螺旋遞進式的軟件工程實踐教學體系探索

王瑞錦,文淑華,周世杰,朱國斌,張 翔,蔡競業

(電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054)

工科建設最核心的任務是學科人才的隊伍建設、學科領域的學術研究和學科專業的人才培養。其中,人才培養是工科建設滿足行業和產業的當前和未來發展需要最重要、最核心的任務[1-2]。而工科專業最重要的一個環節就是對學生工程實踐能力的培養。工科類高等院校的實踐教學是核心環節,跟理論教學相比,對提高學生的工程實踐能力和創新能力具有更加重要的作用。但是實踐教學依然是人才培養的一個相對偏薄弱的環節，而且很多高校是“重科研,輕教學”,這導致了對實踐教學的重視度偏低[3]。實踐教學環節普遍存在如下問題:實踐教學內容傳統陳舊,沒有創新,無法很好地滿足當前時代產業的需求,存在錯位現象；實踐教學平臺比較分散,沒有足夠的集成度；實踐教學體系比較粗放,不夠精細和完善[4]；實踐教學質量保障體系不夠健全,執行力度不足。這些問題嚴重阻礙了人才培養質量的提升。

1 螺旋遞進式實踐教學體系構建的原則

1.1 創新性和可行性

我國目前對創新型人才的需求量很大,高等院校的人才培養也需要適應社會經濟的發展,而工科類院校的人才培養關鍵在于實踐教學環節的設置和實施,因此對實踐教學環節提出了新的挑戰。要培養出一大批有超強創新實踐能力的人才,必須對傳統的實踐教學模式進行創新改革[5-6],可以通過加快實踐教學內容的更新速度和提高實踐教學的內涵等多方面的途徑對學生創新能力進行全方位的訓練和培養。實踐教學模式考慮院校的實際情況和遵循一定的教育理論指導,具備可行性和可操作性。

1.2 層次性和關聯性

學生實踐能力的培養是一個系統性、遞進性的漫長過程,是緩慢漸進的,不可能一蹴而就。因此需要實踐教學體系的構建符合學生實踐能力培養這一特點。構建一個科學合理的實踐教學體系需要體現出層次性,每一層次又相互關聯,逐層進行深化。實踐教學也需要和理論教學相互結合和滲透,充分利用校內外可用資源,本著與學生實踐能力培養特點相適應的宗旨建立一個多層次遞進的實踐教學平臺[7-8]。

1.3 目標性和系統性

實踐教學體系內的所有教學環節需要具有很好的銜接性、連續性,根據辦學目標和定位,結合專業人才培養體系的特色,從專業基礎知識和卓越工程師等理念出發[9-10],運用系統科學的方法,分析和測算出各個實驗實踐環節對學生能力培養的目標和能力達成度,明確所開設的實踐教學環節在整個培養方案課程體系中的地位和作用,然后構建科學有效的實踐教學平臺。

2 螺旋遞進式的軟件工程實踐教學體系架構

螺旋遞進式的實踐教學體系是根據生物學中的“雙螺旋結構”延伸出來的模型。“雙螺旋結構”的DNA分子模型中有2條多核苷酸組成的鏈,并排盤繞成雙螺旋形狀,狀似一個盤旋的樓梯[11-12]。借鑒“雙螺旋結構”,根據軟件工程專業自身的特點,設計出如圖1所示的螺旋遞進式實踐教學體系的架構。

圖1 螺旋遞進式的軟件工程實踐教學體系架構

我院面向軟件工程專業制定了“卓越工程師教育培養計劃”,以此為目標構建了從課程實驗到企業實習的多層次、全覆蓋的工程能力培養體系。學生一方面要參與層次內容豐富的校內實踐教學活動,另一方面還要參與校外企業實習實訓等工程實踐類課程,且累計時間需達到1年以上。

秉承“知行、創新、卓越”的培養理念,在校內實驗教學環節,通過課程實驗、綜合設計(含挑戰性實驗課程)以及學科競賽、創新創業訓練等教學形式,著力加強學生對于學科基礎知識與專業知識的掌握,并逐步培養學生的工程實踐與創新能力；在校外企業培養環節,我院以OBE(outcome-based education)模式為指導[13-14],規范完善實習實訓的各階段定義及其考核目標,梳理信息化管理流程,建立起一整套OBE評價標準[15-16]。

