面向工科研究生创新能力培养的EPI教学模式探索

摘要：依托操作系统结构分析和计算机体系结构两门计算机专业研究生课程的教学实施，从教学内容、教学手段、考核方式等多方面阐述EPI教学模式的探索与尝试过程，并根据教学实施情况分析该教学模式的科学性和适用性，为该教学模式的进一步完善及广泛应用提供依据。

关键词：工程实践；问题导向；个性化培养

0.引言

研究生教育作为高等教育的最高层次和高等教育大众化阶段中的精英教育，其教学中的各个环节及教学效果直接影响高等院校人才培养的质量和我国现代化建设的进程。教育部于2002年提出研究生教育创新计划，2005年1月出台《教育部关于实施研究生教育创新计划，加强研究生创新能力培养，进一步提高培养质量的若干意见》，强调加强研究生创新能力培养问题的重要性。在信息化领域的竞争中，人才竞争起着至关重要的作用，高素质人才是未来信息化发展的重要因素。工科是最具有综合性和实践性特征的学科，学科间的相互渗透和交叉使其边界被突破，对工科研究生培养必然从单一的专业化教育走向综合的科学研究领域，因此，工科研究生教学有双重任务，即培养科学研究能力和工程实践能力。综合的科学研究能力包括独立获取知识的能力、提出问题的能力、分析问题的能力和深度挖掘知识的能力，而工程实践能力是指运用上述能力解决实际问题的能力，这很大程度上依赖于工程创新能力的培养。单纯的知识型、学术型人才已经落伍，而具有工程创新能力的高级人才才能真正符合现代作战的需要。这些新情况对原本按部就班的工科研究生培养过程及工科研究生课程的教学内容产生了不小的触动，对工科研究生的教学提出了新的要求。

1.计算机专业研究生培养现状

计算机专业研究生是未来信息化竞争的重要参与者，其创新能力培养已引起各方高度重视。作为高素质新型人才，计算机专业研究生所从事的研究工作往往与相关行业中的关键工程技术相关，这类研究方向综合性高、实践性强，对其相关问题开展研究，不但需要广博和精深的基础知识作为支持，还需要具备解决复杂和综合的实际工程问题的能力，更需要具备对未来科技发展的敏锐力和热点问题的洞察力。

近年来，很多从事研究生教学工作的教员和研究生导师也纷纷意识到工程能力和创新能力培养的重要性，不少高等院校正在做这方面的尝试和努力，但是目前国内尚没有成熟有效的针对工科研究生工程创新能力培养的教学模式。计算机专业研究生的教学存在以下亟待解决的问题：

（1）片面化引入工程问题。以往的教学也部分引人工程问题，但是普遍存在片面、不够系统的现象，没有把完整、具体的工程问题带入教学的全过程，使学生缺乏整体认知，面对一个实际工程往往无从下手。未来，需要系统、完整地将工程问题引入教学的全过程。

（2）学生缺乏提出问题的能力。教学偏向于让学生分析和解答问题，学生常缺乏提出问题的能力和质疑的能力，而真正的科学发现和创新都是从提出问题开始的。

（3）统一的考核方式。研究生阶段的教学评价仍然采用和本科生类似的考核方式，所有学生采用同一套评价体系，偏重教育的统一性而忽视个性化培养，学生的自主性得不到充分发挥，创新能力受到抑制。

2.以工程实践案例为牵引的教学内容设计（engineering practice）

工科类学科的特点是技术发展较快，其教学内容应注重渗透研究生科研过程中需要的工程设计及实践方法，将满足教学目标的完整工程实践案例融人教学全过程，紧跟学科发展前沿及信息化发展的实际需求，并不断更新完善教学中的工程实践案例。以操作系统结构分析课程为例，其教学内容设计把完整具体的案例融人教学的全过程，组织具有丰富工程实践案例的教学内容，确保研究生在拥有扎实专业基础理论的同时，拥有较强的解决工程实际问题的能力。

操作系统结构分析课程是一门涉及较多硬件知识的计算机系统软件课程，其概念多、抽象性强、涉及面广。当前，Linux操作系统的组成结构和实现技术较为成熟和先进，文档资料充分。该课程充分利用现有资源，引导硕士研究生进行实际操作系统的案例分析，进一步结合分布式、高性能、实时、嵌入式等操作系统的设计理念与技术，提升学生的操作系统设计水平。课程组根据长期的教学和科研实践经验，分析多个版本的Linux内核源代码，并精心设计教学内容，让理论与实践紧密结合，使课程更具吸引力和实用价值。

