以开放型实验室和多层次实验体系为基础推动计算机专业本科创新创业教育

刘捷， 池品优

(华南理工大学 计算机科学与工程学院, 广州 510006)

0 引言

深化高等学校创新创业教育改革，是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要，是推进高等教育综合改革、促进高校毕业生更高质量创业就业的重要举措。党的十八大对创新创业人才培养做出重要部署，国务院对加强创新创业教育提出明确要求[1]。随着新一代信息技术的广泛应用，任何一个领域都和信息技术紧密相关，各行业应用与信息化的深度结合成为了各个领域结构转型、经济增长的关键途径，计算机专业也越来越成为一门基础学科。因此，在计算机科学领域加强高等学校创新创业教育改革，具有更加深远的意义[2-4]。高校实验室是创新创业型人才培养的重要基地，华南理工大学计算机科学与工程学院(以下简称学院)以培养计算机创新创业人才为目标，以提高学生创新能力、创业意识为核心，在建设开放型实验室、形成多层次实验体系、开展探索性实验、创新创业训练等方面进行了深入研究和探索，并取得了丰硕的成果。

1 建设开放型实验室

实验室是现代大学核心竞争力、学校办学水平和办学特色的重要标志，通过建设开放型实验室，能够提高硬件资源的使用率，更好地保障教学正常进行，还能够更好地支撑学生开展创新创业实践。学院在“信息-设备-时间-空间”四个维度进行了开放型实验室的探索，自主设计和开发了一系列基于WEB的信息系统或仿真系统，并对相应的安全和责任制度进行了重新修订。

1.1 信息开放

实验室的信息包括了场地信息、课程信息、资产信息、设备使用情况等。通过信息开放，师生们可以很容易地查询到各个实验室的课程安排情况，各种设备的借用和使用情况，使学生利用空余时间进行创新训练成为可能。为此，我们自主设计和开发了实验室预约系统，学生和老师只需要在网上进行操作，就可以快速地查询和预约所需要的实验室，提高了实验室场地的利用率。学院重新修订了《实验室预约管理办法》，对预约的条件和要求进行了补充和完善。

1.2 设备开放

学校购置了大量的专用设备用于本科教学，包括网络实验中的各种路由器、交换机，硬件实验中的各种开发板等。在以前，这些设备的利用率不高，学生和老师仅在实验课程中使用。通过设备开放，让学生和老师既随时可以到实验室现场操作专用设备，也可以通过网络远程连接到硬件模拟仿真系统，提高了专用设备的利用率。学院重新修订了《实验室开放管理办法》，对开放的范围、内容、流程以及使用人的责任进行了补充和完善。

1.3 时间开放

在信息开发和设备开放的基础上，建立7x24小时的实验室全时段开放机制。要实现全时段开放，确保实验室安全是非常重要的一块任务，为此学院专门细化了《实验室安全管理与安全保卫责任》和《计算机学院实验室专职工作人员值班条列》，明确了实验员的安全职责、巡查任务、实验室安全保障流程，并建立了“课后检查-日常巡查-节前巡查”的安全运行机制。每次课后由安全责任负责人进行安全检查；每次周末由中心主任和副主任对所有实验分室进行安全巡查；每次节假日前由学院分管副院长带头、中心副主任和实验室代表参与，对所有实验室进行节前巡查。

1.4 空间开放

通过NEMS等虚拟技术，建设硬件模拟仿真系统，学生只需通过网络访问，即可远程控制硬件设备，获得所需的实验结果。通过虚拟仿真技术，学生可以不限于在实验室现场开展活动，还可以在宿舍、图书馆等地方开展团队创新活动。

为了实现以上四个维度的开放，我们设计和开发了一系列基于WEB的信息系统和仿真教学系统，包括实验室预约系统、资产管理系统、网络教学辅助系统、在线教学及测试系统。

实验室预约系统支持按日期和场地组合查询实验室的排课情况，包括课程信息、上课班级、专业、人数、任课教师等，查询实验室设备情况，预约空余时间段进行排课，查询实验室使用率等。功能模块图如图1。

