計算機專(zhuān)業(yè)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革論文

　　引言

　　計算機科學(xué)與技術(shù)是當今社會(huì )發(fā)展中一門(mén)關(guān)鍵的學(xué)科，它的應用遍及社會(huì )的各行各業(yè)，計算機專(zhuān)業(yè)的教學(xué)就是為社會(huì )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(mǎn)意的員工；另一方面各大專(zhuān)院校很多計算機專(zhuān)業(yè)畢業(yè)的大學(xué)生苦于找不到理想的工作。其中一個(gè)重要的原因是很多大學(xué)畢業(yè)生缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力，尤其是不善于基于計算思維解決實(shí)際問(wèn)題。作為從事計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)的大學(xué)教師，我們也應該努力進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革，為社會(huì )培養出更優(yōu)秀的計算機專(zhuān)業(yè)人才。為此，清華大學(xué)的王宏教授和吳文虎教授通過(guò)“賽課結合”提升大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)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(gè)重要組成部分，但是單純的課堂講授與個(gè)別化教學(xué)都不能達到預期的效果。北京師范大學(xué)何克抗教授引入了混合式學(xué)習方法。為了進(jìn)一步提高學(xué)生的積極性，國家教育部發(fā)布關(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)訓練計劃實(shí)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)習和個(gè)性化培養的教學(xué)方式。近年來(lái)，關(guān)于計算思維的研究對計算機教學(xué)的改革有著(zhù)重要的指導作用，不僅有助于提高計算機科學(xué)的發(fā)展和應用，而且有利于培養現代的科學(xué)思維方式。筆者在上述研究的啟發(fā)下，根據多年在計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)和研究方面的經(jīng)驗，結合在南京郵電大學(xué)的教學(xué)實(shí)踐和嘗試，提出一種遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)改革方法（cascadeprogressive-likepracticeteachingreform，簡(jiǎn)稱(chēng)CPTR）。

　　1遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革的總體方案

　　計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎概念求解問(wèn)題、設計系統和理解人類(lèi)行為。為了在實(shí)踐教學(xué)中體現這個(gè)基本思想，我們采用遞進(jìn)式的教學(xué)任務(wù)分解方法，在實(shí)驗教學(xué)的3個(gè)環(huán)節中進(jìn)行具體的實(shí)施，其步驟是層層疊加、逐步深入，目標是最終培養具有一定計算思維能力的專(zhuān)業(yè)人才。遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革的總體方案如圖１所示。首先，課程設計環(huán)節主要是通過(guò)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，從而培養學(xué)生對基礎計算理論的應用能力；其次，STITP環(huán)節主要是以項目驅動(dòng)的方式，讓學(xué)生在教師的指導下，通過(guò)參與一個(gè)能夠反映計算思維應用的、相對完整的子集，在實(shí)踐中體會(huì )計算思維的理論；最后，第3個(gè)實(shí)踐環(huán)節是畢業(yè)設計，對于一個(gè)大學(xué)生而言，這是大學(xué)期間最后一個(gè)綜合性的實(shí)踐課程，教師從校內的科研項目和校外的企業(yè)需求出發(fā)制訂畢業(yè)設計的任務(wù)書(shū)，著(zhù)重培養學(xué)生解決相對復雜的計算和應用問(wèn)題的能力。

　　２遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革方法的具體實(shí)施

　　2.1遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革方法的課程設計環(huán)節

　　對于計算機專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，在經(jīng)過(guò)計算機導論、數據結構、算法設計等課程的學(xué)習之后，進(jìn)行相應的課程設計是一個(gè)運用計算思維求解問(wèn)題和設計系統的很好機會(huì )[8]。以南京郵電大學(xué)計算機相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生為例，他們有一門(mén)課程設計是算法與數據結構設計，16學(xué)時(shí)。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(shí)踐教學(xué)改革中，我們把16學(xué)時(shí)的上機實(shí)驗分為5次課。5次課的總任務(wù)是指導學(xué)生選擇合適的數據結構和算法解決一些實(shí)際問(wèn)題，考查學(xué)生實(shí)際的分析、編程、解決問(wèn)題能力以及團隊合作精神。每次課程又細分為教師任務(wù)和學(xué)生任務(wù)，兩種任務(wù)相互交互形成一個(gè)完整的課程設計實(shí)踐環(huán)節。課程設計環(huán)節的抽象與分解如圖2所示。由于采用了任務(wù)分解和團隊合作的方式，每個(gè)小組選擇一個(gè)組長(cháng)，小組成員的任務(wù)相同，但是解決問(wèn)題的方法可能不同。在“問(wèn)題剖析和疑問(wèn)交流”部分，學(xué)生有了相互交流和獨立思考的過(guò)程；在“大作業(yè)的問(wèn)答與驗收”部分，指導教師根據提交的作業(yè)，對不同的解決方案進(jìn)行一題多解點(diǎn)評，擴展學(xué)生對問(wèn)題的理解深度與廣度。

