计算机专业递进式实践教学改革

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引言

计算机科学与技术是当今社会发展中一门关键的学科，它的应用遍及社会的各行各业，计算机专业的教学就是为社会输送优秀的计算机人才，然而，一方面各大计算机公司常常感叹很难招到令人满意的员工；另一方面各大专院校很多计算机专业毕业的大学生苦于找不到理想的工作。其中一个重要的原因是很多大学毕业生缺乏实践动手能力，尤其是不善于基于计算思维解决实际问题。作为从事计算机专业教学的大学教师，我们也应该努力进行实践教学改革，为社会培养出更优秀的计算机专业人才。为此，清华大学的王宏教授和吴文虎教授通过“赛课结合”提升大学生的实践动手能力和创新能力。课堂理论教育是计算机教育中的一个重要组成部分，但是单纯的课堂讲授与个别化教学都不能达到预期的效果。北京师范大学何克抗教授引入了混合式学习方法。为了进一步提高学生的积极性，国家教育部关于做好“本科教学工程”国家级大学生创新创业训练计划实施工作的通知；上海交通大学的郑益慧等老师提出推广研究性学习和个性化培养的教学方式。近年来，关于计算思维的研究对计算机教学的改革有着重要的指导作用，不仅有助于提高计算机科学的发展和应用，而且有利于培养现代的科学思维方式。笔者在上述研究的启发下，根据多年在计算机专业教学和研究方面的经验，结合在南京邮电大学的教学实践和尝试，提出一种递进式的实践教学改革方法（cascadeprogressive-likepracticeteachingreform，简称CPTR）。

1递进式实践教学改革的总体方案

计算思维是运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为。为了在实践教学中体现这个基本思想，我们采用递进式的教学任务分解方法，在实验教学的3个环节中进行具体的实施，其步骤是层层叠加、逐步深入，目标是最终培养具有一定计算思维能力的专业人才。递进式实践教学改革的总体方案如图1所示。首先，课程设计环节主要是通过给学生讲解能够反映计算思维的典型案例，让学生相对独立地求解一些案例，从而培养学生对基础计算理论的应用能力；其次，STITP环节主要是以项目驱动的方式，让学生在教师的指导下，通过参与一个能够反映计算思维应用的、相对完整的子集，在实践中体会计算思维的理论；最后，第3个实践环节是毕业设计，对于一个大学生而言，这是大学期间最后一个综合性的实践课程，教师从校内的科研项目和校外的企业需求出发制订毕业设计的任务书，着重培养学生解决相对复杂的计算和应用问题的能力。

2递进式实践教学改革方法的具体实施

2.1递进式实践教学改革方法的课程设计环节

对于计算机专业的学生而言，在经过计算机导论、数据结构、算法设计等课程的学习之后，进行相应的课程设计是一个运用计算思维求解问题和设计系统的很好机会[8]。以南京邮电大学计算机相关专业的学生为例，他们有一门课程设计是算法与数据结构设计，16学时。为了贯彻计算思维中利用“抽象和分解的方法”控制庞杂的任务[7]，在实践教学改革中，我们把16学时的上机实验分为5次课。5次课的总任务是指导学生选择合适的数据结构和算法解决一些实际问题，考查学生实际的分析、编程、解决问题能力以及团队合作精神。每次课程又细分为教师任务和学生任务，两种任务相互交互形成一个完整的课程设计实践环节。课程设计环节的抽象与分解如图2所示。由于采用了任务分解和团队合作的方式，每个小组选择一个组长，小组成员的任务相同，但是解决问题的方法可能不同。在“问题剖析和疑问交流”部分，学生有了相互交流和独立思考的过程；在“大作业的问答与验收”部分，指导教师根据提交的作业，对不同的解决方案进行一题多解点评，扩展学生对问题的理解深度与广度。

2.2递进式实践教学改革方法的STITP环节

这里的STITP是指南京邮电大学根据教育部相关通知展开的大学生创新创业训练计划，目的是通过实施该计划改革人才培养模式，为国家建设培养高水平的创新人才。与课程设计环节不同，STITP环节是课外的、以学生为主体的实践环节。STITP的具体实施分为3级的实践创新训练计划体系，即校级、省级和国家级。以2012年的大学生创新创业训练计划项目为例，南京邮电大学共有378项大学生创新创业训练计划项目获得立项，包含国家级40项、省级45项和校级293项，其中40项国家级的STITP是南京邮电大学首次获得国家资助的项目，笔者依托科研项目指导学生申请的项目（0700412017）也是40项国家级的STITP之一。这种以科研促进实践教学的尝试有利也有弊。弊在于这些课题对于大学本科生而言有一定的难度，并且本科生的课余时间比较少，同时兼顾学业和STITP项目很有挑战性；利在于项目的申请结合了当前计算机研究领域的热点，使得学生比较感兴趣且有利于学生将来的就业和继续深造。以笔者2012年指导的STITP项目为例，该项目是研究压缩感知理论在无线传感器网络中的应用。项目组的3名学生在2012年6—7月开始学习压缩感知的基础理论知识，在2012年9—11月对压缩感知和无线传感器网络有了一些理解。虽然每周都有多次的交流（包括每周的研究日志、读书笔记、文献讨论等），但是他们有时对理论和算法还是不理解，不知道如何下手作研究。经过查阅国内外的各种文献，参加学术会议，聆听学术报告，他们逐步学会了计算过程的形式化描述、函数及其计算等相关的计算理论和计算模型，体会了计算思维在实际科研项目中的应用，最后通过共同努力出色完成了该项目，并将研究成果WSNsDataAcquisitionbyCombiningHierarchicalRoutingMethodandCompressiveSensing发表在SCI期刊上。从目前的实践教学改革情况看，虽然STITP项目实施过程有一些困难和曲折，但是笔者指导的所有STITP项目均成功结题，学生通过STITP环节的锻炼提高了自己的研究能力和团队合作能力。总体而言，利大于弊。

