計算機專業(yè)遞進式實踐教學(xué)改革

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引言

計算機科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今社會發(fā)展中一門關(guān)鍵的學(xué)科，它的應(yīng)用遍及社會的各行各業(yè)，計算機專業(yè)的教學(xué)就是為社會輸送優(yōu)秀的計算機人才，然而，一方面各大計算機公司常常感嘆很難招到令人滿意的員工；另一方面各大專院校很多計算機專業(yè)畢業(yè)的大學(xué)生苦于找不到理想的工作。其中一個重要的原因是很多大學(xué)畢業(yè)生缺乏實踐動手能力，尤其是不善于基于計算思維解決實際問題。作為從事計算機專業(yè)教學(xué)的大學(xué)教師，我們也應(yīng)該努力進行實踐教學(xué)改革，為社會培養(yǎng)出更優(yōu)秀的計算機專業(yè)人才。為此，清華大學(xué)的王宏教授和吳文虎教授通過“賽課結(jié)合”提升大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。課堂理論教育是計算機教育中的一個重要組成部分，但是單純的課堂講授與個別化教學(xué)都不能達到預(yù)期的效果。北京師范大學(xué)何克抗教授引入了混合式學(xué)習(xí)方法。為了進一步提高學(xué)生的積極性，國家教育部關(guān)于做好“本科教學(xué)工程”國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃實施工作的通知；上海交通大學(xué)的鄭益慧等老師提出推廣研究性學(xué)習(xí)和個性化培養(yǎng)的教學(xué)方式。近年來，關(guān)于計算思維的研究對計算機教學(xué)的改革有著重要的指導(dǎo)作用，不僅有助于提高計算機科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，而且有利于培養(yǎng)現(xiàn)代的科學(xué)思維方式。筆者在上述研究的啟發(fā)下，根據(jù)多年在計算機專業(yè)教學(xué)和研究方面的經(jīng)驗，結(jié)合在南京郵電大學(xué)的教學(xué)實踐和嘗試，提出一種遞進式的實踐教學(xué)改革方法（cascadeprogressive-likepracticeteachingreform，簡稱CPTR）。

1遞進式實踐教學(xué)改革的總體方案

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為。為了在實踐教學(xué)中體現(xiàn)這個基本思想，我們采用遞進式的教學(xué)任務(wù)分解方法，在實驗教學(xué)的3個環(huán)節(jié)中進行具體的實施，其步驟是層層疊加、逐步深入，目標(biāo)是最終培養(yǎng)具有一定計算思維能力的專業(yè)人才。遞進式實踐教學(xué)改革的總體方案如圖1所示。首先，課程設(shè)計環(huán)節(jié)主要是通過給學(xué)生講解能夠反映計算思維的典型案例，讓學(xué)生相對獨立地求解一些案例，從而培養(yǎng)學(xué)生對基礎(chǔ)計算理論的應(yīng)用能力；其次，STITP環(huán)節(jié)主要是以項目驅(qū)動的方式，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過參與一個能夠反映計算思維應(yīng)用的、相對完整的子集，在實踐中體會計算思維的理論；最后，第3個實踐環(huán)節(jié)是畢業(yè)設(shè)計，對于一個大學(xué)生而言，這是大學(xué)期間最后一個綜合性的實踐課程，教師從校內(nèi)的科研項目和校外的企業(yè)需求出發(fā)制訂畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)書，著重培養(yǎng)學(xué)生解決相對復(fù)雜的計算和應(yīng)用問題的能力。

2遞進式實踐教學(xué)改革方法的具體實施

2.1遞進式實踐教學(xué)改革方法的課程設(shè)計環(huán)節(jié)

對于計算機專業(yè)的學(xué)生而言，在經(jīng)過計算機導(dǎo)論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計等課程的學(xué)習(xí)之后，進行相應(yīng)的課程設(shè)計是一個運用計算思維求解問題和設(shè)計系統(tǒng)的很好機會[8]。以南京郵電大學(xué)計算機相關(guān)專業(yè)的學(xué)生為例，他們有一門課程設(shè)計是算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，16學(xué)時。為了貫徹計算思維中利用“抽象和分解的方法”控制龐雜的任務(wù)[7]，在實踐教學(xué)改革中，我們把16學(xué)時的上機實驗分為5次課。5次課的總?cè)蝿?wù)是指導(dǎo)學(xué)生選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法解決一些實際問題，考查學(xué)生實際的分析、編程、解決問題能力以及團隊合作精神。每次課程又細(xì)分為教師任務(wù)和學(xué)生任務(wù)，兩種任務(wù)相互交互形成一個完整的課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。課程設(shè)計環(huán)節(jié)的抽象與分解如圖2所示。由于采用了任務(wù)分解和團隊合作的方式，每個小組選擇一個組長，小組成員的任務(wù)相同，但是解決問題的方法可能不同。在“問題剖析和疑問交流”部分，學(xué)生有了相互交流和獨立思考的過程；在“大作業(yè)的問答與驗收”部分，指導(dǎo)教師根據(jù)提交的作業(yè)，對不同的解決方案進行一題多解點評，擴展學(xué)生對問題的理解深度與廣度。

