融合多學(xué)科課程實驗平臺，全面提升實驗教學(xué)軟環(huán)境

本科教育是北京大學(xué)長遠發(fā)展中最基礎(chǔ)、最重要的工作之一，而實驗教學(xué)是本科教育，特別是一些基礎(chǔ)學(xué)科教育的重要組成部分，是衡量學(xué)校教育質(zhì)量的重要指標(biāo)，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力以及實踐與創(chuàng)新精神的重要過程，是培養(yǎng)高水平、創(chuàng)新型人才的重要手段，同時也是新的形勢對高等教育教學(xué)的迫切要求，其作用是不可替代的。

北京大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心為了更好地培養(yǎng)本科生的創(chuàng)造能力，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件，在改革計算機實驗教學(xué)課程體系、提升計算機實驗教學(xué)軟環(huán)境方面進行了深入地探索和實踐。

1實驗教學(xué)中心概況

隨著計算機科學(xué)技術(shù)的普及與發(fā)展， 2000年7月北京大學(xué)規(guī)定所有本科生必須修滿兩學(xué)期以上的計算機基礎(chǔ)課程，并將該系列課程列為本科生主干基礎(chǔ)課進行重點建設(shè)。學(xué)校出于計算機教學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃與建設(shè)的考慮，將原北京大學(xué)計算中心教學(xué)實驗室、北京大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)系軟件實驗教學(xué)實驗室和“北大-IBM聯(lián)合實驗室”整合為計算機實驗教學(xué)中心，由計算機科學(xué)技術(shù)系統(tǒng)一組織授課。

實驗教學(xué)中心成立以來，在學(xué)校的支持下，通過“211工程”、“985工程(一期)”建設(shè)資金投入，已建設(shè)成優(yōu)良的實驗教學(xué)環(huán)境。幾年來共投入建設(shè)經(jīng)費近2300萬元，在具備良好實驗環(huán)境的基礎(chǔ)上，保證設(shè)備完好率達到了99％以上，為全校近90門課程提供計算機實習(xí)環(huán)境，其中面向全校學(xué)生的實驗室全年362天開放。

經(jīng)過幾年的建設(shè)，通過融合多個學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)資源，北京大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心已經(jīng)建成為一個包含六類計算機實驗教學(xué)實驗室，服務(wù)全校本科生的全校最大的實驗教學(xué)中心。這六類實驗室分別是大型基礎(chǔ)實驗室、軟件實驗室、IBM實驗室、ACM競賽實驗室、國防生實驗室和創(chuàng)新實驗室等。其中大型基礎(chǔ)實驗室完成全校非信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科生(文理工醫(yī))的上機實習(xí)任務(wù)；軟件實驗室完成信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科生的上機實習(xí)任務(wù)；IBM實驗室為開設(shè)各種與公司合作的課程提供先進的授課環(huán)境；ACM競賽實驗室用于培養(yǎng)對競賽感興趣的學(xué)生自主學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，并為北大ACM集訓(xùn)隊的學(xué)生24小時開放；國防生實驗室專門為國防生提供上機服務(wù)。以上五類實驗室根據(jù)實驗教學(xué)內(nèi)容的要求，都進行了開放運行，并且大型基礎(chǔ)實驗室和軟件實驗室在沒有課堂教學(xué)的時間對學(xué)生實行全面開放。而創(chuàng)新實驗室，是由計算機系微處理器研究中心、軟件工程研究中心、計算機網(wǎng)絡(luò)研究中心、數(shù)據(jù)庫研究中心、計算機語言所以及人工智能研究中心等的研究平臺上為本科生提供的科研實習(xí)基地建設(shè)而成，用于本科生參與科研實習(xí)的項目。

