競賽驅動的計算機實踐教學體系設計

黃建忠， 杜 博， 張滬寅， 彭紅梅

(武漢大學 計算機學院， 武漢 430072)

0 引 言

李克強總理在高等教育改革創新座談會上提出“注重增強學生實踐能力，培養工匠精神，踐行知行合一，多為學生提供動手機會，提高解決實際問題的能力，助力提升中國產品的質量。”實踐教學是鞏固和加深理論知識的有效途徑，是培養學生掌握科學方法和提高動手能力的重要環節，也是用人單位評價學校培養人才效果的關鍵性指標。隨著社會的發展，在計算機類本科人才實踐教學的過程中，也出現了一些教學問題，主要包括：實踐教學各個環節之間相對獨立、聯系較少，缺乏實踐教學體系；實踐教學過程中軟硬件的條件難以滿足理論教學的需要；實驗項目較為固定、死板，與時代需要脫節；實踐教學師資力量配備薄弱；實踐教學與人才培養結合較為松散[1-3]。

經過10余年的研究與實踐，我校積累了大量的實踐教學經驗，形成了一套以學科競賽為驅動的面向計算機類創新型人才培養的實踐教學體系，以競賽倒逼實踐平臺與資源的發展建設，在實驗教學上下功夫，取得了較突出的人才培養效果[4-7]。

1 實踐教學改革理念

1.1 探索“以賽促學”的創新驅動實踐教學發展模式

大學生學科競賽已經成為深化高校創新創業教育改革的重要載體、促進大學生全面發展的重要平臺，是推動產學研用結合的關鍵紐帶，是高素質人才培養的一條有效途徑。競賽是整合課內外實踐教育教學的重要環節，是培養學生創新精神的重要抓手[8-10]。

探索實踐“以平臺建設支撐學科競賽，以學科競賽培養創新人才”的實踐能力培養方法，堅持“以賽促學、以賽促研、以賽促建、以賽促新”，推動創新驅動發展及競賽成果應用轉化，以學科競賽培養學生的創新能力和人文精神，利用學科競賽激發學生的學習熱情，增強學生的自主學習動力與科研創新意識，不斷提升人才核心競爭力。

1.2 倡導“以學生為本”的線上線下一體化實訓實踐

計算機類的競賽，學生要想取得優異成績，一定要在思維、技能、強度等方面強化實踐。實驗平臺與實驗室是學生完成實踐教學不可或缺的重要場所，也是學生自主創新設計的重要基地或平臺。實訓實踐可以說是學生成長、成人、成才的必由之路[11-12]。

倡導以學生為本的理念，融合學科優勢資源及前沿研究成果，依托“虛實”融合的線上線下一體化實踐教學平臺及實驗資源，時間與空間上的開放共享，為學生科研競賽訓練提供強有力的保障，可實現全天候、個性定制化、大規模協同實驗。學生通過全流程實踐鍛煉，實驗室為學生的創意提供平臺支撐，競賽中會涌現更多的優秀作品，以點帶面推動創新創業教育實踐。

2 實踐教學體系與人才培養模式

2.1 面向社會需求與創新驅動，制定實踐教學體系

以培養高素質實踐人才為宗旨，以加強內涵建設、提升本科教學管理水平、提高人才培養質量為主要內容，結合計算機類相關專業的指導性專業規范，構建了“四類型六環節”的計算機類本科實踐教學體系，如圖1所示。依據創新型人才成長規律設計循序漸進的細粒度培養機制，將實驗類型分為基礎實驗、專業實驗、綜合實驗和科研創新實踐四種類型，通過認知實驗、驗證實驗、設計實驗、綜合實訓、畢業設計和科研競賽等六個環節來進行實驗教學[4-5]。

