè)備，置于服務(wù)器插槽，滿足一些學(xué)生在硬件上的短缺問題。在軟件環(huán)境的配置上，對(duì)于收費(fèi)的加速軟件，申請(qǐng)合作公司的授權(quán)，可以在教學(xué)上免費(fèi)使用。

為了保證課程達(dá)成目標(biāo)質(zhì)量，雙方建立了嚴(yán)格的公司認(rèn)證和質(zhì)量保證體系。認(rèn)證首先是合作公司對(duì)授課教師的認(rèn)定，只有授課教師在技術(shù)水平、授課能力上達(dá)到合作公司的筆試和機(jī)試要求，方有資格開設(shè)課程。為了幫助高校教師提高技術(shù)水平，合作公司每年會(huì)調(diào)集GPU開發(fā)專家對(duì)授課教師進(jìn)行培訓(xùn)，通過者會(huì)獲得GPU培訓(xùn)師證書。第二層面的認(rèn)證是課程認(rèn)定，只有課程的學(xué)時(shí)、目標(biāo)和內(nèi)容能夠匹配合作公司的實(shí)際需求，課程才能得到認(rèn)證。在授課過程中，合作公司工程師會(huì)對(duì)課程進(jìn)行支援，幫助講授1～2個(gè)最新技術(shù)專題。第三個(gè)層面的認(rèn)證則是對(duì)學(xué)生的認(rèn)定，學(xué)生只有通過了由認(rèn)證教師講授的認(rèn)證課程，才能得到合作公司頒發(fā)的課程認(rèn)證證書。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)在執(zhí)行過程中遵循嚴(yán)格的篩選和淘汰機(jī)制。首先通過選課資格考試，從全校10多個(gè)專業(yè)70～80名學(xué)有余力的學(xué)生中選擇30～40名。其次在最終的考核上，嚴(yán)格把關(guān)，一般50%的學(xué)生可以通過課程考核。課程考核按照累加式評(píng)分，課程的總成績(jī)由以下3部分構(gòu)成：平時(shí)表現(xiàn)占10%；4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)共計(jì)占40%；創(chuàng)新大作業(yè)占50%。評(píng)分大項(xiàng)在于基本實(shí)驗(yàn)完成情況和創(chuàng)新作品的水平，意在重點(diǎn)考核學(xué)生并行程序設(shè)計(jì)的能力以及解決實(shí)際問題的水平。

在教學(xué)服務(wù)平臺(tái)上，雙方均做了大量工作。高校提供完善的在線教學(xué)網(wǎng)站，可供公司實(shí)時(shí)查看課程進(jìn)度并檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。每年的教學(xué)情況，高校也要提交總結(jié)報(bào)告供公司評(píng)估。合作公司組織最新技術(shù)的培訓(xùn)、資源共享和在線咨詢論壇。除此之外，雙方合作推進(jìn)全國(guó)GPU教學(xué)聯(lián)盟，積極與全世界的高校一起交流GPU教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)服務(wù)平臺(tái)的支持下，學(xué)生可以隨時(shí)在線上提問，并很方便地與合作公司專家進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目的合作。

正是這4個(gè)層面的設(shè)計(jì)，幫助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課的培養(yǎng)目標(biāo)得以順利達(dá)成。高?？梢园l(fā)揮其在高端人才培養(yǎng)上的優(yōu)勢(shì)和決定權(quán)。企業(yè)可以通過認(rèn)證、保證機(jī)制以及實(shí)時(shí)抽查機(jī)制維持課程的執(zhí)行方向不會(huì)偏離行業(yè)的真實(shí)需求。

本課程自2013年開課后，反響強(qiáng)烈。課程得到合作公司認(rèn)證，通過本課程考試的學(xué)生，直接獲得合作公司官方頒發(fā)的課程認(rèn)證證書。目前，已有50余名學(xué)生順利通過本課程的考核，獲得了合作公司的認(rèn)證。

3 課程執(zhí)行情況與主要成果

3.1 課程執(zhí)行情況

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)自2013年開設(shè)以來，已經(jīng)持續(xù)了5年。這里收集了最初兩次的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。2013年秋參加該課程學(xué)習(xí)的32名學(xué)生中，有6名因?yàn)榈秸n率不達(dá)標(biāo)而被取消資格，其余26名學(xué)生的成績(jī)分布見圖1。從成績(jī)分布可以看出，創(chuàng)新類課程與普通課程有較大區(qū)別。普通課程的成績(jī)分布一般呈現(xiàn)正態(tài)分布，而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課兩極分化比較嚴(yán)重。這一分布情況跟課程的性質(zhì)密切相關(guān)，本次成績(jī)的分布是合理的。當(dāng)課程目標(biāo)不再是讓學(xué)生死記硬背一些知識(shí)點(diǎn)，而是要自主、靈活地解決較大難度的實(shí)際問題時(shí)，一定比例的學(xué)生很難勝任，這也說明學(xué)生在解決實(shí)際問題的能力方面仍有不足，而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課可以在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程的真空區(qū)。

參加2014年秋課程學(xué)習(xí)的37名學(xué)生中，有15名因?yàn)榈秸n率或者未參加創(chuàng)新作品而被取消資格，其余學(xué)生的成績(jī)分布見圖2。同樣可以看到，創(chuàng)新類課程成績(jī)的分布與普通課程有較大區(qū)別，同時(shí)第二次開課的通過率較第一次開課有一定提高，特別是出現(xiàn)了更多較好的作品。

