面向能力培养的计算机类实验课程体系探究与实践

袁景凌，饶文碧，熊盛武，廖明习

（武汉理工大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉 430070）

1 教学内容规划

武汉理工大学以系统化教育思路重新规划知识领域和课程教学内容，在大一、大二实施计算机大类培养模式，针对计算机类各专业统一设置大类平台课程，强调通识思维、计算思维和基础能力的培养，课程定位为计算基础与系统的理解与应用；大三、大四为专业基础与核心教学阶段，强调学生工程性、系统性、应用性、创新性和解决复杂工程问题能力的培养[1-4]，综合考虑主干专业课程和特色课程的设置，注重统一规划。课程主要分为通识基础知识教学阶段、专业基础与核心教学阶段、专业实践教学阶段，见图1。

2 实验课程的融合与创新

按照计算机课程内在知识点的联系和人才培养规律，结合社会对人才的需求和计算机学科的发展特色，学校以系统化教育思路重新规划知识领域和实验教学内容，建立面向复杂工程问题求解与创新能力培养的实验教学课程体系；特别注重计算思维与算法设计、计算机软硬件协同设计等实验教学模块的贯通教学改革。

2.1 面向计算思维及算法设计能力培养的实验教学改革

图1 面向复杂工程问题的课程体系

学校融合数学、思维与算法等相关课程，按照底层思维→形式化描述→算法设计顺序，构建培养计算思维及算法设计能力的分层教学体系；从问题出发，按照问题的表达、建模和求解内容，逐层搭建问题与解答之间的桥梁，理清知识点及其关系，把有关计算思维特征、程序设计和算法设计方法分解到每一个具体的教学内容之中。

另外，学校与世界500强企业合作建设课程及教学团队，如与华为武研所合作建设编程思想、软件编程规范、敏捷开发和编程环境等实验实训课程及计算思维与算法设计教学团队，探索更适合形成学生计算思维及培养算法设计能力的教学模式与体系，见图2。

图2 计算思维形成及算法设计能力培养的实验教学

2.2 面向计算机系统能力培养的软硬件贯通实验教学改革

计算机系统能力就是对于一个复杂计算系统问题，能够从计算机软件技术和硬件技术两个方面入手，在性能、效率、难易程度等方面进行方案比较，寻找最佳解决方案。这是现代计算机系统设计的高端能力，也是计算机类专业学生的核心竞争力的体现。

武汉理工大学计算机科学与技术学院一直以来密切关注计算机类专业系统能力培养，先后去浙江大学、武汉大学等调研计算机类专业系统能力培养的试点和实施情况，并邀请浙江大学相关教授到计算机学院做面向系统能力培养的贯通教学主题的交流和培训。经过前期充分的调研和准备，计算机学院结合工程教育认证标准，融会贯通数字逻辑（逻辑与计算机设计基础）、计算机组成与体系结构、操作系统、编译原理等课程知识体系，以系统设计为统一视图，建立层次化、循序递进、开放式课程群的实验教学模式与体系，见图3，并建设计算机系统能力培养教学团队。

图3 面向计算机系统能力培养的软硬件贯通实验教学

3 实验课程教学体系（实验教学质量标准、人才培养模式等）

计算机实验教学中心根据新型计算机学科人才培养目标，充分借鉴和吸收计算机学科建设成果和国内外著名大学本科实验室建设的先进经验，依照国外计算机学科教学规范和我国教育部高等学校计算机科学与技术专业、软件工程专业、物联网工程专业和计算机基础教学指导委员会制定的相关教学体系与规范，追求学生专业知识、创新能力、科技素质的全面提高，合理规划、精心组织，努力探索支撑新型信息化人才培养本科实验室建设的新模式。

中心建立以“基础核心+能力培养”为出发点的实践教学体系，通过多样化的实验形式、多元化的实验教学方法和实验教学手段，实现分类分层的实践能力培养目标。实验教学体系建设紧密围绕教学目标，以学科为依托，融理论教学与实践教学于一体，知识传授与能力培养相一致，课内教学与课外训练相配套，以计算思维、计算机理论和系统基础为核心，以计算机学科内涵为延展，建立一个既有系统性、层次性又有开放性的实践教学体系，为学生提供一个全面的能力培养方案和个性化成长途径。计算机实验教学体系见图4。

3.1 计算机软硬件与系统基础实验教学

图4 实践教学体系

该实验教学平台主要面向计算机学科专业学生，由计算机学科各个专业方向共性的、具有明显学科特点的专业实验内容构成，基本反映了本学科合格本科毕业生应该具备的专业基础性实践能力需求和知识需求；以验证性和设计性实验为主要手段，以部分综合性实验为补充，开设可以覆盖计算机理论和系统（涵盖软、硬件和计算系统）基础实践能力训练的实验课程，为学生的科研创新能力和工程创新能力培养奠定共性基础。

