提升計算機專業實踐能力的研究與探索

摘要:本文從實驗課程教學體系、實驗教學內容、實驗教學方法和實驗方法學、實驗教學軟硬件環境以及實踐教學團隊方面闡述作者多年來在如何提高計算機專業實踐能力方面的研究體會，全面分析影響學生綜合創新實踐能力的因素，提出可供借鑒的方法和手段。

關鍵詞:實踐教學體系;創新;實驗方法學

近幾年，隨著計算機在各行各業的快速普及，社會對計算機人才的需求持續增長，對計算機人才解決實際問題和創新能力的要求不斷提高。在“十五”和“十一五”實驗教學建設項目支持下，我們廣泛開展國內外實驗教學調研分析，認真解讀教育部高等學校計算機科學與技術教學指導分委員會最新制定的計算機專業實踐規范，在如何提高計算機專業實踐能力方面進行了認真、細致、系統、深入的研究，從實驗課程教學體系的制定、實驗教學內容的創新、實驗教學方法和實驗方法學的靈活運用掌握、實驗教學軟硬件環境的建設以及實踐教學團隊的建設等方面研究和探討了增強學生綜合創新實踐能力、提高社會競爭力的方法和手段。

1著眼大局，構建完善的計算機專業實踐教學體系

我們長期跟蹤研究美國計算協會(ACM)和電氣與電子工程師協會(IEEE)聯合推出的計算機教學計劃參考方案CC2001、CC2005和CS2008，同時，深入剖析國內外十多所一流大學計算機專業課程體系[1-2]，并開展實踐教學體系的研究。對比國內外實際情況，我們分析研究國內大學計算機專業的特點和社會環境，并借鑒國內獲得良好成果經驗的大學計算機專業實踐教學體系。經研究分析，我們認為在制定計算機專業本科教學計劃時，應將實踐教學體系貫穿

前后，在考慮各門類課程設置的同時，加大實踐教學所占比例，按照基礎驗證類實驗、課內綜合設計類實驗、綜合課程設計和自主創新實踐四個層次貫穿大學四年整個實踐能力的培養過程，并通過基礎驗證類實驗加深學生對知識點的理解和把握;通過課內綜合設計類實驗強化學生對單一課程內相關知識點的融會貫通;通過綜合課程設計增強學生綜合運用相關系列課程專業知識解決實際問題的能力;通過自主創新性實踐培養學生的創新實踐能力[3]。這四個層次之間應做到點面結合、配合緊密、循序漸進、突出創新，從計算機硬件、軟件、網絡三個方面全方位地培養學生的工程實踐能力，并通過不斷建設和完善教學團隊、實踐教學方法、實踐教學環境和實踐教學管理使整個實踐教學體系得以有效運轉。

這種創新性的實踐教學體系科學、可行，能夠有效保證實驗建設具有先進的水平和顯著的效果，同時也為后續實驗內容、實驗平臺、實驗組織管理等方面建設奠定了堅實的基礎。其中綜合課程設計和自主創新實踐不僅應在實驗內容上結合當前科研方向體現綜合性和系統性，強調培養學生具有綜合運用所學的多門課程知識解決實際問題的能力，以及系統分析、設計和集成能力，而且在組織和實施上應采用項目團隊的方式，幫助學生樹立團隊精神和協作精神，培養學生的組織能力、創新能力以及良好的科研素質。

作者簡介:李曉勇，男，講師，博士，研究方向為信息安全。

2教學科研相結合，不斷創新實驗教學內容

計算機專業是一門年輕的學科，新技術的產生和應用層出不窮，實驗教學內容設計是否合理將在很大程度上影響學生實踐能力的提高以及畢業后的社會競爭力。

教學應緊跟科研發展，根據計算機技術的研究和應用情況不斷理順知識體系，優化實驗內容，可以從實驗內容類型、實驗深度類型和實驗廣度類型三個角度不斷創新實驗內容，使學生可以在學校里學習并掌握到最新的知識和工程實踐能力。例如，北京交通大學計算機與信息技術學院下的信息安全實驗室將科研和教學相結合，緊跟信息安全技術發展趨勢，將可信計算平臺的最新成果納入到信息安全的課程教學之中，并鼓勵學生自主利用相關知識開發出實際可用的“應用安全控制”產品，克服了傳統防病毒技術中的被動性，目前該產品已經用于金融時報等多家媒體單位。

