面向计算机专业创新实践教学体系构建的案例探索

周靖

摘 要：以提升大学生创新实践能力为目的，围绕计算机专业，阐述创新实践教学体系构建的思路，针对现有的基础性验证实验、独立实践型课程、大学生科技竞赛和教师科研4种标准教学形式，以案例的形式提出并剖析体系构建过程中不同的实践教学模式、实验内容选择及成绩评价方法，说明近年来专业在构建创新实践体系过程中取得的成绩，总结持续完善创新实践体系的长期性特点。

关键词：创新；实验教学；计算机专业；案例

0 引 言

为贯彻《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，教育部提出了“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养具有较强工程实践创新能力的优秀工程应用人才[1]。显然，自主创新实践能力的培养，对整个高等教育人才培养模式的改革起着举足轻重的作用，是高水平拔尖创新型人才教育的关键[2-3]。目前，很多高校都非常重视各类实验教学环节对学生创新实践能力的培养。但大部分创新实践教学训练平台、体系结构在实用性、综合性、细则化程度等方面均缺乏系统研究。从生源角度看，受区域软硬件配置、经济条件、师资配备等因素影响，生源自身基础状况参差不齐；从教学角度看，整体的育人理念、大纲要求、教案设置等忽视了学生的个体差异，容易滋生依赖、消极的负面氛围。本文以计算机专业为例，对创新实践教学的标准形式进行分析、改造、尝试、细则化，以此完善实践教学质量保障体系，构建创新实践教学体系。

1 创新实践教学体系构建的思路

以计算机专业实践设计类课程为主线，贯穿本科4个年级的专业课程，构建创新性实验教学体系。创新性实验开展范围面向电类专业本科的所有学生，普及化开展。实验内容采用模块化、层次性、渗透式立体化的选择方式，实验设计分为基础、拓展和自主創意3部分，在对原实验教学方案剖析的基础上，注重各类实验教学环节的组合改造、无缝衔接，制订计划指标性实验细则，并根据差异性原则，针对不同类型学生的接受能力进行项目分类，区分指导，逐级深入，既让优等生创新能力充分得到发挥，又让后进生跟上队伍，提高因材施教的效果。教学过程遵循以人为本的理念，注重实际综合能力的培养，主要包括4种能力。一是前沿信息的检索、收集、加工能力。学生能够掌握搜索提炼有用信息的方法，开拓专业知识视野。二是独立分析决策能力。学生能够进行方案可行性分析，敲定实验设计方案，同时根据实验目的选择多种可操作的实验方法，并进行比较。三是团队合作能力。学会集思广益，捆绑大智慧，深入沟通互助，协调任务和时间。四是总结归纳能力。通过对实验结果的比较和报告写作的锻炼，揭示实验结果的本质，建立扎实的逻辑思维等。成绩评定方式否定“一刀切”，必须综合全面地考虑各个实验设计点的得分，本文将从创新实验实践形式、案例解释、实验评价方式等方面进行详细说明。

2 创新实验教学体系构建的案例研究

计算机专业学生创新实践能力的培养主要来源于下列4类标准形式：①基础验证性实验；②课程设计、综合实验等独立的实践性课程；③参与科技竞赛，如全国或全省范围内的大学生电子设计大赛、挑战杯等；④参与教师科研项目的研发。目前，上述4类方法，针对不同层次、不同年级的学生，开展普及面呈“金字塔”分布状。

2.1 基础验证性实验

基础验证性实验是低年级（大一新生）理解教学内容、掌握研究技能、学习设备使用方式的“入门”必修课，处于金字塔的底层，其开展形式主要以“教师讲授示范、学生模仿”为主。该方式虽然对锻炼学生的实验技能起到奠基性的作用，但学习的被动性太强，千篇一律的实验过程和钉死的实验结果往往使学生不需要思考，甚至限制了学生对科学实验的好奇心和解决科研问题的灵感。因而，提出“填空串联式”验证性实验的创新模式，即一是教师讲授实验原理，解释难点，演示实验过程，但仅仅展示实验方案的中间部分、中间结果或分段给出过程、结果，学生需要承上启下，自行思考填充空白的解决实验方案点；二是同一门课程的所有验证性实验设置都提供知识关联点，要求学生融会贯通新旧知识点，在学期总结时能串联所有实验点，形成一个设计性实验，将验证性实验开展为“验证+思考”的模式。

