以系统能力培养导向、学用相长的混合式专业实验教学改革与实践

成玲 杨武成 刘新平

摘 要：针对计算机专业实验教学中发现的问题，利用信息化技术，建成了虚实融合、层次递进的混合式专业实践教学体系，建立优质线上教学资源，探索混合式教学方案，贯通融合、知行合一，形成了以系统能力培养导向、学用相长的多维度协同创新人才培养模式，满足“新工科”背景下一流本科专业及课程的建设。实践证明，对于各工科专业课程建设和实践教学具有良好的示范意义和推广价值。

关键词：虚实融合；实践教学；体系设计；创新人才培养

根据教育部《普通高等学校本科教育教学审核评估实施方案（2021—2025年）》的精神，要坚持立德树人、坚持推进改革，落实“以本为本”“四个回归”，强化学生中心、产出导向、持续改进，实现高质量内涵式发展。［1］青岛软件学院、计算机科学与技术学院成功入选首批国家级特色化示范性软件学院，承担着解决大型石油工业软件的关键技术攻关与高端人才培养重任，而系统能力是计算机专业学生的核心竞争力。在此背景下，传统单一的实验教学模式已不能适应专业实验教学对学生系统能力培养的发展要求，为了满足工程教育专业认证和新一轮教学评估的需要，落实“三全育人”教育理念，促进示范性软件学院的建设，迫切需要重构系统能力培养教学体系，全面开展线上网络和线下实体有机融合的混合式实验教学模式。

1 项目改革思路和改革内容

1.1 改革现有实验教学模式，构建出线上线下混合式实验教学平台，研究形成特色化人才培养模式顶层架构

传统计算机专业系统能力实践教学主要以线下为主，部分课程项目改为线上虚拟仿真实验模式，无论线上线下单一的教学开展模式对学生能力培养都明显不足，线上线下混合式专业实验教学模式是以教师为主导，以学生为中心，把教师作为实验课程教学的“出发点”，将线上线下的教学资源充分整合优化，同时对线上线下课堂教学内容和教学方法进行科学融合，既不能是单一的模式转换，也不能是简单的机械相加，需要深度分析教学目标、完成系统化方案设计，统筹“实验前+实验中+实验后”三个阶段的学习任务，并通过线上教学、课内教学以及课外教学三种方式满足学生的不同层次阶段的学习需求，为课程实验教学全过程提供一个立体的、多维的教学环境。最终面向特色化人才系列能力指标，实现一个精确发现问题、实时反馈、调整优化的实验教学运行新方案，并且保证能够满足不断持续改进的闭环实践教学教育过程。［2］

根据总体思路，统筹系统能力课程体系，设计以“交叉融合联动、知识能力贯通”为核心的特色化人才培养模式架构，汇聚多维育人资源，通过多角色导师指导、多场景实践创新和多指标考核评价，贯通人才专业能力培养与提升路径，实现全周期素养提升、全链条能力提升、全方位成效保障，有效实现知行合一，保障特色化人才培养有效达成。

1.2 探索混合式实验教学方案，真正实现“学以致用、学以促学、学用相长”的教育理念

混合式实验教学方案设计需要经过实验教学准备、在线教学、面对面教学和评价反馈四个基本实施阶段，才能最终探索出最佳方案来合理安排开展线上线下教学。［2］

1.2.1 实验教学准备阶段

混合式实验教学的首要阶段是结合实验课程特点与学情特点进行教学设计的实验准备阶段。首先，进行学情分析。学情通常是指影响学生学习效果的所有信息，不仅需要教师对主体学生已经存在的认知和需求水平程度进行调研，也需要教师针对调研报告进行分析和调整。只有准确把握学生的学习水平、能力和习惯才能做到因材施教设计教学方案，有的放矢地开展教学活动。其次，建设充分的网络课程资源。教师根据培养方案和课程教学体系规划来制作相关课程实验大纲、实验项目及设备软件操作视频，根据“两性一度”标准整合优化项目案例库、微视频、电子课件及参考文献等，重构完善现有专业实验课程教学资源。最后，是教学活动的设计，充分根据学情分析研究设计出与之最契合的线上和线下的教学方法，激发学习兴趣，对学生能力培养将会事半功倍。

