高校實驗教學體系改革初探

2007-12-31 00:00:00廖建明侯孟書傅彥

計算機教育 2007年22期

摘要：本文分析了實驗教學工作中存在的諸多問題，然后闡述了多層次、結構化和開放式的實驗教學體系。

關鍵詞：實驗教學體系；教學改革；創新教育

中圖分類號：G424文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0042-03

我校在計算機實驗教學改革過程中，參照國際通用的工程與技術評估條列(Accreditation Board for Engineering and Technology，ABET)列出的工科大學生必須具備的11項能力要求，把國際國內一流大學(如斯坦福、卡耐基·梅隆、伯克利以及清華大學等)的教學理念和成功經驗融合到實驗教學體系之中，形成了有鮮明特色的多層次、立體化的創新人才培養體系。

1實驗教學存在的問題[1][2]

1) 實驗課依附理論課

這種實驗課的實驗大多為基礎型和簡單應用型實驗，為了驗證理論教學的內容而設置，內容相對單一且更新慢，學生僅僅為學分而學習，缺乏積極主動參與。

2) 實驗專業課程設置時間滯后

課程設置一般采用“階梯式”結構，即基礎課→技術基礎課→專業課→專業方向課，致使學生學習專業課時間滯后。例如要學好計算機軟件，一種典型的課程設置觀點認為必須按微積分→物理學→電路理論→模擬電路→數字電路→計算機硬件的順序設置課程。這樣幾乎所有的計算機軟件課程只能安排在三年級以后學習，使高年級階段很難有足夠的時間對學生實施工程項目式的創新教學活動。

3) 缺乏科研與工程實踐訓練

學生一般到最后一學期才有論文導師，本科學生直接參與科研項目的機會較少，難有足夠的時間對學生實施科研與工程實踐訓練，很難使學生形成良好的知識結構，更談不上激發學生的積極思維和創造力。

4) 層次性與體系性不足

實驗課程的設置缺乏層次性和體系性。實驗內容完全一致、難度上沒有層次的實驗課對學習能力強的學生沒有激勵，潛能得不到挖掘，對較慢或散漫的學生沒有鞭策，他們的動手能力難得到提高。另外，實驗課程的設置缺乏體系，對學生綜合能力的提高缺乏系統訓練。

2實驗教學體系建設[3][4][5][6]

針對以上問題，我們認為實驗課程應以創新意識培養為先導、以學生能力培養為主線；以加強學生工程訓練能力和設計能力培養為核心，以多層次、結構化和開放式的實驗教學體系代替傳統的平面化、教條化的實驗教學體系。形成了“實驗與理論結合、軟硬件并重、課內外齊抓、涵蓋基礎型、應用型、綜合型、設計型、創新型”的實驗內容。規劃設計了一個涵蓋計算機科學與技術、軟件工程、信息安全、數字媒體和大型機五個方向并滿足基礎性、探索性和研究性實驗需求的實驗體系，實現了學生四年本科實驗不斷線的培養模式。在實驗內容中，融入了計算機學科前沿技術以及教師的教學和科研的最新成果，注重與科研、工程、社會應用實踐密切聯系。實驗體系結構分為基礎教育實驗、學科基礎實驗和專業技能實驗三個層次。

(1) 基礎教育實驗平臺

面向低年級本科生，以本學科應掌握的物理和數學的公共基礎知識、基本原理的理解、驗證和基本實驗技能的訓練為主要實驗內容，旨在培養學生的科學思維和創新意識，使學生掌握實驗研究的基本方法，提高學生的分析能力和創新能力。基礎教育實驗主要包括物理實驗、數學實驗和數學建模。

(2) 學科基礎實驗平臺

面向高年級本科生，由本學科各個專業方向共性的、具有明顯學科特點的專業實驗內容構成，基本反映了本學科一個合格的本科畢業生應具備的專業基礎性實踐能力和理論知識需求。學科基礎實驗主要包括電子基礎實驗(涵蓋電路分析基礎實驗、模擬電路基礎實驗、數字邏輯實驗、微機原理與接口實驗以及現代電子技術綜合實驗等)、離散數學實驗、程序設計基礎實驗、數據結構實驗、計算機操作系統實驗、計算機組成原理實驗、數據庫原理實驗、編譯原理實驗、計算機網絡基礎實驗、軟件工程實驗等。

(3) 專業技能實驗平臺

面向高年級本科生，具有明顯的專業方向特征，滿足本學科專業課程教學的實驗需要，同時重點培養本學科高年級本科生的專業實踐能力、綜合能力和研究創新能力。包括五個研究方向：計算機科學與技術、軟件工程、信息安全、數字媒體和大型機。

