地方高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的科研能力

陳翔

摘要：從教師和學(xué)生角度分析當(dāng)前地方高等院校本科生科研能力培養(yǎng)的必要性，以計(jì)算機(jī)專業(yè)為例，從學(xué)生的選擇標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)生的培養(yǎng)過程以及學(xué)生的管理等角度提出本科生科研能力的培養(yǎng)方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)專業(yè)；本科生；科研能力；培養(yǎng)方法；地方高等院校

引言

21世紀(jì)是創(chuàng)造教育的世紀(jì)。一個(gè)國家競爭力的提高離不開具備創(chuàng)新思維和科研能力的高素質(zhì)人才隊(duì)伍，因此，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代要求、具備創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才是創(chuàng)建創(chuàng)新型國家的需要，是當(dāng)前高等教育的一個(gè)重要目標(biāo)，也是“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”能夠順利推進(jìn)的一個(gè)重要前提。當(dāng)前，越來越多的高等院校將科研能力作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑，努力使學(xué)生從單純的知識接受者轉(zhuǎn)變成知識探索者。

本科生的科研能力培養(yǎng)是當(dāng)前高等教育改革的重要目標(biāo)，一些高等院校在這方面進(jìn)行了嘗試，并取得了很好的實(shí)踐成果。例如，2015年，清華大學(xué)孫茂松教授研究組的論文《JointLearning of Character and Word Embeddings》被人工智能領(lǐng)域頂級會議IJCAI 2015錄用，該研究成果由計(jì)算機(jī)系二年級本科生徐磊與計(jì)算機(jī)系博士生陳新雄合作完成，兩人為論文的共同第一作者。武漢大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)安全與隱私實(shí)驗(yàn)室的論文《Walls Have Ears！OpportunisticallyCommunicating Secret Messages Over the WiretapChannel：from Theory to Practice》被計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域頂級會議CCS 2015錄用，該研究成果由2012級計(jì)算機(jī)弘毅班本科生李冠成、夏晨博，以及信息安全1班本科生陳小兵合作完成。李武軍博士也曾經(jīng)在上海交通大學(xué)指導(dǎo)三名本科生，在中國計(jì)算機(jī)學(xué)會推薦的A類會議（AAAI、SIGIR、NIPS等）上發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，并對本科生科研能力的培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入的總結(jié)。

雖然上述研究成果大部分都集中于國內(nèi)985高校（例如清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)和武漢大學(xué)等），但對于南通大學(xué)這類地方高等院校，嘗試摸索出有效的本科生科研能力培養(yǎng)模式，同樣具有重要的研究意義。

1地方高等院校本科生科研能力培養(yǎng)的必要性

從教師角度來看，當(dāng)前南通大學(xué)招收教師的門檻不斷提高，以計(jì)算機(jī)學(xué)院為例，近些年來招收的新教師，基本上都畢業(yè)于國內(nèi)的985或211高校（例如南京大學(xué)、東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等），甚至有的畢業(yè)于國外知名高校（例如香港大學(xué)、愛爾蘭國立都柏林大學(xué)）。這些教師因?yàn)閯倓偛┦慨厴I(yè)，還活躍在科研第一線，一般都有很好的研究課題（例如國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等）和研究計(jì)劃。入職以后，一般從講師做起，不具有碩士研究生的指導(dǎo)資格。除此之外，學(xué)院的研究生資源也不充足，不能保證每位教師每年都有研究生可以去指導(dǎo)。因此，如果本科生能夠積極參與到這些教師的日?？蒲泄ぷ?，將為這些教師提供極大的幫助。

從學(xué)生角度來看，首先，學(xué)院內(nèi)的大部分本科生將考研定為自己的奮斗目標(biāo)。如果能夠在本科階段進(jìn)行一些科研能力的培養(yǎng)，有助于在以后的研究生階段提高取得科研創(chuàng)新成果的概率。其次，本科生階段參與科研，學(xué)生會意識到平時(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課的重要性。以申請人研究的軟件工程數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域?yàn)槔?，學(xué)生參與導(dǎo)師的科研工作后，在學(xué)習(xí)一些數(shù)據(jù)挖掘方法時(shí)，會發(fā)現(xiàn)要深入理解這些知識，必須具備一定的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)和概率論知識。在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘算法時(shí)，會主動(dòng)去學(xué)習(xí)編程語言的一些高級特征和一些數(shù)據(jù)挖掘軟件包中API的使用，因此會有效提高他們學(xué)習(xí)的積極性和針對性。最后，如果學(xué)生能夠在本科生階段申請到大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，并且在項(xiàng)目完成期間能夠有論文、專利或著作權(quán)等成果，對以后研究生的保送、研究生復(fù)試階段的面試、研究生導(dǎo)師的選擇或國外高校的申請都將具有很大的優(yōu)勢。

