面向能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程體系探究與實(shí)踐

袁景凌，饒文碧，熊盛武，廖明習(xí)

（武漢理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

武漢理工大學(xué)以系統(tǒng)化教育思路重新規(guī)劃知識(shí)領(lǐng)域和課程教學(xué)內(nèi)容，在大一、大二實(shí)施計(jì)算機(jī)大類(lèi)培養(yǎng)模式，針對(duì)計(jì)算機(jī)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)統(tǒng)一設(shè)置大類(lèi)平臺(tái)課程，強(qiáng)調(diào)通識(shí)思維、計(jì)算思維和基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，課程定位為計(jì)算基礎(chǔ)與系統(tǒng)的理解與應(yīng)用；大三、大四為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)與核心教學(xué)階段，強(qiáng)調(diào)學(xué)生工程性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)[1-4]，綜合考慮主干專(zhuān)業(yè)課程和特色課程的設(shè)置，注重統(tǒng)一規(guī)劃。課程主要分為通識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)階段、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)與核心教學(xué)階段、專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)階段，見(jiàn)圖1。

2 實(shí)驗(yàn)課程的融合與創(chuàng)新

按照計(jì)算機(jī)課程內(nèi)在知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系和人才培養(yǎng)規(guī)律，結(jié)合社會(huì)對(duì)人才的需求和計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展特色，學(xué)校以系統(tǒng)化教育思路重新規(guī)劃知識(shí)領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立面向復(fù)雜工程問(wèn)題求解與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系；特別注重計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的貫通教學(xué)改革。

2.1 面向計(jì)算思維及算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

圖1 面向復(fù)雜工程問(wèn)題的課程體系

學(xué)校融合數(shù)學(xué)、思維與算法等相關(guān)課程，按照底層思維→形式化描述→算法設(shè)計(jì)順序，構(gòu)建培養(yǎng)計(jì)算思維及算法設(shè)計(jì)能力的分層教學(xué)體系；從問(wèn)題出發(fā)，按照問(wèn)題的表達(dá)、建模和求解內(nèi)容，逐層搭建問(wèn)題與解答之間的橋梁，理清知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)系，把有關(guān)計(jì)算思維特征、程序設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)方法分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內(nèi)容之中。

另外，學(xué)校與世界500強(qiáng)企業(yè)合作建設(shè)課程及教學(xué)團(tuán)隊(duì)，如與華為武研所合作建設(shè)編程思想、軟件編程規(guī)范、敏捷開(kāi)發(fā)和編程環(huán)境等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程及計(jì)算思維與算法設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，探索更適合形成學(xué)生計(jì)算思維及培養(yǎng)算法設(shè)計(jì)能力的教學(xué)模式與體系，見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算思維形成及算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.2 面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的軟硬件貫通實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力就是對(duì)于一個(gè)復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)問(wèn)題，能夠從計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和硬件技術(shù)兩個(gè)方面入手，在性能、效率、難易程度等方面進(jìn)行方案比較，尋找最佳解決方案。這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高端能力，也是計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一直以來(lái)密切關(guān)注計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，先后去浙江大學(xué)、武漢大學(xué)等調(diào)研計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的試點(diǎn)和實(shí)施情況，并邀請(qǐng)浙江大學(xué)相關(guān)教授到計(jì)算機(jī)學(xué)院做面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的貫通教學(xué)主題的交流和培訓(xùn)。經(jīng)過(guò)前期充分的調(diào)研和準(zhǔn)備，計(jì)算機(jī)學(xué)院結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，融會(huì)貫通數(shù)字邏輯（邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）、計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程知識(shí)體系，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為統(tǒng)一視圖，建立層次化、循序遞進(jìn)、開(kāi)放式課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與體系，見(jiàn)圖3，并建設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

圖3 面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的軟硬件貫通實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系（實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、人才培養(yǎng)模式等）

