建設(shè)教學(xué)云平臺 構(gòu)建計算機工程技術(shù)實踐能力培養(yǎng)體系

鄒茂揚 王鐵軍?何嘉?方睿?魏維

摘 要：成都信息工程大學(xué)計算機學(xué)院根據(jù)雙循環(huán)機制運行的結(jié)果得出，學(xué)生的工程技術(shù)實踐能力與企業(yè)需求存在差距最大的三方面是：系統(tǒng)思維，對社會、企業(yè)和商業(yè)環(huán)境的認(rèn)知以及系統(tǒng)實施能力。針對問題，我們逐步構(gòu)建了計算機工程技術(shù)實踐能力培養(yǎng)體系，并建設(shè)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的教學(xué)云平臺。這個體系符合CDIO和專業(yè)認(rèn)證的指導(dǎo)思想，運行5年后取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：OBE；工程技術(shù)實踐能力；教學(xué)云平臺；計算機專業(yè)

一、引言

最近幾年得到廣泛認(rèn)可的“Outcome-Based Education”（OBE）教育模式真正做到了“以生為本”，它明確學(xué)生在畢業(yè)時應(yīng)達(dá)到的能力以及今后數(shù)年內(nèi)能達(dá)到的水平，是以產(chǎn)出為驅(qū)動而非內(nèi)容為驅(qū)動的教育模式[1]。美國學(xué)者Spady在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭議與答案》一書中將OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統(tǒng)，使之圍繞確保學(xué)生獲得在未來生活中獲得實質(zhì)性成功的經(jīng)驗”[2]。有學(xué)者指出實施OBE教育模式主要有四個步驟：定義學(xué)習(xí)結(jié)果，實現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果，評估學(xué)習(xí)結(jié)果和應(yīng)用學(xué)習(xí)評估結(jié)果[3]。

成都信息工程大學(xué)計算機學(xué)院的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”首批試點專業(yè)，自2010年始，以O(shè)BE為指導(dǎo)思想，計算機學(xué)院進行了七年基于CDIO的改革[4-6]，進行了兩年的專業(yè)認(rèn)證準(zhǔn)備[7-8]。期間，計算機學(xué)院建立了雙循環(huán)機制，通過行業(yè)需求確定培養(yǎng)目標(biāo)，完善培養(yǎng)方案，根據(jù)內(nèi)外循環(huán)計算畢業(yè)要求達(dá)成度，分析統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實施過程的問題，進行螺旋形的持續(xù)改進。經(jīng)過多年建設(shè)，針對如何培養(yǎng)二本院校學(xué)生的計算機工程技術(shù)實踐能力，形成了一套具有特色的培養(yǎng)體系。

該體系的特點是：分解培養(yǎng)目標(biāo)，落地到從通識工程實踐到復(fù)雜工程的數(shù)個培養(yǎng)環(huán)節(jié)；打通第一、第二課堂的學(xué)分互換機制，為學(xué)生提供更多個體化的體驗，鼓勵學(xué)生多元化發(fā)展。此外，建設(shè)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的教學(xué)云平臺，為工程實踐能力培養(yǎng)體系的實施奠定了硬件基礎(chǔ)。

二、基于OBE思想，通過雙循環(huán)發(fā)現(xiàn)問題，改進優(yōu)化培養(yǎng)體系

我院建立并實施了基于OBE思想的雙循環(huán)機制，以期逐步縮小畢業(yè)生的產(chǎn)出與工程技術(shù)人才實踐能力需求之間的差距。在雙循環(huán)機制中，發(fā)現(xiàn)和分析問題的數(shù)據(jù)來源是多樣化的，如圖1所示。目前，我院進行了3輪用人單位、重點單位回訪，連續(xù)6年進行畢業(yè)生調(diào)查，搜集了大量外部反饋信息作為修訂培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系的依據(jù)；同時，內(nèi)部根據(jù)達(dá)成度計算和各種監(jiān)控、反饋，定位我們生源的特點，診斷培養(yǎng)過程存在的問題，促進培養(yǎng)體系的調(diào)整。