因此從本科生科研能力培養(yǎng)角度入手，結(jié)合地方高校學(xué)生特點(diǎn)，提出一套具有針對性并且行之有效的培養(yǎng)方法，是南通大學(xué)實(shí)施教學(xué)質(zhì)量工程的一個(gè)重要內(nèi)容，具有重要的研究意義。

2科研能力培養(yǎng)方法的分析

如圖1所示，我們圍繞地方高等院校特點(diǎn)，基于教師和本科生兩種角色，從本科生的選擇、本科生的管理和本科生的培養(yǎng)過程等角度對科研能力培養(yǎng)方法進(jìn)行探討。

2.1本科生的選擇標(biāo)準(zhǔn)

地方高等院校的本科生與985或21l高校的本科生在專業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)主動(dòng)性等方面均存在一定的差距。如果能夠提出有效的本科生選擇標(biāo)準(zhǔn)，有助于導(dǎo)師選出合適的學(xué)生，提高導(dǎo)師的指導(dǎo)效率，并孕育出更多高質(zhì)量的研究成果。

經(jīng)過三年多的摸索，筆者傾向于考查學(xué)生的如下特征，并在括號中給出這些特征在選擇過程中的權(quán)重取值。其取值范圍介于1～5之間，取值越高，表示越重要，當(dāng)然權(quán)重取值僅僅體現(xiàn)了這些特征間的相對重要性。

（1）興趣（5分）。需要學(xué)生對導(dǎo)師當(dāng)前的研究方向感興趣。如果不感興趣，學(xué)生是很難靜下心來閱讀相關(guān)專業(yè)書籍和論文，思考相關(guān)問題，提出解決方案，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的。因此對于有興趣進(jìn)行科研能力培養(yǎng)的學(xué)生，筆者一般會集中向他們介紹自己的最近研究方向和研究成果。

（2）勤奮踏實(shí)（4分）。勤奮踏實(shí)的學(xué)生一般自控力和執(zhí)行力都比較強(qiáng)，對于導(dǎo)師布置的任務(wù)都能認(rèn)真完成，出錯(cuò)的概率較小。在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，會進(jìn)步很快。

（3）學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀（3分）。優(yōu)秀是一種習(xí)慣，能取得研究成果的學(xué)生一般學(xué)業(yè)也很優(yōu)秀。以筆者指導(dǎo)的2012級學(xué)生為例，雖然他們在平時(shí)的科研工作中付出了很多的時(shí)間和精力，但這些并沒有對他們的學(xué)習(xí)成績產(chǎn)生負(fù)面影響，在2015年的獎(jiǎng)學(xué)金評比中，這三位學(xué)生分別位列軟件外包專業(yè)、軟件工程專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程（合作班）專業(yè)的第1名。

（4）不服輸?shù)男膽B(tài)（3分）。具有不服輸心態(tài)的學(xué)生一般做什么事情都想比別人做得更好，喜歡被別人承認(rèn)和肯定，因此一般不會差到哪里去。

在實(shí)際學(xué)生的選擇過程中，一些特征的情況容易立刻獲取，例如通過輔導(dǎo)員可以迅速了解一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，但其他一些特征則很難迅速獲取，需要導(dǎo)師和學(xué)生在磨合一段時(shí)間之后才能有更清晰的了解。

除此之外，在地方高等院校，很少有學(xué)生能同時(shí)在上述特征中都有好的表現(xiàn)，因此在實(shí)際指導(dǎo)中，需要結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)做到因材施教。

2.2本科生的培養(yǎng)過程

李武軍和山世光在分析學(xué)生科研能力的培養(yǎng)時(shí)，將科研能力的培養(yǎng)流程劃分為5個(gè)階段。

（1）問題階段：指通過調(diào)研領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提出具有價(jià)值的學(xué)術(shù)問題。

（2）思路階段：指解決學(xué)術(shù)問題的具體方案。

（3）算法階段：指借助編程語言，將具體方案進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，必要的時(shí)候進(jìn)行正確性證明和復(fù)雜度分析。

（4）實(shí)驗(yàn)階段：指在具有代表性的數(shù)據(jù)集上執(zhí)行實(shí)現(xiàn)的算法，并用合理的評測指標(biāo)來評估算法的性能。除此之外，還需要將提出的算法與已有的經(jīng)典算法進(jìn)行客觀和詳細(xì)的比較。

（5）寫作階段：指將上述流程進(jìn)行整理，并形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)論文。

他們認(rèn)為博士生的培養(yǎng)目標(biāo)是具備獨(dú)立的科研能力，因此需要對上述5個(gè)階段進(jìn)行全面培養(yǎng)。但本科生的培養(yǎng)目標(biāo)則不同，應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣為主要目標(biāo)，側(cè)重對其中的一兩個(gè)階段進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)。筆者結(jié)合他們的培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，形成了如下的培養(yǎng)過程。