每次課程結(jié)束，都加入了匿名評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。兩次開課共收集到37份有效評(píng)價(jià)表，學(xué)生普遍肯定了本課程的教學(xué)效果。本課程對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)方面的作用，歸納起來有以下幾點(diǎn)。

（1）增強(qiáng)了動(dòng)手能力和鉆研能力，加強(qiáng)了解決問題能力，培養(yǎng)了開拓精神和能力；

（2）真正利于學(xué)生的全面發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的潛力和認(rèn)知極限；

（3）增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)了自學(xué)能力和創(chuàng)新能力；

（4）比較鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；

（5）培養(yǎng)了并行設(shè)計(jì)思想、堅(jiān)持的精神；

（6）建立起GPU開發(fā)能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；

（7）不拘泥于單純的理論教學(xué)，培養(yǎng)了自主研究能力；

（8）培養(yǎng)作用非常大，學(xué)到了非常多跨專業(yè)的知識(shí)；

（9）擴(kuò)展了自己的視野；

（10）提高了并行編程能力，加強(qiáng)了對(duì)問題深入研究與優(yōu)化程序的能力。

3.2 課程主要成果

本課程在教學(xué)上，秉持“國(guó)際化”特色，引進(jìn)多本GPU課程教材，積極利用MOOC教學(xué)工具革新GPU課堂；緊密結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)科研需求，自主研發(fā)基于GPU的CNN、LSTM等深度學(xué)習(xí)平臺(tái)，并成功轉(zhuǎn)化文字識(shí)別領(lǐng)域的研究成果；在學(xué)生培養(yǎng)上結(jié)合軟件學(xué)院“工業(yè)化”特色，在無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)以及文字識(shí)別等研究項(xiàng)目上取得了優(yōu)異的成績(jī)，并獲得了百度、大疆等知名互聯(lián)網(wǎng)公司和創(chuàng)新公司的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。

（1）編寫了能夠較好支持課程建設(shè)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。按照循序漸進(jìn)的原則，科學(xué)地設(shè)計(jì)了4個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，用于鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)并行理論和基本并行程序設(shè)計(jì)技能。另外，根據(jù)學(xué)生的興趣和專長(zhǎng)，課程設(shè)置自選題目的創(chuàng)新大項(xiàng)目，注重解決大規(guī)模任務(wù)中的實(shí)際問題。

（2）建設(shè)了能夠基本支持學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和環(huán)境。實(shí)驗(yàn)需要配置英偉達(dá)顯卡的計(jì)算機(jī)，我們利用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和合作公司捐助，配置了兩臺(tái)GPU服務(wù)器，解決了硬件短缺問題。另外，本課程積極爭(zhēng)取合作公司的贊助，收到合作公司提供的4套嵌入式開發(fā)板（Jetson TK1），可以支持大項(xiàng)目的開發(fā)。

（3）本項(xiàng)目培養(yǎng)了一批大規(guī)模并行程序設(shè)計(jì)的人才，也在非常廣的領(lǐng)域內(nèi)展示了大規(guī)模并行程序的威力。該課程完成的創(chuàng)新大項(xiàng)目，涵蓋多個(gè)學(xué)科的挑戰(zhàn)問題。多名曾參加本課程學(xué)習(xí)的學(xué)生，如今正在把所學(xué)知識(shí)用到自己的研究工作中，也有一些學(xué)生如愿到知名公司實(shí)習(xí)。

（4）結(jié)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課，課程組取得了一批有影響的科研成果。2013年，任課教師獲合作公司官方認(rèn)證的首批CUDA工程師稱號(hào)和CUDA培訓(xùn)師稱號(hào)。以本課程為基礎(chǔ)，2014年所在單位成為GPU教育中心（GEC）和GPU研究中心。課程組自2014年以來，翻譯出版了3本GPU計(jì)算方面的教材（《CUDA并行程序設(shè)計(jì)：GPU編程指南》《CUDA專家手冊(cè)：GPU編程權(quán)威指南》《CUDA高性能并行計(jì)算》），很好地推動(dòng)了高性能程序設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的教學(xué)工作。

（5）課程得到合作公司認(rèn)可。通過本課程考試的學(xué)生，直接獲得合作公司官方頒發(fā)的課程認(rèn)證證書。在2015年GPU教育中心年會(huì)上，所在單位憑借優(yōu)秀的課程設(shè)置、出色的課程執(zhí)行效果以及在GPU計(jì)算研究方面的豐碩成果，得到了合作公司和其他GEC成員的一致認(rèn)可，當(dāng)選本年度最佳GEC獎(jiǎng)。在后續(xù)的2016年度，所在單位再次蟬聯(lián)最佳GEC獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，是當(dāng)今高等教育改革的重要主題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)啟動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目是培養(yǎng)和發(fā)展本科階段學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要舉措之一；所在單位采用校企共建模式開設(shè)了一門名為CUDA高性能并行程序設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，在建設(shè)模式上采取以校為主、為校所用的基本原則，構(gòu)建了獨(dú)具風(fēng)格的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程共建體系。最終收到的效果實(shí)現(xiàn)了學(xué)生、學(xué)校和企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、三方共贏。

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（編輯：孫怡銘）