學(xué)科前沿指引下的信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)研究

徐增敏　唐先紅　朱志斌　陳軍

摘要：信息與計算科學(xué)專業(yè)是典型的交叉學(xué)科專業(yè)，強調(diào)用數(shù)學(xué)和信息的知識解決學(xué)科應(yīng)用中的實際問題，但是在該專業(yè)多年的教學(xué)過程中，一直存在不同學(xué)科知識難以融合的問題。文章針對目前學(xué)生理論知識結(jié)構(gòu)單一和教學(xué)改革效果不理想的現(xiàn)狀，以安防多媒體應(yīng)用為例，分析學(xué)科前沿知識結(jié)構(gòu)，結(jié)合市場工程項目需求提出在學(xué)科前沿應(yīng)用的指引下，面向?qū)W術(shù)研究和工程應(yīng)用提高專業(yè)教學(xué)水平，鍛煉學(xué)生實踐能力，深化人才培養(yǎng)機制改革。

關(guān)鍵詞：交叉學(xué)科；安防應(yīng)急；知識結(jié)構(gòu)；實踐教學(xué)

1 學(xué)科前沿雙向指引

國外世界一流大學(xué)的辦學(xué)經(jīng)驗證明交叉學(xué)科及專業(yè)已經(jīng)成為培養(yǎng)具備綜合學(xué)科實力的拔尖創(chuàng)新人才的主渠道。信息與計算科學(xué)專業(yè)作為典型的交叉學(xué)科專業(yè)，目前國內(nèi)已有近500所院校開設(shè)了該專業(yè)，有的院校根據(jù)自身情況制定了不同的人才培養(yǎng)計劃，但是卻鮮有文獻(xiàn)闡述如何將交叉學(xué)科的課程知識融為一體，同時，學(xué)生理論知識結(jié)構(gòu)單一，難以在實際應(yīng)用中靈活運用專業(yè)知識的情況仍然存在，專業(yè)教學(xué)改革沒有取得理想效果。因此，課程內(nèi)容貼近學(xué)科前沿，教學(xué)方式靈活擴展已經(jīng)成為信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)亟需解決的問題。

1.1 安防應(yīng)急信息技術(shù)學(xué)科背景

以安防應(yīng)急信息技術(shù)學(xué)科為例，一方面利用管理科學(xué)中的實證研究構(gòu)建安防系統(tǒng)的效能評估指標(biāo)體系框架；另一方面利用信息科學(xué)的理論對監(jiān)控目標(biāo)進行深度應(yīng)用，針對公安部門利用城市安防系統(tǒng)龐大錄像數(shù)據(jù)的迫切需求，研究以刑偵圖像技術(shù)為代表的人臉超分辨率和目標(biāo)重識別，從而揭示人們辨識事物或行為的內(nèi)在認(rèn)知規(guī)律，這屬于管理科學(xué)和信息科學(xué)的交叉融合學(xué)科。

武漢大學(xué)國家多媒體軟件技術(shù)工程研究中心從2003年起，就在多媒體數(shù)字安防與應(yīng)急信息技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi)形成了自己的學(xué)科特色和優(yōu)勢，并在2008年成功申請“安防應(yīng)急信息技術(shù)”的博士學(xué)科點。工程中心項目團隊承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金和973子項目，通過自主創(chuàng)新和技術(shù)合作，對傳統(tǒng)的安防工程學(xué)科知識做了重大突破，將監(jiān)控與應(yīng)急一體化，形成大安防系統(tǒng)的體系架構(gòu)。同時，主持國家和行業(yè)音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的研制，通過開發(fā)重點引導(dǎo)性產(chǎn)品，承擔(dān)重大示范性工程項目，帶動產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級和持續(xù)健康發(fā)展。

1.2 雙向指引下的知識結(jié)構(gòu)