对具体案例的解析，以计算机本科一年级C++程序设计课程中“实现选择排序”实验为例。教师在整个教学过程中遵循“指导→点拨→鼓励”的顺序。实验平台采用万维捷通考试系统中的C++模块。指导，教师给出不完整的具体的参考方案，并将部分程序编制成操作填空题录入考试系统，提示数据存储方式采用数组形式，循环点采用for循环，讲解选择排序原理并提示程序编制流程图。点拨，依据选择排序原理，给出不完整程序中填空部分的具体任务，让学生了解方案的基本思路和形成过程，并在考试系统中填空，完成程序的编写、编译、运行结果。鼓励，实验课程到这一步时，大部分学生受固有思维和惰性限制，会倾向等待老师指示或就此终止设计，为了让学生有动力积极主动探索下一步的可行方案，可考虑设置专门的奖励政策，勉励学生利用已经学过的知识完善实验方案，如for循环方式可以改成while循环，改变数据存储形式，扩大数据量，改变运行界面，改变系统提交答案时间长短等，同时考究专门的奖励政策，对完善实验的内容设定加分制等，期望这些举措会敦促越来越多的学生停止等待，甚至因担心落伍从而积极地开展行动。实验具体方案见表1。对该案例的考核评价，直接采用万维捷通考试系统中的成绩分析功能，对学生编制程序的完整性、准确性进行归纳，定位尖子生与差生之间的距离，并在此基础上，对有增加实验内容的部分学生依据增加点设定加分制度。

2.2 独立实践性课程

独立实践性课程是创新实验开展的关键载体，现阶段由于师资配备、实践设备、人才培养方案设置等原因，传统“一布置任务，二有问题再解决”的授课方式导致大部分学生在规定的实践周常处于不思考、不讨论、不实践、不应用的学习状态中，最终上交的实践报告内容、结果雷同，无法达到培养学生创新能力的目的。因而，提出下列有针对性的开展方式：一是综合设计性实验内容要涵盖基本、拓展和创意3部分，基本部分的定性要求要具有典型性，其实验结果指标要配置定量要求，在此基础上提供若干可能的拓展功能接口或功能修改思路，最后对少数尖子生提出实验创意要求；二是分组多向交流，开放共享结题方案、实验结果，提高学生的参与度，扩大独立性实践课程在“金字塔”分布中的普及面积。

对具体案例的解析，以计算机本科二年级数据结构课程设计的“迷宫”为例 。教师可提示将迷宫若干路线规划为若干个“图”组，基础实验的定性要求是设计程序并实现迷宫的存储结构及遍历方法。在设计平台和编程工具不限的条件下，实验的定量要求：①迷宫图组的存储结构形式的实现不能单一化，对迷宫的某一条路线（n个顶点e条边的图），存储形式的设计可以从邻接表、邻接矩阵和十字链表3种存储结构中，任选两种实现（建议以邻接表为主）；②遍历迷宫的过程须设计实现深度优先和广度优先两种方式，学生通过对教材内容、相关文献的理解，自行设计实验方案和步骤，验证程序运行结果。实验的拓展思路是在完成基础部分后，为学生提供几种可能的功能延伸或程序流程设计变化的思路。针对上述内容，为学生推荐两种深入理解“图”知识点的方向。拓展一：提高走出迷宫的效率，即以数点的方式计算并对比3种“图”存储方式的时间复杂度（邻接表O（n+e），邻接矩阵O（n+n2+e）和十字链表O（n+e））；拓展二：细化迷宫“图”的类型，要求分为有向图（迷宫路线有出路）和无向图（迷宫路线无出路）进行存储和遍历操作；拓展三：以“树”的形式实现迷宫的遍历。通过拓展思路的拟定，进一步拓宽视野，完善代码设计，激发学生的创新意识，锻炼学生提出问题和解决问题的能力。拓展部分要求学生必须在掌握基础实验的基础上才能完成扩充，避免基础验证性实验“依葫芦画瓢”的弊端。最后是课程的创意设计部分，主要针对一些理论知识较扎实、对创新实验兴趣浓厚的学生，鼓励其完全自由创新设计，创新实验应用范围，天马行空地实现实验要求。创新过程中，结合分组多向交流的形式（“尖子生”提出想法及方案，教师评价，组员听取并反馈意见），以较为逼真的方式进行“研发”，将理论知识进行工程性验证，体验作为一名研发人员如何高效地捕获资源，如何思考设计方案并以合作的形式动手实现它。