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心根據(jù)新型計(jì)算機(jī)學(xué)科人才培養(yǎng)目標(biāo)，充分借鑒和吸收計(jì)算機(jī)學(xué)科建設(shè)成果和國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，依照國(guó)外計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)規(guī)范和我國(guó)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)、軟件工程專(zhuān)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的相關(guān)教學(xué)體系與規(guī)范，追求學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新能力、科技素質(zhì)的全面提高，合理規(guī)劃、精心組織，努力探索支撐新型信息化人才培養(yǎng)本科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新模式。

中心建立以“基礎(chǔ)核心+能力培養(yǎng)”為出發(fā)點(diǎn)的實(shí)踐教學(xué)體系，通過(guò)多樣化的實(shí)驗(yàn)形式、多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)分類(lèi)分層的實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)緊密?chē)@教學(xué)目標(biāo)，以學(xué)科為依托，融理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)于一體，知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)相一致，課內(nèi)教學(xué)與課外訓(xùn)練相配套，以計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)理論和系統(tǒng)基礎(chǔ)為核心，以計(jì)算機(jī)學(xué)科內(nèi)涵為延展，建立一個(gè)既有系統(tǒng)性、層次性又有開(kāi)放性的實(shí)踐教學(xué)體系，為學(xué)生提供一個(gè)全面的能力培養(yǎng)方案和個(gè)性化成長(zhǎng)途徑。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系見(jiàn)圖4。

3.1 計(jì)算機(jī)軟硬件與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

圖4 實(shí)踐教學(xué)體系

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要面向計(jì)算機(jī)學(xué)科專(zhuān)業(yè)學(xué)生，由計(jì)算機(jī)學(xué)科各個(gè)專(zhuān)業(yè)方向共性的、具有明顯學(xué)科特點(diǎn)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成，基本反映了本學(xué)科合格本科畢業(yè)生應(yīng)該具備的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)踐能力需求和知識(shí)需求；以驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主要手段，以部分綜合性實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充，開(kāi)設(shè)可以覆蓋計(jì)算機(jī)理論和系統(tǒng)（涵蓋軟、硬件和計(jì)算系統(tǒng)）基礎(chǔ)實(shí)踐能力訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)課程，為學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定共性基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)軟硬件與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系見(jiàn)圖5，主要課程有：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與編程綜合實(shí)驗(yàn)、面向?qū)ο笈c多線(xiàn)程綜合實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法綜合實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)軟件應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、編譯技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、軟件工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)等構(gòu)成。

3.2 綜合實(shí)驗(yàn)與復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)

復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合實(shí)踐能力是計(jì)算機(jī)學(xué)科人才能力競(jìng)爭(zhēng)的核心價(jià)值所在，它具體表現(xiàn)為計(jì)算系統(tǒng)的認(rèn)知、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與運(yùn)行能力，要求站在全局的高度以計(jì)算機(jī)各專(zhuān)業(yè)知識(shí)認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建、優(yōu)化、運(yùn)維。

為有效培養(yǎng)學(xué)生的上述能力，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)遞進(jìn)和邏輯關(guān)聯(lián)為主線(xiàn)，打破理論課程內(nèi)容橫向劃分的慣例，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同設(shè)計(jì)、軟件工程綜合課程設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)工程綜合課程設(shè)計(jì)等綜合實(shí)驗(yàn)課程，旨在解剖其中的細(xì)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)思、架構(gòu)、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和運(yùn)維能力。

（1）計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)。結(jié)合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，采用軟硬件課程貫通，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐過(guò)程為手段，深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高性能程序設(shè)計(jì)為目標(biāo)，融會(huì)貫通數(shù)字邏輯（邏輯與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）、計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等課程知識(shí)體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

（2）軟件工程綜合實(shí)訓(xùn)系列課程。關(guān)注綜合性軟件工程實(shí)踐，系列課程運(yùn)用以前所學(xué)軟件工程基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、需求工程、軟件設(shè)計(jì)、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件項(xiàng)目管理、軟件測(cè)試和軟件職業(yè)知識(shí)，采用螺旋開(kāi)發(fā)模型，突出團(tuán)隊(duì)交流合作和軟件項(xiàng)目管理，強(qiáng)化軟件工程制品，組織學(xué)生構(gòu)建中規(guī)模軟件系統(tǒng)（產(chǎn)品）的實(shí)踐。