計算機實驗教學(xué)中心由專職教師和兼職教師組成。固定編制人員中教師系列人員作為教學(xué)梯隊的核心力量，負(fù)責(zé)實驗教學(xué)與改革，部分專職教師還承擔(dān)理論課教學(xué)工作；實驗技術(shù)系列人員承擔(dān)日常教輔工作和新教學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)任務(wù)，中心和所屬實驗室的主要管理崗位由教師系列中的骨干人員兼任，實行教學(xué)管理和實驗室管理的一體化，以減少固定編制數(shù)量和提高工作效率。兼職教師隊伍來自各個學(xué)科專業(yè)，與專職實驗教師共同進行實驗教學(xué)與改革，擔(dān)任實驗課程主持人。這種實驗教學(xué)隊伍組成模式為理論與實踐的互動、教學(xué)與科研的相互促進奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過幾年的建設(shè)，實驗教學(xué)中心形成了以中心在編教師為核心，兼職教師為骨干，研究生助教為補充的實驗課教學(xué)梯隊。

2實驗課程教學(xué)體系建設(shè)

實驗教學(xué)中心依托信息學(xué)院科研優(yōu)勢促進實驗教學(xué)，建立了課程教學(xué)和科研實踐相結(jié)合的實驗教學(xué)體系。

實驗教學(xué)中心為全校三個層次的學(xué)生提供不同模塊的計算機教學(xué)課程。三個層次分別是全校文理工醫(yī)本科生、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科生和信息學(xué)院計算機科學(xué)技術(shù)系本科生。對于同一受眾群體，根據(jù)學(xué)生情況分班分層次教學(xué)?；A(chǔ)好、領(lǐng)悟力強的學(xué)生給予實驗班教學(xué)、大部分學(xué)生在普通班學(xué)習(xí)、為基礎(chǔ)較差的學(xué)生開設(shè)輔導(dǎo)班個別輔導(dǎo)。在同一授課層次的授課內(nèi)容中，采取基礎(chǔ)訓(xùn)練(30%)、綜合實踐(40%)和創(chuàng)新培養(yǎng)(30%)相結(jié)合的培養(yǎng)模式。

實驗教學(xué)中心主要承擔(dān)三個層次的實驗教學(xué)課程。一是全校本科生一年級主干必修課——計算機基礎(chǔ)課實習(xí)部分，包括“文科計算機基礎(chǔ)”(上學(xué)期、下學(xué)期)，理科“計算概論B”(上學(xué)期)，理科“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法B”(下學(xué)期)。二是信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院本科生與計算機有關(guān)的課程軟件實習(xí)部分。三是計算機輔修、雙學(xué)位、全校通選、公選計算機課程的軟件實習(xí)部分。其中信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院的實驗課程體系建設(shè)與信息學(xué)院的課程體系建設(shè)相配套。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院目前有四個本科生專業(yè)，分別為計算機科學(xué)與技術(shù)、電子學(xué)、微電子學(xué)和智能科學(xué)。其中前三個是成立學(xué)院時就有的專業(yè)，而第四個是學(xué)院成立后設(shè)立的全國第一個智能科學(xué)專業(yè)。在原有的教學(xué)體系中，每個專業(yè)的課程自成體系。一方面每個專業(yè)的學(xué)生知識面較窄，不利于學(xué)生適應(yīng)快速發(fā)展的社會需求；另一方面有些課程在不同專業(yè)重復(fù)設(shè)置，浪費教學(xué)資源。2002年學(xué)院成立后制定了新的本科生教學(xué)計劃，打通一年級四個專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程，建立信息學(xué)院的基礎(chǔ)教學(xué)平臺課，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建各個專業(yè)的核心課，并在2005 年、2007 年兩次進行了修訂。提出了重視基礎(chǔ)，分階段、多層次的模塊式教學(xué)計劃，把課程分成三個階段安排(一年級、二年級和高年級三個階段)，除學(xué)校公共必修課外，把課程分成四個層級：學(xué)院公共平臺必修課、專業(yè)基礎(chǔ)必修課、專業(yè)核心選修課、任選課。為了加強基礎(chǔ)，淡化專業(yè)，一年級統(tǒng)一安排數(shù)學(xué)、物理、計算機和電路方面的基礎(chǔ)課，使得不同專業(yè)的學(xué)生在軟硬件方面都得到加強。