计算机软硬件与系统基础实验教学体系见图5，主要课程有：计算机基础与编程综合实验、面向对象与多线程综合实验、数据结构与算法综合实验、系统软件应用综合实验、操作系统实验、编译技术实验、数据库原理实验、数字逻辑基础实验、计算机组成原理实验、计算机系统基础实验、软件工程基础实验、嵌入式技术基础实验、计算机网络技术实验等构成。

3.2 综合实验与复杂系统设计教学

复杂系统设计和综合实践能力是计算机学科人才能力竞争的核心价值所在，它具体表现为计算系统的认知、设计、开发与运行能力，要求站在全局的高度以计算机各专业知识认识问题、分析问题和解决问题，并实现系统的构建、优化、运维。

为有效培养学生的上述能力，本实验教学平台以实验项目的技术递进和逻辑关联为主线，打破理论课程内容横向划分的惯例，优化实验项目设置，专门设置了计算机硬软件协同设计、软件工程综合课程设计、物联网工程综合课程设计等综合实验课程，旨在解剖其中的细节，训练学生对复杂计算系统的构思、架构、设计、开发和运维能力。

（1）计算机软硬件系统协同设计。结合工程教育认证标准，采用软硬件课程贯通，以计算机系统（SOC）设计与实现的实践过程为手段，深入理解计算机系统和高性能程序设计为目标，融会贯通数字逻辑（逻辑与计算机设计基础）、计算机组成与体系结构、操作系统、编译技术等课程知识体系进行实验教学改革。

（2）软件工程综合实训系列课程。关注综合性软件工程实践，系列课程运用以前所学软件工程基础、程序设计、需求工程、软件设计、软件体系结构、软件项目管理、软件测试和软件职业知识，采用螺旋开发模型，突出团队交流合作和软件项目管理，强化软件工程制品，组织学生构建中规模软件系统（产品）的实践。

（3）物联网工程综合实训系列课程。以物联网应用为引导，物联网工程专业毕业生最重要的专业技能就是掌握应用系统设计与实施方法，能够运用物联网应用工程方法论进行物联网应用系统设计与实施，使学生对包括技术交流与培训、系统咨询、应用项目需求分析、应用系统功能设计、应用系统上线实施、投资回报率分析等在内的物联网应用系统实施方法论有全过程的感性认识和实践。

图5 计算机软硬件与系统基础实验教学体系

3.3 工程创新类实验教学平台

工程创新能力培养实验教学平台秉承“卓越工程师培养计划”理念，遵循理论教学与实践教学一体化设计的原则，建立实验、实训、实习循序渐进的工程能力训练平台。

在建设过程中，一方面将现有的实验课程扩展、优化和群分；另一方面积极引进优质企业资源，引进实训环境和实训项目，推动校外企业实习计划，如联合华为武研所、中软国际共同进行相关课程实验教学的改革，校外企业教学计划内容见表1。

3.4 科技创新能力培养实验教学平台

实验中心依托学科优势、实验室平台优势、师资团队和海外科研教学交流优势，在面向问题求解的创新教学、大学生创新创业训练计划、专业科研实验室本科生工作和毕业设计4个环节上，设置不同级别的创新实验项目和内容，着重开展科研和教学互动，着重建立高水平教师和学生的点对点指导，建立本科生在科研环节的导师机制，共同组成计算机学科创新能力培养实验平台。该平台还面向交叉领域的融合和应用创新能力培养，呈现典型的开放、插拔式结构，可随领域、学科的发展而变化。

4 结 语

信息化时代，针对计算机类学科的高速发展和社会信息化对高层次人才的需要，建设面向能力培养的计算机类专业实验课程体系，符合专业认证要求，是当代人才培养及社会发展的大趋势。面向能力培养的教学体系，把有关计算思维特征、程序设计和算法设计方法分解到每一个具体的教学内容之中，能细化学生的认知与理解。同时，实验课程的融合与创新，以多样化的实验形式、多元化的实验教学方法和实验教学手段，实现分类分层次的实践能力培养目标，能够为学生提供一个全面的能力培养方案和个性化成长途径，也能有效地指导新型信息化人才的培养。

表1 华为、中软国际教学计划

[1]尚凤军. 面向复杂工程问题的计算机人才创新能力培养体系研究[J]. 计算机教育, 2016(9): 70-73.

[2]刘卫东, 张悠慧, 向勇, 等. 面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J]. 中国大学教学, 2014(8): 48-52.

[3]王志英, 周兴社, 袁春风, 等. 计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J]. 计算机教育, 2013(9): 1-6.

[4]袁景凌, 饶文碧, 熊盛武. 以学生为中心的计算机实践创新能力培养云平台[J]. 计算机教育, 2016(5): 28-31.