筆者在多媒體工程中心進修期間發(fā)現(xiàn)安防應(yīng)急學(xué)科所涉及的前沿知識可以很好地指引信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)，推動專業(yè)課程內(nèi)容更新，優(yōu)化專業(yè)原有知識結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生學(xué)好知識、用好知識的動力。安防應(yīng)急學(xué)科前沿指引下的信息與計算科學(xué)專業(yè)課程知識結(jié)構(gòu)見表1，該表展示了安防應(yīng)急所需知識對應(yīng)信息與計算科學(xué)專業(yè)課程的情況。

表1說明，如果能在相應(yīng)課程中對安防應(yīng)急進行適當(dāng)延伸，如增加案例分析、擴展實驗內(nèi)容等，那么信息與計算科學(xué)專業(yè)學(xué)生經(jīng)過1～2年的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，就可以了解到安防應(yīng)急學(xué)科的前沿應(yīng)用，尤其是概率論與數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)知識，更廣泛應(yīng)用到安防應(yīng)急科學(xué)領(lǐng)域的各個研究熱點，而到了大學(xué)第3、第4學(xué)年的時候，將會在更多專業(yè)課程上認(rèn)識到學(xué)科知識交叉融合的重要性。又如安防應(yīng)急學(xué)科中的刑偵圖像分析技術(shù)，強調(diào)用模式識別和機器學(xué)習(xí)的智能算法，通過數(shù)學(xué)或計算機工具對特定圖像進行深度分析，找出嫌疑人的臉部或體貌特征，這里面既用到了概率論、矩陣論等數(shù)學(xué)知識，又用到了數(shù)字圖像處理、人工智能等計算機知識。通過研習(xí)學(xué)科前沿應(yīng)用案例，無論是在數(shù)學(xué)知識還是在計算機知識的理解和運用上，學(xué)生都會對基礎(chǔ)理論和實踐應(yīng)用有更深層次的領(lǐng)悟。

與此同時，桂林電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院在人才培養(yǎng)思路上，很早就瞄準(zhǔn)了學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用兩個主要方向，因此制定的本科培養(yǎng)方案已經(jīng)形成了縱向和橫向結(jié)合的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上，只要在教學(xué)過程中加入相應(yīng)學(xué)科前沿的應(yīng)用案例，就能將專業(yè)教學(xué)水平提升一個層次。

2 交叉學(xué)科專業(yè)教學(xué)

一般專業(yè)教學(xué)活動分為兩部分：理論教學(xué)和實踐教學(xué)，信息與計算科學(xué)專業(yè)強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，因此將課內(nèi)教育的理論教學(xué)和實踐教學(xué)比例調(diào)整為70%和30%。筆者為了突出學(xué)科前沿應(yīng)用在專業(yè)教學(xué)中的重要地位，將結(jié)合數(shù)學(xué)與計科學(xué)學(xué)院現(xiàn)有基礎(chǔ)，對課程知識交叉融合的方法進行探討。

2.1 理論教學(xué)

筆者在多年專業(yè)教學(xué)改革的過程中發(fā)現(xiàn)，課程教材、教師業(yè)務(wù)水平、教育經(jīng)歷和教學(xué)方式都是影響課程教學(xué)質(zhì)量的主要因素。首先課內(nèi)理論教學(xué)依賴于貼近真實案例和通俗易懂的課本，其次任課教師的業(yè)務(wù)水平?jīng)Q定了教學(xué)質(zhì)量的高低，第三任課教師的教育或?qū)嵺`經(jīng)歷能幫助學(xué)生盡快熟悉課程知識，最后就是靈活的教學(xué)方式可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