该课程理论部分共分为12个章节，详细分析Linux的内存管理、进程管理、文件系统、设备驱动等子系统的管理结构和管理方法，并辅以源代码分析、算法改进和驱动程序设计，将抽象的操作系统概念、原理、方法等落到实处。

该课程实践部分将工程案例UCORE中的功能模块按照操作系统原理的知识模块进行划分，逐步展开实验内容，将操作系统内核中的原理及各部分实现对应于UCORE系统中进行对比分析。学生在一边学习的基础上，可以同时开始动手进行UCORE的分析和设计，随着课程的进行，逐步阅读并实现内存管理、进程管理、文件管理等操作系统内核的核心代码，最终实现并完成一个小型的操作系统。为了使学生更好地掌握计算机系统的软硬件协作关系与整体工作原理，该课程改变传统的课上讲授、课下实验的教学模式，以UCORE教学操作系统为主线，将操作系统原理与Linux系统结构分析融人工程实践教学环节，课程理论和工程实验环节的具体内容设计见表1和表2。

3.以问题为导向的教学方法改革

采用以问题为导向的教学方式，通过对工程中具体问题的解决，培养学生观察、分析、探索和解决问题的能力以及自主学习、合作学习、自主创造的能力，由“教师提出问题一学生讨论解答”发展到“学生再提出问题一学生给出综合方案”。在整个过程中，由一个问题引发多个相关问题，由既有的知识结构扩展到新的知识结构，教学的过程不再是以往的“教与学”，而是不断探索创新新知的过程。

以计算机体系结构课程为例，课堂教学注重学生的参与度，以问题为导向牵引教学全过程，教学的形式以提出问题与解决问题的方式交叉进行，课堂讨论与课下自主学习相结合，课堂讲授形式多样，授课内容充实有吸引力，根据学生情况适时调整内容和进度，注重教学过程中的激励和控制，及时引入学科前沿的相关研究内容，以激发学生的求知欲，充分发挥学生自主学习的能力，加深其对计算机工作过程的理解。教学过程包含引入环节、课前调研、课堂讲授、课后评估、总结归纳、课后延展等，遵循学生认知规律，设计针对不同授课内容的多样化课堂组织方式。

与以往教学内容相比，重点将教学内容围绕工程实践的全过程做科学组织与梳理，依据优化后的课程结构，根据不同的设计方案，形成多层次可自选可扩充的教学内容。将教学内容进行单元划分，每个单元以问题为导向，学生的学习过程就是解决问题的过程，教学目标明确且兼具可度量性，学生可自行评价通过学习是否能够解决问题，教员可评价其解决问题采用的方法和效率。该课程对于学生全面理解计算机系统的层次结构、建立计算机整机的概念、了解软硬件之间的关系起到非常重要的作用。引入以问题为导向的教学方法，其具体实施情况与传统教学内容之间的对比如表3所示，由于篇幅有限，此表只举例给出了一种设计问题的方案。根据教员不同的教学设计，可形成不同的设计方案。

4.个性化的考核方式

研究生阶段更应强调素质和能力的考核，包括动手能力、工程实践能力、实践中运用理论知识解决实际问题的能力、研究合作能力、总结表达能力等。可建立一套柔性可重构可自选的考核系统和科学合理的评价体系，注重阶段性过程评价，将过程考核与教学目标紧密结合。由学生根据个人兴趣和专长选择考核方式和内容，不断完善和建立真正能反映研究生知识水平和具有创新能力的考核体系。这既有利于提高学生学习的主动性和创造性，又能充分体现个性化的培养，符合研究生精英教育的理念。

5.存在的问题与思考

从实践效果上看，EPI教学模式目前在部分研究生课程的教学实施中已取得了良好的效果，得到了学生认可，并逐步向多层次发展。例如，在前期各门课程进行实践教学探索的基础上，下一步可以广泛开展基于项目学习方法的实践教学，使项目学习的主线贯穿教学全过程，将课程内容与一个完整的工程项目结合起来，进一步提高学生的综合能力。

课题研究实践过程也存在一些问题。例如，少部分学生缺乏提出问题的能力，存在主动性欠佳的情况，主要原因在于长期以来学习习惯的培养已使其形成固定模式，很难通过短期的教学改革产生较大影响。此外，个性化的考核方式下，在大部分学生被调动积极性与新鲜感的同时，基础较差、动手能力相对较弱的学生容易产生畏难情绪，因此个性化的考核方式也很难面面俱到。

工科研究生将来是我国重要的知识力量和技术力量，高等院校培养信息化高水平人才，更要将学生的工程创新能力作为工科研究生的一项基本素质能力，使其成为学生能力素质构成中不可或缺的元素。研究者将对这种教学模式进行不断优化及深层拓展，结合现状总结经验，在探索与实践的道路上继续前行。