面向新工科的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系及實踐教學(xué)改革

劉金江，李賀，馬曉普，張新剛

（南陽師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南陽 473061）

0 引言

為了應(yīng)對中國產(chǎn)業(yè)變革及新一輪的科技革命，適應(yīng)“中國制造2025”國家戰(zhàn)略需要及產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展，同時將國際工程教育思想本土化，“新工科”應(yīng)運而生[1]。新工科的重要求是打破現(xiàn)有工科的培養(yǎng)模式，采用多方協(xié)同人才培養(yǎng)模式，對各類優(yōu)質(zhì)教育資源進(jìn)行整合，從而培養(yǎng)出創(chuàng)新及實踐動手能力強的工科人才。因此，教育部在2017 年提出“新工科”建設(shè)行動路線推動傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級[2]。

目前，人類已進(jìn)入智能社會后，該人工智能學(xué)科會漸漸的向其他學(xué)科和專業(yè)滲透，尤其是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。隨著人工智能的發(fā)展，高等教育的價值也將進(jìn)一步提高。因此，各高校應(yīng)盡快建立與新工科相一致的計算機學(xué)科專業(yè)，并深入研究我國計算機科學(xué)與技術(shù)方面的人才培養(yǎng)體系、課程設(shè)置、實驗平臺及成果轉(zhuǎn)化等方法，改革傳統(tǒng)計算機學(xué)科的教育教學(xué)方法，形成有新工科特色的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程教育方法。但是，由于傳統(tǒng)的專業(yè)是按學(xué)科劃分的，因此，目前的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系以理論為主，強調(diào)學(xué)科知識的系統(tǒng)性和完備性[3]。另外，地方高校由于師資力量、實驗平臺、科研平臺及學(xué)科建設(shè)有限，工程教育在人才培養(yǎng)上存在一定的問題，如實踐教學(xué)課時不夠及與企業(yè)實際需求不適應(yīng)等。造成學(xué)生在解決實際問題及適應(yīng)性等方面的能力不足。為了解決這些問題，并使計算機教育跟上信息時代的腳步，抓住高等教育發(fā)展的新機遇，因此在新工科背景下進(jìn)行地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系及實踐教學(xué)改革探索具有重要的現(xiàn)實意義。

1 計算機學(xué)科對新工科人才的新要求

1.1 具備多學(xué)科交叉知識

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G、大數(shù)據(jù)及人工智能等信息技術(shù)快速發(fā)展。計算機科學(xué)與技術(shù)是一個多個學(xué)科交叉而成的一門專業(yè)。計算機科學(xué)與技術(shù)主要包括計算機科學(xué)、通信、電子學(xué)、控制學(xué)、信息論、智能科學(xué)、哲學(xué)、語言學(xué)及系統(tǒng)論等[4]。因此，一個合格計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才需要具備多學(xué)科知識。

1.2 具備多領(lǐng)域應(yīng)用能力

計算機科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，基本包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)及社會生活的各個行業(yè)（如工業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療、金融、社會治安、交通領(lǐng)域及服務(wù)業(yè)等）[5]。學(xué)生在學(xué)好專業(yè)技術(shù)的前提下也需要掌握這些行業(yè)的相關(guān)知識，只有這樣才能提高計算機科學(xué)與技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3 具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神

目前，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展成為了我國現(xiàn)階段發(fā)展的重要力量，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟成為經(jīng)濟發(fā)展的新引擎[6]。在大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的號角下，信息技術(shù)作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中的一個大趨勢。因此，當(dāng)今新形勢下培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才對我國經(jīng)濟發(fā)展及大學(xué)畢業(yè)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有重要意義。

2 地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)課程體系改革

目前，許多高校已經(jīng)認(rèn)識到目前的計算機科學(xué)與技術(shù)課程體系已經(jīng)不能適應(yīng)社會和學(xué)生發(fā)展的需要。尤其是地方普通高校在師資、科研及學(xué)科力量薄弱情況下進(jìn)行計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)。目前地方高校在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置上主要存在課程內(nèi)容陳舊、實踐課程不足、教材理論過強、教學(xué)模式老舊及工程教育與企業(yè)需求適應(yīng)等問題[7]。針對這些問題，南陽師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院重新定位人才培養(yǎng)目標(biāo)，對課程體系進(jìn)行改革，優(yōu)化理論及實踐課程，具體如下:

2.1 地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)

計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展，掌握數(shù)學(xué)與自然科學(xué)基礎(chǔ)知識，掌握計算機、網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)相關(guān)的基本理論、基本知識、基本技能和基本方法，具有較強的專業(yè)能力和良好的綜合素質(zhì)，熟悉計算機科學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)與應(yīng)用，具備主流軟件開發(fā)，能夠在信息技術(shù)行業(yè)，特別是在Web 開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及人工智能領(lǐng)域從事系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用等工作，具有一定的人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)，擁有較強的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實踐能力、交流能力和團隊協(xié)作能力的應(yīng)用型技術(shù)人才。

2.2 地方高校計算科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程改革

（1）計算機科學(xué)與技術(shù)課程體系改革

南陽師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系主要包括學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程及個性化課程。其中，學(xué)科基礎(chǔ)課程主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程、計算機基礎(chǔ)課程數(shù)字電路及大學(xué)物理等課程。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程主要包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計。計算機基礎(chǔ)課程主要包括計算機導(dǎo)論、程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。