我院在軟件工程專業的本科生人才培養模式中,將實踐教學體系分為2部分:校內實踐和校外實踐。這2部分具有較大的關聯性,兩者相互纏繞,相輔相成,每次的螺旋,意味著學生實踐能力的不斷遞進提升。其中,校內實踐教學環節分為課程實驗、綜合設計、學科競賽、創新實踐和創業實踐等部分；校外企業實踐培養環節按時間順序分為企業參觀、企業實訓、企業實習和企業頂崗實習畢業設計等環節。在此思路下,遵循系統規劃、集成共享的原則,實現實驗實訓中心化。

通過課程實驗,培養學生的基本專業知識和實踐技能,打牢基礎；通過貫穿4年的綜合設計,以項目開展的形式培養學生應用專業基礎知識解決復雜軟件工程問題的能力,與校外的企業實訓和企業實習相輔相成,不斷提高學生的專業技術能力和實際工作實踐能力；通過學科競賽,讓學生以團隊的形式提交作品參與競賽,培養學生的團隊協作能力和競賽能力；打造大學生創新創業實踐環節、建設大學生創新創業工程實踐中心、組建創新創業團隊,鍛煉學生的創新創業實踐能力,培養學生的創新意識和創業精神；最后通過大四半年時間在企業完成畢業設計,讓學生能夠更好地應用實際工作經驗解決復雜工程問題,并形成自己的畢業設計,為以后的就業或者深造提供一個良好的過渡。

2.1 校內實踐教學環節

我院結合學科、專業調整,按照學科大類進行實驗中心建設,優化教學資源配置,通過新建、整合、補充完善等方式,逐步建成了“卓越工程師實驗教育中心”。建成了公共基礎實驗室群、數字信息處理實驗室群、互聯網+實驗室群、網絡安全實驗室群等4個特色實驗室群,以及多種類型的校企聯合實驗室,總面積1 500余m2,如圖2所示。

圖2 實驗室整體架構

我院“卓越工程師實驗教育中心”建設的目的在于實現各個專業方向之間的優勢互補,促進學科間的交叉滲透。該中心在完成理論課教學的同時,重點在于承擔各種類型的課程實驗,包括驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗,加強學生對理論知識的理解和掌握。“課程實驗”環節是整個實踐教學體系的基礎,對于加強學生的基礎知識、強化基本技能訓練,掌握扎實的基本技能具有非常重要的地位。

2.1.1 綜合設計

我院的綜合設計實踐環節目的在于為學生進入企業實訓實習做一個鋪墊,以課題項目的形式來開展。將綜合設計分為綜合設計I、綜合設計II和綜合設計III。綜合設計I針對低年級開設,綜合設計II針對中年級開設,綜合設計III針對高年級開設,每個綜合設計課題組由3～6名學生組成,配備1名或多名指導教師,時間為1個學期。在此期間,學生在完成課題項目的同時,要撰寫中期報告和總結報告,最后進行答辯,成績合格之后才能認定學分。綜合設計課程已經被列入實踐核心課程,是必修課,因此也成為指導教師和學生非常重視的一門課程。

根據綜合設計不同制定不同考核要求和畢業要求。構建了基于螺旋遞進式的綜合設計教學體系,如圖3所示。

圖3 螺旋遞進式的綜合設計教學體系

從圖3可以看出,綜合設計I的畢業要求是學生能正確對課題進行可行性研究和需求分析。綜合設計II在綜合設計I的基礎上進一步要求學生對課題進行總體設計、詳細設計和編碼實現。綜合設計III在綜合設計II的基礎上進一步要求學生能夠利用所學的知識開發相應的技術工具對系統進行測試,并撰寫測試用例。

構建的綜合設計是螺旋遞進式的完整實踐教學體系,通過該環節能夠強化學生的基本技能訓練,在鍛煉學生專業實踐能力的同時,也讓學生能夠更好地貼近市場最新的科研技術,為學生進入企業實訓實習提供一個良好的過渡,培養學生的團隊協作能力及綜合素質。

