面向能力培養的計算機類實驗課程體系探究與實踐

袁景凌，饒文碧，熊盛武，廖明習

（武漢理工大學 計算機科學與技術學院，湖北 武漢 430070）

1 教學內容規劃

武漢理工大學以系統化教育思路重新規劃知識領域和課程教學內容，在大一、大二實施計算機大類培養模式，針對計算機類各專業統一設置大類平臺課程，強調通識思維、計算思維和基礎能力的培養，課程定位為計算基礎與系統的理解與應用；大三、大四為專業基礎與核心教學階段，強調學生工程性、系統性、應用性、創新性和解決復雜工程問題能力的培養[1-4]，綜合考慮主干專業課程和特色課程的設置，注重統一規劃。課程主要分為通識基礎知識教學階段、專業基礎與核心教學階段、專業實踐教學階段，見圖1。

2 實驗課程的融合與創新

按照計算機課程內在知識點的聯系和人才培養規律，結合社會對人才的需求和計算機學科的發展特色，學校以系統化教育思路重新規劃知識領域和實驗教學內容，建立面向復雜工程問題求解與創新能力培養的實驗教學課程體系；特別注重計算思維與算法設計、計算機軟硬件協同設計等實驗教學模塊的貫通教學改革。

2.1 面向計算思維及算法設計能力培養的實驗教學改革

圖1 面向復雜工程問題的課程體系

學校融合數學、思維與算法等相關課程，按照底層思維→形式化描述→算法設計順序，構建培養計算思維及算法設計能力的分層教學體系；從問題出發，按照問題的表達、建模和求解內容，逐層搭建問題與解答之間的橋梁，理清知識點及其關系，把有關計算思維特征、程序設計和算法設計方法分解到每一個具體的教學內容之中。

另外，學校與世界500強企業合作建設課程及教學團隊，如與華為武研所合作建設編程思想、軟件編程規范、敏捷開發和編程環境等實驗實訓課程及計算思維與算法設計教學團隊，探索更適合形成學生計算思維及培養算法設計能力的教學模式與體系，見圖2。

圖2 計算思維形成及算法設計能力培養的實驗教學

2.2 面向計算機系統能力培養的軟硬件貫通實驗教學改革

計算機系統能力就是對于一個復雜計算系統問題，能夠從計算機軟件技術和硬件技術兩個方面入手，在性能、效率、難易程度等方面進行方案比較，尋找最佳解決方案。這是現代計算機系統設計的高端能力，也是計算機類專業學生的核心競爭力的體現。

武漢理工大學計算機科學與技術學院一直以來密切關注計算機類專業系統能力培養，先后去浙江大學、武漢大學等調研計算機類專業系統能力培養的試點和實施情況，并邀請浙江大學相關教授到計算機學院做面向系統能力培養的貫通教學主題的交流和培訓。經過前期充分的調研和準備，計算機學院結合工程教育認證標準，融會貫通數字邏輯（邏輯與計算機設計基礎）、計算機組成與體系結構、操作系統、編譯原理等課程知識體系，以系統設計為統一視圖，建立層次化、循序遞進、開放式課程群的實驗教學模式與體系，見圖3，并建設計算機系統能力培養教學團隊。

圖3 面向計算機系統能力培養的軟硬件貫通實驗教學

3 實驗課程教學體系（實驗教學質量標準、人才培養模式等）

計算機實驗教學中心根據新型計算機學科人才培養目標，充分借鑒和吸收計算機學科建設成果和國內外著名大學本科實驗室建設的先進經驗，依照國外計算機學科教學規范和我國教育部高等學校計算機科學與技術專業、軟件工程專業、物聯網工程專業和計算機基礎教學指導委員會制定的相關教學體系與規范，追求學生專業知識、創新能力、科技素質的全面提高，合理規劃、精心組織，努力探索支撐新型信息化人才培養本科實驗室建設的新模式。

中心建立以“基礎核心+能力培養”為出發點的實踐教學體系，通過多樣化的實驗形式、多元化的實驗教學方法和實驗教學手段，實現分類分層的實踐能力培養目標。實驗教學體系建設緊密圍繞教學目標，以學科為依托，融理論教學與實踐教學于一體，知識傳授與能力培養相一致，課內教學與課外訓練相配套，以計算思維、計算機理論和系統基礎為核心，以計算機學科內涵為延展，建立一個既有系統性、層次性又有開放性的實踐教學體系，為學生提供一個全面的能力培養方案和個性化成長途徑。計算機實驗教學體系見圖4。

3.1 計算機軟硬件與系統基礎實驗教學

圖4 實踐教學體系

該實驗教學平臺主要面向計算機學科專業學生，由計算機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，基本反映了本學科合格本科畢業生應該具備的專業基礎性實踐能力需求和知識需求；以驗證性和設計性實驗為主要手段，以部分綜合性實驗為補充，開設可以覆蓋計算機理論和系統（涵蓋軟、硬件和計算系統）基礎實踐能力訓練的實驗課程，為學生的科研創新能力和工程創新能力培養奠定共性基礎。