諸如高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫、C語言程序設(shè)計等基礎(chǔ)課程，經(jīng)過多年使用更新，其教材內(nèi)容相對成熟，教師可以根據(jù)自己研究領(lǐng)域的學(xué)科前沿講解典型案例，如概率論的貝葉斯公式經(jīng)常用于目標(biāo)跟蹤的圖像序列分析，而回歸分析也經(jīng)常用于監(jiān)控成像系統(tǒng)性能評價的主觀實驗。相對而言，數(shù)據(jù)庫一類的計算機基礎(chǔ)課程更傾向于實際上機操作，這在工程項目中對于用戶數(shù)據(jù)存放和權(quán)限管理有較高的要求。因為這些課程在教材內(nèi)容更新上已經(jīng)做過大量工作，所以學(xué)生只要掌握了基本的計算機操作能力，就可以將這些知識應(yīng)用到安防應(yīng)急調(diào)度或其他工程項目中。

盡管如此，在專業(yè)性更強的一些課程中，如計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、矩陣論等，更需要結(jié)合學(xué)科前沿應(yīng)用涉及的內(nèi)容進行講解。例如，在安防應(yīng)急調(diào)度項目中，開發(fā)座機網(wǎng)關(guān)不僅要考慮調(diào)度后臺與語音卡的接口設(shè)計，實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的即時通信功能，還要熟悉音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，更要理解操作系統(tǒng)中多核、多線程、多任務(wù)的消息傳遞機制，掌握面向?qū)ο蟪绦蛘Z言對臨界資源的互斥操作。如果任課教師沒有經(jīng)過一定時間的項目開發(fā)實踐，很難在課本教材范圍之外講出讓學(xué)生信服的內(nèi)容。同理，在人臉超分辨率研究中，稀疏矩陣的表示形式已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重要知識，這些都需要任課教師對學(xué)科前沿有較為深入的研究。因此，數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院十分重視師資隊伍的梯隊建設(shè)，從2006年起每年都有教師外出進修或攻讀博士學(xué)位，同時也引進博士、教授補充新鮮血液。目前數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院教師的博士（含在讀）比例在全校排名第一。只有這樣，才能不斷提高教師的業(yè)務(wù)水平，才能將更為生動靈活的教學(xué)方式融入到理論教學(xué)中。endprint

2.2 實踐教學(xué)

作為地方應(yīng)用型高等院校，桂林電子科技大學(xué)一直重視實踐教學(xué)改革，而常見的實踐教學(xué)形式有課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、專業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計。除此之外，該校的信息與計算科學(xué)專業(yè)還加上了創(chuàng)新實驗，每學(xué)期通過學(xué)院創(chuàng)新實驗平臺網(wǎng)站發(fā)布題目，讓學(xué)生根據(jù)興趣愛好選擇課題，以不超過3人一組的形式完成創(chuàng)新學(xué)分。

課內(nèi)實驗是與理論教學(xué)關(guān)系最為緊密的教學(xué)活動，雖然基礎(chǔ)課程的實驗內(nèi)容相對成熟，可以適當(dāng)增加部分學(xué)科前沿應(yīng)用的驗證性實驗或在專業(yè)課程的實驗中改進綜合實驗，但是課內(nèi)實驗學(xué)時畢竟有限，所以實踐教學(xué)活動必須在課外進行延伸擴展。另外，一些軟件工具需要更新?lián)Q代，如面向?qū)ο蟪绦蛘Z言的開發(fā)工具可以升級為VS2010或以上版本，數(shù)據(jù)庫原理實驗可以將數(shù)據(jù)庫升級為SQL Server 2008或以上版本。軟件工具的升級有助于養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，幫助理解程序出錯信息，方便查看函數(shù)和對象的定義，緊跟企業(yè)項目的主流趨勢。

