計算機專業遞進式實踐教學改革論文
引言
計算機科學與技術是當今社會發展中一門關鍵的學科，它的應用遍及社會的各行各業，計算機專業的教學就是為社會輸送優秀的計算機人才，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畢業的大學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畢業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教學的大學教師，我們也應該努力進行實踐教學改革，為社會培養出更優秀的計算機專業人才。為此，清華大學的王宏教授和吳文虎教授通過“賽課結合”提升大學生的實踐動手能力和創新能力。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都不能達到預期的效果。北京師范大學何克抗教授引入了混合式學習方法。為了進一步提高學生的積極性，國家教育部發布關于做好“本科教學工程”國家級大學生創新創業訓練計劃實施工作的通知；上海交通大學的鄭益慧等老師提出推廣研究性學習和個性化培養的教學方式。近年來，關于計算思維的研究對計算機教學的改革有著重要的指導作用，不僅有助于提高計算機科學的發展和應用，而且有利于培養現代的科學思維方式。筆者在上述研究的啟發下，根據多年在計算機專業教學和研究方面的經驗，結合在南京郵電大學的教學實踐和嘗試，提出一種遞進式的實踐教學改革方法（cascadeprogressive-likepracticeteachingreform，簡稱CPTR）。
1遞進式實踐教學改革的總體方案
計算思維是運用計算機科學的基礎概念求解問題、設計系統和理解人類行為。為了在實踐教學中體現這個基本思想，我們采用遞進式的教學任務分解方法，在實驗教學的3個環節中進行具體的實施，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業人才。遞進式實踐教學改革的總體方案如圖１所示。首先，課程設計環節主要是通過給學生講解能夠反映計算思維的典型案例，讓學生相對獨立地求解一些案例，從而培養學生對基礎計算理論的應用能力；其次，STITP環節主要是以項目驅動的方式，讓學生在教師的指導下，通過參與一個能夠反映計算思維應用的、相對完整的子集，在實踐中體會計算思維的理論；最后，第3個實踐環節是畢業設計，對于一個大學生而言，這是大學期間最后一個綜合性的實踐課程，教師從校內的科研項目和校外的企業需求出發制訂畢業設計的任務書，著重培養學生解決相對復雜的計算和應用問題的能力。
２遞進式實踐教學改革方法的具體實施
2.1遞進式實踐教學改革方法的課程設計環節
對于計算機專業的學生而言，在經過計算機導論、數據結構、算法設計等課程的學習之后，進行相應的課程設計是一個運用計算思維求解問題和設計系統的很好機會[8]。以南京郵電大學計算機相關專業的學生為例，他們有一門課程設計是算法與數據結構設計，16學時。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[7]，在實踐教學改革中，我們把16學時的上機實驗分為5次課。5次課的總任務是指導學生選擇合適的數據結構和算法解決一些實際問題，考查學生實際的分析、編程、解決問題能力以及團隊合作精神。每次課程又細分為教師任務和學生任務，兩種任務相互交互形成一個完整的課程設計實踐環節。課程設計環節的抽象與分解如圖2所示。由于采用了任務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，學生有了相互交流和獨立思考的過程；在“大作業的問答與驗收”部分，指導教師根據提交的作業，對不同的解決方案進行一題多解點評，擴展學生對問題的理解深度與廣度。
2.2遞進式實踐教學改革方法的STITP環節
這里的STITP是指南京郵電大學根據教育部相關通知展開的大學生創新創業訓練計劃，目的是通過實施該計劃改革人才培養模式，為國家建設培養高水平的創新人才。與課程設計環節不同，STITP環節是課外的、以學生為主體的實踐環節。STITP的具體實施分為3級的實踐創新訓練計劃體系，即校級、省級和國家級。以2012年的大學生創新創業訓練計劃項目為例，南京郵電大學共有378項大學生創新創業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是南京郵電大學首次獲得國家資助的項目，筆者依托科研項目指導學生申請的項目（0700412017）也是40項國家級的STITP之一。這種以科研促進實踐教學的嘗試有利也有弊。弊在于這些課題對于大學本科生而言有一定的難度，并且本科生的課余時間比較少，同時兼顧學業和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域的熱點，使得學生比較感興趣且有利于學生將來的就業和繼續深造。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線傳感器網絡中的應用。項目組的3名學生在2012年6—7月開始學習壓縮感知的基礎理論知識，在2012年9—11月對壓縮感知和無線傳感器網絡有了一些理解。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。經過查閱國內外的各種文獻，參加學術會議，聆聽學術報告，他們逐步學會了計算過程的形式化描述、函數及其計算等相關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發表在SCI期刊上。從目前的實踐教學改革情況看，雖然STITP項目實施過程有一些困難和曲折，但是筆者指導的所有STITP項目均成功結題，學生通過STITP環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遞進式實踐教學改革方法的畢業設計環節
