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計(jì)算機(jī)專業(yè)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革

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計(jì)算機(jī)專業(yè)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革

引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中一門關(guān)鍵的學(xué)科,它的應(yīng)用遍及社會(huì)的各行各業(yè),計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)就是為社會(huì)輸送優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)人才,然而,一方面各大計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(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(jì)算思維解決實(shí)際問題。作為從事計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的大學(xué)教師,我們也應(yīng)該努力進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革,為社會(huì)培養(yǎng)出更優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)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(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。課堂理論教育是計(jì)算機(jī)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(dá)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(jìn)一步提高學(xué)生的積極性,國(guó)家教育部關(guān)于做好“本科教學(xué)工程”國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)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(xí)和個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)方式。近年來,關(guān)于計(jì)算思維的研究對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)的改革有著重要的指導(dǎo)作用,不僅有助于提高計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)和研究方面的經(jīng)驗(yàn),結(jié)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CPTR)。

1遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革的總體方案

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。為了在實(shí)踐教學(xué)中體現(xiàn)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(yàn)教學(xué)的3個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行具體的實(shí)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(jì)算思維能力的專業(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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要是通過給學(xué)生講解能夠反映計(jì)算思維的典型案例,讓學(xué)生相對(duì)獨(dú)立地求解一些案例,從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算理論的應(yīng)用能力;其次,STITP環(huán)節(jié)主要是以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式,讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下,通過參與一個(gè)能夠反映計(jì)算思維應(yīng)用的、相對(duì)完整的子集,在實(shí)踐中體會(huì)計(jì)算思維的理論;最后,第3個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)是畢業(yè)設(shè)計(jì),對(duì)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(nèi)的科研項(xiàng)目和校外的企業(yè)需求出發(fā)制訂畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)書,著重培養(yǎng)學(xué)生解決相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算和應(yīng)用問題的能力。

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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言,在經(jīng)過計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)之后,進(jìn)行相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算思維求解問題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的很好機(jī)會(huì)[8]。以南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生為例,他們有一門課程設(shè)計(jì)是算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),16學(xué)時(shí)。為了貫徹計(jì)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)際問題,考查學(xué)生實(shí)際的分析、編程、解決問題能力以及團(tuán)隊(duì)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(gè)完整的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)合作的方式,每個(gè)小組選擇一個(gè)組長(zhǎng),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(dú)立思考的過程;在“大作業(yè)的問答與驗(yàn)收”部分,指導(dǎo)教師根據(jù)提交的作業(yè),對(duì)不同的解決方案進(jìn)行一題多解點(diǎn)評(píng),擴(kuò)展學(xué)生對(duì)問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(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(jì)劃,目的是通過實(shí)施該計(jì)劃改革人才培養(yǎng)模式,為國(guó)家建設(shè)培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新人才。與課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不同,STITP環(huán)節(jié)是課外的、以學(xué)生為主體的實(shí)踐環(huán)節(jié)。STITP的具體實(shí)施分為3級(jí)的實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃體系,即校級(jí)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)。以2012年的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目為例,南京郵電大學(xué)共有378項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目獲得立項(xiàng),包含國(guó)家級(jí)40項(xiàng)、省級(jí)45項(xiàng)和校級(jí)293項(xiàng),其中40項(xiàng)國(guó)家級(jí)的STITP是南京郵電大學(xué)首次獲得國(guó)家資助的項(xiàng)目,筆者依托科研項(xiàng)目指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)的項(xiàng)目(0700412017)也是40項(xiàng)國(guó)家級(jí)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(duì)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(xiàng)目很有挑戰(zhàn)性;利在于項(xiàng)目的申請(qǐng)結(jié)合了當(dāng)前計(jì)算機(jī)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)生將來的就業(yè)和繼續(xù)深造。以筆者2012年指導(dǎo)的STITP項(xiàng)目為例,該項(xiàng)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(xiàng)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(shí),在2012年9—11月對(duì)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(xiàn)討論等),但是他們有時(shí)對(duì)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(guó)內(nèi)外的各種文獻(xiàn),參加學(xué)術(shù)會(huì)議,聆聽學(xué)術(shù)報(bào)告,他們逐步學(xué)會(huì)了計(jì)算過程的形式化描述、函數(shù)及其計(jì)算等相關(guān)的計(jì)算理論和計(jì)算模型,體會(huì)了計(jì)算思維在實(shí)際科研項(xiàng)目中的應(yīng)用,最后通過共同努力出色完成了該項(xiàng)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(xiàng)目實(shí)施過程有一些困難和曲折,但是筆者指導(dǎo)的所有STITP項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生對(duì)大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。作為指導(dǎo)教師,在遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)改革中,我們以計(jì)算思維為核心,強(qiáng)調(diào)“學(xué)以致用、圍繞應(yīng)用”,分3個(gè)階段指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)。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(jì)任務(wù)書,給學(xué)生提供參考文獻(xiàn),指導(dǎo)學(xué)生完成開題報(bào)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(xiàn)調(diào)研情況、進(jìn)度等是否符合要求。目前,很多計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生沒有進(jìn)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(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié),指導(dǎo)學(xué)生像計(jì)算機(jī)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(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,撰寫畢業(yè)論文,進(jìn)行答辯驗(yàn)收??紤]到畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)有一定深度的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié),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(lì)一部分學(xué)生在CPTR第2個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上展開深入的團(tuán)隊(duì)研究。以2013級(jí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例,筆者作為指導(dǎo)教師,指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(gè)子課題進(jìn)行研究,主要研究“分布式環(huán)境下大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分發(fā)、分析、挖掘和實(shí)時(shí)處理”,包括基于Hbase的實(shí)時(shí)讀寫方案、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中的大規(guī)??焖俜职l(fā)問題、移動(dòng)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(tái)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(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)的處理策略等。這是業(yè)界研究的熱點(diǎn)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(tuán)隊(duì)成員不僅參與SCI期刊學(xué)術(shù)論文SemanticOverlayNetworkforLarge-ScaleSpatialInformationIndexing的相關(guān)實(shí)驗(yàn),還成功申請(qǐng)專利“一種基于P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計(jì)算機(jī)集群快速擴(kuò)容方法”,整個(gè)團(tuán)隊(duì)還獲得2013年江蘇省普通高校本??苾?yōu)秀團(tuán)隊(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。