為了與信息學(xué)院的課程體系相配套，實驗教學(xué)中心調(diào)整實驗課程教學(xué)體系，并對實驗室及實驗設(shè)備進行合理配置，將全院各專業(yè)與計算機有關(guān)課程的軟件實習(xí)部分安排在中心的軟件實驗室進行，這樣一方面減輕了原專業(yè)實驗室的壓力，同時又充分利用了軟件實驗室的設(shè)備與管理優(yōu)勢，融合多學(xué)科課程實驗平臺，實現(xiàn)資源共享，提高設(shè)備的利用率，從而有力地保障了打通四個專業(yè)后計算機實驗教學(xué)的有序進行。實驗教學(xué)中心為信息學(xué)院本科生所開設(shè)的與計算機有關(guān)的部分實驗課程如表1所示。

在實驗課程建設(shè)中我們采取“三個依托”的建設(shè)模式，即一是依托先進的教學(xué)輔助系統(tǒng)，強化本科生基礎(chǔ)編程能力；使用北京大學(xué)自主研發(fā)的“百練”程序在線評測系統(tǒng)，在“計算概論”、“程序設(shè)計實習(xí)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“算法設(shè)計與分析”等系列課程中，使用該系統(tǒng)實行上機考試一票否決制。二是依托科研團隊，建設(shè)系列專業(yè)課程；不同方向的研究團隊負(fù)責(zé)建設(shè)研究方向相關(guān)的系列課程，保持教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展同步。三是依托科研項目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。信息學(xué)院本科生從一年級陸續(xù)進入課題組；80%在三年級進入課題組；100%在四年級進入課題組，統(tǒng)一制定了相應(yīng)的本科生科研實習(xí)管理辦法，每個研究所制定了本科生科研實習(xí)培養(yǎng)方案細(xì)則。

具體的操作方法和實施手段包括：

(1) 基本功訓(xùn)練。利用程序設(shè)計基礎(chǔ)課程群強化基礎(chǔ)編程能力，系統(tǒng)軟件和硬件課程群強化理論和實踐并重。

在編程基本功訓(xùn)練方面，將“計算概論”、“程序設(shè)計實習(xí)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“算法分析與設(shè)計”作為一個訓(xùn)練基本功的系列課程平臺來建設(shè)，編制一整套分層次分知識點的上機實習(xí)題集；采用北京大學(xué)自主研發(fā)的“百練”程序在線評測系統(tǒng)POJ，保證學(xué)生全年365天每天24小時，隨時隨地有上機實習(xí)編程的環(huán)境；在實習(xí)內(nèi)容上比較國際一流大學(xué)的深度和廣度，廣泛吸收全球大學(xué)生程序設(shè)計競賽中的優(yōu)秀題目。

在硬件基礎(chǔ)能力訓(xùn)練方面，將“數(shù)字邏輯”、“微機原理”、“計算機組成和體系結(jié)構(gòu)”、“計算機網(wǎng)絡(luò)”作為一個系列基本訓(xùn)練課程平臺來建設(shè)，搭建一個層次分明、銜接過渡平緩、深度和廣度與國際研究最前沿看齊的教學(xué)體系。并將理論和實習(xí)單獨設(shè)課，強化學(xué)生動手能力、綜合能力、創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

在系統(tǒng)軟件理論與實踐并重方面，“編譯原理”和“編譯實習(xí)”、“操作系統(tǒng)”和“操作系統(tǒng)實習(xí)”，理論課和實習(xí)課分別獨立設(shè)課，實習(xí)部分采用MIT的實驗課程模塊，按學(xué)生團隊分別完成實習(xí)大項目的方式，提高學(xué)生對理論的理解和實際應(yīng)用的能力，并在項目中培養(yǎng)合作能力和創(chuàng)造力。

(2) 在科研實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新能力和綜合能力。建立一整套本科生科研實習(xí)制度。

本科生全員參與科研實習(xí)，將科研實習(xí)與本科生課程訓(xùn)練并列為本科生培養(yǎng)的兩個組成部分。在一二年級學(xué)生中遴選一些基礎(chǔ)好的學(xué)生通過“校長基金”、“莙政基金”、“教育部大學(xué)生科研實踐計劃”、教師自籌等項目進入課題組參與科研項目的研究。在三年級，各個研究所實驗室制度化招收實習(xí)本科生，包括組織報名、考核、錄取、基礎(chǔ)培訓(xùn)、規(guī)章制度培訓(xùn)、前沿介紹、與學(xué)生討論確定選題，之后進入與研究生同樣的培養(yǎng)模式進行培養(yǎng)。在四年級，所有沒進入實驗室實習(xí)的學(xué)生通過雙向選擇進入研究所實驗室完成本科論文。

