“學-練-賽”驅動的計算機類本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐
——以“無線網絡技術”課程為例

江先亮，金 光，陳 琛，嚴迪群

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

近年來， 發(fā)達國家對我國開展廣泛的技術封鎖，如芯片制造、操作系統等，促使國內許多高校更加關注學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。 歷史經驗表明，人才是國家、社會創(chuàng)新發(fā)展的關鍵，高校教育應以培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的人才為目標， 促使學生發(fā)展與社會需求契合，增強畢業(yè)生競爭力。 優(yōu)秀的高校教育除了管理制度的完善， 構建與高校人才培養(yǎng)目標相適應的創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系[1-3]，還應大力支持作為高校發(fā)展核心推動力的一線基層教師的教學投入，打造更多的“金課”[4]和“一流課程”，提高人才培養(yǎng)質量。

作為基層教師， 應如何培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的學生呢？仁者見仁，智者見智。憑我們的實踐經驗，計算機類本科生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)應以課程 （含理論和實驗）為基礎，課外競賽、學生科研和工程問題解決為延伸， 教師也應充分利用多樣化的課外實踐改革課程內容[5]和授課方式，做到理論、實驗、創(chuàng)新實踐的閉環(huán)。 這也契合工程教育認證對課程的要求。

以我們建設的“無線網絡技術”課程為例，其具有多學科交叉、知識點覆蓋廣、理論與實踐結合緊密等特點，理論、實驗、創(chuàng)新實踐的“學-練-賽”閉環(huán)對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力就顯得尤為重要。

1 問題和現狀分析

不同高校和專業(yè)的學生在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面?zhèn)戎夭煌?，方式方法也各有差異，也非某一門課程就能達成，應統籌考慮優(yōu)化學生的課程培養(yǎng)方案及課程教學改革。 本文僅探討“學-練-賽”模式在地方高校計算機類本科生教學中的運用。 接下來，將首先分析目前高校計算機類本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的不足。

（1）課程連貫性不足，不同教師間的課程內容缺乏相互銜接，學生對知識掌握的連貫性不足。以“無線網絡技術”課程為例，其要求學生先修“操作系統、嵌入式、程序設計、計算機網絡”等課程，但課程安排和不同教師的側重點不同，導致“無線網絡技術”課程需要給學生補充操作系統、嵌入式等課程知識點， 以減少課程連貫性不足所帶來的影響。

（2）技術更新快，而課程內容更新相對滯后。不同于文科類課程，計算機類課程知識迭代快，要求授課教師不斷更新授課內容，做到與技術同步。 實際上，目前高校不少計算機類課程仍采用十幾年前甚至更久之前的內容進行授課，學生難以學到最新技術，不利于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。 在“無線網絡技術”課程的教學內容建設上，我們每隔3 年就會修訂完善教材內容[6]，緊跟技術發(fā)展的步伐。

（3）傳統“理論+實驗”的教學方式以模仿為主，創(chuàng)新不足。大多數計算機類課程的實驗教學內容固定，要求學生按部就班重復操作，束縛了學生的創(chuàng)新能力發(fā)展。 在“無線網絡技術”課程的建設中，我們融合課內“理論+實驗”和課外創(chuàng)新實踐，讓學生不僅掌握課程知識點，還能夠深入探索以設計和實現創(chuàng)新性的作品，參加各類競賽和科研創(chuàng)新。

在“無線網絡技術”課程的教學實踐中，我們逐步形成了“學-練-賽”的教學模式，經過實踐檢驗，有效提升了學生的創(chuàng)新能力。

2 “學-練-賽”學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

針對計算機專業(yè)學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，本文提出如圖1 所示的“學-練-賽”培養(yǎng)方式，即以課堂理論教學為基礎，應用實踐教學為抓手，科研競賽為強化，以解決實際問題為落腳點，重在培養(yǎng)學生在現有知識基礎上進行創(chuàng)新。 培養(yǎng)方式包含兩個閉環(huán)：①理論認知強化循環(huán)；②創(chuàng)新能力培養(yǎng)循環(huán)。在①中，重點強化學生課內對課程理論知識的掌握，以課程實驗實踐教學為達成途徑，通過閉環(huán)改進理論教學內容和方法。 為實現學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)， 需要②的課外創(chuàng)新實踐 （如學生科研、競賽等）進行強化，以團隊合作項目為抓手，制定合理的考核方法和激勵策略，充分調動每位學生的積極性，并依據②的反饋優(yōu)化課程內容和授課方式。

