面向計算機專業創新實踐教學體系構建的案例探索

周靖

摘 要：以提升大學生創新實踐能力為目的，圍繞計算機專業，闡述創新實踐教學體系構建的思路，針對現有的基礎性驗證實驗、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建過程中不同的實踐教學模式、實驗內容選擇及成績評價方法，說明近年來專業在構建創新實踐體系過程中取得的成績，總結持續完善創新實踐體系的長期性特點。

關鍵詞：創新；實驗教學；計算機專業；案例

0 引 言

為貫徹《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，教育部提出了“卓越工程師教育培養計劃”，旨在培養具有較強工程實踐創新能力的優秀工程應用人才[1]。顯然，自主創新實踐能力的培養，對整個高等教育人才培養模式的改革起著舉足輕重的作用，是高水平拔尖創新型人才教育的關鍵[2-3]。目前，很多高校都非常重視各類實驗教學環節對學生創新實踐能力的培養。但大部分創新實踐教學訓練平臺、體系結構在實用性、綜合性、細則化程度等方面均缺乏系統研究。從生源角度看，受區域軟硬件配置、經濟條件、師資配備等因素影響，生源自身基礎狀況參差不齊；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。本文以計算機專業為例，對創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量保障體系，構建創新實踐教學體系。

1 創新實踐教學體系構建的思路

以計算機專業實踐設計類課程為主線，貫穿本科4個年級的專業課程，構建創新性實驗教學體系。創新性實驗開展范圍面向電類專業本科的所有學生，普及化開展。實驗內容采用模塊化、層次性、滲透式立體化的選擇方式，實驗設計分為基礎、拓展和自主創意3部分，在對原實驗教學方案剖析的基礎上，注重各類實驗教學環節的組合改造、無縫銜接，制訂計劃指標性實驗細則，并根據差異性原則，針對不同類型學生的接受能力進行項目分類，區分指導，逐級深入，既讓優等生創新能力充分得到發揮，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，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，敲定實驗設計方案，同時根據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，協調任務和時間。四是總結歸納能力。通過對實驗結果的比較和報告寫作的鍛煉，揭示實驗結果的本質，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計點的得分，本文將從創新實驗實踐形式、案例解釋、實驗評價方式等方面進行詳細說明。

2 創新實驗教學體系構建的案例研究

計算機專業學生創新實踐能力的培養主要來源于下列4類標準形式：①基礎驗證性實驗；②課程設計、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的大學生電子設計大賽、挑戰杯等；④參與教師科研項目的研發。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 基礎驗證性實驗

基礎驗證性實驗是低年級（大一新生）理解教學內容、掌握研究技能、學習設備使用方式的“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“填空串聯式”驗證性實驗的創新模式，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、中間結果或分段給出過程、結果，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置都提供知識關聯點，要求學生融會貫通新舊知識點，在學期總結時能串聯所有實驗點，形成一個設計性實驗，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++程序設計課程中“實現選擇排序”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，提示數據存儲方式采用數組形式，循環點采用for循環，講解選擇排序原理并提示程序編制流程圖。點撥，依據選擇排序原理，給出不完整程序中填空部分的具體任務，讓學生了解方案的基本思路和形成過程，并在考試系統中填空，完成程序的編寫、編譯、運行結果。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，可考慮設置專門的獎勵政策，勉勵學生利用已經學過的知識完善實驗方案，如for循環方式可以改成while循環，改變數據存儲形式，擴大數據量，改變運行界面，改變系統提交答案時間長短等，同時考究專門的獎勵政策，對完善實驗的內容設定加分制等，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，并在此基礎上，對有增加實驗內容的部分學生依據增加點設定加分制度。

2.2 獨立實踐性課程

獨立實踐性課程是創新實驗開展的關鍵載體，現階段由于師資配備、實踐設備、人才培養方案設置等原因，傳統“一布置任務，二有問題再解決”的授課方式導致大部分學生在規定的實踐周常處于不思考、不討論、不實踐、不應用的學習狀態中，最終上交的實踐報告內容、結果雷同，無法達到培養學生創新能力的目的。因而，提出下列有針對性的開展方式：一是綜合設計性實驗內容要涵蓋基本、拓展和創意3部分，基本部分的定性要求要具有典型性，其實驗結果指標要配置定量要求，在此基礎上提供若干可能的拓展功能接口或功能修改思路，最后對少數尖子生提出實驗創意要求；二是分組多向交流，開放共享結題方案、實驗結果，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據結構課程設計的“迷宮”為例 。教師可提示將迷宮若干路線規劃為若干個“圖”組，基礎實驗的定性要求是設計程序并實現迷宮的存儲結構及遍歷方法。在設計平臺和編程工具不限的條件下，實驗的定量要求：①迷宮圖組的存儲結構形式的實現不能單一化，對迷宮的某一條路線（n個頂點e條邊的圖），存儲形式的設計可以從鄰接表、鄰接矩陣和十字鏈表3種存儲結構中，任選兩種實現（建議以鄰接表為主）；②遍歷迷宮的過程須設計實現深度優先和廣度優先兩種方式，學生通過對教材內容、相關文獻的理解，自行設計實驗方案和步驟，驗證程序運行結果。實驗的拓展思路是在完成基礎部分后，為學生提供幾種可能的功能延伸或程序流程設計變化的思路。針對上述內容，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，完善代碼設計，激發學生的創新意識，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實驗的基礎上才能完成擴充，避免基礎驗證性實驗“依葫蘆畫瓢”的弊端。最后是課程的創意設計部分，主要針對一些理論知識較扎實、對創新實驗興趣濃厚的學生，鼓勵其完全自由創新設計，創新實驗應用范圍，天馬行空地實現實驗要求。創新過程中，結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”，將理論知識進行工程性驗證，體驗作為一名研發人員如何高效地捕獲資源，如何思考設計方案并以合作的形式動手實現它。