在實驗項目的選題和設計上，應以“學以致用”為目標，盡可能與實際應用掛鉤，提供豐富的參考題目，并積極創造條件，鼓勵和促進學生開展創新活動。以人工智能課程實驗為例，為使學生深入理解人工智能的基礎理論和基本技術，提高學生利用人工智能技術分析和解決復雜問題的能力，將實驗教學的目的從單純傳授知識轉向培養學生發現問題的能力、獲取知識的能力和創新與創業的能力。在實驗內容的設計上，可以智能agent為主線，將人工智能的各個論題處理成機器人(Lego Mindstorms NXT)任務，使人工智能的各個知識點有機整合。在實驗室中，學生構建機器人，并編程完成任務。通過構建物理實體并編程控制它，學生有機會直接接觸人工智能中的許多中心問題，包括各種搜索與推理方法、知識表示、機器視覺、自然語言理解、機器學習，等等。更重要的是，機器人論題可以提升學生實驗興趣，激勵學生進行實驗創新，并且幫助學生獲得相當大的成就感。

3改革實踐教學方法，注重實驗方法學

在配套的實踐教學體系支撐下，根據不斷優化的實驗教學內容，應不斷研究和革新實踐教學方法，綜合運用實物驗證演示、虛擬實驗先行、案例解析等多種實驗教學方法，促進學生的實踐能力提高與個性發展;充分發揮網絡在實踐教學中的作用，建立先進的信息化實驗教學實施條件，大力推進基于網絡的實驗教學，鼓勵學生進行研究性學習和自主實驗。例如，可以在課程的入門實驗中，由教師提供一些現成的模塊、框架或者代碼片段，讓學生在此基礎上進行實驗，使學生集中于關鍵環節，抓住主要矛盾，避免一開始就陷入繁瑣的細節而挫傷學生的積極性。再例如，在計算機系統一級上的實驗，可以將跨越數月的綜合課程設計分成若干階段，要求學生以2～5人為單位組成實驗小組，分工合作，定期匯報方案和進展，教師分階段對學生的實驗技能進行評價，避免出現實踐技能判定的機械性。這一方面鍛煉了學生的自主協作研究能力;另一方面通過教師的點評把教師的經驗灌輸給了學生，可以獲得很好的教學效果。

我們在研究中發現，在教授學生實驗技能的過程中，教師常常忽略對實驗方法學的傳授。古語說得好，“授人以魚，不如授人以漁”。實驗方法學的傳授，可以讓學生站在更高的角度，更全面地去分析、設計和實現實驗內容。在學生進行實驗準備、實驗設計、實驗操作以及實驗考核的整個實驗過程中，實驗指導教師可以在實驗設備、實驗方案、實驗手段以及實驗檢測方法的選取上有針對性地從實驗方法學的角度講授方案論證、設計原則和實踐經驗。例如，在進行計算機硬件相關實驗時，很多時候需要使用觸發器和計數器等元器件，觸發器和計數器的型號繁多，不同型號的元器件對器件功能實現、功耗指標、環境要求等方面都存在不同的影響，那么，教會學生如何根據實驗要求選取合適的實驗器件應該是教師重點關注的地方。又例如在網絡工程的組網實驗中，應教會學生如何在HUB、二層和三層交換機、路由器、防火墻等網絡硬件設備中選取最適合的設備，達到功能完善、經濟實惠、可擴展性強、安全可靠等目標，以完成實用性地組網訓練，而不僅僅是紙上談兵。將實驗方法學的講授貫穿整個實踐教學體系，逐步培養學生的實驗素養，對提高學生的自主創新能力，增強社會競爭力將具有顯著的效果。