實踐教學體系內容覆蓋了計算機科學與技術、信息安全、物聯網工程等整個計算機類專業的核心研究領域的知識點，也涵蓋了計算機類本科專業的四個年級各環節的實踐內容。低年級學生通過基礎實驗和專業實驗完成課堂知識的學習與認知，高年級學生通過綜合實驗和科研創新實踐完成創新思維與實踐能力的培養，形成了“認知、設計、創新、應用”的計算機系統綜合能力培養模式[13-14]。

圖1 計算機類本科實踐教學體系

2.2 創建“以賽促學”創新型人才培養模式

堅持“學科競賽為牽引、創新平臺為支撐”，實現“以賽促學、以賽促研、以賽促建、以賽促新”，創建出“以賽促學”的創新型人才培養模式，以實踐平臺建設支撐學科競賽，推動競賽成果向實驗平臺資源轉化，利用學科競賽激發學生的學習熱情，增強學生的自主學習動力與創新科研意識，實現以學科競賽培養具有“創新能力、創新意識、創新人格”的高素質創新型人才，提升核心競爭力。

以創新為培養目標，以競賽為促進手段，按學年制為學生制定細粒度合理的階段目標。第一年為目標規劃期，結合學生的興趣與特點，確立學習目標并制定整體規劃。第二年為知識儲備期，根據學科競賽或科研立項，讓教師與學生自由組合形成競賽和研究小組。第三年為成果形成期，以參加競賽等形式進行科研成果展現及爭取競賽獲獎。第四年為成果轉化期，將獲得的競賽成果和科研成果總結推廣及應用轉化，為學生的就業或創業提供良好的機遇。

3 “學賽”結合的實踐資源建設

3.1 打造“虛實”融合的實踐教學平臺

實踐平臺創新是實踐教學體系建設的關鍵環節和重要內容。在“四類型六環節”的實踐教學體系框架下，一方面強化建設實體實驗室，另一方面也開放大規模在線實驗平臺，以資源共享、“虛實”融合的方式構建線上線下一體化的實踐教學平臺。這些實踐環境為計算機類專業的本科教學內涵建設、品牌特色專業建設提供了強有力支撐。學生通過全流程多平臺的實訓鍛煉，提高了創新實踐能力與專業素養。

實踐教學平臺設計為3層架構，如圖2所示。我校建設了網絡安全云平臺、高性能計算平臺、物聯網工程實訓平臺、網絡工程實訓平臺、計算機系統學習平臺等，也是為國家級虛擬仿真實驗教學中心服務的開放共享平臺，構建了實驗資源的多層次共享機制[15]。

圖2 實踐教學平臺架構

3.2 采用眾創機制更新實驗資源

以眾創實驗項目為突破口，采用“眾創機制”激勵教師、研究生教輔、本科生、合作單位技術骨干、校友組成的實驗教學團隊協同參與設計實驗，不斷將教師科研成果、合作單位的真實項目和學生的參賽獲獎作品加以轉化，形成特色實驗項目，為學生實驗、實訓、課外科研、學科競賽、創業實踐等源源不斷注入更新優質實踐教學資源。典型實驗資源建設情況見表1。

改變以往“被動學習”的呆板模式，鼓勵學生參與到眾創實驗項目設計中，引導學生設計方案和實驗步驟，通過“群組式討論”分析實驗設計方案和實驗過程的優點和不足，鍛煉學生團隊協作能力。通過眾創機制，學生的創新意識大幅加強，涌現了一批優秀的實驗項目，反哺了實驗平臺的更新建設，讓更多學生受益。

表1 典型實驗資源建設情況

3.3 秉持開放共享，助推校企合作資源轉化

匯聚知名高校、IT企業與政府部門優勢資源，通過“引進來”和“送出去”相結合的方式，擴寬學生的交流與溝通渠道，促進實踐教學的對外輻射，也為與科研成果的快速轉化奠定基礎。

