面向計算機專業一流學科的實驗教學體系建設與管理

摘要：從實驗教學本身的特性出發，基于多種因素和發展的需求，對計算機科學與技術專業的實驗課程體系進行梳理和重建，提出并構建了模塊化實驗教學體系。該體系具有模塊內可循環發展及資源模塊化共享的特點，更符合工程教學認證的需求。同時基于國家級一流專業的建設，提出了適用于模塊實驗教學體系的多層級管理模式，明確了各部門及個人的責權，以及多個部門的橫、縱向聯系。隨著計算機市級實驗教學示范中心的發展，模塊化實驗教學體系及多層級實驗管理模式已應用于專業實驗課程的課內外教學。

關鍵詞：一流專業；工程認證；實驗教學體系建設；實驗教學管理

一、發展現狀及建設目標

對于高等院校來說，實驗及實踐教學一直是重要的教學環節，是所有工科類專業面向OBE教學理念的核心[1]。近年來，國內外各高校大力加強工程教育，并在各個方向上進行了大量的實踐類教育改革[2]。其中，各高校計算機科學與技術專業在建設一流專業過程中，為了培養學生探索式學習的能力，加強了創新創業教育[3]，對實驗教學體系進行了進一步的建設和管理。

在計算機科學與技術專業的本科教學中，實驗相關的課程在專業培養計劃中所占比例逐年增加。為緊跟工程教育認證的發展，以及教育部提出的新工科概念，各專業在實驗教學體系的建設中確立了新任務和新目標[4]。近年來，本專業進行了大量的實踐教學改革工作[5]，原有的實驗教學體系急需進行梳理和重建，相應的管理模式也需要進一步完善和調整。

（一）環境與發展現狀

目前，本專業的實驗教學工作主要由計算機市級綜合實驗中心（以下簡稱實驗中心或中心）提供支持。作為天津市級實驗教學示范中心，實驗中心是教學質量保障體系的重要組成部分[6]。計算機市級實驗教學示范中心建立于2013年，主要包括計算機基礎教學實驗室、計算機專業實驗室和科研實驗室三大部分。其中，負責計算機科學與技術專業的本科教學方向的共有9個專業實驗室及1個大學生創新基地，具體如圖1所示。

（二）存在問題

目前，計算機科學與技術專業培養方案中的實驗教學體系隨著逐年發展，體現出部分不足之處，相應的實驗管理也存在一定的問題。一方面，現有實驗教學體系是以理論課程為主體的構建模式，根據理論課程的前繼后續關系，實驗課程同樣采取了基礎課和專業課、必修課和選修課的區分方式，未能體現各門實驗課程的特性，以及各課程實驗內容之間的關聯。另一方面，實驗課程管理方面也有些問題急需解決。實驗課程需要依托實驗平臺和實驗環境，責任教師之間缺少信息互通，實驗環境的管理人員單向接收到的實驗需求可能存在冗余，由此可能造成資源浪費的現象。另外，多重管理造成的責權單位不統一，實驗中心和教務之間責權不明，責任教師或授課教師和實驗管理人員的職責重疊，缺少層級管理。

（三）建設目標

目前的實驗教學體系急需進行整體梳理，構建符合實驗教學特征的實驗體系。該體系需要具備一定的穩定性和適用性，經得起實驗建設過程中的迭代，個體實驗課程或實驗內容革新建設可循環應用于模塊中的相關課程，能夠應對周期性變動的課程調整、課時增減等，當課程、課時發生變化時依舊可以保持整體框架不變。

在實驗教學管理方面，加強市級實驗教學示范中心建設，同時協調各部門的工作關系，根據重構的實驗體系明確責權，建立多級管理模式，增加信息流通，保證實驗教學體系的正常運轉。

二、國家級一流學科下的實驗教學體系

為了建設國家一流專業等工作的開展，在貫徹OBE教學理念的基礎上，以模塊化的方式對實驗教學體系進行重構。實驗教學體系的建設在參考原有結構的同時，還需要考慮與教學相關的多種因素。針對每一門實驗或實踐課程，收集其實驗大綱、實驗環境、教學平臺等多方面信息，重構實驗教學體系。