资产管理系统支持查询实验室中的专用设备信息，包括配置情况、购买日期等，借用和归还设备，查询设备使用率和借用记录等。功能模块图如图2所示。

网络教学辅助系统是一个专业的网络实验管理平台，可以对实验教学、实验学员、实验设备集中统一管理。针对网络实验生命周期(实验定义、实验准备、实验过程、实验结果)提供完整的智能的管理。教师可以通过系统进行实验的定制、实验环境部署和实验过程的管理、监控，完成实验环境的快速部属、恢复，以及获取、验证实验结果等工作，学生可以通过系统进行具体的实验。系统拓扑图如图3所示。

图1 实验室预约系统功能模块图

图2 资产管理系统功能模块图

在线教学及测试系统支持学生在线学习、在线作业、在线实验、在线测试等。功能模块图如图4所示。

开放型实验室的建设，有助于学生们协调课堂学习与创新创业训练的时间安排，有助于保障学生创新创业训练的研究和开发进度，有助于提高设备利用率，因此得到了学院师生的一致好评。

2 健全多层次实验体系

为了更好地培养学生动手能力和创新能力，学院构建了“演示-验证-设计-探索”四个层次的实验体系。

演示性实验是指以老师为主，围绕课本中的某个知识点，为了更直观地向学生演示理论知识、加深学生感性认识，向学生进行展示的过程，主要目标在于提高学生的感性认识。

验证性实验是指以学生为主，有学生自己动手完成针对某个或某类知识点所进行的基础实验。验证性实验仅限于已知领域内，通常由指导教师提前准备实验内容、实验技术、实验方案、实验步骤，学生根据实验大纲逐步完成实验，旨在加深学生对于已知理论的掌握。

图3 网络教学辅助系统拓扑图

图4 在线教学及测试系统功能模块图

设计性实验是指学生在进行必要的理论学习之后，根据教师的要求，自主设计和实现某一些功能、模块和系统。设计性实验需要学生根据指导教师所准备的实验内容，自主选择实验技术、自主设计实验方案，在教师的指导下完成一定的作品、报告等成果。学生不但需要内化已经学到的知识，还需要建立某些新知识(如逆推出某个理论假设等)，对于学生的知识扩展、逆向推理、工程设计能力有很大的帮助作用。

探索性实验是指学生接受一个开放性的问题，需要发挥主观能动性，在课堂教学之外自行了解相关技术、寻找解决方案，创造性地开展创新活动。探索性实验通常针对未知领域，学生需要自主寻找现实中存在的问题，自主确定实验内容、自主选择实验技术、自主设计实验方案、自主完成实验过程，指导教师仅给予大方向上的指导，实验不保证成功也不对成果进行要求。学生在实验过程中不仅需要自行补充新知识、内化已经学到的知识，而且有可能产生新知识、创建新理论，对于提升学生的创新能力和创业意识具有非常大的促进作用。

从学生学习角度而言，如下表1所示。

表1 不同类型项目的区别

“演示-验证-设计-探索”实验体系是一个难度递增的体系，需要将不同类型的实验有机结合起来。通常来说，验证性实验大多比较简单，学生只需根据实验指导书的步骤即可完成，因此我们需要逐渐减少这一类实验在实验课时中的占比，尽量让学生在空余时间自由完成；设计性实验包括了各门课程的大作业和课程设计，能够比较完全地考察学生对于课程知识的掌握程度，因此我们在课程开始的时候就公布题目，便于学生能够带着问题去学习，也便于学生自由分配时间去逐步完成；探索性实验主要基于教师的在研项目和已取得的科研成果，难度上要高于验证性、设计性实验内容，学生根据自身情况和兴趣报名参与，发挥学生的主观能动性，自主设计自主完成，在实验过程中允许学生失败，主要包括了各等级的学生创新项目和创新竞赛。

3 计算机专业本科创新创业教育改革

开放型实验室和多层次实验体系作为底层建筑，在硬件和软件两个方面为学院更好地开展创新创业教育提供了保障。在此基础上，学院在竞赛与教学相结合、结合教学科研团队实际研发项目开设探索性实验、改革课程评价手段、举办程序设计竞赛、创立大学生创业孵化机制、本科生全导师制、开设实验主导型课程等方面进行了改革，有力地推动了本科创新创业教育。

图5 计算机专业本科创新创业教育改革

竞赛与教学相结合：在《高级语言程序设计(C++)》、《数据结构》、《算法设计与分析》三门课程中，将ACM竞赛模式应用于课程的实验、作业和测验中。每一次实验、作业、考试都相当于1场竞赛，采用ACM竞赛规则和评价方式。竞赛的题目可以取自各导师的科研项目，并没有标准的解决方案，需要学生在现场根据已学知识设计数据结构和算法，并编程实现。

