工程教育理念下計算機類專業應用型人才創新能力培養的教學改革探索與實踐

姚亦飛，于繁華，李曉寧

(長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130032)

習近平同志在黨的十九大報告中指出：創新是引領發展的第一動力。將培養目標定位于提高應用型人才的創新能力，將先進的工程教育理念引入到教學工作中來，是實現高等教育服務社會職能、提升學生實踐創新能力的有效途徑，同時也能在一定程度上解決人才培養與社會需求相脫節的問題。鑒于此，課題組構建并逐步完善了“螺旋上升、四相推進”方案，基于“在實踐中培養創新能力”的思想對計算機類專業教學實施了一系列改革，在提升學生創新能力方面取得了顯著成效。

1 計算機類專業人才培養現狀

近年來，以深度學習為代表的人工智能將信息產業推向了高峰，整個社會對計算機類專業人才的需求也在不斷增大。持續發展的教育規模向社會輸送了大量面臨就業的學生。然而，根據麥克斯研究院對中國大學生就業情況的調研，應屆畢業生找不到專業崗位與企業找不到合適人才的“兩難”矛盾依然存在并日漸尖銳。與高校計算機類專業人才培養與社會需求脫節,計算機類專業傳統教學中創新能力培養機制存在短板，使學生的主體地位喪失。因此，對計算機類專業人才培養的教育教學改革是實現以提高質量為主的“內涵式發展”的必經之路。

工程教育理念是近年來在世界范圍內飛速發展的先進理念，美國實施了多種基于工程教育的改革項目。美國工程院、美國自然基金、美國工程教育學會和許多地區教育組織和高等院校開展了各類相關的教育改革，旨在提升學生的知識、技能和態度，培養工業界和社會需要的工程創新人才。我國教育部出臺了質量工程、工程認證和卓越工程師教育培養計劃等，來加強工程創新人才的培養。

CDIO(構思-設計-實現-運作)工程教育改革探索以“學”為中心的方法改革，建立更加面向需求的課程體系，強化實踐能力培養，在世界范圍內的計算機、機械電子工程、信息管理等專業人才培養過程中得到了廣泛的應用。課題組以CDIO工程教育思想為指導，明確人才培養類型，科學把握目標定位，與實際辦學情況相結合，探索促進學生創新能力發展的改革之路。

2 教學改革方案解析

為貫徹工程教育理念、打造產教研結合的學習氛圍、培養計算機類專業學生的創新能力，課題組以“校內實訓+企業實習+學科競賽+創新團隊”為核心構建了“螺旋上升、四相推進”方案，突出了學生的主體地位，讓學生“在實踐中創新”。

2.1 含義

“螺旋上升”指“四維八面一中心”的立體化提升軌跡，即以培養學生創新能力為中心，關注獨立思考能力、自主學習能力、工程實踐能力和團隊協作能力四個方面的綜合提高。為實現以上目標，著力于整體教學水平的提高，包括教學方案的修訂、教學目標的更新、課程體系的創建、產教協同育人環境的打造、實驗環境的改造、教學團隊的組建、教學方法的創新和教師工程資質的提高。以上改革內容互相配合，相互促進，將工程教育理念融會其內，以創新能力培養貫通始終，促進整體教學效果穩步提升。

“四相推進”指“在實踐中創新”的具體途徑，包括：(1)打造“多準入、高耦合”、自由、開放的實踐學習環境，加強示范中心建設，推動實驗教學改革，構建優良實驗環境。圍繞校內實訓改革課堂教學過程，以項目為引導、以任務為驅動，培養學生工程實踐的綜合能力；(2)促進產業與教育的深度融合，將產業的優勢引入校園，同時將學生帶入產業氛圍，讓學生的綜合素質在企業實習中得到充分的鍛煉；(3)通過學科競賽培養學生主動實踐能力，配備專任教師負責指導學生申請創新基金、參加各類電子設計競賽和撰寫論文；(4)圍繞熱點技術組建創新團隊，鼓勵學生開展連續性的創新和實踐活動，進一步提升學生的實踐能力和創新思維。

2.2 實施方案

基于工程教育理念建立立體化的理論和實踐教學體系，為學生提供不斷上升的動力和渠道，充分發揮校內實訓、企業實習、學科競賽和創新團隊的吸引力和影響力，強化實踐,鼓勵創新，提高學生的學習興趣，培養學生的實踐能力和創新意識。