（一）模塊化實驗課程體系

將目前本專業可開設的40余門實驗及實踐課程劃分為6大模塊，各模塊中均包含了多門實驗課程，以課程組或課程特性分組命名，如圖2所示。例如，模塊2數據庫及軟件開發，包含數據庫課程組的3門實驗課，以及軟件工程類的4門課程。其與模塊1、模塊4、模塊5均為原有體系中的專業必修課，而模塊3則對應原有的專業基礎課。另外，具有多個選修方向的實踐選修和實習實訓等課程，則包含在模塊6創新創業實踐中。

總體來講，模塊化的實驗教學體系既結合了原有培養方案中對實驗課程的描述，又對實驗課程進行了進一步的細分，使實驗課程的分類更加明確細致。這樣既保證了實驗教學體系易于在教學中推行，又從本質上提高了實驗教學體系的作用。

（二）模塊內循環

在模塊化的實驗教學體系中，各模塊內的課程在實驗環境和授課方式上相似，以模塊3計算機基礎及語言為例，模塊中主要包含的是3門計算機基礎類課程及5門語言類程序設計課程。這兩類課程主要是訓練學生的計算思維及基礎編程能力。模塊內課程的相似性，可以將個體實驗內容的建設拓展應用于模塊內的其他課程。

例如模塊3中，近年來有多個教改項目轉化至實驗教學，包括關于計算機基礎課程的MOOC教學、先修課[7-8]，關于C語言程序設計的實踐改革等，這些課程建設和教改項目促進了模塊內多個實驗課程的發展，提高了整個模塊的教學質量，形成了有效的模塊內循環機制。

（三）資源模塊化

模塊化的實驗教學體系也對應了資源的模塊化，模塊內多門類型近似的課程可共享資源和平臺，避免了重復建設造成的資源浪費。模塊化資源也更加方便進行協調和管理，當模塊內某課程出現特殊情況，急需調課或加課時，可啟用同模塊內的其他課程的實驗環境。反之，某課程的實驗環境出現故障，也可同樣在模塊內進行調度。

以整體模塊為單位的資源建設，避免了因個體課程內容的變化造成的閑置或報廢，保證了模塊以及整個體系的穩定性。目前執行的2020版教學大綱相較于2016版壓縮了大量課時，取消了部分課程，其中不少課程包含實驗環節。對于差異較大的兩個版本，模塊化的實驗課程體系均可適用，并證明了新體系的穩定性良好。

三、多層次實驗教學體系管理

在以往的實驗教學體系中，教務負責課程管理，實驗中心負責環境和資源，課程組及責任教師負責提出環境需求及授課，學生負責評教。看似責權簡單明確，實則無法實現。由于實驗課程必然需要受到實驗環境和平臺的影響，而教務系統中并沒有實驗中心各實驗室的詳細信息，造成教務從第一步的排課就無法完成。而在選課制度之下，同班級的學生課表并不相同，實驗中心無法得知全體學生的課表，同樣無法負擔排課的工作。這就造成實驗課程雖然面對教務和實驗中心的雙重管理，卻需要任課教師個人與學生私下協商，個人與實驗中心直接對接，如此難免造成搶位或沖突，責權混亂造成的矛盾急需解決。

（一）實驗體系的多層次管理

針對模塊化的計算機科學與技術專業本科實驗教學體系，為了改善多重管理的責權不明的狀態，對管理體系進行了分層，實現了兩個部門管理，一個系統監督的多層次管理模式，如圖3所示。多層次管理體系中對各層級間的關系，以及人員責權加以限定和明確，有效地減少了個人之間的矛盾，保證了實驗課程的順利執行，促進了實驗教學體系有序發展。

1.多層次的縱向關系

多層次管理模式需明確各層人員的責任和工作，各層次涉及的人員包括中心專職人員、教務工作人員、責任教師、專家、同行和學生等，基本覆蓋了計算機科學與技術專業的本科實驗課程中相關的全部人員。

實驗中心負責管理其下的實驗專職人員，以及整個實驗中心的建設工作。目前，實驗中心為計算機科學與技術專業配備了5名專職實驗管理人員，明確了實驗課程體系中6個模塊的責任人。模塊責任人針對所負責模塊進行實驗環境管理、模塊化資源的調配及協調模塊內各實驗課程安排。

學院的教務工作人員需負責課時統計，課內外一體化管理，以及匯總責任教師對實驗環境的需求等信息。部分教師有團隊歸屬，則以團隊形式收集。實驗課程的責任教師負責教授實驗課程，以及課程建設工作。