对本案例的评价规则从以下4方面考虑：一是制定考核评价表，课程任务分层次进行，制定中段和末段考核阶段评分，末段考核中要重点设置自主创新或特色鲜明的拓展部分的附加分数分量；二是任务得分点的评分规则要尽可能地细化，须从多方面综合评估，制定较为科学的评分制度；三是个人得分的制定要引入竞争机制，组内设定互相评价，公平比较小组成员在任务中的贡献程度，根据贡献度加分或扣分；四是重视实验报告的评分，依据细则扣分，严禁抄袭，一旦发现抄袭扣除所有分数。该案例考核评价见表2。

2.3 参与大学生科技竞赛

大学科技竞赛是整合教学碎片化内容、碎片化时间的关键点，是培养创新人才的有效手段。现阶段虽然各大高校都在积极地参与并宣传其重要性，但却很难扩大参与范围，活跃创新气氛。因而，提出基于大方向基础教学与个性化专业理念相融合的创新实践班的开展方式。在教学资源允许的情况下，遵循“以人为本”的个性化发展，学生可以自由选择研究方向；针对不同的科技竞赛，指导老师与学生共同讨论制定专业教学实践计划，共同安排实践教学时间；发挥学生的主体地位，鼓励学生跨专业、跨领域交流，突出素质、知识能力统一；进一步加强实践班师资队伍建设，以高水平教师结合企业前瞻性、创新性人才的组建方式，潜移默化地影响学生。

对具体案例的解析，以我校参与“全国机器人足球大赛”为例。在完成大一基础性课程后，依据学生自身预期选择，结合机器人足球大赛规则性约束的研究方向，不限制人数组建实践班；对学生的选拔，专业领域不局限于计算机（上位机程序编写），可扩至电子科学与技术（擅长信号处理，电路设计，负责机器人硬件设计）、电气工程及其自动化（侧重控制原理，负责机器人自动控制）、数学（优化算法）等，并逐年形成高、低年级“梯队式”创新团队；分步制订教学计划，首先设置机器人足球导论介绍，其次是机器人基本动作、路径规划、决策能力等研究課程，然后是目前系统的实时性、准确性、适应性和稳定性配置及测试；循序渐进，让学生中分化出来的自信心强、有领导能力的“高手”担当起各竞赛小团队的核心角色，可授权其制作教案，讲授部分专业知识，小组成员点评；模拟历年比赛场景，搭建交流平台，找缺点，找技术创新特色点，使各项技术成熟化；与学校创新创业学院对接，期望通过与铭赛等国内知名机器人研发企业合作的方式，给学生提供从工程角度思考并对比自身思维的平台，让其自行判断应用技术及机器人产品的应用价值。

对本案例的考核评价公式是：成绩分数=β×基本分×团队成员评价平均分数+（1-β）×基本分+主观调控分（教师主观因素，表现因素，高低年级因素）其中，β=0.2×（基本分/100）2，基本分配置为10分。