　　2.2遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革方法的STITP環(huán)節

　　這里的STITP是指南京郵電大學(xué)根據教育部相關(guān)通知展開(kāi)的大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃，目的是通過(guò)實(shí)施該計劃改革人才培養模式，為國家建設培養高水平的創(chuàng )新人才。與課程設計環(huán)節不同，STITP環(huán)節是課外的、以學(xué)生為主體的實(shí)踐環(huán)節。STITP的具體實(shí)施分為3級的實(shí)踐創(chuàng )新訓練計劃體系，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(jìn)實(shí)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(shí)間比較少，同時(shí)兼顧學(xué)業(yè)和STITP項目很有挑戰性；利在于項目的申請結合了當前計算機研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，使得學(xué)生比較感興趣且有利于學(xué)生將來(lái)的就業(yè)和繼續深造。以筆者2012年指導的STITP項目為例，該項目是研究壓縮感知理論在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的應用。項目組的3名學(xué)生在2012年6—7月開(kāi)始學(xué)習壓縮感知的基礎理論知識，在2012年9—11月對壓縮感知和無(wú)線(xiàn)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(shū)筆記、文獻討論等），但是他們有時(shí)對理論和算法還是不理解，不知道如何下手作研究。經(jīng)過(guò)查閱國內外的各種文獻，參加學(xué)術(shù)會(huì )議，聆聽(tīng)學(xué)術(shù)報告，他們逐步學(xué)會(huì )了計算過(guò)程的形式化描述、函數及其計算等相關(guān)的計算理論和計算模型，體會(huì )了計算思維在實(shí)際科研項目中的應用，最后通過(guò)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(shí)踐教學(xué)改革情況看，雖然STITP項目實(shí)施過(guò)程有一些困難和曲折，但是筆者指導的所有STITP項目均成功結題，學(xué)生通過(guò)STITP環(huán)節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(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革方法的畢業(yè)設計環(huán)節

　　畢業(yè)設計是學(xué)生對大學(xué)期間所學(xué)知識進(jìn)行綜合運用的重要實(shí)踐環(huán)節。作為指導教師，在遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革中，我們以計算思維為核心，強調“學(xué)以致用、圍繞應用”，分3個(gè)階段指導畢業(yè)設計。首先是前期階段，我們結合校內的科研任務(wù)和校外的企業(yè)需求制訂畢業(yè)設計任務(wù)書(shū)，給學(xué)生提供參考文獻，指導學(xué)生完成開(kāi)題報告；其次是中期階段，我們根據中期考核表檢查學(xué)生的文獻調研情況、進(jìn)度等是否符合要求。目前，很多計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行深入思考就急著(zhù)直接編寫(xiě)程序代碼，這不是一種科學(xué)的方法，因此在畢業(yè)設計的實(shí)踐環(huán)節，指導學(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(gè)階段是后期階段，指導學(xué)生通過(guò)實(shí)驗驗證，撰寫(xiě)畢業(yè)論文，進(jìn)行答辯驗收�？紤]到畢業(yè)設計是一個(gè)有一定深度的綜合性實(shí)踐環(huán)節，我們實(shí)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(shí)，鼓勵一部分學(xué)生在CPTR第2個(gè)環(huán)節的基礎上展開(kāi)深入的團隊研究。以2013級的畢業(yè)設計為例，筆者作為指導教師，指導學(xué)生團隊的畢業(yè)設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基礎上，選擇大數據領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)子課題進(jìn)行研究，主要研究“分布式環(huán)境下大數據的存儲、分發(fā)、分析、挖掘和實(shí)時(shí)處理”，包括基于Hbase的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)方案、大數據領(lǐng)域中的大規�？焖俜职l(fā)問(wèn)題、移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò )中的數據分布規律、面向互聯(lián)網(wǎng)平臺的推薦系統、通過(guò)分析淘寶等現有網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究分布式實(shí)時(shí)流數據的處理策略等。這是業(yè)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，雖然很有挑戰性，但是學(xué)生的興趣很高。經(jīng)過(guò)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(shí)驗，還成功申請專(zhuān)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(gè)團隊還獲得2013年江蘇省普通高校本專(zhuān)科優(yōu)秀團隊畢業(yè)設計獎。