（1）對新進(jìn)組的本科生，由筆者在他們進(jìn)行科研能力培養(yǎng)前，集中做一次科研指南報(bào)告。在報(bào)告中會分別從研究點(diǎn)的選擇能力培養(yǎng)、論文的檢索和篩選能力培養(yǎng)、論文閱讀和分析能力培養(yǎng)、科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)、研討班報(bào)告能力培養(yǎng)和論文寫作能力培養(yǎng)等方面進(jìn)行講解。這些內(nèi)容基本上涉及科研的各個(gè)方面，報(bào)告的目的并不是要求學(xué)生對報(bào)告的內(nèi)容完全理解，而是讓學(xué)生能夠?qū)蒲谢顒?dòng)有個(gè)大概的了解。同時(shí)將幻燈片共享給學(xué)生，讓學(xué)生在隨后的科研過程中能時(shí)常查閱。

（2）指導(dǎo)學(xué)生對與導(dǎo)師研究課題相關(guān)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)。一般來說，研究過程中需要的基礎(chǔ)知識在本科生的專業(yè)課中很少會有涉及。早期筆者曾經(jīng)嘗試指定與研究課題相關(guān)的一本經(jīng)典教材，帶領(lǐng)學(xué)生一章一章地去學(xué)習(xí)，雖然效果較好，但開銷也很大，需要老師花費(fèi)大量的時(shí)間。近些年來隨著慕課（MOOC）的出現(xiàn)，筆者每次會從中挑選出1～2門跟研究課題相關(guān)的課程，讓學(xué)生自己去學(xué)習(xí)，并認(rèn)真完成配套習(xí)題。一方面這些慕課課程的質(zhì)量很高，一般是由領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威教師進(jìn)行講解，另一方面也可以有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

（3）讓學(xué)生精讀一篇論文以對研究課題有一個(gè)初步了解。研究課題和論文由筆者指定。論文在選擇時(shí)需要滿足如下3個(gè)條件：首先必須是近3年發(fā)表的論文，其次必須發(fā)表在高質(zhì)量的會議或期刊上，最后該論文一定要提供代碼和數(shù)據(jù)集的下載。在學(xué)生的閱讀過程中，要求他們了解論文的研究背景和研究問題，借助提供的代碼，了解方法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，借助數(shù)據(jù)集，了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程和數(shù)據(jù)分析的方法。在完成論文分析后，需要學(xué)生在研究組中作學(xué)術(shù)報(bào)告一次。

（4）圍繞上述論文關(guān)注的研究課題，找到其他相關(guān)經(jīng)典論文。指導(dǎo)學(xué)生對這些論文進(jìn)行泛讀，輔助他們對已有的研究工作進(jìn)行分類，并明確每一類工作的假設(shè)、優(yōu)點(diǎn)和存在的不足，經(jīng)過多輪討論之后，形成初步的創(chuàng)新想法，并要求他們對其中與創(chuàng)新想法最為密切的幾篇論文進(jìn)行精讀，并在組中做公開學(xué)術(shù)報(bào)告。

（5）如果學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)了這些想法，并且在實(shí)際的數(shù)據(jù)集上取得了好的結(jié)果，則鼓勵(lì)學(xué)生將這些結(jié)果整理成論文。筆者在實(shí)際的指導(dǎo)過程中發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生雖然編程能力很強(qiáng)，但在寫作上卻存在很多問題。一方面是論文的整體邏輯性較差，另一方面，無論是中文還是英文，學(xué)生都存在表達(dá)不清的問題。因此在這個(gè)階段，筆者一般需要大幅度修改，甚至重寫學(xué)生提交的論文草稿。但在修改的過程中，會讓學(xué)生了解前后的修改過程，讓他們逐步找到科研論文的寫作感覺。

通過上述5個(gè)階段的分析，將本科生培養(yǎng)過程的特色進(jìn)行總結(jié)，如圖2所示。

首先，在培養(yǎng)學(xué)生的科研能力前，需要導(dǎo)師預(yù)先集中進(jìn)行科研指南講解。對于導(dǎo)師來說，科研各個(gè)環(huán)節(jié)可能非常熟悉，但對于學(xué)生來說則非常陌生。必要的科研指南可以讓學(xué)生對科研產(chǎn)生大致的了解，并且在隨后的科研中逐步加深對科研指南中內(nèi)容的理解。其次，在本科生科研能力的培養(yǎng)過程中，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣為導(dǎo)向。因此在問題階段、思路階段和寫作階段需要以導(dǎo)師為主，因?yàn)檫@些階段的能力培養(yǎng)需要的時(shí)間較長，本科生很難在短時(shí)間內(nèi)完成。對于算法階段和實(shí)驗(yàn)階段則需要以學(xué)生為主，以提高他們學(xué)習(xí)知識和應(yīng)用知識的能力。最后，上述培養(yǎng)過程若要取得成功，與導(dǎo)師的高質(zhì)量指導(dǎo)密不可分，導(dǎo)師需要確保布置給學(xué)生的研究課題明確、前沿和可行，這就對導(dǎo)師提出了很高的要求。