加強與國內知名IT企業、政府與行業主管部門簽訂合作協議，共同建立工程實踐教育基地和校內聯合實驗室，將這些企事業單位的實際需求轉化為實踐教學的目標，采用目標導向的實踐人才培養方法。建立校外學生實訓基地，通過實戰演練，開闊學生視野，讓學生切身感受到IT企業的文化氛圍、工作環境，增強學生的緊迫感和危機感，提高學生的學習自發性，并為未來就業和創業打下基礎。

4 實踐教學特色與創新

致力于實驗教學體系與人才培養模式的創新，打造以“引領、共享、創優、突破”為核心的實驗室文化，在10余年的實踐教學建設進程中形成了自身特色。

(1) 構建了“四類型六環節”計算機類本科實踐教學體系，為專業人才培養貢獻教學經驗。我校在計算機類專業課程體系、實踐培養方案、實驗室建設等方面積累了大量案例，創建了全國第一個信息安全本科專業實踐教學體系，建設了一流的物聯網工程實訓實驗室，牽頭制定了全國第一個“高等學校信息安全專業指導性專業規范”、高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范。實踐教學體系與專業規范成為50多所國內外高校制定實踐教學方案的依據，起到了輻射示范效應。

(2) 融合多學科平臺科研優勢和創新實踐成果，創新設計了“虛實”融合的實驗平臺新架構。借助計算機技術、軟件工程和網絡空間安全等一級學科，建設“虛實”融合的線上線下一體化實踐教學模式，自主設計大規模在線計算機類虛擬仿真實驗云平臺。平臺通過不斷更新建設實踐教學內容，集聚社會資源、提高資源利用率、減小重復建設代價、提供廣泛交流與實踐的平臺，為專業建設與人才培養打造先進的實踐平臺。近幾年為本校培養了2 000余名計算機類專業本科生，為校外4 000余人次提供了實驗教學服務。

(3) 探索“以賽促學”的新型人才培養模式，推動實驗項目設計的眾創機制，構建出實踐基地平臺與學科競賽的雙向互反饋機制。探索學賽與平臺結合的計算機拔尖人才培養模式，匯聚校內外優勢資源，形成實踐平臺與學科競賽的良性互助循環。創建了引送結合的校企助推機制，激勵教師、學生、合作單位技術骨干、校友協同參與實踐教學資源建設。目前，我校已與30余家企事業單位共建工程實踐教育基地、校企聯合實驗室和校企合作實習基地等，這些資源每年為400余名學生參加信息安全、物聯網設計、互聯網+創新創業、程序設計等10余項賽事提供支持。

(4) 重視“內培外引”的實踐教師培養，建設高素質的實踐教學團隊。在團隊建設中，發揮團隊負責人的示范帶頭作用，通過傳、幫、帶，帶動實踐教學團隊的研究工作，鼓勵教師到國內外大學進行學習與交流，研究和分析其他學校的成功經驗。每年還聘請經驗豐富的企業高管作為高校導師，在具體的實踐教學中擔任指導教師。另外，學校在人事制度、業績考核、成果獎勵等方面推行激勵機制，實行將論文、項目經費、競賽及實踐教學打通考評，支持不同教師發揮個人所長。比如，對于在重要學術競賽中獲突出成績的教師可破格晉升高一級職稱。

5 實踐教學成效

實踐教學特色建設是實踐平臺及資源建設與發展的核心。我校10余年在計算機實驗教學體系、創新型人才培養等方面的研究與實踐成效明顯。近年來，我校在高等學校國家級實驗教學示范中心聯席會主辦的會議評選中獲獎5項，獲獎數居前列。實踐教學團隊還獲其他教學獎勵14項，獲批各類教學研究項目22項，發表教學論文32篇，出版教材36部。

通過實驗平臺與基地的建設，已經舉辦了六屆華中區程序設計邀請賽、四屆武漢大學研究生程序設計大賽、兩屆武漢大學“互聯網+”創新創業大賽、全國高校網絡安全技能競賽、第二屆全國研究生智慧城市技術與創意設計大賽、首屆全國大學生物聯網設計大賽華中及西南賽區復賽等賽事。

