地方高等院校計算機專業本科生的科研能力

陳翔

摘要：從教師和學生角度分析當前地方高等院校本科生科研能力培養的必要性，以計算機專業為例，從學生的選擇標準、學生的培養過程以及學生的管理等角度提出本科生科研能力的培養方法。

關鍵詞：計算機專業；本科生；科研能力；培養方法；地方高等院校

引言

21世紀是創造教育的世紀。一個國家競爭力的提高離不開具備創新思維和科研能力的高素質人才隊伍，因此，培養適應新時代要求、具備創新能力和創新精神的高素質人才是創建創新型國家的需要，是當前高等教育的一個重要目標，也是“大眾創業、萬眾創新”能夠順利推進的一個重要前提。當前，越來越多的高等院校將科研能力作為培養創新人才的重要途徑，努力使學生從單純的知識接受者轉變成知識探索者。

本科生的科研能力培養是當前高等教育改革的重要目標，一些高等院校在這方面進行了嘗試，并取得了很好的實踐成果。例如，2015年，清華大學孫茂松教授研究組的論文《JointLearning of Character and Word Embeddings》被人工智能領域頂級會議IJCAI 2015錄用，該研究成果由計算機系二年級本科生徐磊與計算機系博士生陳新雄合作完成，兩人為論文的共同第一作者。武漢大學網絡信息系統安全與隱私實驗室的論文《Walls Have Ears！OpportunisticallyCommunicating Secret Messages Over the WiretapChannel：from Theory to Practice》被計算機安全領域頂級會議CCS 2015錄用，該研究成果由2012級計算機弘毅班本科生李冠成、夏晨博，以及信息安全1班本科生陳小兵合作完成。李武軍博士也曾經在上海交通大學指導三名本科生，在中國計算機學會推薦的A類會議（AAAI、SIGIR、NIPS等）上發表了多篇學術論文，并對本科生科研能力的培養經驗進行了深入的總結。

雖然上述研究成果大部分都集中于國內985高校（例如清華大學、北京大學、上海交通大學和武漢大學等），但對于南通大學這類地方高等院校，嘗試摸索出有效的本科生科研能力培養模式，同樣具有重要的研究意義。

1地方高等院校本科生科研能力培養的必要性

從教師角度來看，當前南通大學招收教師的門檻不斷提高，以計算機學院為例，近些年來招收的新教師，基本上都畢業于國內的985或211高校（例如南京大學、東南大學、南京理工大學、南京航空航天大學等），甚至有的畢業于國外知名高校（例如香港大學、愛爾蘭國立都柏林大學）。這些教師因為剛剛博士畢業，還活躍在科研第一線，一般都有很好的研究課題（例如國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等）和研究計劃。入職以后，一般從講師做起，不具有碩士研究生的指導資格。除此之外，學院的研究生資源也不充足，不能保證每位教師每年都有研究生可以去指導。因此，如果本科生能夠積極參與到這些教師的日?？蒲泄ぷ?，將為這些教師提供極大的幫助。

從學生角度來看，首先，學院內的大部分本科生將考研定為自己的奮斗目標。如果能夠在本科階段進行一些科研能力的培養，有助于在以后的研究生階段提高取得科研創新成果的概率。其次，本科生階段參與科研，學生會意識到平時學習的基礎課和專業課的重要性。以申請人研究的軟件工程數據挖掘領域為例，學生參與導師的科研工作后，在學習一些數據挖掘方法時，會發現要深入理解這些知識，必須具備一定的高等數學、線性代數和概率論知識。在實現相應數據挖掘算法時，會主動去學習編程語言的一些高級特征和一些數據挖掘軟件包中API的使用，因此會有效提高他們學習的積極性和針對性。最后，如果學生能夠在本科生階段申請到大學生創新訓練計劃項目，并且在項目完成期間能夠有論文、專利或著作權等成果，對以后研究生的保送、研究生復試階段的面試、研究生導師的選擇或國外高校的申請都將具有很大的優勢。

因此從本科生科研能力培養角度入手，結合地方高校學生特點，提出一套具有針對性并且行之有效的培養方法，是南通大學實施教學質量工程的一個重要內容，具有重要的研究意義。

2科研能力培養方法的分析

如圖1所示，我們圍繞地方高等院校特點，基于教師和本科生兩種角色，從本科生的選擇、本科生的管理和本科生的培養過程等角度對科研能力培養方法進行探討。

2.1本科生的選擇標準

地方高等院校的本科生與985或21l高校的本科生在專業基礎和學習主動性等方面均存在一定的差距。如果能夠提出有效的本科生選擇標準，有助于導師選出合適的學生，提高導師的指導效率，并孕育出更多高質量的研究成果。