對本案例的評價規則從以下4方面考慮：一是制定考核評價表，課程任務分層次進行，制定中段和末段考核階段評分，末段考核中要重點設置自主創新或特色鮮明的拓展部分的附加分數分量；二是任務得分點的評分規則要盡可能地細化，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，組內設定互相評價，公平比較小組成員在任務中的貢獻程度，根據貢獻度加分或扣分；四是重視實驗報告的評分，依據細則扣分，嚴禁抄襲，一旦發現抄襲扣除所有分數。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容、碎片化時間的關鍵點，是培養創新人才的有效手段。現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，活躍創新氣氛。因而，提出基于大方向基礎教學與個性化專業理念相融合的創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教學實踐計劃，共同安排實踐教學時間；發揮學生的主體地位，鼓勵學生跨專業、跨領域交流，突出素質、知識能力統一；進一步加強實踐班師資隊伍建設，以高水平教師結合企業前瞻性、創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。在完成大一基礎性課程后，依據學生自身預期選擇，結合機器人足球大賽規則性約束的研究方向，不限制人數組建實踐班；對學生的選拔，專業領域不局限于計算機（上位機程序編寫），可擴至電子科學與技術（擅長信號處理，電路設計，負責機器人硬件設計）、電氣工程及其自動化（側重控制原理，負責機器人自動控制）、數學（優化算法）等，并逐年形成高、低年級“梯隊式”創新團隊；分步制訂教學計劃，首先設置機器人足球導論介紹，其次是機器人基本動作、路徑規劃、決策能力等研究課程，然后是目前系統的實時性、準確性、適應性和穩定性配置及測試；循序漸進，讓學生中分化出來的自信心強、有領導能力的“高手”擔當起各競賽小團隊的核心角色，可授權其制作教案，講授部分專業知識，小組成員點評；模擬歷年比賽場景，搭建交流平臺，找缺點，找技術創新特色點，使各項技術成熟化；與學校創新創業學院對接，期望通過與銘賽等國內知名機器人研發企業合作的方式，給學生提供從工程角度思考并對比自身思維的平臺，讓其自行判斷應用技術及機器人產品的應用價值。

對本案例的考核評價公式是：成績分數=β×基本分×團隊成員評價平均分數+（1-β）×基本分+主觀調控分（教師主觀因素，表現因素，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

參與大學生科技競賽和教師科研項目的研發均是學生創新實踐能力培養“金字塔”普及應用形態的頂層部分。若只強調科技競賽的重要性會存在以下問題：“全國電子設計大賽”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新人才項目“面向混合屬性對象的伸縮性聚類方法及其應用研究”為例。課題中數據點熵特征變化、平均互信息的距離度量等內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，團隊每位成員須在知網等公共資源中查找5～8篇相關文獻，了解其前沿科學動態，并緩解科技競賽長時間工程訓練的乏味。各成員總結歸納搜索捕獲的知識點，與教師討論相關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。將科研項目的結題工作作為科技競賽的延續，鼓勵學生參與整理、總結結題報告，歸納資料，搭建算法仿真系統平臺。針對熵特征變換、平均互信息距離度量等創新點，可以指導學生撰寫相關專利申請、科研論文，并將其篩選出來繼續深入挖掘，作為學生的畢業設計選題，將科技競賽、畢業設計實踐、科研項目研發貫穿成一條線。另外，本階段，應逐步放手，全方位開放實驗室資源，并提供一定資金（教師科研經費、實驗室低值易耗品經費等）由學生自主掌握購買測試數據、實驗設備等。同時，力爭與上游產品接軌，與業界主流公司合作，讓公司工程師直接進入實驗室，為創新性實驗課題的擬定提供技術支持。

3 取得的成績

我系計算機專業自2011年逐步建立創新實驗教學體系以來，已經形成較為穩定的、混合的創新團隊。人員數量逐年增加，涵蓋了院系各個電類專業大二至大四的同學。團隊在全國機器人競賽、全國電子設計大賽、“挑戰杯”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題工作。團隊中的學生考研深造時成績突出，直接就業時也都能很快獲得企業的青睞。以此為契機，創新實驗教學體系的構建為提升我院的綜合競爭力奠定了堅實的基礎。

4 結 語

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

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部. 卓越工程師教育培養計劃[Z]. 2010.

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

[3] 劉志剛. 以培養創新型人才為目標構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. 實驗教學質量監控在創新科技競賽中的應用[J]. 實驗室研究與探索， 2013， 32（11）： 160-163.

（見習編輯：景貴英）