2.1.2 學科競賽

軟件工程專業的學科競賽對培養學生的創新實踐能力有著很大的催化作用,可以培養學生的團隊合作精神、激發學生的創新思維、提高學生發現問題和解決問題的能力。

我院鼓勵本科生積極參與學科競賽,目前本科生中常組織和參與的競賽有:互聯網+大學生課外競賽、全國大學生信息安全競賽、“ Galboa杯”大學生手機游戲&APP創意與開發大賽、花旗杯金融信息應用大賽、互聯網+大學生創新創業大賽、中國教育機器人大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“華為杯”中國大學生智能設計競賽、“英特爾杯”全國大學生軟件創新大賽、“中國軟件杯”全國大學生軟件設計大賽、華為“創想杯”開發者大賽、華為網絡技術大賽、華為軟件精英挑戰賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽、ASC世界大學生超級計算機競賽等各種類型的學科創新型競賽。本科生通過參與這些競賽,可以提高學科專業技術能力,以及培養創新思維能力、團隊協作能力、工程實踐能力。

我院也采取了一些相關措施來保障學科競賽的有效運行:制定每年度競賽日程表,每項競賽指派1位競賽負責人,全面負責該競賽項目的具體運行；成立學科競賽指導團隊,每個團隊指派1名導師,負責團隊的管理和指導工作；為各級別學科競賽和校內校外競賽活動中取得優異成績的團隊,除頒發榮譽證書外,再給予額外獎勵；要求本科生前3個學年期間必須參與1次學科競賽,取得的成績可替代相關課程學分。通過這些措施可以保障學科競賽活動的良好運行,從而提高了我院卓越軟件工程師人才的培養質量。

2.1.3 創新創業

我院軟件工程專業的創新創業能力培養按照“三階段”的螺旋遞進式結構實施,如圖4所示,即創新創業基本素養、創新創業專業能力和結合專業的能力檢驗與創業實踐等3個階段的培養體系。

第一階段:創新創業基本素養的培養。在大一階段,通過對學科技術引導及專業素質教育,使新生具備創新創業的基本素養,感受創新創業的環境。開展入學教育創新創業專題講座等形式,培養大一新生對創新創業實踐的興趣,為以后創新創業能力的訓練奠定基礎。

圖4 螺旋遞進式的創新創業實踐

第二階段:專業創新能力的培養和創業意識的樹立。在大二階段,為鍛煉學生創新能力,建立創新創業實驗室，鼓勵學生掌握專業基礎、進行研究性學習,主動參與多種類型的實踐項目。以創新性項目為驅動,引導學生理解和掌握專業知識和技能,培養分析和解決實際問題的思維方法,提高創新意識。實行項目導師制,吸收優秀學生參與各類創新能力拓展項目,接受全面、嚴格、系統的創新創業項目訓練。通過這些途徑能有效加深學生對專業理論知識的理解和掌握,鍛煉培養他們的工程實踐能力、創新思維和創新能力,為以后的就業和創業做準備。

第三階段:創新能力的檢驗和創業實踐。在大三、大四階段,我們開設相關創業課程,通過“課賽結合”的模式提高學生的創新能力,也促進團隊的協作精神。以校企合作實習實訓平臺為支撐,為學生提供創業的鍛煉機會。

目前,針對創新創業這一教學環節,我院大力支持學生工程實踐活動和創新創業活動,建立了工程實踐教育中心和學生創新創業中心“藍色工坊”,并設立了學生創新基金。

2.2 校外企業實踐培養環節

我院卓越工程師計劃的核心是每個學生在4年的學習期間,累計要在企業實習實訓工作1年時間,并貫穿4年的培養過程中。在實際的工作中培養職業人的專業素養,縮短學校知識與行業需求的差距。通過這樣的方式,學生的視野在校企聯培中開拓,知識在工程實踐中重構,經驗在解決問題中豐富,能力在學產過程中得到提高。為此,構建了一個螺旋遞進式的校外企業實踐模式,如圖5所示。

圖5 螺旋遞進式的校外企業實踐培養環節

我院把企業實習實訓列為本科生的課程培養方案,總學分為8個學分,是本科生的必修課程。我院組織大一的新生花1天時間去知名企業參觀,由企業的高級工程師、專業技術人員等對他們進行企業的基本情況介紹以及相關專題的講座,讓大一的學生熟悉企業的工作環境,培養學生對未來工作的直觀印象和對職場生涯的提前規劃意識。