　　3相關(guān)的應用實(shí)例和分析

　　我們從3個(gè)環(huán)節對上述遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革CPTR的實(shí)踐成果進(jìn)行統計、評估和分析，對于課程設計實(shí)踐環(huán)節，筆者前后指導了6期算法與數據結構設計的課程設計，共157名學(xué)生，通過(guò)對學(xué)生“提交課程設計的大作業(yè)”部分書(shū)面作業(yè)的驗收和口頭的問(wèn)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(shuō)明：一方面，實(shí)踐教學(xué)的改革仍然需要繼續，可以采取增加師生的比例等措施；另一方面，整體成績(jì)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)之后就貫徹和執行計算思維教學(xué)改革。從總體上而言，CPTR實(shí)驗教學(xué)的方式值得嘗試，既能發(fā)揮教師在教學(xué)過(guò)程中的主導作用，又可以充分體現學(xué)生在學(xué)習過(guò)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(shí)踐環(huán)節，筆者作為指導教師共指導了11個(gè)小組的學(xué)生進(jìn)行項目申請，獲得了5個(gè)省級以上的項目，其中獲得國家級項目資助2項。按照表1的統計，我們實(shí)踐改革獲得“優(yōu)秀”的比例為45.46%，這里的“優(yōu)秀”數目是指成功申請并順利結題的江蘇省級STITP項目數。以2012年為例，全校立項的STITP總數是378，其中省級以上的項目數是85，此處的“優(yōu)秀”比例約是22.49%（因為立項的85個(gè)項目不是都能順利結題的，這里取最高值作為近似計算），低于我們實(shí)踐改革取得的成績(jì)45.46%。改革成功的原因是在項目申請之前，我們以正在承擔的國家自然科學(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(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉化、仿真等方法，對科研項目中的任務(wù)進(jìn)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)生在項目驅動(dòng)的應用實(shí)踐中得到提高，取得理想的成績(jì)。畢業(yè)設計是CPTR的最后一個(gè)環(huán)節，以筆者指導的畢業(yè)設計為例，總共參與的學(xué)生人數為34人，獲得院級、校級、江蘇省級的優(yōu)秀比例為58.82%，遠遠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)設計，其中成績(jì)優(yōu)秀的為47人，優(yōu)秀率僅為11%。CPTR的畢業(yè)設計環(huán)節情成功繼續攻讀碩士以上學(xué)位的學(xué)生人數為17，占50%，同時(shí)也有多名學(xué)生成功進(jìn)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(shí)踐指導過(guò)程中貫徹了計算思維的改革理念，強調了“利用啟發(fā)式推理尋求解答”，因此，無(wú)論是從畢業(yè)設計的成績(jì)，還是從學(xué)生后續的發(fā)展情況來(lái)看，這種遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)改革是有成效和值得推廣的。

　　4結語(yǔ)

　　遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)改革方法以培養學(xué)生的計算思維為核心，以科研項目、實(shí)際應用等實(shí)踐環(huán)節為驅動(dòng)，充分發(fā)揮教師主導和學(xué)生主體的整體優(yōu)勢，提高了實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量。多年的教學(xué)實(shí)踐一方面驗證了遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革方法的有效性，另一方面也反映出當前改革還存在不足。例如，CPTR第2個(gè)環(huán)節STITP的開(kāi)展的確促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng )新能力的提升，但是如何在STITP和基礎理論課程學(xué)習之間找到一個(gè)很好的平衡點(diǎn)？如何把基礎課程中的理論知識與STITP、畢業(yè)設計等實(shí)踐環(huán)節更好地結合起來(lái)？今后我們還需對這些問(wèn)題展開(kāi)深入研究。

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