計算機軟硬件與系統基礎實驗教學體系見圖5，主要課程有：計算機基礎與編程綜合實驗、面向對象與多線程綜合實驗、數據結構與算法綜合實驗、系統軟件應用綜合實驗、操作系統實驗、編譯技術實驗、數據庫原理實驗、數字邏輯基礎實驗、計算機組成原理實驗、計算機系統基礎實驗、軟件工程基礎實驗、嵌入式技術基礎實驗、計算機網絡技術實驗等構成。

3.2 綜合實驗與復雜系統設計教學

復雜系統設計和綜合實踐能力是計算機學科人才能力競爭的核心價值所在，它具體表現為計算系統的認知、設計、開發與運行能力，要求站在全局的高度以計算機各專業知識認識問題、分析問題和解決問題，并實現系統的構建、優化、運維。

為有效培養學生的上述能力，本實驗教學平臺以實驗項目的技術遞進和邏輯關聯為主線，打破理論課程內容橫向劃分的慣例，優化實驗項目設置，專門設置了計算機硬軟件協同設計、軟件工程綜合課程設計、物聯網工程綜合課程設計等綜合實驗課程，旨在解剖其中的細節，訓練學生對復雜計算系統的構思、架構、設計、開發和運維能力。

（1）計算機軟硬件系統協同設計。結合工程教育認證標準，采用軟硬件課程貫通，以計算機系統（SOC）設計與實現的實踐過程為手段，深入理解計算機系統和高性能程序設計為目標，融會貫通數字邏輯（邏輯與計算機設計基礎）、計算機組成與體系結構、操作系統、編譯技術等課程知識體系進行實驗教學改革。

（2）軟件工程綜合實訓系列課程。關注綜合性軟件工程實踐，系列課程運用以前所學軟件工程基礎、程序設計、需求工程、軟件設計、軟件體系結構、軟件項目管理、軟件測試和軟件職業知識，采用螺旋開發模型，突出團隊交流合作和軟件項目管理，強化軟件工程制品，組織學生構建中規模軟件系統（產品）的實踐。

（3）物聯網工程綜合實訓系列課程。以物聯網應用為引導，物聯網工程專業畢業生最重要的專業技能就是掌握應用系統設計與實施方法，能夠運用物聯網應用工程方法論進行物聯網應用系統設計與實施，使學生對包括技術交流與培訓、系統咨詢、應用項目需求分析、應用系統功能設計、應用系統上線實施、投資回報率分析等在內的物聯網應用系統實施方法論有全過程的感性認識和實踐。

圖5 計算機軟硬件與系統基礎實驗教學體系

3.3 工程創新類實驗教學平臺

工程創新能力培養實驗教學平臺秉承“卓越工程師培養計劃”理念，遵循理論教學與實踐教學一體化設計的原則，建立實驗、實訓、實習循序漸進的工程能力訓練平臺。

在建設過程中，一方面將現有的實驗課程擴展、優化和群分；另一方面積極引進優質企業資源，引進實訓環境和實訓項目，推動校外企業實習計劃，如聯合華為武研所、中軟國際共同進行相關課程實驗教學的改革，校外企業教學計劃內容見表1。

3.4 科技創新能力培養實驗教學平臺

實驗中心依托學科優勢、實驗室平臺優勢、師資團隊和海外科研教學交流優勢，在面向問題求解的創新教學、大學生創新創業訓練計劃、專業科研實驗室本科生工作和畢業設計4個環節上，設置不同級別的創新實驗項目和內容，著重開展科研和教學互動，著重建立高水平教師和學生的點對點指導，建立本科生在科研環節的導師機制，共同組成計算機學科創新能力培養實驗平臺。該平臺還面向交叉領域的融合和應用創新能力培養，呈現典型的開放、插拔式結構，可隨領域、學科的發展而變化。

4 結 語

信息化時代，針對計算機類學科的高速發展和社會信息化對高層次人才的需要，建設面向能力培養的計算機類專業實驗課程體系，符合專業認證要求，是當代人才培養及社會發展的大趨勢。面向能力培養的教學體系，把有關計算思維特征、程序設計和算法設計方法分解到每一個具體的教學內容之中，能細化學生的認知與理解。同時，實驗課程的融合與創新，以多樣化的實驗形式、多元化的實驗教學方法和實驗教學手段，實現分類分層次的實踐能力培養目標，能夠為學生提供一個全面的能力培養方案和個性化成長途徑，也能有效地指導新型信息化人才的培養。

表1 華為、中軟國際教學計劃

[1]尚鳳軍. 面向復雜工程問題的計算機人才創新能力培養體系研究[J]. 計算機教育, 2016(9): 70-73.

[2]劉衛東, 張悠慧, 向勇, 等. 面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J]. 中國大學教學, 2014(8): 48-52.

[3]王志英, 周興社, 袁春風, 等. 計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J]. 計算機教育, 2013(9): 1-6.

[4]袁景凌, 饒文碧, 熊盛武. 以學生為中心的計算機實踐創新能力培養云平臺[J]. 計算機教育, 2016(5): 28-31.