3相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例和分析

我們從3個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)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(tǒng)計(jì)、評(píng)估和分析,對(duì)于課程設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)的課程設(shè)計(jì),共157名學(xué)生,通過對(duì)學(xué)生“提交課程設(shè)計(jì)的大作業(yè)”部分書面作業(yè)的驗(yàn)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(shí)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(jī)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(jì)算思維教學(xué)改革。從總體上而言,CPTR實(shí)驗(yàn)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(duì)于STITP實(shí)踐環(huán)節(jié),筆者作為指導(dǎo)教師共指導(dǎo)了11個(gè)小組的學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目申請(qǐng),獲得了5個(gè)省級(jí)以上的項(xiàng)目,其中獲得國(guó)家級(jí)項(xiàng)目資助2項(xiàng)。按照表1的統(tǒng)計(jì),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(shù)目是指成功申請(qǐng)并順利結(jié)題的江蘇省級(jí)STITP項(xiàng)目數(shù)。以2012年為例,全校立項(xiàng)的STITP總數(shù)是378,其中省級(jí)以上的項(xiàng)目數(shù)是85,此處的“優(yōu)秀”比例約是22.49%(因?yàn)榱㈨?xiàng)的85個(gè)項(xiàng)目不是都能順利結(jié)題的,這里取最高值作為近似計(jì)算),低于我們實(shí)踐改革取得的成績(jī)45.46%。改革成功的原因是在項(xiàng)目申請(qǐng)之前,我們以正在承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863計(jì)劃等科研項(xiàng)目為背景,嘗試以計(jì)算思維為核心,通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方法,對(duì)科研項(xiàng)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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用實(shí)踐中得到提高,取得理想的成績(jī)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是CPTR的最后一個(gè)環(huán)節(jié),以筆者指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)為例,總共參與的學(xué)生人數(shù)為34人,獲得院級(jí)、校級(jí)、江蘇省級(jí)的優(yōu)秀比例為58.82%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等級(jí)平均的優(yōu)秀比例。例如,南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、軟件學(xué)院2013年共有395人參加畢業(yè)設(shè)計(jì),其中成績(jī)優(yōu)秀的為47人,優(yōu)秀率僅為11%。CPTR的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(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(dǎo)過程中貫徹了計(jì)算思維的改革理念,強(qiáng)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(jì)的成績(jī),還是從學(xué)生后續(xù)的發(fā)展情況來看,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(jié)語(yǔ)

遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)改革方法以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為核心,以科研項(xiàng)目、實(shí)際應(yīng)用等實(shí)踐環(huán)節(jié)為驅(qū)動(dòng),充分發(fā)揮教師主導(dǎo)和學(xué)生主體的整體優(yōu)勢(shì),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(yàn)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(dāng)前改革還存在不足。例如,CPTR第2個(gè)環(huán)節(jié)STITP的開展的確促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新能力的提升,但是如何在STITP和基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)之間找到一個(gè)很好的平衡點(diǎn)?如何把基礎(chǔ)課程中的理論知識(shí)與STITP、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)更好地結(jié)合起來?今后我們還需對(duì)這些問題展開深入研究。

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