圖1 “學-練-賽”學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式Figure 1 “Learning-Practicing-Competition” student innovation ability cultivation model

需注意，②中的項目應與課程內容相關，培養(yǎng)學生靈活運用課程的知識點，并對存在的問題進行深入探索，提升創(chuàng)新意識。

3 案例探討

“無線網絡技術”課程的建設過程中，我們充分考慮了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并運用了“學-練-賽”的培養(yǎng)模式，取得了較好效果。 下面以學生完成的“軟硬件協同的交互式編程平臺設計與實現” 項目為例，闡述如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。 圖2 所示為軟硬件協同的交互式編程平臺的框架示意圖。在開展項目前，我們通過課堂教學使學生掌握無線網絡相關的技術，如Wi-Fi、藍牙、隱聲數據通信、嵌入式計算、Arduino/樹莓派開發(fā)板、各類傳感器、分布式數據庫等，以及程序設計開發(fā)能力。 為讓學生扎實掌握無線網絡相關理論知識，同時融合了我們開發(fā)的無線網絡實驗實踐資源[7]進行應用實踐教學。完成理論知識講授， 并開展了相關課內實驗后，學生可進行項目設計與開發(fā)。

圖2 軟硬件協同的交互式編程平臺框架示意圖Figure 2 Schematic diagram of the framework of an interactive programming platform with software and hardware collaboration

圖3 所示為學生創(chuàng)新設計的軟件編程子系統結構示意圖，其為用戶提供完善的多語言編譯和解釋環(huán)境， 支持 C/C++、Java 和 Python 等語言的在線編程功能。它包括前端在線代碼編輯和云端服務兩部分。在線編輯為用戶提供代碼編輯、關鍵字高亮、代碼補全和錯誤提醒等功能。 云端服務包括網關、編譯器以及數據庫，提供編譯、數據存儲和運行等功能。

圖3 軟件編程子系統結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the software programming subsystem structure

為實現物聯網應用快速開發(fā)，學生設計了物聯網應用子系統，其包括設備層和應用層兩部分。 設備層配套的開發(fā)板使用MicroPython 作為底層固件，采用Python 開發(fā)設備的驅動。 應用層包括在線編輯、代碼推送、數據存儲、設備認證和結果反饋等。

為滿足高并發(fā)和一對一通信需求，學生設計了基于MQTT 的一對一代碼推送，如圖4 所示。 在開發(fā)板配網和認證時，系統會獲取開發(fā)板的標識并與用戶賬戶綁定。配網成功后開發(fā)板會訂閱以自身標識+“00”組成的主題，發(fā)布以自身標識為信息的廣播。用戶完成線上開發(fā)后，后端獲取設備標識，向該主題推送代碼， 設備通過訂閱該主題接受代碼，達到一對一通信目的。

圖4 一對一代碼推送機制流程Figure 4 One-to-one code push mechanism process

平臺設計實現后， 在內存32GB、CPU 為E5-2630V3 的服務器上， 采用 19.03.5 版本 Docker 容器化部署線上編程系統各項服務， 使用Android 6.0.1 系統搭載開發(fā)的配網軟件進行開發(fā)板的配網。 圖5 所示為平臺搭載的學生設計的開發(fā)板，其為核心控制板，可用于控制不同的外設。

圖5 外設主控板實現圖Figure 5 Implementation diagram of peripheral main control board

目前，該項目已完成學術論文2 篇、獲軟件著作權5 項， 并積極擴展作品功能以參加物聯網競賽、互聯網+等學科競賽。 項目開展過程中，學生從系統構想到需求分析、硬件設計、軟件開發(fā)、組網測試等都全程參與， 構建了無需復雜環(huán)境配置就可開發(fā)物聯網應用的平臺， 創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)和體現。

4 結語

學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一項系統性工程，需要專業(yè)建設和課程建設的有機結合。文中提出的“學-練-賽” 驅動的計算機類本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式僅為我們在“無線網絡技術”課程建設中的心得，存在的不妥之處仍需不斷研討和探索。