2.2遞進式實踐教學(xué)改革方法的STITP環(huán)節(jié)

這里的STITP是指南京郵電大學(xué)根據(jù)教育部相關(guān)通知展開的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，目的是通過實施該計劃改革人才培養(yǎng)模式，為國家建設(shè)培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才。與課程設(shè)計環(huán)節(jié)不同，STITP環(huán)節(jié)是課外的、以學(xué)生為主體的實踐環(huán)節(jié)。STITP的具體實施分為3級的實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃體系，即校級、省級和國家級。以2012年的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目為例，南京郵電大學(xué)共有378項大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目獲得立項，包含國家級40項、省級45項和校級293項，其中40項國家級的STITP是南京郵電大學(xué)首次獲得國家資助的項目，筆者依托科研項目指導(dǎo)學(xué)生申請的項目（0700412017）也是40項國家級的STITP之一。這種以科研促進實踐教學(xué)的嘗試有利也有弊。弊在于這些課題對于大學(xué)本科生而言有一定的難度，并且本科生的課余時間比較少，同時兼顧學(xué)業(yè)和STITP項目很有挑戰(zhàn)性；利在于項目的申請結(jié)合了當(dāng)前計算機研究領(lǐng)域的熱點，使得學(xué)生比較感興趣且有利于學(xué)生將來的就業(yè)和繼續(xù)深造。以筆者2012年指導(dǎo)的STITP項目為例，該項目是研究壓縮感知理論在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。項目組的3名學(xué)生在2012年6—7月開始學(xué)習(xí)壓縮感知的基礎(chǔ)理論知識，在2012年9—11月對壓縮感知和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有了一些理解。雖然每周都有多次的交流（包括每周的研究日志、讀書筆記、文獻討論等），但是他們有時對理論和算法還是不理解，不知道如何下手作研究。經(jīng)過查閱國內(nèi)外的各種文獻，參加學(xué)術(shù)會議，聆聽學(xué)術(shù)報告，他們逐步學(xué)會了計算過程的形式化描述、函數(shù)及其計算等相關(guān)的計算理論和計算模型，體會了計算思維在實際科研項目中的應(yīng)用，最后通過共同努力出色完成了該項目，并將研究成果WSNsDataAcquisitionbyCombiningHierarchicalRoutingMethodandCompressiveSensing發(fā)表在SCI期刊上。從目前的實踐教學(xué)改革情況看，雖然STITP項目實施過程有一些困難和曲折，但是筆者指導(dǎo)的所有STITP項目均成功結(jié)題，學(xué)生通過STITP環(huán)節(jié)的鍛煉提高了自己的研究能力和團隊合作能力?？傮w而言，利大于弊。

2.3遞進式實踐教學(xué)改革方法的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)

畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生對大學(xué)期間所學(xué)知識進行綜合運用的重要實踐環(huán)節(jié)。作為指導(dǎo)教師，在遞進式實踐教學(xué)改革中，我們以計算思維為核心，強調(diào)“學(xué)以致用、圍繞應(yīng)用”，分3個階段指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計。首先是前期階段，我們結(jié)合校內(nèi)的科研任務(wù)和校外的企業(yè)需求制訂畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，給學(xué)生提供參考文獻，指導(dǎo)學(xué)生完成開題報告；其次是中期階段，我們根據(jù)中期考核表檢查學(xué)生的文獻調(diào)研情況、進度等是否符合要求。目前，很多計算機專業(yè)學(xué)生沒有進行深入思考就急著直接編寫程序代碼，這不是一種科學(xué)的方法，因此在畢業(yè)設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生像計算機科學(xué)家一樣思考具有重要的意義。最后一個階段是后期階段，指導(dǎo)學(xué)生通過實驗驗證，撰寫畢業(yè)論文，進行答辯驗收?？紤]到畢業(yè)設(shè)計是一個有一定深度的綜合性實踐環(huán)節(jié)，我們實行分層教學(xué)，因人施教，在兼顧大部分學(xué)生課題難度的同時，鼓勵一部分學(xué)生在CPTR第2個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上展開深入的團隊研究。以2013級的畢業(yè)設(shè)計為例，筆者作為指導(dǎo)教師，指導(dǎo)學(xué)生團隊的畢業(yè)設(shè)計從百度公司等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的需求出發(fā)，在這些學(xué)生前期積累的大學(xué)生創(chuàng)新項目STITP基礎(chǔ)上，選擇大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的幾個子課題進行研究，主要研究“分布式環(huán)境下大數(shù)據(jù)的存儲、分發(fā)、分析、挖掘和實時處理”，包括基于Hbase的實時讀寫方案、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中的大規(guī)?？焖俜职l(fā)問題、移動社交網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分布規(guī)律、面向互聯(lián)網(wǎng)平臺的推薦系統(tǒng)、通過分析淘寶等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究分布式實時流數(shù)據(jù)的處理策略等。這是業(yè)界研究的熱點問題，雖然很有挑戰(zhàn)性，但是學(xué)生的興趣很高。經(jīng)過大家的努力，團隊成員不僅參與SCI期刊學(xué)術(shù)論文SemanticOverlayNetworkforLarge-ScaleSpatialInformationIndexing的相關(guān)實驗，還成功申請專利“一種基于P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機集群快速擴容方法”，整個團隊還獲得2013年江蘇省普通高校本?？苾?yōu)秀團隊畢業(yè)設(shè)計獎。