(1)推行“金手指”工程，打造多層次實踐創新平臺。以“校內實訓+企業實習+學科競賽+創新團隊”為主線開展進階式實踐教學，適應不同層次學生的學習水平和實踐能力，分別在每學年末安排編程實踐、技能實習和項目實訓的“金手指工程”,促進學生工程實踐能力和綜合素質的提高。

(2)整體布局,多元銜接，實現校企協作的深度融合。以供給產業需求、實現教育與產業對接，為社會輸送優秀人才為目標，以社會崗位實際需求改建課程體系；以產業項目課程化引領課程建設；以工程項目的完成過程及效果為主要評價手段，通過校企協作的深度融合強化學生的實踐與創新能力。

圖1 課程設計一體化理念圖

(3)促建試點課程，鼓勵教學創新，帶動全體教師參與教學改革。以“數據庫應用基礎”“軟件工程”“嵌入式基礎”系列課程為試點，撰寫教材、創建精品課，并鼓勵教師進行教學方法等方面的改革，推行課堂教育與線上教育同步進行。提高學生的學習興趣，提升學生的科學思維，從而促進學生實踐與創新活動的開展。

2.3 具體措施

圍繞“螺旋上升、四相推進”，課題組在以下方面作出探索和努力。

2.3.1 適應產業需求，優化專業結構

以產業化需求為導向，統一規劃專業課程結構，剔除過時內容,加強前后銜接,確定適合時代發展的課程內容。在課程的設計方面采用了如圖1的一體化設計理念。

計算機科學與技術專業人才培養方案(2016版)明確以培養學生“具備創新精神和實踐能力”為目標，以“接受科學方法的專業訓練，具備主動學習和一定的創新性思維能力”為要求,強化實踐性教學環節。

依據行業發展調整專業方向課程模塊，由原來的基于安卓應用開發系列、嵌入式系列、網絡系列、數字媒體系列，修訂為大數據分析方向、物聯網方向、軟件工程方向、網絡信息安全方向。開設“大數據分析技術”“智慧城市”等專業課程，調整培養方案中設計與創新型實驗由204學時提高至266學時，占實驗總學時比率約為30%。

2.3.2 改革課程體系，推行“金手指”工程

結合培養目標，以創新能力培養為中心，減少被動授課內容，增加自學內容，增加動手實踐內容，加強基本概念、基本原理的訓練，培養學生的宏觀工程素質和能力。在專業課體系化后能夠更加清晰地關注各門課程之間的聯系以及每門課對應的工程能力培養(圖2)。表1為計算機學科專業主干課程及實踐項目的學時安排與教學學期的對應表，既滿足了課程的先修知識要求，同時也符合專業理論知識難度遞增的實際需求，實現“理論→實踐→總結→指導→再實踐→提升”。

圖2 課程設置與能力培養對應圖

在調整教學計劃的同時，課題組提出了培養學生創新能力的“金手指”工程項目，著重在教學過程的特殊階段通過教師“點金”的方式促進學生能力的提升，同時也飽含了對學生將來就業后用高“含金量”的雙手通過計算機緊跟世界先進技術、為祖國建設貢獻力量的期望。

表1 主干課程與項目學時分配表

金手指項目工程分為三個階段。

第一階段與單門課程的模塊化層級相呼應。以試點課程“嵌入式基礎”為例，圖3以魚骨圖的方式展示了該課程“金手指”項目的結構組成。通過三級項目、二級項目的模塊化實踐，讓學生經歷完整的“定時供電插座”開發過程。通過逐級的“點金”使學生融會貫通，消化理論知識,形成實踐經驗，深入理解和掌握嵌入式系統的開發。

圖3 “嵌入式基礎”課程“金手指”魚骨圖

第二階段與課程群建設相呼應?！俺绦蛟O計基礎”“面向對象程序設計”“數據結構”“算法設計與分析”等課程構成了重點建設的課程群。這些課程既相互配合,又各有側重；既能夠實現計算機類專業軟件能力的系統化培養，也能夠拓寬到軟件系統的設計，形成螺旋上升的培養路徑。圖4以“指針”系列知識點為例展示了核心課程間的遞進式層次教學呼應，并通過教師在關鍵時刻的逐級“點金”來提高學生的動手實踐能力。在第一學期學習“程序設計基礎”時，學生將被告知“指針”這一知識點將來會在“數據結構”課程中被用來構建“鏈表”，并通過教師指導下的實踐上機練習進行初步體會。第三學期的“數據機構”承前啟后，將“指針”構建的“鏈表”進一步搭建成“二叉樹”，并奠定如下基礎：“二叉樹”能夠在后續的“算法設計與分析”課程中完成“查找與排序”。第六學期的“算法設計與分析”課程將該知識點進一步抽象和提煉，通過編制具有特定功能的系統片段提升學生應用知識和解決問題的能力。最終，計算機專業的畢業設計通常要求學生具備獨立制作小型應用軟件的能力，而查找與排序是最基本的功能之一。通過這樣的安排，學生能夠體會教學設置中的逐層“點金”，將理論知識逐步升華，幫助學生獲得分析問題和解決問題的能力，并最終提升學生的實踐能力。