结合实际研发项目开设探索性实验：基于教师已取得的科研成果，能反映最新科研成果或实验技术的发展，适合本科实验教学且能与专业已开设的理论课程和实验教学课程体系相融合，突出专业特色。提前制订出明确的学习绩效评价标准，并向学生公布。项目建成后，列入某门实验课的教学大纲及教学计划之中，并保证每学年至少开出一次。

开设实验主导型课程：采用“以实验为指导、以学生为主体”的方式，把部分计算机课程的教学搬到实验室进行。如《Web程序设计》、《网络防御与对抗》、《数字系统创意设计》、《移动应用开发(Android)》等课程，课程讲解时间和学生实验时间基本上各占一半，课程讲解着重动手能力的培养，充分体现教学互动。

改革课程评价手段：以课程设计、竞赛成绩、科研论文、发明专利、软件著作权、创新项目等替代传统的考核方式，研究成绩转化规则，形成了一套切实可行的成绩评价标准，鼓励学生开展创新创业活动。

举办程序设计竞赛：每年4月举办春季赛，邀请广东省内高水平队伍参加，以组队赛的形式进行，完全采用ACM-ICPC竞赛规则；每年11-12月举办冬季赛，面向校内大一和大二的本科生，分为3-4场比赛，以个人赛的形式进行，根据3-4场比赛正确解答题目总数量及总用时决定最终名次。在该项赛事中表现优异的同学将获得加入计算机学院ACM集训队的邀请。

创立大学生创业孵化机制：聘请创业导师、设立专门的创业实践基地，每年面向全院优选学生创业项目，为项目提供真实的企业基本环境、少量的创业基金支持、必要的创业指导，为学生创业团队提供全方位的孵化服务。

本科生全导师制：全英创新班、全英联合班学生大一时进入导师团队，其它班级学生大二时进入导师团队。导师主要从学业规划、科研规划、职业规划、人生规划等方面给予学生指导性意见和建议，引导学生参加科研训练，有意识地培养学生的创新意识、实践能力和综合素质。

建立院级创新项目：学生自主选题、自由申请，学院给予一定的经费支持，针对某个应用方向开展实用性研究和创新。

4 成果展示

华南理工大学计算机科学与工程学院最近几年在本科生创新创业教育中取得了丰硕的成果。2014年至2017年，获得广东省教育教学成果奖和校级教学成果奖各两次；ACM集训队参加ACM国际大学生程序设计竞赛亚洲区域赛共获得金牌13枚、银牌30枚、铜牌31枚，并连续五年进入全球总决赛，为国内七所高校之一；本科生参与国家大学生创新计划项目46项、中央高校基本科研业务费本科生自主选题项目 32项、校学生研究计划100项，经费达132万；发表近42篇论文(SCI论文5篇)，申请/获得发明专利、软件著作权53项。

优秀创业本科生包括2010届本科毕业生陈第，自主创立国内第一家移动应用广告平台——广州优蜜信息科技有限公司，2013年创收突破一个亿，被福布斯评为中国30位30岁以下创业者，2015年首次闯入“福布斯TOP 10中国非上市潜力企业”并于2015年成功上市，项目获得首届中国“互联网+”大学生创新创业大赛亚军。2013届本科毕业生黄冠，微课平台“荔枝微课”创始人，目前平台已拥有超过 1000 万的用户，注册讲师 100 万人，孵化出月入 10 万的老师 100 多位，2轮融资金额近亿元，项目获得第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛金奖。

5 总结

通过信息开放、设备开放、时间开放、空间开放等手段，建立了开放型实验室；通过扩大设计性实验在整个实验体系中的比重，结合教学科研团队的实际研发项目，积极开设探索性实验项目，将验证性实验、设计性实验、探索性实验有机结合起来，形成了多层次实验体系。并以开放型实验室和多层次实验体系为基础，实现了科研与教学融合、深化了教学内容和实验体系改革、提高了本科生实践创新能力，有力地支撑了计算机专业本科创新创业教育改革，取得了丰硕的成果，对提高学生创新能力、创业意识都有巨大的促进作用。