從培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的角度來說，為期2周的課程設(shè)計很適合作為學(xué)科前沿應(yīng)用來開展，但是由于課程設(shè)計不要求教師上課堂講學(xué)，而主要靠學(xué)生課外自主完成，使得有些教師以放羊形式應(yīng)付這門實踐課程，導(dǎo)致課程設(shè)計教學(xué)流于形式。從另一個角度講，任課教師如果具備良好的業(yè)務(wù)水平和負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，那么可以考慮結(jié)合學(xué)科前沿應(yīng)用制訂設(shè)計內(nèi)容。尤其是信息與計算科學(xué)專業(yè)本身就是一個交叉學(xué)科專業(yè)，具備將數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)進行課程知識交叉融合的先天優(yōu)勢，學(xué)生在經(jīng)過2-3年的課程知識學(xué)習(xí)后，每學(xué)期的選修課程任務(wù)量已經(jīng)明顯減少，他們擁有強烈的意愿對所學(xué)知識進行實踐檢驗，而且學(xué)生在大三要選擇專業(yè)方向，或者是信息科學(xué)，或者是計算科學(xué)與軟件，鑒于此，涉足領(lǐng)域較多的安防應(yīng)急學(xué)科知識，能很好地滿足這兩個方向?qū)W生的學(xué)習(xí)要求。例如，安防應(yīng)急調(diào)度項目中對于監(jiān)控網(wǎng)關(guān)、座機網(wǎng)關(guān)和手臺網(wǎng)關(guān)的開發(fā)，需要用到計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的知識，在學(xué)生已經(jīng)熟悉這幾門課程內(nèi)容的前提下，課程設(shè)計就可以安排同類題目，由任課教師安排一定課時，先講解該項目的業(yè)務(wù)流程、設(shè)備驅(qū)動和部分代碼，再讓學(xué)生根據(jù)源碼學(xué)習(xí)編程，在指定時間內(nèi)可以只實現(xiàn)一個會話維持或音頻傳輸?shù)墓δ懿⑻峤恢軋蠛臀臋n；而關(guān)于綜合服務(wù)器、地圖服務(wù)器和調(diào)度服務(wù)器，則需要用到JSP或ASRNET一類的Web開發(fā)技術(shù)。雖然課內(nèi)學(xué)時有限，學(xué)生不一定選修過相關(guān)課程，但是可以將這類題目安排在創(chuàng)新實驗中，讓感興趣的學(xué)生在課外繼續(xù)跟進學(xué)習(xí)。

當(dāng)前很多信息技術(shù)企業(yè)單位已經(jīng)意識到優(yōu)秀人才對公司的積極作用，近年來更是注重企業(yè)文化發(fā)展和員工培養(yǎng)，因此他們?yōu)榇髮W(xué)生提供了很多實習(xí)機會。另一方面，學(xué)生在專業(yè)實習(xí)時更愿意選擇感興趣的實際項目開發(fā)公司，可以最大限度地鍛煉自己的動手能力。

至于大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目，學(xué)院考慮到不同年級學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)有所差異，因而由命題教師給出創(chuàng)新實驗題目的難度系數(shù)和適合年級，再讓學(xué)生到平臺網(wǎng)站上選題。為方便學(xué)生在課余時間完成創(chuàng)新實驗，這種實踐方式只要求學(xué)生在一個學(xué)期內(nèi)提交最終程序和文檔，期間師生可以自由約見討論問題。另外，為豐富學(xué)生課余學(xué)習(xí)生活，學(xué)院還成立了學(xué)生創(chuàng)新基地，在負(fù)責(zé)教師的帶領(lǐng)下，各種可驗證隨機數(shù)、目標(biāo)跟蹤識別、GPU并行計算等學(xué)科前沿應(yīng)用項目如雨后春筍般出現(xiàn)，通過各種形式帶動學(xué)生參與課外學(xué)習(xí)，在學(xué)生之間形成了良好的學(xué)習(xí)氣氛。