◆計算機科學與技術實驗平臺：主要包括計算機系統結構實驗、形式語言與自動機實驗、軟件開發環境實驗、嵌入式系統開發及應用實驗和單片機及應用等實驗。

◆軟件工程實驗平臺：主要包括UML統一建模實驗、軟件測試技術實驗、軟件過程模型實驗、軟件體系架構實驗和現代軟件技術綜合設計等實驗。

◆信息安全實驗平臺：主要包括計算機系統與網絡安全實驗、網絡與系統攻擊實驗、網絡與系統防御實驗、網絡安全協議實驗和PKI技術等實驗。

◆數字媒體實驗平臺：主要包括計算機圖形學實驗、計算機動畫實驗、三維渲染技術實驗、多媒體技術實驗和數字媒體綜合設計等實驗。

◆大型機實驗平臺：主要包括大型機操作系統概論實驗、大型機體系結構實驗、COBOL程序設計實驗、交易中間件技術實驗和大型機系統綜合設計等實驗。

實驗教學分級分層、循序漸進，從基礎到綜合，再到設計與創新，要求學生完成一定的選修學分和創新學分。其中，基礎型實驗主要為應知應會等原理性實驗；應用型實驗主要介紹現代主流操作系統和流行的應用軟件，訓練學生在主流軟件平臺下的動手能力。同時，配合IBM公司大型主機操作系統認證培訓和考試，鼓勵學生參加專業認證培訓，并取得專業認證證書；綜合型實驗要求學生結合一門課程的多個知識點，甚至綜合多門相關課程，完成一個較為復雜的實驗任務，綜合型實驗是難度較大的實踐環節，通過案例復現和模塊替換實驗等，掌握技術實現和模塊設計的方法與技巧；設計型實驗與實際工程應用相結合，或者完成科研項目的某個模塊，這類實驗由指導教師給定設計目標和設計思路，由學生獨立完成；創新型則完全為開放式教學方式，由學生獨立或者與指導教師共同擬定設計題目和設計目標，并獨立完成。創新型實驗還包括由學生自由組隊參加國際國內各級計算機硬件和軟件大賽。

3實驗教學內容改革

計算機實驗教學的內容要體現厚基礎，寬口徑，軟硬件并重，注重綜合技能訓練，以培養學生的設計和創新能力為核心的實驗教學指導思想。在實驗教學體系改革的基礎上，對實驗內容和實驗項目進行調整和更新，主要調整的重點如下。

(1) 將開設的所有實驗分為三大類：課程實驗、專項實驗、創新實驗。除創新實驗外，每一類實驗又設計了從基礎型到綜合型再到創新型的不同層次的實驗項目。將課程實驗教學與理論課程教學有機結合，幫助學生掌握課程教學中需要實驗驗證和應用實踐的知識點，對輔助和強化課程教學起到了不可替代的效果。所有包含實驗學時的理論課程均有相應的課程實驗，如計算機操作系統、匯編語言程序設計、數字信號處理、數據結構等。專項實驗以學科建設和專項實驗室建設為平臺，將實際的工程項目、科研項目和科研成果中的關鍵技術抽取出來作為實驗項目，以達到培養學生科研、工程和應用實踐能力的目的。如網絡工程系列實驗、網絡安全綜合實驗、安全實驗室專項建設等。創新實驗以培養學生探索精神、科學思維、實踐能力、創新能力為核心，推進學生自主學習、合作學習、研究性學習。創新實驗主要包括大型課程設計、各級各類競賽項目以及由學生自擬的科研項目組成。

(2) 在確?；A型、應用型實驗教學質量的同

時，增加綜合型、設計型、創新型實驗的比例。除創新型實驗外，每個實驗項目都要求有詳細的實驗大綱和實驗指導書，大部分實驗項目還要求提供標準實驗報告、成果考核與驗收形式等。創新實驗則完全實行開放式管理(實驗項目開放、設備和環境開放，時間開放等)，既可以由學生自發組隊，自主完成，也可以為學生指定指導老師，由學生和老師共同擬定題目，學生獨立完成。創新實驗的完成質量可以通過鼓勵學生參加各級各類比賽或者要求提交實驗報告和實驗成果兩種形式得以保障。

(3) 壓縮陳舊的、重復的驗證性實驗，增加反映學科發展方向的新實驗和一些融研究、創新、實踐于一體的實驗項目。大部分實驗課程都設有必修實驗項目和選修實驗項目，學生可以根據自己的興趣和愛好自主選擇。

我校計算機實驗目前共開設本科實驗課程共60余門(含創新實驗類)，實驗項目共計290余項。按照“基礎型、應用型、綜合型、設計型、創新型”的層次化實驗教學體系設置，各層次實驗項目統計如表1所示，各種類型實驗項目所占比例如圖1所示，其中綜合型、設計型和創新型實驗占所有實驗項目的81％。