第二階段的“點金”還體現在每學年的實踐項目安排上，將該學年學生所學知識融合起來，設置多項綜合鍛煉題目，由學生根據興趣和能力自行選擇題目。學年度實踐項目的設置力求涵蓋前一年度所學技能，并融會該學年的新知識，適當提升，實現真正的“點金”。

第三階段的點金項目由專業實習和畢業設計組成。專業實習與畢業設計是本科教育中非常重要的教學環節，是社會實踐和生產實踐相結合的過程。由學生與老師雙向選擇敲定最終選題，并通過開題報告、中期報告、畢業答辯三個關鍵點逐步提高學生的查閱資料能力、動手實踐能力、溝通能力等。畢業設計歷時近一年時間，要求指導教師不拘一格、因材施教、隨問隨教，以豐富的學識與耐心細致的交流實現點金過程最后階段的鑄造。

圖4 遞進式層次教學示意圖

2.3.3 深化校企協作，創建協同育人環境

(1)加強院內、外實習實訓基地建設。通過示范中心的建設，加強校內實驗室建設和實驗教學管理；同時拓寬與企業合作的渠道，建立能滿足專業實踐教學需要的相對穩定的院外實習基地。目前，與北京慧科、北京尚觀科技、北京甲骨文WDP、中軟國際、大連東軟、大連華信新技術有限公司、吉林盛世科技有限公司、青島銳聘、長春金橋科技有限公司等企業合作,建立校外實習基地16個，并與省內外30余家企業建立了咨詢與合作關系，為提供行業素質的系統培養和營造工程實踐環境提供了保障。

(2)堅持把教學工作與企業需求結合起來，組織相關教師認真學習、深入調研、準確定位，著力解決實踐動手方面存在的突出問題。鼓勵教師參加工程實踐，充分發揮“雙師型”教師的作用，以教師工程能力的提高帶動教學質量的提高。包括：①要求骨干教師承擔工程項目的開發工作，保持與企事業之間的緊密聯系，多參加教育和學術交流活動，開闊視野，豐富知識，促進教學水平的提高，保證教師擁有先進的教學理念。周期性組織教學團隊討論教學、項目開發中存在的問題，研討教學與科研的先進方法，促使教學、科研能力的提高。②鼓勵教師走入工業界，與產業界的工程師在科研和教學等方面進行多角度合作，繼而將實際的開發過程貫穿到教學工作中。③把工程經驗作為聘用和提升教師的考量條件，鼓勵教師成為學生心目中的工程師榜樣。目前，計算機學院共有3名雙師型教師，另有9名實踐型碩士研究生導師。

2.3.4 強化實踐教學，構建優良實驗環境

(1)探索有利于學生實踐和創新能力培養的教學模式。通過“校內實訓+企業實習+學科競賽+創新團隊”將培養學生創新能力落到實處。確立“以技能培養為基礎，以工程能力培養為核心”的實踐體系建設指導方針，實現從課堂學習到專題技能實訓、從項目實訓到工程能力實訓、從企業實習到社會拓展能力訓練、從創新能力訓練到研發實踐的有效過渡。

第一，以項目為驅動搭建教學過程，在達到基礎知識教學要求的前提下，讓學生在實踐學習中逐步提高自主學習能力、獨立思考能力、工程實踐能力、團隊協作與溝通能力。將課程知識的學習過程融入到特定的項目中，并在項目實施過程中設置一些難題，通過難題的解決給學生提供寶貴的經驗和克服困難的勇氣。同時，在項目實踐過程中加深了對專業知識的理解程度，提高了知識的運用能力。

第二，在2016版人才培養方案中，從大二開始，學生每學期進行2周共計60學時的專業實訓。以東軟、華信、甲骨文等合作企業的課程、案例、工程師隊伍以及成熟的教育培訓模式，對應屆畢業生進行階段性技能強化和項目實戰。同時，設立定向的培養課程體系，實現專業共建合作，以期培養質量更高、專業更對口的畢業生，實現“畢業第一天即創造價值”的目標。