大二學生要去企業實訓3個月的時間,大三學生去企業實習6個月的時間,大四學生去企業直接參與頂崗實習的畢業設計。給每個學生分別指派1名企業導師和校內代管教師,這種雙導師制可以有效地促進學生做畢業設計的積極性,有效提高他們在企業工作的熱情。

3 基于螺旋遞進式的軟件工程實踐教學體系的運行保障

為了保障實踐教學體系的有效運行,我院成立了卓越軟件工程師實驗教育中心。

3.1 行政組織保障

我院卓越軟件工程師實驗教育中心實行中心主任負責制,中心主任由學院主管教學的副院長兼任,全面負責實踐教學資源的統籌調配以及實驗中心的發展規劃。中心副主任配合主任負責中心的日常管理與各項建設工作。在中心主任領導下,各實驗室骨干教師配合首席教授及系主任制定本實驗室所承擔課程實驗以及實驗課程教學內容,進行實驗教學以及實驗實建設等。

3.2 教學質量保障

我院的卓越軟件工程師實驗教育中心實行教學與實驗結合、科研與實驗結合的教學模式。通過實驗教學試講、專家聽課、學生評教等一系列質量評價與持續改進措施,建立了多角度、多層次的實驗教學保障體制,樹立了以知識傳授、能力培養、素質提高協調發展的教育理念和以工程能力培養為核心的實驗教學觀念,建立了有利于培養學生實踐能力和創新能力的實驗管理模式。

3.3 教學支撐保障

我院的卓越軟件工程師實驗教育中心各實驗室配置有實驗用機、網絡同傳系統、高性能服務器等多種基礎設施,滿足各類實驗教學需求。同時,中心以制度促規范,以規范保運行、促發展,通過一系列規章制度,明確教學支撐職能要求,確保責任落實到人。注重細節,提升服務,充分結合信息化支撐手段,切實保障各類實踐教學活動順利開展。在保障培養方案所規定的教學活動基礎上,中心所有實驗室面向全院學生免費開放,學生在課余時間均可利用未開課的實驗室機房進行上機實驗。

3.4 信息化支撐系統平臺保障

立足我院卓越工程師實驗教學體系,重點研究分析了校內實驗教育與校外企業培養2大實踐教育主線的全過程管理難點,積極探索了信息化建設對卓越工程師實驗教育的重要支撐作用,建成了卓越工程師實驗教育信息化支撐系統平臺。該平臺以服務師生為宗旨,在有效覆蓋、支撐我院200余門本科生實驗課程教學管理的基礎上,同時支撐我院實習實訓等各類企業培養環節的過程管理,成為全院師生實踐教學的日常工具。

該平臺充分發掘信息化流程、算法的實際效用,有力推動了校內實驗教學環節與校外企業培養環節的規范化管理。

3.4.1 校內實驗教學環節管理層面

(1) 基于實驗教學時空沖突矛盾特征創建的排課沖突檢測算法,保證了對實踐教學排課中的各類復雜沖突的充分檢測與規避。

(2) 通過“優秀、良好、一般、差”4級12檔實驗報告評審等級的設置以及評審項目的規范化,有效避免了傳統百分制評分的隨意性。

(3) 實驗報告上傳截止時間等規則的設置與應用,培養了學生的責任意識與實踐觀念。

(4) 綜合設計雙向選題、實驗分班、值班排班、助教管理等一系列信息化手段,實現了傳統實踐教學管理難點的重要突破。

3.4.2 校外企業培養環節管理層面

(1) 針對企業培養環節的需求與特征,明確定義過程管理中的具體階段與環節、角色與任務,從而創建企業培養環節信息化管理機制,以信息化流程設計與應用推動全過程管理。

(2) 構建實習學生與學院代管教師的線上交互平臺,通過平臺為代管教師開展遠程指導提供幫助,方便師生交流。

(3) 建立信息化評價機制,特別是建立以培養卓越工程師“解決復雜軟件工程問題”為導向的立體式信息化評價體系,幫助學院準確評估學生實習實訓成效,構建閉環式反饋。

(4) 逐步建立數據倉庫,為企業培養環節的過程管理、質量監控與持續改進提供服務。

4 結語

本文研究分析了傳統實踐教學體系中存在的問題,提出了一套創新可行的以“培養卓越工程師”為導向的基于螺旋遞進式的實踐教學體系,該體系在實際運行過程中被證明有效可行。

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