（3）物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實(shí)訓(xùn)系列課程。以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為引導(dǎo)，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生最重要的專(zhuān)業(yè)技能就是掌握應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法，能夠運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程方法論進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施，使學(xué)生對(duì)包括技術(shù)交流與培訓(xùn)、系統(tǒng)咨詢(xún)、應(yīng)用項(xiàng)目需求分析、應(yīng)用系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、應(yīng)用系統(tǒng)上線(xiàn)實(shí)施、投資回報(bào)率分析等在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施方法論有全過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐。

圖5 計(jì)算機(jī)軟硬件與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3.3 工程創(chuàng)新類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)秉承“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”理念，遵循理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化設(shè)計(jì)的原則，建立實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)循序漸進(jìn)的工程能力訓(xùn)練平臺(tái)。

在建設(shè)過(guò)程中，一方面將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程擴(kuò)展、優(yōu)化和群分；另一方面積極引進(jìn)優(yōu)質(zhì)企業(yè)資源，引進(jìn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，推動(dòng)校外企業(yè)實(shí)習(xí)計(jì)劃，如聯(lián)合華為武研所、中軟國(guó)際共同進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，校外企業(yè)教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容見(jiàn)表1。

3.4 科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中心依托學(xué)科優(yōu)勢(shì)、實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)優(yōu)勢(shì)、師資團(tuán)隊(duì)和海外科研教學(xué)交流優(yōu)勢(shì)，在面向問(wèn)題求解的創(chuàng)新教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、專(zhuān)業(yè)科研實(shí)驗(yàn)室本科生工作和畢業(yè)設(shè)計(jì)4個(gè)環(huán)節(jié)上，設(shè)置不同級(jí)別的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，著重開(kāi)展科研和教學(xué)互動(dòng)，著重建立高水平教師和學(xué)生的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)指導(dǎo)，建立本科生在科研環(huán)節(jié)的導(dǎo)師機(jī)制，共同組成計(jì)算機(jī)學(xué)科創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)還面向交叉領(lǐng)域的融合和應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)，呈現(xiàn)典型的開(kāi)放、插拔式結(jié)構(gòu)，可隨領(lǐng)域、學(xué)科的發(fā)展而變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

信息化時(shí)代，針對(duì)計(jì)算機(jī)類(lèi)學(xué)科的高速發(fā)展和社會(huì)信息化對(duì)高層次人才的需要，建設(shè)面向能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，符合專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求，是當(dāng)代人才培養(yǎng)及社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)。面向能力培養(yǎng)的教學(xué)體系，把有關(guān)計(jì)算思維特征、程序設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)方法分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內(nèi)容之中，能細(xì)化學(xué)生的認(rèn)知與理解。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課程的融合與創(chuàng)新，以多樣化的實(shí)驗(yàn)形式、多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)分類(lèi)分層次的實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)全面的能力培養(yǎng)方案和個(gè)性化成長(zhǎng)途徑，也能有效地指導(dǎo)新型信息化人才的培養(yǎng)。

表1 華為、中軟國(guó)際教學(xué)計(jì)劃

[1]尚鳳軍. 面向復(fù)雜工程問(wèn)題的計(jì)算機(jī)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2016(9): 70-73.

[2]劉衛(wèi)東, 張悠慧, 向勇, 等. 面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程體系建設(shè)實(shí)踐[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2014(8): 48-52.

[3]王志英, 周興社, 袁春風(fēng), 等. 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2013(9): 1-6.

[4]袁景凌, 饒文碧, 熊盛武. 以學(xué)生為中心的計(jì)算機(jī)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)云平臺(tái)[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2016(5): 28-31.