畢業設計是學生對大學期間所學知識進行綜合運用的重要實踐環節。作為指導教師，在遞進式實踐教學改革中，我們以計算思維為核心，強調“學以致用、圍繞應用”，分3個階段指導畢業設計。首先是前期階段，我們結合校內的科研任務和校外的企業需求制訂畢業設計任務書，給學生提供參考文獻，指導學生完成開題報告；其次是中期階段，我們根據中期考核表檢查學生的文獻調研情況、進度等是否符合要求。目前，很多計算機專業學生沒有進行深入思考就急著直接編寫程序代碼，這不是一種科學的方法，因此在畢業設計的實踐環節，指導學生像計算機科學家一樣思考具有重要的意義。最后一個階段是后期階段，指導學生通過實驗驗證，撰寫畢業論文，進行答辯驗收�？紤]到畢業設計是一個有一定深度的綜合性實踐環節，我們實行分層教學，因人施教，在兼顧大部分學生課題難度的同時，鼓勵一部分學生在CPTR第2個環節的基礎上展開深入的團隊研究。以2013級的畢業設計為例，筆者作為指導教師，指導學生團隊的畢業設計從百度公司等互聯網企業的需求出發，在這些學生前期積累的大學生創新項目STITP基礎上，選擇大數據領域中相互關聯的幾個子課題進行研究，主要研究“分布式環境下大數據的存儲、分發、分析、挖掘和實時處理”，包括基于Hbase的實時讀寫方案、大數據領域中的大規�？焖俜职l問題、移動社交網絡中的數據分布規律、面向互聯網平臺的推薦系統、通過分析淘寶等現有網絡技術研究分布式實時流數據的處理策略等。這是業界研究的熱點問題，雖然很有挑戰性，但是學生的興趣很高。經過大家的努力，團隊成員不僅參與SCI期刊學術論文SemanticOverlayNetworkforLarge-ScaleSpatialInformationIndexing的相關實驗，還成功申請專利“一種基于P2P網絡技術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�？苾炐銏F隊畢業設計獎。
3相關的應用實例和分析
我們從3個環節對上述遞進式實踐教學改革CPTR的實踐成果進行統計、評估和分析，對于課程設計實踐環節，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名學生，通過對學生“提交課程設計的大作業”部分書面作業的驗收和口頭的問答交流，判定最終獲得優秀的學生比例為15.29%。雖然優秀的比例不是很高，但是這說明：一方面，實踐教學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，整體成績的好壞和學生群體的水平相關，需要教師在新生入學之后就貫徹和執行計算思維教學改革。從總體上而言，CPTR實驗教學的方式值得嘗試，既能發揮教師在教學過程中的主導作用，又可以充分體現學生在學習過程中的主體性與協作性，這與何克抗教授的教學改革理念也是一致的。對于STITP實踐環節，筆者作為指導教師共指導了11個小組的學生進行項目申請，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的統計，我們實踐改革獲得“優秀”的比例為45.46%，這里的“優秀”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“優秀”比例約是22.49%（因為立項的85個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，我們以正在承擔的國家自然科學基金、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、轉化、仿真等方法，對科研項目中的任務進行劃分，把劃分后的一些子課題作為STITP的任務交給大學本科生，讓學生在項目驅動的應用實踐中得到提高，取得理想的成績。畢業設計是CPTR的最后一個環節，以筆者指導的畢業設計為例，總共參與的學生人數為34人，獲得院級、校級、江蘇省級的優秀比例為58.82%，遠遠高于同等級平均的優秀比例。例如，南京郵電大學計算機學院、軟件學院2013年共有395人參加畢業設計，其中成績優秀的為47人，優秀率僅為11%。CPTR的畢業設計環節情成功繼續攻讀碩士以上學位的學生人數為17，占50%，同時也有多名學生成功進入一流IT企業工作，如阿里巴巴公司、百度公司等。由于在實踐指導過程中貫徹了計算思維的改革理念，強調了“利用啟發式推理尋求解答”，因此，無論是從畢業設計的成績，還是從學生后續的發展情況來看，這種遞進式的實踐教學改革是有成效和值得推廣的。
4結語
遞進式的實踐教學改革方法以培養學生的計算思維為核心，以科研項目、實際應用等實踐環節為驅動，充分發揮教師主導和學生主體的整體優勢，提高了實踐課程的教學質量。多年的教學實踐一方面驗證了遞進式實踐教學改革方法的有效性，另一方面也反映出當前改革還存在不足。例如，CPTR第2個環節STITP的開展的確促進了大學生創新能力的提升，但是如何在STITP和基礎理論課程學習之間找到一個很好的平衡點？如何把基礎課程中的理論知識與STITP、畢業設計等實踐環節更好地結合起來？今后我們還需對這些問題展開深入研究。
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