3相關(guān)的應(yīng)用實例和分析

我們從3個環(huán)節(jié)對上述遞進式實踐教學(xué)改革CPTR的實踐成果進行統(tǒng)計、評估和分析，對于課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，筆者前后指導(dǎo)了6期算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的課程設(shè)計，共157名學(xué)生，通過對學(xué)生“提交課程設(shè)計的大作業(yè)”部分書面作業(yè)的驗收和口頭的問答交流，判定最終獲得優(yōu)秀的學(xué)生比例為15.29%。雖然優(yōu)秀的比例不是很高，但是這說明：一方面，實踐教學(xué)的改革仍然需要繼續(xù)，可以采取增加師生的比例等措施；另一方面，整體成績的好壞和學(xué)生群體的水平相關(guān)，需要教師在新生入學(xué)之后就貫徹和執(zhí)行計算思維教學(xué)改革。從總體上而言，CPTR實驗教學(xué)的方式值得嘗試，既能發(fā)揮教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)作用，又可以充分體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體性與協(xié)作性，這與何克抗教授的教學(xué)改革理念也是一致的。對于STITP實踐環(huán)節(jié)，筆者作為指導(dǎo)教師共指導(dǎo)了11個小組的學(xué)生進行項目申請，獲得了5個省級以上的項目，其中獲得國家級項目資助2項。按照表1的統(tǒng)計，我們實踐改革獲得“優(yōu)秀”的比例為45.46%，這里的“優(yōu)秀”數(shù)目是指成功申請并順利結(jié)題的江蘇省級STITP項目數(shù)。以2012年為例，全校立項的STITP總數(shù)是378，其中省級以上的項目數(shù)是85，此處的“優(yōu)秀”比例約是22.49%（因為立項的85個項目不是都能順利結(jié)題的，這里取最高值作為近似計算），低于我們實踐改革取得的成績45.46%。改革成功的原因是在項目申請之前，我們以正在承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金、國家863計劃等科研項目為背景，嘗試以計算思維為核心，通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方法，對科研項目中的任務(wù)進行劃分，把劃分后的一些子課題作為STITP的任務(wù)交給大學(xué)本科生，讓學(xué)生在項目驅(qū)動的應(yīng)用實踐中得到提高，取得理想的成績。畢業(yè)設(shè)計是CPTR的最后一個環(huán)節(jié)，以筆者指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計為例，總共參與的學(xué)生人數(shù)為34人，獲得院級、校級、江蘇省級的優(yōu)秀比例為58.82%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等級平均的優(yōu)秀比例。例如，南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院、軟件學(xué)院2013年共有395人參加畢業(yè)設(shè)計，其中成績優(yōu)秀的為47人，優(yōu)秀率僅為11%。CPTR的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)情成功繼續(xù)攻讀碩士以上學(xué)位的學(xué)生人數(shù)為17，占50%，同時也有多名學(xué)生成功進入一流IT企業(yè)工作，如阿里巴巴公司、百度公司等。由于在實踐指導(dǎo)過程中貫徹了計算思維的改革理念，強調(diào)了“利用啟發(fā)式推理尋求解答”，因此，無論是從畢業(yè)設(shè)計的成績，還是從學(xué)生后續(xù)的發(fā)展情況來看，這種遞進式的實踐教學(xué)改革是有成效和值得推廣的。

4結(jié)語

遞進式的實踐教學(xué)改革方法以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維為核心，以科研項目、實際應(yīng)用等實踐環(huán)節(jié)為驅(qū)動，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)和學(xué)生主體的整體優(yōu)勢，提高了實踐課程的教學(xué)質(zhì)量。多年的教學(xué)實踐一方面驗證了遞進式實踐教學(xué)改革方法的有效性，另一方面也反映出當(dāng)前改革還存在不足。例如，CPTR第2個環(huán)節(jié)STITP的開展的確促進了大學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，但是如何在STITP和基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)之間找到一個很好的平衡點？如何把基礎(chǔ)課程中的理論知識與STITP、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)更好地結(jié)合起來？今后我們還需對這些問題展開深入研究。

作者：鄒志強 馬玲玲 沈澍 單位：南京郵電大學(xué) 美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校 地理系