3實驗教學(xué)中心教學(xué)特色

實驗教學(xué)中心在走課程教學(xué)和科研實踐相結(jié)合的實驗教學(xué)體系道路的同時，利用競賽帶動實驗教學(xué)改革，利用自主研發(fā)的程序在線評測系統(tǒng)改革傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)模式。

從2002年開始，實驗教學(xué)中心每年面向全校學(xué)生舉辦一次北京大學(xué)程序設(shè)計競賽及北京大學(xué)ACM代表隊選拔賽，為學(xué)生提供展示程序設(shè)計水平和能力的平臺，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。組織北京大學(xué)ACM代表隊參加國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽亞洲區(qū)預(yù)選賽及全球總決賽，培養(yǎng)了一批出類拔萃的計算機學(xué)科優(yōu)秀人才。在培訓(xùn)ACM代表隊的過程中，積累了大量優(yōu)秀的考試題目，這些題目是來自全球的優(yōu)秀教師多年出題的積累，融趣味性和知識性于一體，覆蓋計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程的絕大部分內(nèi)容，兼顧寬度和深度。我們把這些題目做適當(dāng)篩選，分層次融入“計算概論”、“程序設(shè)計實習(xí)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“算法分析與設(shè)計”等系列課程正常的教學(xué)中，取得了很好的教學(xué)效果。

自主研發(fā)的目前服務(wù)全球的北京大學(xué)程序在線評測系統(tǒng)(Peking University Online Judge，簡稱POJ)，在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中廣泛地應(yīng)用，為改革傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)模式發(fā)揮了很大作用。POJ是一個基于萬維網(wǎng)的服務(wù)系統(tǒng)，全天24小時向全球提供服務(wù)。用戶在練習(xí)某個題目時，只需要將源程序通過網(wǎng)頁提交，在幾秒種之內(nèi)就會得到正確與否的回答。POJ對于程序的評判是極為嚴(yán)格的，學(xué)生的程序根據(jù)POJ給出的輸入數(shù)據(jù)進行計算并輸出結(jié)果。POJ在服務(wù)器端編譯、運行被提交的程序，取得輸出結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)答案對比，必須一個字節(jié)都不差程序才能算通過。這對于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、周密的程序設(shè)計作風(fēng)極為有效，學(xué)生必須考慮到每一個細(xì)節(jié)和特殊邊界條件，而不是大體上正確就能通過。傳統(tǒng)的人工評判是難以做到這一點的。使用POJ系統(tǒng)進行程序設(shè)計類相關(guān)課程教學(xué)時，一方面可以在網(wǎng)上布置作業(yè)題目，學(xué)生隨時完成作業(yè)、提交并獲得評測結(jié)果，減輕了教員批改作業(yè)的負(fù)擔(dān)同時增強了批改的準(zhǔn)確性；另一方面教員亦可在網(wǎng)上監(jiān)督學(xué)生作業(yè)完成情況，并就存在的問題進行解答。網(wǎng)上實時的編程考試，更能考察出學(xué)生的動手能力，同時有助于威懾和杜絕作弊現(xiàn)象。POJ程序在線評測系統(tǒng)提供免費軟件下載，供有興趣的學(xué)校和個人搭建自己的在線評測系統(tǒng)。

4實驗教學(xué)中心管理特色

實驗教學(xué)中心6大類實驗室中各個實驗室根據(jù)實驗教學(xué)需要可以固定時間段授課、多時間段開放和全開放運行，并可以進行適當(dāng)調(diào)配。大型基礎(chǔ)實驗室面向全校學(xué)生開放，軟件實驗室面向信息學(xué)院的學(xué)生開放，兩個實驗室在管理方法上有著各自的特點，都堅持技術(shù)與管理自主創(chuàng)新的原則。