3 教學(xué)效果反饋分析

教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生，在課程內(nèi)容相對固定的前提下，不同的教學(xué)方法對于最終的教學(xué)效果影響巨大，這種差別在交叉學(xué)科專業(yè)教學(xué)過程中更為明顯。由于信息與計算科學(xué)專業(yè)是由數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)組成的交叉學(xué)科專業(yè)，專職教師的教育背景相對獨立，數(shù)學(xué)專業(yè)的教師很難把計算機或通信類的知識融入基礎(chǔ)課程教學(xué)中，其他專業(yè)教師也存在同樣情況，導(dǎo)致不少學(xué)生誤認(rèn)為該專業(yè)是個三不像。為了解決這個難題，教師可以考慮在晚上或周末空余時間組織師生開展專題講座，以輕松活潑的形式給學(xué)生介紹學(xué)科實例，鼓勵學(xué)生大膽提問并勇于探索。

同時，項目驅(qū)動的實踐教學(xué)方式受到學(xué)生的熱烈歡迎，例如，數(shù)據(jù)庫課內(nèi)綜合實驗是任課教師手把手地用Delphi語言搭建程序前臺界面，以SQL Server存儲后臺數(shù)據(jù)控制用戶權(quán)限，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫知識的同時又獲得最簡單的項目開發(fā)經(jīng)驗。然而，該課內(nèi)綜合實驗并不限于一種程序語言，小組成員可以自由選擇Web應(yīng)用或桌面應(yīng)用開發(fā)，最終提交的應(yīng)用軟件可在課外一周內(nèi)完成。驗收時小組成員除了提交個人實驗報告，還得接受教師對相關(guān)知識的提問，以檢查參與綜合實驗的具體工作情況。

雖然常見的循序漸進教學(xué)法在前沿應(yīng)用授課中同樣有效，但是專業(yè)教學(xué)不能用填鴨式思路灌輸知識，而要注重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和分析問題的能力，這就需要教師在舉例說明并解決一個問題后，以再次提出新問題的方式讓學(xué)生學(xué)會思考，善于思考。另外，提問的方式也很重要，如安防應(yīng)急調(diào)度中的座機網(wǎng)關(guān)開發(fā)，在逐步實現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)通話功能后，有可能出現(xiàn)通話聲音延遲時間增長的情況，這對于初學(xué)者是個難以理解的問題，因為這里面涉及操作系統(tǒng)的多線程調(diào)度機制、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度后臺音頻處理、語音卡驅(qū)動程序的內(nèi)部邏輯等內(nèi)容，它們之間存在相互制約的關(guān)系，像Windows操作系統(tǒng)的線程調(diào)度因為不是實時系統(tǒng)，所以每個任務(wù)線程的平均回調(diào)時間會變化，而網(wǎng)絡(luò)調(diào)度后臺也不能按理想狀態(tài)約定轉(zhuǎn)發(fā)音頻數(shù)據(jù)的時間，再者語音卡放音回調(diào)函數(shù)的內(nèi)部邏輯還得咨詢相關(guān)廠家。如果任課教師直接點出問題關(guān)鍵所在，那么學(xué)生反而會形成依賴心理，所以應(yīng)該考慮在不同的知識點上做適當(dāng)改動，設(shè)計問題鼓勵學(xué)生思考，通過分析各種可能以便于掌握更多知識。

4 結(jié)語

教學(xué)改革是個永恒的課題，只要時代在進步，專業(yè)教學(xué)就不能一成不變。盡管文中以安防多媒體前沿應(yīng)用為例，對信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)提出了一定的思路和想法，但是改革過程中仍然存在很多問題，如該專業(yè)的數(shù)學(xué)類課程占用學(xué)時多，影響計算機和通信課程的學(xué)時分配；計算機和通信類的專職教師人數(shù)較少，高校教師的準(zhǔn)入制度限制較多，造成專業(yè)教師上課任務(wù)偏重，科研時間被壓縮。無論如何，以學(xué)科前沿應(yīng)用指引專業(yè)教學(xué)符合當(dāng)前高校教育現(xiàn)狀，只有緊跟時代前進的腳步，才能保持學(xué)科專業(yè)的活力，為社會輸送更多合格人才。

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（編輯：宋文婷）endprint