第三，積極開展有意義的“第二課堂”，鼓勵學生參加創新項目的研究和各類電子設計競賽，為學生提供科技競賽渠道，激發學生的實踐興趣，培養學生的實踐能力。學院配備專任教師負責指導學生申請創新基金、參加各類電子設計競賽和撰寫論文，2010-2016年在大學生電子設計競賽中屢獲佳績。成功申請了多項國家級和省級、校級的大學生創新計劃和創新基金項目，發表了多篇論文。通過參加電子設計大賽，培養了學生自主學習能力、獨立思考能力和團隊協作能力。

第四，創新團隊是最具項目特性的教學形式，現已組建的物聯網創新團隊在開展連續性創新和實踐活動中取得了一系列的成果，并在各級別比賽獲得了佳績。在創新團隊活動中學生們自發地培養了自主學習能力，除學習許多不在課堂教學范圍內的內容之外，還提倡多學科之間的融合，培養學生的好奇心及終身學習的習慣，激發學生主動學習的積極性和創造力。

(2)改善教學條件，構建優良實驗環境，盡最大可能為學生創造最好的實踐環境。

學校按學院的發展及學科建設的要求，劃撥專項經費用于更新和增加實驗設備。近五年，先后投入1700余萬元，通過合理選購和精心維護，滿足教學要求并保證實驗課正常進行。目前，各實驗室常規儀器設備配置齊全，中心共有儀器設備2600余件，固定資產總值1890余萬元。中心所有設備全天對學生全面開放，出現故障時及時維修，設備更新率達60%，設備的利用率達100%,常規儀器設備完好率100%。同時，部分實驗室配備了專業指導教師，學生們在正常上課時間之外可以隨時進入實驗室，學習自己感興趣的課題。

目前，學院現有軟件開發實驗室、圖形圖像實驗室、電子商務實驗室、計算機網絡工程及網絡安全實驗室、計算機通信實驗室、嵌入式實驗室、機器人實驗室、電子技術實驗室、計算機組成實驗室、微機原理與接口實驗室、物聯網實驗室、云計算實驗室等11個專業方向實驗室，14個教學機房，中心用房面積約2800余平方米，實驗設備2650件(套)，其中大型儀器設備22套。固定資產達1890余萬元，可開出實驗290余項，可同時承接計算機相關專業的24個班1200余名學生進行專業實驗和全校非計算機專業公共課的實驗教學。

2.3.5 促建試點課程，創新教學方法

(1)促建試點課程，推進“質量工程”項目，提高人才培養質量。以專業基礎課為重心，推進質量工程建設，創辦精品課，提高教學水平，提升人才培養質量。從2008到2016年，先后建成“數據庫應用基礎”“嵌入式基礎”“大學計算機基礎”“C/C++程序設計”等十門省、校級精品、優秀課程。教學質量逐步提高，受到學生的一致好評。

(2)配合教學改革需要，有計劃地進行教材建設。在教材建設方面，既要傳承經典,又要具有啟發性和探索性，以項目為引導,以任務為驅動，構建能啟發學生計算思維和激發創造性思維的教材體系，包括多媒體、教學實習指導書、MOOC等內容，各有側重,自成系統，構成相互配合的“立體”教材體系。近年來，共編寫教材17部，其中“十一五”國家級規劃教材1部，“十二五”國家級規劃教材1部，省級教材15部。同時，在高校云課堂上線了多門課程，“嵌入式系統設計”與“計算機應用”已經開始采用MOOC形式進行授課。

(3)適應學生特點，創新教學方法，提升教學效果。將案例法、任務驅動法、項目教學法等強調實踐與能力培養的新教學法引入到計算機專業教學中，結合本學院各年級學生不同的心理和認知特點，實踐教學方法的創新運用。針對“金手指”工程中不同層次的教學目標和教學計劃，將方法論與專業知識緊密結合，促進學生對專業知識的掌握與靈活運用。

2.3.6 改革考核機制，強化質量監控

(1)調整考核內容和評價體系，強調對實踐能力的考核，以此引導學生注重工程實踐經驗，提高實際動手能力。第一，注重驗證型實驗與設計型實驗的有機結合，改革現有的考核方式，引導學生重視實踐能力的提高。在課程的安排上，確保從大一到大四，上機考核不間斷。第二，在工程型課程中全面推行項目考核，將能力考核放在第一位。用能力促知識，強化學生解決實際工程問題的能力。在完成任務的同時引入競爭機制，在實踐類課程中廣泛應用成果展示與答辯相結合的考核方式。第三，對成績突出的拔尖學生，允許用競賽成績和校外培訓證書沖抵課程學分，并通過更加有效的方式進行培養、考核和激勵。