2.3递进式实践教学改革方法的毕业设计环节

毕业设计是学生对大学期间所学知识进行综合运用的重要实践环节。作为指导教师，在递进式实践教学改革中，我们以计算思维为核心，强调“学以致用、围绕应用”，分3个阶段指导毕业设计。首先是前期阶段，我们结合校内的科研任务和校外的企业需求制订毕业设计任务书，给学生提供参考文献，指导学生完成开题报告；其次是中期阶段，我们根据中期考核表检查学生的文献调研情况、进度等是否符合要求。目前，很多计算机专业学生没有进行深入思考就急着直接编写程序代码，这不是一种科学的方法，因此在毕业设计的实践环节，指导学生像计算机科学家一样思考具有重要的意义。最后一个阶段是后期阶段，指导学生通过实验验证，撰写毕业论文，进行答辩验收。考虑到毕业设计是一个有一定深度的综合性实践环节，我们实行分层教学，因人施教，在兼顾大部分学生课题难度的同时，鼓励一部分学生在CPTR第2个环节的基础上展开深入的团队研究。以2013级的毕业设计为例，笔者作为指导教师，指导学生团队的毕业设计从百度公司等互联网企业的需求出发，在这些学生前期积累的大学生创新项目STITP基础上，选择大数据领域中相互关联的几个子课题进行研究，主要研究“分布式环境下大数据的存储、分发、分析、挖掘和实时处理”，包括基于Hbase的实时读写方案、大数据领域中的大规模快速分发问题、移动社交网络中的数据分布规律、面向互联网平台的推荐系统、通过分析淘宝等现有网络技术研究分布式实时流数据的处理策略等。这是业界研究的热点问题，虽然很有挑战性，但是学生的兴趣很高。经过大家的努力，团队成员不仅参与SCI期刊学术论文SemanticOverlayNetworkforLarge-ScaleSpatialInformationIndexing的相关实验，还成功申请专利“一种基于P2P网络技术的计算机集群快速扩容方法”，整个团队还获得2013年江苏省普通高校本专科优秀团队毕业设计奖。

3相关的应用实例和分析

我们从3个环节对上述递进式实践教学改革CPTR的实践成果进行统计、评估和分析，对于课程设计实践环节，笔者前后指导了6期算法与数据结构设计的课程设计，共157名学生，通过对学生“提交课程设计的大作业”部分书面作业的验收和口头的问答交流，判定最终获得优秀的学生比例为15.29%。虽然优秀的比例不是很高，但是这说明：一方面，实践教学的改革仍然需要继续，可以采取增加师生的比例等措施；另一方面，整体成绩的好坏和学生群体的水平相关，需要教师在新生入学之后就贯彻和执行计算思维教学改革。从总体上而言，CPTR实验教学的方式值得尝试，既能发挥教师在教学过程中的主导作用，又可以充分体现学生在学习过程中的主体性与协作性，这与何克抗教授的教学改革理念也是一致的。对于STITP实践环节，笔者作为指导教师共指导了11个小组的学生进行项目申请，获得了5个省级以上的项目，其中获得国家级项目资助2项。按照表1的统计，我们实践改革获得“优秀”的比例为45.46%，这里的“优秀”数目是指成功申请并顺利结题的江苏省级STITP项目数。以2012年为例，全校立项的STITP总数是378，其中省级以上的项目数是85，此处的“优秀”比例约是22.49%（因为立项的85个项目不是都能顺利结题的，这里取最高值作为近似计算），低于我们实践改革取得的成绩45.46%。改革成功的原因是在项目申请之前，我们以正在承担的国家自然科学基金、国家863计划等科研项目为背景，尝试以计算思维为核心，通过约简、嵌入、转化、仿真等方法，对科研项目中的任务进行划分，把划分后的一些子课题作为STITP的任务交给大学本科生，让学生在项目驱动的应用实践中得到提高，取得理想的成绩。毕业设计是CPTR的最后一个环节，以笔者指导的毕业设计为例，总共参与的学生人数为34人，获得院级、校级、江苏省级的优秀比例为58.82%，远远高于同等级平均的优秀比例。例如，南京邮电大学计算机学院、软件学院2013年共有395人参加毕业设计，其中成绩优秀的为47人，优秀率仅为11%。CPTR的毕业设计环节情成功继续攻读硕士以上学位的学生人数为17，占50%，同时也有多名学生成功进入一流IT企业工作，如阿里巴巴公司、百度公司等。由于在实践指导过程中贯彻了计算思维的改革理念，强调了“利用启发式推理寻求解答”，因此，无论是从毕业设计的成绩，还是从学生后续的发展情况来看，这种递进式的实践教学改革是有成效和值得推广的。

4结语

递进式的实践教学改革方法以培养学生的计算思维为核心，以科研项目、实际应用等实践环节为驱动，充分发挥教师主导和学生主体的整体优势，提高了实践课程的教学质量。多年的教学实践一方面验证了递进式实践教学改革方法的有效性，另一方面也反映出当前改革还存在不足。例如，CPTR第2个环节STITP的开展的确促进了大学生创新能力的提升，但是如何在STITP和基础理论课程学习之间找到一个很好的平衡点？如何把基础课程中的理论知识与STITP、毕业设计等实践环节更好地结合起来？今后我们还需对这些问题展开深入研究。

作者：邹志强 马玲玲 沈澍 单位：南京邮电大学 美国威斯康辛大学麦迪逊分校 地理系