1.2.2 在线实验教学阶段

混合式实验教学方案设计的第二阶段是在线教学。针对每门课程，依托石大云课堂、雨课堂和智慧树平台等在线开放课程建设，实施实践教学资源上网计划，从培养学生的创新精神和实践能力出发，将先进的教学理念与实验项目设计相结合，整合和优化课程体系和结构，改革和更新实验教学内容，使实验课程设置更加先进、系统和规范；通过综合性、设计性、创新性“三性”实验课题的开设，［3］服务于学生实践能力和创新能力的培养。通过在线发布项目任务清单，将教学目标分层次设计，既明确又具有可衡量性，通过在线测试、答疑解惑和监控引领环节，使所有学生都可根据自身情况充分利用好碎片化时间，积极参加、自主学习和团队交流来完成任务并开拓创新。

1.2.3 面对面实验教学阶段

实验课程的面对面教学需要梳理教师和学生之间混合式教与学的行为，制定更优化的教学设计，实现“解决核心问题”的有效学习。教师通过重难点讲解、个性化指导、引导学生进行交流讨论、合作式实验操作、实验经验总结等教学活动，帮助学生重新梳理所学知识，将其系统化，并应用于实验项目及实际问题，实现对知识的深度理解和内化。教师把课堂时间交给学生，构建团队合作探究型的学习模式，学生以小组合作形式自主动手，有效发挥课堂实验的主渠道功能，达到掌握应用系统设计的方法，具备使用实验工具进行问题分析和问题解决的能力，针对学科发展趋势及专业教学特色，发挥现有设备及教学资源，引导学生进行积极深入的实践研究，激发学生自主探究的兴趣，最终转化为技能，从而构建高效实验教学课堂，实现实验教学目的。

1.2.4 评价反馈阶段

混合式实验教学模式最后是评价反馈的环节，主要呈现为参与考核和被考核，教学相长以及对应OBE的教学大纲指标点。学生依据实验内容，思考优化方案，整理实验数据，完成实验任务后分析实验结果，撰写实验报告，進行总结评价并上传。学生可以利用网络平台对教师的教学方式以及项目实验效果直接评价，或者通过多样化考核方式对学生学习过程与结果做出评价，都属于混合式实验教学模式的评价反馈。考虑到目前考核评价方式普适化程度偏重，大作业、汇报答辩、随堂测试等方式虽然能够对学生综合能力进行较为全面的考核；但是，对于特色化计算机人才，还需要从评价主体、赋分原则、权重比例等方面，研究制订更详细的考核评价实施方案，提高考核评价的针对性、公正性和导向性。所以我们引入“以非标准化为主体，侧重导向性、针对性”的多维考核指标体系，帮助教师高效收集学生反馈信息，动态调整优化混合式教学方案设计，引导学生个性化充分发展、探究性意识、创新性思维逐步提升，真正做到因材施教。

1.3 建立多层次实践教学体系，改革实验教学手段，做好教学环节设计，构建“贯通融合、知行合一”的特色化人才培养新模式

目前实践教学环节设计呈现碎片化，各个实践环节衔接性不足，通常局限在解决局部问题，复杂性、探究性、创新性不足，无法形成贯通的系统化训练，在培养解决复杂工程关键技术的支撑力上较弱，无法为培养学生复杂系统、复杂架构、复杂算法等方面的创新研发能力提供有效支撑。所以计算机专业实践教学课程体系建设要以系统能力培养为主线，打通数字逻辑电路、计算机组成原理、EDA技术等课程实验内容，形成基于龙芯CPUFPGA实验平台的一体化、多层次实验教学体系。结合计算机专业人才培养的三个阶段，探究性地改革增添CPU、操作系统和编译器的设计等实验内容，在每个阶段，按照基础系统能力、核心技术能力、综合应用能力三个递进的能力层次，在低年级、中年级、高年级三个阶段，分别围绕概念系统学习、真实系统实现和系统综合应用三个层次来组织和安排实践教学课程，形成“前期强化系统基础、中期融汇系统观念、后期提升系统能力”的计算机专业系统能力培养模式。

根据课程特点进行合理有效的线上线下实验教学设计，全面覆盖硬件实验前、实验中和实验后的整个学习过程，并进行科学监控和评价。建成混合式实验教学方案，真正实现“学以致用、学以促学、学用相长”的教育理念。

依托学院三融合育人资源平台，面向特色化人才系列能力指标，以系列能力指标递进达成为纵线、四年实践教学环节为横线，研究并构建特色化人才系列能力达成映射矩阵，横向实现单项能力贯通在多项实践环节中达成；纵向实现单项实践环节支撑多项能力培养与提升，将本研一体班、优秀本科生三进提升计划、理科实验班纳入特色化人才培养体系中，并依托学院科研团队，强化科教融合，以科研成果转化实践教学案例和创新创业选题等形式，促使系列能力通过阶梯式、前向式贯通达成，有效实现知行合一。