2.3本科生的管理

本科生科研能力的培養(yǎng)離不開導(dǎo)師的積極引導(dǎo)和日常嚴(yán)格管理。

目前南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為大一新生在第1學(xué)期開設(shè)了新生研討班，該研討班以主題講座的方式進(jìn)行組織，其目的是為了開拓學(xué)生的視野和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者會借助新生研討班講解自己的最新研究方向和目前取得的一些研究成果。若一些學(xué)生對筆者的研究方向感興趣，則初步達(dá)成合作意向。對這些學(xué)生的日常管理安排見表1。

在這幾年的管理過程中，筆者總結(jié)了如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）為學(xué)生定期召開組會。由于本科生的學(xué)習(xí)任務(wù)比較繁重，因此筆者一般將組會的召開時(shí)間設(shè)定在周日上午。由學(xué)生輪流作學(xué)術(shù)報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容可以是已有論文的分析、自己的想法或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。報(bào)告的時(shí)間限制在40分鐘之內(nèi)，并確保有足夠的討論時(shí)間。

（2）充分利用學(xué)生的寒假時(shí)間和暑假時(shí)間，對研究過程中出現(xiàn)的難題進(jìn)行集中突破。

（3）一旦學(xué)生在科研過程中碰到難題，積極借助通訊工具（QQ和微信）、電子郵件和手機(jī)與學(xué)生進(jìn)行交流并解決難題。

（4）設(shè)定一定的淘汰機(jī)制，對一些科研態(tài)度不端正或者能力不足的學(xué)生，要及時(shí)建議他們停止科研。

3實(shí)施培養(yǎng)方法后取得的成果

基于上述科研能力培養(yǎng)方法的探索，筆者從2012年開始，先后指導(dǎo)了10余名本科生，指導(dǎo)的學(xué)生累計(jì)獲得4項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的資助。期間他們對軟件測試中的測試用例優(yōu)先級排序、測試用例自動(dòng)生成以及軟件缺陷預(yù)測等當(dāng)前熱點(diǎn)研究問題進(jìn)行了很深入的研究，其中6人獲南通大學(xué)本科畢業(yè)優(yōu)秀論文，1個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獲南通大學(xué)本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，并隨后獲得2015年江蘇省普通高校本科團(tuán)隊(duì)優(yōu)秀畢業(yè)論文。多人在國內(nèi)外期刊發(fā)表了研究論文。指導(dǎo)的學(xué)生中，很多人對學(xué)術(shù)研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，有8人先后被南京大學(xué)、華東師范大學(xué)、香港浸會大學(xué)、蘇州大學(xué)和南京理工大學(xué)等高校錄取為研究生。

除此之外，這些學(xué)生在一些競爭較為激烈的學(xué)生競賽中也取得了不錯(cuò)的成績。如獲大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國二等獎(jiǎng)2次、全國三等獎(jiǎng)1次；大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽全國三等獎(jiǎng)1次、省二等獎(jiǎng)2次；軟件杯大學(xué)生軟件設(shè)計(jì)大賽全國二等獎(jiǎng)1次等。

雖然這些實(shí)踐成果與國內(nèi)985高校的成果存在較大的差距，但筆者認(rèn)為對本科生科研能力培養(yǎng)方法的探索，對提高地方高等院校學(xué)生的能力具有一定的促進(jìn)作用，值得進(jìn)一步去研究。

4結(jié)語

筆者在南通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院對上述培養(yǎng)方法進(jìn)行了應(yīng)用，三年多來取得了一定的成果，并驗(yàn)證了上述培養(yǎng)方法在地方高等院校實(shí)施的可行性。

除此之外，除了通過吸收學(xué)生進(jìn)入研究組來培養(yǎng)科研能力，也可以在專業(yè)課的授課過程中來培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。筆者在軟件測試技術(shù)課程中積極將自己比較熟悉的研究課題（包括組合測試、回歸測試、變異測試、軟件缺陷定位和軟件缺陷預(yù)測等）引入到實(shí)際的教學(xué)過程中，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目。在算法設(shè)計(jì)與分析課程中，鼓勵(lì)學(xué)生用學(xué)到的算法設(shè)計(jì)與分析方法去解決科研過程中面對的難題等。