經過三年多的摸索，筆者傾向于考查學生的如下特征，并在括號中給出這些特征在選擇過程中的權重取值。其取值范圍介于1～5之間，取值越高，表示越重要，當然權重取值僅僅體現了這些特征間的相對重要性。

（1）興趣（5分）。需要學生對導師當前的研究方向感興趣。如果不感興趣，學生是很難靜下心來閱讀相關專業書籍和論文，思考相關問題，提出解決方案，并設計實驗進行驗證的。因此對于有興趣進行科研能力培養的學生，筆者一般會集中向他們介紹自己的最近研究方向和研究成果。

（2）勤奮踏實（4分）。勤奮踏實的學生一般自控力和執行力都比較強，對于導師布置的任務都能認真完成，出錯的概率較小。在導師的悉心指導下，會進步很快。

（3）學習成績優秀（3分）。優秀是一種習慣，能取得研究成果的學生一般學業也很優秀。以筆者指導的2012級學生為例，雖然他們在平時的科研工作中付出了很多的時間和精力，但這些并沒有對他們的學習成績產生負面影響，在2015年的獎學金評比中，這三位學生分別位列軟件外包專業、軟件工程專業和網絡工程（合作班）專業的第1名。

（4）不服輸的心態（3分）。具有不服輸心態的學生一般做什么事情都想比別人做得更好，喜歡被別人承認和肯定，因此一般不會差到哪里去。

在實際學生的選擇過程中，一些特征的情況容易立刻獲取，例如通過輔導員可以迅速了解一個學生的學習成績，但其他一些特征則很難迅速獲取，需要導師和學生在磨合一段時間之后才能有更清晰的了解。

除此之外，在地方高等院校，很少有學生能同時在上述特征中都有好的表現，因此在實際指導中，需要結合學生的特點做到因材施教。

2.2本科生的培養過程

李武軍和山世光在分析學生科研能力的培養時，將科研能力的培養流程劃分為5個階段。

（1）問題階段：指通過調研領域的最新研究進展，提出具有價值的學術問題。

（2）思路階段：指解決學術問題的具體方案。

（3）算法階段：指借助編程語言，將具體方案進行編碼實現，必要的時候進行正確性證明和復雜度分析。

（4）實驗階段：指在具有代表性的數據集上執行實現的算法，并用合理的評測指標來評估算法的性能。除此之外，還需要將提出的算法與已有的經典算法進行客觀和詳細的比較。

（5）寫作階段：指將上述流程進行整理，并形成嚴謹的學術論文。

他們認為博士生的培養目標是具備獨立的科研能力，因此需要對上述5個階段進行全面培養。但本科生的培養目標則不同，應該以培養學生的科研興趣為主要目標，側重對其中的一兩個階段進行重點培養。筆者結合他們的培養經驗，形成了如下的培養過程。

（1）對新進組的本科生，由筆者在他們進行科研能力培養前，集中做一次科研指南報告。在報告中會分別從研究點的選擇能力培養、論文的檢索和篩選能力培養、論文閱讀和分析能力培養、科研創新能力培養、研討班報告能力培養和論文寫作能力培養等方面進行講解。這些內容基本上涉及科研的各個方面，報告的目的并不是要求學生對報告的內容完全理解，而是讓學生能夠對科研活動有個大概的了解。同時將幻燈片共享給學生，讓學生在隨后的科研過程中能時常查閱。

（2）指導學生對與導師研究課題相關的基礎知識進行學習。一般來說，研究過程中需要的基礎知識在本科生的專業課中很少會有涉及。早期筆者曾經嘗試指定與研究課題相關的一本經典教材，帶領學生一章一章地去學習，雖然效果較好，但開銷也很大，需要老師花費大量的時間。近些年來隨著慕課（MOOC）的出現，筆者每次會從中挑選出1～2門跟研究課題相關的課程，讓學生自己去學習，并認真完成配套習題。一方面這些慕課課程的質量很高，一般是由領域內的權威教師進行講解，另一方面也可以有效提高學生的自主學習能力。

（3）讓學生精讀一篇論文以對研究課題有一個初步了解。研究課題和論文由筆者指定。論文在選擇時需要滿足如下3個條件：首先必須是近3年發表的論文，其次必須發表在高質量的會議或期刊上，最后該論文一定要提供代碼和數據集的下載。在學生的閱讀過程中，要求他們了解論文的研究背景和研究問題，借助提供的代碼，了解方法的實現細節，借助數據集，了解整個實驗的設計流程和數據分析的方法。在完成論文分析后，需要學生在研究組中作學術報告一次。

（4）圍繞上述論文關注的研究課題，找到其他相關經典論文。指導學生對這些論文進行泛讀，輔助他們對已有的研究工作進行分類，并明確每一類工作的假設、優點和存在的不足，經過多輪討論之后，形成初步的創新想法，并要求他們對其中與創新想法最為密切的幾篇論文進行精讀，并在組中做公開學術報告。