(2)監控教學質量,規范教學秩序，努力推動教學評價形成良性反饋，增強教學工作的針對性和有效性。依托網絡教學平臺構建學習信號系統，對教學過程中采集的大數據進行分析，把原來人為完成的教學過程監控、學習進程控制、教學現場反饋等學習行為轉換為基于大數據的信號系統輔助下的學習過程，提高教師的教學效率和學習者的學習效果。

3 教學改革取得的成效

課題組基于“在實踐中培養創新能力”的思想，深化教育教學改革，不斷完善和創新人才培養機制，提高人才培養質量，促進學生全面發展，取得了一系列成效。

3.1 專業實力增強，辦學水平上升

課題組有計劃地進行了教材建設和課程建設，同時加強教師隊伍建設，提升了人才培養能力，增強了專業實力，獲得了社會的認可。主編出版各級各類教材17部，其中實驗教材4部，普通高等教育國家級規劃教材兩部(其中《Access基礎教程》目前累計出版并發行十萬余冊)，21世紀系列教材4部。先后獲得國家、省級財政專項資金(總計1890萬元)，組建省級實驗教學示范中心和實驗室3個、校級實驗室16個。擁有吉林省拔尖創新人才1人，吉林省新世紀科學技術優秀人才2人、春苗人才1人。建成省級精品課程2項,省級優秀課程2項,校級精品課3項,校級優秀課3項。擁有吉林省優秀教學團隊1個，吉林省卓越工程師培養計劃項目1個，校級人才培養模式創新實驗區1個。2010-2016年，共承擔教育部校企合作教研課題2項，吉林省教學研究課題12項，發表教學研究論文14篇。近年來，教師承擔國家自然科學基金國家級項目共計1項，省、市項目14項，總經費150萬元；獲得吉林省科技進步三等獎3項，自然科學學術成果獎2項；發表SCI論文7篇；獲授權專利20項。

3.2 示范作用明顯，獲得同行認可

通過多年的教學實踐，形成了特有的教學風格和學習氛圍，為提高計算機類專業人才的創新能力等綜合素質起到了重要的推動作用。同時，積極將成功的教學經驗傳遞給本校其他專業和高職相關專業，并率先在校級公共課教學中實踐應用，取得了良好的效果。

基于工程教育理念培養計算機類專業應用型人才創新能力的教學改革獲得了省內外兄弟院校的認可，認為該改革成果為省屬地方院校計算機類相關專業學生創新能力的培養提供了一個可資借鑒的范本。

3.3 綜合素質提升，競賽成績優異

自2010年起，積極培養和指導學生參加各類電子設計競賽及教師的科研課題，學生動手和創新能力大幅度提高。成功申報大創項目29項，其中國家級、省級16項；在大學生科技競賽中獲獎20項，其中國家級10項；學生參與科研項目7項；參與發表科技論文4篇；考取全國信息技術職業證書(國家級)及企業認證37項。

3.4 個人能力提高，受到社會青睞

現已建成校內實習基地5個，校外實習基地16個。同時，與省內外30余家企業建立了合作關系，能夠提供工程實踐環境與行業能力素質的系統培養，有效提高學生的實踐能力與專業職位的就業率,由此形成了與企事業單位的密切聯系，提升了用人單位的滿意度，特別是畢業生的創新意識、團隊協作能力和職業道德普遍受到用人單位的歡迎和好評，使我校計算機專業在省內企事業單位中具有了一定的知名度。

4 結語

“互聯網+”的高速發展，大眾創新、萬眾創業的快速推進，使計算機類專業人才的需求大幅提升。知識體系更新快、新技術層出不窮是計算機類專業人才培養必須面對的問題。為了培養學生的創新能力，課題組引入工程教育理念，圍繞獨立思考能力、自主學習能力、工程實踐能力和團隊協作能力四方面的綜合提升，著力于教學方案的修訂、教學目標的更新、課程體系的創建、產教協同育人環境的打造、實驗環境的改造、教學團隊的組建、教學方法的創新和教師工程資質的提高，構建以“校內實訓+企業實習+學科競賽+創新團隊”為主線的“螺旋上升、四相推進”方案,突出了學生的主體地位，讓學生“在實踐中創新”，使整體教學效果穩步提高。

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