4與時俱進，搭建配套的實驗教學軟硬件環境

俗話說“工欲善其事，必先利其器”。有了完善的實驗教學體系和創新的實驗教學內容，還需要有配套的實驗軟硬件環境的支撐。計算機技術的迅猛發展，帶來的是計算機各種軟硬件設備的快速更新換代。

在建設計算機實驗教學軟硬件環境時，應著力避免一窩蜂上的錯誤模式，從實驗教學內容、實驗教學人數、實驗教學團隊、實驗教學經費、實驗教學場地等方面全面論證，認真仔細地進行規劃，避免重復建設，有計劃、有步驟地實施實驗硬環境建設。在實驗教學軟環境建設上，一方面應該充分貫徹教學科研相互促進的宗旨，有選擇地將一些科研成果，服務于課程實驗教學，同時積極推進基于因特網的虛擬實驗體系建設，更好地幫助學生學習;另一方面應該充分開發調動教師的創造性和積極性，自主編寫配套的實驗教材、自主研制配套的軟硬件實驗平臺。

國防科學技術大學計算機學院，在計算機實驗教學軟硬件平臺建設上取得了較大成果。多年來，在堅持“突出素質教育和創新能力培養”、“穩定性和先進性相結合”和“自編與選用相結合”的方針基礎上，不斷吸取國內外著名大學教材建設的先進成果，面向本專業課程體系改革和建設需要，自編實驗教材和講義十余部，例如《收音機安裝指南》、《操作系統課程設計》、《計算機系統課程綜合設計指導書》、《程序設計課程設計》、《軟件工程實踐教程》、《網絡工程課程設計》和《網絡攻防課程設計》等，并有多部高水平實驗教材已經正式出版。在硬件實驗平臺方面，采用引進與自主開發方式不斷升級實驗平臺，已成功開發“計算機系統綜合設計平臺”、“單片機實驗套件”、“計算機網絡輔助教學系統-NetDemo”等，并在全國得到推廣和應用。

5整合教學資源，統籌建設實踐教學團隊

一支教學實踐能力強的實踐教學團隊在培養學生綜合創新實踐能力過程中將起到主要的支柱作用。針對實踐教學的各個環節，應從課程實驗指導、實踐環境維護管理、創新實踐指導等方面全力打造實驗隊伍，通過設立基礎實驗室統一部署和協調實踐教學，基于科學合理的分工，使教師職責明確、充分協作，確保實踐教學有序進行。

課程實驗指導教師團隊應由課程主講教員、專職實驗教員和實驗助理組成，可要求教授直接指導實驗。課程實驗指導教師團隊主要負責課程實驗的設計、組織和實施，要能夠系統地把握課程的實驗內容與要求，實施各種實驗教學方案與評估。實踐環境的維護管理應由基礎實驗室承擔，主要負責實驗教學環境的建設、升級改造、運行管理、日常維護以及實踐教學的質量調查、跟蹤、統計與分析等事務。創新實踐指導應由具有豐富實踐教學經驗的教師承擔，主要負責大學生創新實踐活動策劃，創新實踐項目指南發布，創新實踐活動的組織、實施與管理，各種學科競賽的指導與管理等工作。

6結束語

綜上所述，除了通過從上述講到的實驗課程教學體系、實驗教學內容、實驗教學方法和實驗方法學、實驗教學軟硬件環境以及實踐教學團隊等方面大力培養學生的綜合素質、工程實踐能力、團隊意識、創造性思維外，還應與國內外同行進行廣泛的交流，借鑒各國計算機專業實踐教學及實驗室管理的先進經驗，加強實驗室管理手段和機制的建設，努力構建一個管理手段先進、環境舒適和諧、開放靈活多變的實驗教學環境，更好地為培養學生綜合創新實踐能力、滿足新時代人才需求提供保障。

參考文獻:

[1] 北京交通大學2008本科教學一覽[Z]. 北京交通大學，2008.

[2] 國防科技大學計算機學院2002本科教學計劃[Z]. 國防科技大學，2002.

[3] 周麗濤，苑洪亮. 計算機科學與技術專業實驗課程體系的創新與實踐[J]. 計算機教育，2008(10):27-28.

(編輯:郭小明)