近5年，我校計算機類專業有1 900多人次參加各類全國大學生學科競賽，參加人數達到60%，人才培養的數量與質量均有大幅提升。學生獲國家級獎項165個，獲獎人數434人，獲獎學生占學生總人數的23%，獲獎人數較前期提高了70%以上。其中，在中國“互聯網+”大學生創新創業大賽中獲金獎2項，在全國大學生信息安全競賽中獲一等獎12項，在全國大學生物聯網設計競賽中獲一等獎7項，在國際大學生程序設計競賽(ACM/ICPC)亞洲區域賽中獲金獎9項，在全國大學生計算機系統與程序設計競賽中獲金獎2項。競賽獲獎的學生85%到國內985高校和國外知名高校繼續深造，直接就業的學生98%就職于著名IT企業和國家重要部門，社會對我們培養的學生給予了高度認可和好評。

6 結 語

經過10余年實踐教學改革與探索，我校構建了“四類型六環節”的計算機實踐教學體系，建設了一支優秀的實踐教學隊伍，建立了“以賽促學”創新型人才培養模式，打造了“虛實”融合的實踐教學平臺，匯聚了一批特色實驗資源，校企合作共建資源豐富，取得了很好的教學效果。當然，大學生學科競賽與實踐教學體系及拔尖人才培養等方面還有很多需要不斷探索與實踐應用。培養高素質的優秀人才，是一項長期努力奮斗的目標，需要不斷地開展更多卓有成效的工作。

參考文獻(References)：

[1] 魯嘉華，成 瓊，張 燕.開放式實踐教學模式促進機制的構建[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):172-175.

[2] 馬 彬,吳利平,謝顯中.三維一體化的計算機實踐教學建設體系[J].實驗室研究與探索,2013,32(10):163-165.

[3] 王浩程,馮志友,王文濤.基于工程創新教育的實踐教學體系探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):182-185.

[4] 彭正明,黃建忠.網絡安全虛擬仿真實驗教學中心建設[J].計算機教育,2015(23):18-21．

[5] 黃建忠,張滬寅,裴嘉欣.網絡安全虛擬仿真實驗教學體系設計[J].實驗室研究與探索,2016,35(10):170-174.

[6] 杜瑞穎,張煥國,彭國軍,等.武漢大學信息安全專業實踐教學體系的探索與研究[J]. 計算機教育,2007(10):22-27.

[7] 彭國軍,張煥國,杜瑞穎,等.信息安全競賽與本科生科研創新實踐能力培養[J].計算機教育,2010(24):1-4.

[8] 張新有,袁 霞,潘 偉.高校專業實驗室開放與實施方案探討[J].實驗科學與技術,2009(6):29-31.

[9] 孫愛良,王紫婷.構建大學生學科競賽平臺 培養高素質創新人才[J].實驗室研究與探索,2012,31(6):96-98.

[10] 楊 瑾,季宜敬,崔銳博,等.實驗技能大賽是培養學生創新能力的新途徑[J].實驗室研究與探索.2009,28(6):19-21.

[11] 楊志東,陳小橋.學科競賽與創新人才培養模式的探索與研究——以電子類學科競賽為例[J].實驗室研究與探索,2016,35(2):14-16.

[12] 于海峰.以能力培養為核心 深化實驗實踐教學改革[J].中國高等教育,2011(22):29-31.

[13] 張煥國,王麗娜，黃傳河，等.武漢大學信息安全學科建設與人才培養的探索與實踐[J].計算機教育,2007(23):53-57．

[14] 杜瑞穎,張煥國,王麗娜,等.本科信息安全專業課程體系研究[J].計算機教育,2011(18):1-3.

[15] 黃治國，黃建忠，張滬寅，等.網絡工程實訓平臺建設與實踐教學創新[J].實驗室研究與探索,2011,30(12):146-149.