評價系統是相對松散的結構，各成員之間沒有從屬關系。專家、同行和學生的評價標準不一，所采用的評價系統也各不相同。同行、學生和部分專家是以學期為評價周期的，實驗中心的專家評價以年為單位，工程認證和國家級一流專業的專家評價則可以申報年限為準。

2.多層級間的橫向聯系

多層級管理中兩個管理部門和一個評價系統之間采用以學院教務為橋梁，以實驗中心為主要實施單位，以工程認證各項畢業要求等為考評標準的工作模式。學院教務人員以實驗教學體系的6大模塊為單位收集并匯總各責任教師的課程需求，傳送給實驗中心中相應的模塊責任人。學院教務接收并拆分各評價系統獲得的數據，以學期為單位反饋給各層級中的相應工作人員。

（二）軟、硬件環境的建設

筆者所在院校的實驗中心目前用于教學的軟、硬件資產共有1984.6萬，其中用于計算機科學與技術專業本科教學的資產共1764.3萬，其中以計算機及相關實驗設備為資產的主體，計算機科學與技術專業的實驗教學實驗室近5年資產增長如圖4所示，圖4中顯示了近五年專業實驗室的設備數量增長情況及資產的增長情況，可以看出每一年均在不斷地更新和建設之中。

專業實驗室的總資產中，各類教學軟件也在逐年增加，目前共投入了約212.62萬，其中以創新創業實訓模塊的軟件投資比例較大，占37.4％。軟件投入雖然不高，但在各模塊中資源共享率要遠高于硬件設備。隨著線上教學等授課方式的增加，未來實驗教學體系中的軟件資產投入還將有所提高。

四、實驗教學的擴展應用

模塊化實驗教學體系及多層級實驗管理模式已應用于專業實驗課程的課內外教學，包括第一、第二和第四課堂。經過對課內、外大量課時的實際應用，證實了教學體系和管理模式均是穩定且適用的。

由于第一課堂的課時緊張，根據工程認證的基本理念和專業要求，為保障教學效果，部分實驗教學內容擴展出了第二課堂、第四課堂。計算機科學與技術專業的大量課程均包含實驗環節，以2022學年為例，共開設實驗相關課程32門，選課人次數共5792。開設有第二、第四課堂實驗的課程共11門，占全年開設課程的17％，全年實驗課程的34％。課內、外教學的學時比例如表1所示。

隨著2020版大綱的執行，課外的擴展學時比例在逐年上升。由于第一課堂課時的擠壓，部分課程已將第二課堂的具體內容寫入大綱，課外的第二課堂基本已成為選課學生的必修內容。目前第四課堂占比只有第二課堂的一半，但其未來增長速度可能會更快。近兩年由于疫情的原因，線上教學成為必選項，很多課程積累了不少的經驗和資源，其中一部分將以第四課堂的形式保留下來。相比理論課程，對于實驗課程來說，第四課堂的線上教學是更具挑戰的教學方式。故此中心投資了各類軟硬件配套設施，包括實驗室直播設備、仿真軟件、在線考試系統等，以保證課內外一體化實驗課程的順利開設。

五、結語

面對工程認證和一流專業的雙重建設任務，通過梳理計算機科學與技術專業的全部實驗課程，構建了模塊化的實驗教學體系，并配合該體系提出了多層級的實驗管理模式。

模塊化教學體系能夠更好地實現資源共享，由于模塊內課程的相似性，塊內課程的教研和教改項目推廣可應用到更多其他的課程之中；同時資源模塊化的配置，也可規避資源的閑置與浪費。經過兩版教學大綱的應用，模塊化實驗教學體系保持了整體框架的穩定性，各模塊不受課程和課時變化的影響。

結合模塊化實驗教學體系，構建了多層級的實驗管理模式，明確了各層工作人員的具體責任，以及各級間的工作關系。該模式是以學院教務為橋梁，以實驗中心為實施主體，幾個部門協同工作的形式，評價系統監督保證教學效果。由于具體事務按模塊劃分到人，從而保證了所有實驗課程及整個實驗教學體系的有序運轉。

參考文獻

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基金項目：全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育教學研究項目（課題編號：2020-AFCEC-108）

作者單位：中國民航大學計算機科學與技術學院