專業(yè)核心課程主要包括匯編語言程序設(shè)計、計算機應(yīng)用與編程、數(shù)據(jù)庫概論、計算機組成與結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)信息安全、Python 與數(shù)據(jù)分析、Linux 操作系統(tǒng)、算法設(shè)計與分析等課程。

為了滿足學(xué)生對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的不同方向需求以及在各領(lǐng)域的應(yīng)用需求，在個性化課程中設(shè)置了三個培養(yǎng)等方向。主要有軟件開發(fā)（數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)綜合實踐、網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)、Java EE 開發(fā)技術(shù)、軟件項目管理、軟件質(zhì)量保證與測試及小程序開發(fā)等）、大數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)技術(shù)原理、大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及數(shù)據(jù)可視化）和人工智能（人工智能導(dǎo)論、計算機圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、智能優(yōu)化方法、機器學(xué)習(xí)及機器人學(xué)等）方向。

（2）優(yōu)化理論及實踐課程

在學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課和個性化課程中加大實驗?zāi)K，增加課程設(shè)計，建立以理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用為導(dǎo)向的計算機教學(xué)實踐模式。

在專業(yè)基礎(chǔ)方面，除了基礎(chǔ)的理論學(xué)習(xí)，在公共課實驗的基礎(chǔ)上，增加程序設(shè)計實驗課時，并增加課程設(shè)計，加強學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。

在專業(yè)強化階段，除了專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)，還有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗、計算機網(wǎng)絡(luò)實驗、機器學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等實驗。增加了企業(yè)和項目實踐課程，從而提高計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科學(xué)生的實踐能力。

在專業(yè)應(yīng)用階段，進(jìn)行個性化培養(yǎng)，以學(xué)生興趣為導(dǎo)向，開展相關(guān)應(yīng)用課程實驗，主要包括機器人實驗、大數(shù)據(jù)實驗、數(shù)字圖像處理實驗等。通過畢業(yè)實習(xí)（以畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文為導(dǎo)向進(jìn)行）進(jìn)一步提高學(xué)生解決實際問題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

3 地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)模式

3.1 地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐平臺建設(shè)

（1）計算機學(xué)科實驗平臺建設(shè)

在新工科建設(shè)背景下，南陽師范學(xué)院廣泛應(yīng)用多種計算機實驗教學(xué)平臺（主要希冀一體化計算機實踐教學(xué)平臺、包括百度飛槳（PaddlePaddle）深度學(xué)習(xí)平臺、機器人教學(xué)實驗平臺和大數(shù)據(jù)綜合實驗平臺等），提高學(xué)生興趣。

（2）采用案例教學(xué)法

建立了計算機實踐教學(xué)案例庫，主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（線性表、棧和隊列、二叉樹、最小生成樹、最短路徑、查找及排序?qū)嶒灒R編語言（判斷閏年、哈密頓回路、矩陣乘法、選擇排序、全排列、字符統(tǒng)計及計數(shù)排序等實驗）、計算機網(wǎng)絡(luò)（交換機和路由器的配置、VLAN 劃分、生成樹、交換機端口鏡像、鏈路聚合及Web 方式管理交換機等實驗）、計算機組成原理（4 位全加器、4 位比較器、4 位加法器、單周期CPU、多周期CPU 及MIPS 微系統(tǒng)實驗）、操作系統(tǒng)（內(nèi)存管理、進(jìn)程與異常、系統(tǒng)調(diào)用與fork、文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理、處理機調(diào)度及分區(qū)存儲管理等）等實驗。

3.2 地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)改革

（1）校企合作

建立起具有學(xué)科特色的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式，校企合作是關(guān)鍵。學(xué)校應(yīng)積極派遣教師進(jìn)企業(yè)進(jìn)修，了解企業(yè)需求，并提高教師的工程能力，建立具有地方區(qū)域特色的師資隊伍及校企協(xié)調(diào)的新工科教學(xué)模式，從而避免計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐與企業(yè)實際脫節(jié)。從而培養(yǎng)出適合社會發(fā)展的人才。

（2）“雙導(dǎo)師”負(fù)責(zé)制

另外，實行“雙導(dǎo)師”制，通過校企之間建立教師指導(dǎo)團隊，以項目為牽引，將企業(yè)實踐作為第二課堂學(xué)分，制定計算機專業(yè)相關(guān)的學(xué)術(shù)科技作品競賽的獎勵機制，積極引導(dǎo)學(xué)生參加各項計算機學(xué)科相關(guān)的比賽，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐方面的能力。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)已成為學(xué)生學(xué)習(xí)的熱門專業(yè)。在新工科背景下，計算機人才培養(yǎng)應(yīng)注重提高學(xué)生解決問題的能力，適應(yīng)新技術(shù)的不斷發(fā)展。目前，各類新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、5G/6G 技術(shù)、量子密碼、深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等。在這種背景下，筆者結(jié)合近年來的了解到的企業(yè)需求對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系和實踐教學(xué)改革改革給出了一些建議和方案，可以為地方高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)及實踐教學(xué)模式改革提供參考。