2 项目的改革成效

一是根据“新工科”及工程教育专业认证要求，发挥计算机专业学生对计算机系统深刻理解的优势，掌握计算机软硬件协同工作及相互作用机制，把握教学设计的核心，以学生成长为中心，采用有效教学方法的底层逻辑，激发兴趣（内在动机）、自我驱动，由被动的浅层学习转变为主动的深度学习。［3］重点培养具有分析、解决复杂工程问题能力的创新型卓越工程人才。针对每门课程，实施实践教学资源上网计划，从培养学生的创新精神和实践能力出发，将先进的教学理念与实验项目设计相结合，整合和优化课程体系和结构，改革和更新实验教学内容，线下则进行实际的实验教学、任务协作、交流互动等教学活动。使实验课程设置更加先进、系统和规范；通过综合性、设计性、创新性“三性”实验课题的开设，服务于学生实践能力和创新能力的培养。经过实施，学生参与设计、参与自主考核有掌控感，通过任务清单有目标感，最终完成作品有成就感，使学生达到思维、能力、创新的整体提升，切实促进了学生系统能力的达成。［4］

二是线上线下混合式实验教学环节主要运用现有网络教学“石大云课堂”平台、“QQ学习群”“雨课堂”“微助教”手机端交互平台，依托课程团队主持的十多项硬件技术课程建设教研项目组织实施，首先，针对硬件课程传统实践教学存在的实验方式单一、实验资源不足、实验环节缺失等关键问题，提出软件搭建虚拟仿真实验平台与研发的“背包实验室”系统套件设备相结合，建立在线实验教学平台，创新探索了线上线下虚实融合的硬件课程实验教学新模式，弥补了硬件课程脱离实验室不能实验操作的短板，突破时空限制，为课程实验教学全过程提供一个立体的、多维的教学环境，实现教与学、线上与线下、课上与课外的有机融合，解决了课程实验教学模式单一的问题；其次，根据“两性一度”的要求，构建了优质“项目案例资源库”，［5］拓展数字化实验教学资源，将项目实验教学法成功运用到了计算机硬件课程实验教学之中，有效提升了学生对系统电路整体设计能力和工程实践创新能力，解决了实验教学资源不足的问题；最后，构建出线上线下混合式多维度计算机专业实验教学体系，依托学院科研团队，强化科教融合，以科研成果转化实践教学案例、科研项目遴选创新创业选题、学术成果理论编著专业教材、支撑学科竞赛选题等形式，实现特色化软件人才培养和工业软件科研双突破，改革实验教学评价方式，激发学生思维创新能力，提高了教学效率，解决了实验环节缺失，实验效率不高的问题，真正实现了以学生为中心，多维度协同创新人才培养的目标。［6］如下图所示。

多维度协同创新人才培养模式

结语

在特色化示范性软件学院历史使命驱动下，统筹规划计算机系统能力培养体系，以“教为主导、学为主体”的原则，将系统能力培养作为核心，实现对不同层次学生个性化培养的需求，真正实现“学以致用、学以促学、学用相长”的教育理念。扎实打造计算机科学与技术专业的最大特色，提升了实践实验教学效果，改善了认证专家进校考察时反映的培养方案“偏软”问题，为培育更多一流课程奠定良好基础，最终达成对学生系统创新能力培养的目标。

参考文献：

［1］教育部.教育部关于印发《普通高等学校本科教育教学审核评估实施方案（2021—2025年）》的通知：教督〔2021〕1号［Z］.2021.

［2］黄茜，赵炜.混合式教学模式在经管类实验教学中的应用探索［J］.产业与科技论坛，2017（16）140141.

［3］孔令琴，李翠玲，郑猛，等.混合教学模式在《光电仪器电子学实验》中的运用探索［J］.光学技术出版社，2020（03）：253256.

［4］成玲.一流本科课程建设背景下“虚实”结合的单片机实验教学模式改革与实践［J］.電脑元器件与信息技术，2021（10）：6167.

［5］陈友媛，辛佳，杨世迎，等.混合式实验教学提高学生主动学习能力的探讨［J］.实验室研究与探索，2019（04）：205208.

［6］王香芬，万博，黄姣英，等.面向“两性一度”的实验课程混合式教学实践探索——电子产品热设计热分析实验［J］.教育教学论坛，2022（06）：58.

基金项目：中国石油大学（华东）2022年校级教学改革项目（CM2022074）

作者简介：成玲（1974— ），女，山东淄博人，硕士，高级实验师，主要研究方向为计算机实验教学、硬件技术研究及应用等。