（5）如果學生編程實現了這些想法，并且在實際的數據集上取得了好的結果，則鼓勵學生將這些結果整理成論文。筆者在實際的指導過程中發現很多學生雖然編程能力很強，但在寫作上卻存在很多問題。一方面是論文的整體邏輯性較差，另一方面，無論是中文還是英文，學生都存在表達不清的問題。因此在這個階段，筆者一般需要大幅度修改，甚至重寫學生提交的論文草稿。但在修改的過程中，會讓學生了解前后的修改過程，讓他們逐步找到科研論文的寫作感覺。

通過上述5個階段的分析，將本科生培養過程的特色進行總結，如圖2所示。

首先，在培養學生的科研能力前，需要導師預先集中進行科研指南講解。對于導師來說，科研各個環節可能非常熟悉，但對于學生來說則非常陌生。必要的科研指南可以讓學生對科研產生大致的了解，并且在隨后的科研中逐步加深對科研指南中內容的理解。其次，在本科生科研能力的培養過程中，應以培養學生的科研興趣為導向。因此在問題階段、思路階段和寫作階段需要以導師為主，因為這些階段的能力培養需要的時間較長，本科生很難在短時間內完成。對于算法階段和實驗階段則需要以學生為主，以提高他們學習知識和應用知識的能力。最后，上述培養過程若要取得成功，與導師的高質量指導密不可分，導師需要確保布置給學生的研究課題明確、前沿和可行，這就對導師提出了很高的要求。

2.3本科生的管理

本科生科研能力的培養離不開導師的積極引導和日常嚴格管理。

目前南通大學計算機科學與技術學院為大一新生在第1學期開設了新生研討班，該研討班以主題講座的方式進行組織，其目的是為了開拓學生的視野和激發學生的學習興趣。筆者會借助新生研討班講解自己的最新研究方向和目前取得的一些研究成果。若一些學生對筆者的研究方向感興趣，則初步達成合作意向。對這些學生的日常管理安排見表1。

在這幾年的管理過程中，筆者總結了如下幾點經驗：

（1）為學生定期召開組會。由于本科生的學習任務比較繁重，因此筆者一般將組會的召開時間設定在周日上午。由學生輪流作學術報告，報告的內容可以是已有論文的分析、自己的想法或者實驗結果分析等。報告的時間限制在40分鐘之內，并確保有足夠的討論時間。

（2）充分利用學生的寒假時間和暑假時間，對研究過程中出現的難題進行集中突破。

（3）一旦學生在科研過程中碰到難題，積極借助通訊工具（QQ和微信）、電子郵件和手機與學生進行交流并解決難題。

（4）設定一定的淘汰機制，對一些科研態度不端正或者能力不足的學生，要及時建議他們停止科研。

3實施培養方法后取得的成果

基于上述科研能力培養方法的探索，筆者從2012年開始，先后指導了10余名本科生，指導的學生累計獲得4項大學生創新訓練計劃的資助。期間他們對軟件測試中的測試用例優先級排序、測試用例自動生成以及軟件缺陷預測等當前熱點研究問題進行了很深入的研究，其中6人獲南通大學本科畢業優秀論文，1個研究團隊獲南通大學本科優秀畢業設計團隊，并隨后獲得2015年江蘇省普通高校本科團隊優秀畢業論文。多人在國內外期刊發表了研究論文。指導的學生中，很多人對學術研究產生了濃厚的興趣，有8人先后被南京大學、華東師范大學、香港浸會大學、蘇州大學和南京理工大學等高校錄取為研究生。

除此之外，這些學生在一些競爭較為激烈的學生競賽中也取得了不錯的成績。如獲大學生服務外包創新創業大賽全國二等獎2次、全國三等獎1次；大學生計算機設計大賽全國三等獎1次、省二等獎2次；軟件杯大學生軟件設計大賽全國二等獎1次等。

雖然這些實踐成果與國內985高校的成果存在較大的差距，但筆者認為對本科生科研能力培養方法的探索，對提高地方高等院校學生的能力具有一定的促進作用，值得進一步去研究。

4結語

筆者在南通大學計算機科學與技術學院對上述培養方法進行了應用，三年多來取得了一定的成果，并驗證了上述培養方法在地方高等院校實施的可行性。

除此之外，除了通過吸收學生進入研究組來培養科研能力，也可以在專業課的授課過程中來培養學生的科研能力。筆者在軟件測試技術課程中積極將自己比較熟悉的研究課題（包括組合測試、回歸測試、變異測試、軟件缺陷定位和軟件缺陷預測等）引入到實際的教學過程中，并設計了相關實踐項目。在算法設計與分析課程中，鼓勵學生用學到的算法設計與分析方法去解決科研過程中面對的難題等。