大型基礎(chǔ)實驗室擁有8個機房600多臺微機，全校文科的“計算機基礎(chǔ)(上、下)”、理科的“計算概論”和“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法B”，以及“大學(xué)英語”等課程均由該實驗室承擔(dān)。大型基礎(chǔ)實驗室在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、一流的實驗環(huán)境中，以人為本，自主創(chuàng)新，發(fā)揮多年來軟硬件、網(wǎng)絡(luò)等綜合技術(shù)優(yōu)勢，中心先后率先在高校研制了三個版本的計算機實驗室管理系統(tǒng)，即基于windows NT局域網(wǎng)賬戶計費管理系統(tǒng)；基于windows NT的跨網(wǎng)段賬戶計費管理系統(tǒng)；基于windows 2000的跨網(wǎng)段賬戶計費管理系統(tǒng)。實現(xiàn)了跨網(wǎng)段、跨域、多機房一體化安全集中高效管理；同時也實現(xiàn)了機房無卡賬戶計費管理，一賬號多功能(大型基礎(chǔ)實驗室上機、學(xué)校網(wǎng)關(guān)上網(wǎng)、收發(fā)Email)、無卡(出入機房卡、寫保護卡)、無瓶頸、無時間/無機房/無宿舍限制，使用簡單便捷，該系統(tǒng)推廣到原北京醫(yī)科大學(xué)、地質(zhì)大學(xué)、經(jīng)貿(mào)大學(xué)等十幾個院校使用。大型基礎(chǔ)實驗室機房整體布局，自主設(shè)計的終端桌技術(shù)使得在無防靜電地板的情況下，桌面地面上無線，既節(jié)省資金，又便于使用、維護維修和衛(wèi)生清掃。

軟件實驗室全面承擔(dān)信息學(xué)院學(xué)生的軟件實習(xí)課程，提供靈活的實驗環(huán)境。軟件實驗室利用自行研發(fā)的“計算機開放實驗室機時管理系統(tǒng)”進行自動化管理。全方位開放時間為早8:00至晚21:00。上機用戶在開放時間可隨時自由進入實驗室使用機房中的任何一臺計算機，并且可以隨時退出系統(tǒng)。若遇到機時不足的情況，可以在實驗室開放時間內(nèi)隨時增加機時。上機用戶可以使用實驗室及局域網(wǎng)上所有資源，通過自己的專有賬戶備份需要的信息。若用戶對自己的機時使用情況有疑義，可申請打印機時清單。軟件實驗室人員可隨時遠程關(guān)閉實驗室內(nèi)的任意一臺計算機。可通過軟件控制實驗室內(nèi)的機器是否與外網(wǎng)連接，為教師提供了靈活方便的教學(xué)環(huán)境。

在課程安排上，除自由上機外，軟件實驗室為信息學(xué)院計算機平臺課提供固定時間、固定機位(帳號與機位邦定)的實習(xí)條件，以充分保證信息學(xué)院學(xué)生打好牢固的編程基礎(chǔ)，利于助教了解學(xué)生的情況，避免學(xué)生不參與實驗課的情況發(fā)生。對于計算機專業(yè)課，主要是高年級學(xué)生選課，人數(shù)相對較少，學(xué)生以自由上機為主，同時可根據(jù)教師要求固定實驗教學(xué)時間。另外軟件實驗室還利用小機房為一些特色小班課在固定的時段內(nèi)開放本地管理員權(quán)限，在方便學(xué)生上機的同時，在有限的空間里提供了更多的服務(wù)。

5總結(jié)與展望

實驗課教學(xué)既是知識傳授的手段，也是從理論到實踐的知行統(tǒng)一的過程，更是素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)過程。為了把學(xué)生從知識的學(xué)習(xí)者培養(yǎng)成知識的創(chuàng)造者，計算機實驗課教學(xué)的目的就不能僅僅滿足于幫助學(xué)生理解、掌握課堂和書本知識，更要承擔(dān)起傳授科學(xué)研究方法和技能，培養(yǎng)科學(xué)精神、科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)實驗習(xí)慣的重要責(zé)任。實驗教學(xué)中心基于上述認(rèn)識，根據(jù)“加強基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、因材施教、分流培養(yǎng)”的教改方針，提出了“一體化、多層次、開放式、重基礎(chǔ)、求創(chuàng)新”的實驗課教學(xué)改革指導(dǎo)思想，將“學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)”作為核心追求，積極推動實驗課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法等方面的改革，取得了較好的成效。