2.4 参与教师科研项目的研发

参与大学生科技竞赛和教师科研项目的研发均是学生创新实践能力培养“金字塔”普及应用形态的顶层部分。若只强调科技竞赛的重要性会存在以下问题：“全国电子设计大赛”等高水平科技竞赛参赛院校大都包括“985” “211”等名校，想在竞赛中取得突出成绩很难，如果几年训练下来无法获得奖项，会对竞赛实践班的生存造成很大的困扰；对教师而言，若科技竞赛内容与自身科研方向大相径庭，也会感到动力不足，当训练强度加大时，科技竞赛反而会成为教师的困扰。因而，提出科技竞赛紧密贯穿教师科研项目，定位教师主导、学生主体，共同保障科研团队的开展模式。

以笔者的广东青年创新人才项目“面向混合属性对象的伸缩性聚类方法及其应用研究”为例。课题中数据点熵特征变化、平均互信息的距离度量等内容可提高机器人性能，提取该研究点融入实践班教学中，让学生学习教师的成果。布置搜索任务，团队每位成员须在知网等公共资源中查找5～8篇相关文献，了解其前沿科学动态，并缓解科技竞赛长时间工程训练的乏味。各成员总结归纳搜索捕获的知识点，与教师讨论相关研究点的距离变换的原理解析、MATLAB仿真过程，提高看问题、屡思路的平台。将科研项目的结题工作作为科技竞赛的延续，鼓励学生参与整理、总结结题报告，归纳资料，搭建算法仿真系统平台。针对熵特征变换、平均互信息距离度量等创新点，可以指导学生撰写相关专利申请、科研论文，并将其筛选出来继续深入挖掘，作为学生的毕业设计选题，将科技竞赛、毕业设计实践、科研项目研发贯穿成一条线。另外，本阶段，应逐步放手，全方位开放实验室资源，并提供一定资金（教师科研经费、实验室低值易耗品经费等）由学生自主掌握购买测试数据、实验设备等。同时，力争与上游产品接轨，与业界主流公司合作，让公司工程师直接进入实验室，为创新性实验课题的拟定提供技术支持。

3 取得的成绩

我系计算机专业自2011年逐步建立创新实验教学体系以来，已经形成较为稳定的、混合的创新团队。人员数量逐年增加，涵盖了院系各个电类专业大二至大四的同学。团队在全国机器人竞赛、全国电子设计大赛、“挑战杯”等竞赛中获得近百余项较好成绩，其中国家级竞赛季军5项，一等奖20多项，二等奖60项。同时，团队也积极参与国家自然科学基金、省自然科学基金、省市级科技计划等科研项目的申报与结题工作。团队中的学生考研深造时成绩突出，直接就业时也都能很快获得企业的青睐。以此为契机，创新实验教学体系的构建为提升我院的综合竞争力奠定了坚实的基础。

4 结 语

对高校而言，培养具有创新精神和实践能力的高素质人才，是实现国家发展战略目标的切实要求[4-5]。计算机创新实践教学体系的构建是漫长的、循序渐进的过程。随着计算机前沿理论、技术不断更新换代，需要及时将新的科研成果、技术平台、管理理念应用到创新教学中，进一步扩大培养成果，提升创新实验训练效果，完善其运行机制，为今后学校培养更多具有工程创新实践能力的综合性人才奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部. 卓越工程师教育培养计划[Z]. 2010.

[2] 童军军， 崔秀红. 创新实验的设计性和自主性[J]. 实验技术与管理， 2008， 25（7）： 23-24.

[3] 刘志刚. 以培养创新型人才为目标构建高水平实验教学大平台[J]. 中国高等教育， 2009（6）： 20-22.

[4] 杨珏， 张文明. 以科技竞赛为载体提升大学生创新实践能力[J]. 中国高等教育， 2014， （20）： 30-32.

[5] 柯文德， 彭志平， 陈珂， 等. 实验教学质量监控在创新科技竞赛中的应用[J]. 实验室研究与探索， 2013， 32（11）： 160-163.

（见习编辑：景贵英）