根據(jù)雙循環(huán)運行的結(jié)果，在學(xué)生的計算機工程技術(shù)實踐能力方面，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生能力與企業(yè)需求存在差距最大的三個方面是：系統(tǒng)思維，對社會、企業(yè)和商業(yè)環(huán)境的認(rèn)知，系統(tǒng)實施能力。經(jīng)過論證分析，主要原因如下：

（1）課程之間沒有對承上啟下進行最優(yōu)的一體化設(shè)計，雖然有工程實踐課程對知識點進行融會貫通，但是應(yīng)該從最小實踐單元——實驗這個層面整體考慮，形成課程群落，全面支撐培養(yǎng)目標(biāo)。

（2）實踐環(huán)節(jié)對企業(yè)、商業(yè)環(huán)境考慮不足，缺乏企業(yè)深入?yún)⑴c的機制。

（3）傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)境單一，對環(huán)境要求高的實驗實施效果不好甚至無法實施；此外，針對工程化的項目，無法提供企業(yè)級的研發(fā)環(huán)境，對學(xué)生的項目管理訓(xùn)練也不足。

三、基于教學(xué)云平臺的計算機工程技術(shù)實踐能力培養(yǎng)體系

針對實踐教學(xué)體系中存在的主要問題，我們提出了解決方案，如圖2所示。

在圖2的上部，以O(shè)BE為導(dǎo)向重構(gòu)實踐體系，對第一、第二課堂進行一體化設(shè)計，分四個層次逐步培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，分別是課程實驗—綜合實踐項目—復(fù)雜工程項目—孵化項目。四個層次共承載了13條培養(yǎng)目標(biāo)，每一個層次的培養(yǎng)的目標(biāo)和重點不同，每一個層次根據(jù)其承載的培養(yǎng)目標(biāo)進行具體的方案設(shè)計。

在圖2的下部，為了使上層的實踐能力培養(yǎng)體系能夠順利實施，我們歷時七年研發(fā)了教學(xué)云平臺。它是我院科研成果在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，曾經(jīng)在2016年獲得省科技進步二等獎，其底層框架在2013年獲得省科技進步一等獎。它除了能夠提供分布式資源調(diào)度，復(fù)雜的實驗教學(xué)環(huán)境外，還能提供實驗教學(xué)管理、企業(yè)級項目仿真環(huán)境和項目過程的管理。

四、體系的實施

1.建設(shè)軟環(huán)境

Berglund等人研究了實踐與理論之間的關(guān)系[9]。研究顯示在實踐中學(xué)習(xí)時，如果沒有完全明白結(jié)果為何如此，會促使學(xué)生求助于書籍中的原理。所以，我們特別強調(diào)實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，促進知識的融會貫通和探索。以下闡述我院對第一、第二課堂進行一體化設(shè)計，以四個層次逐步加強學(xué)生的工程實踐能力，在實施的時候，這四個層次在時間上不是嚴(yán)格分開的，而是有所交叉。

（1）第一層次：通識工程實驗和專業(yè)課程實驗。通識工程實驗引導(dǎo)學(xué)生建立通識工程能力。在“工程導(dǎo)論”等課程中設(shè)計了紙橋、廢物改造等實驗，這些實驗都淡化了專業(yè)概念，根據(jù)其實驗內(nèi)容不同，分別承載了不同的通識工程能力培養(yǎng)目標(biāo)。專業(yè)課程實驗引導(dǎo)學(xué)生掌握基本的專業(yè)技能。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，我院設(shè)計了實驗課程群，包括以問題求解為主線的算法實驗課程群、以軟件系統(tǒng)研發(fā)為主線的java實驗課程群和.net實驗課程群、以先進IT技術(shù)為主線的大數(shù)據(jù)實驗課程群和并行計算實驗課程群，將部分實驗融會貫通，重構(gòu)專業(yè)課程實驗。如“數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用”的實驗（設(shè)計數(shù)據(jù)庫）和“Web編程技術(shù)”的實驗（訪問數(shù)據(jù)庫）使用同一個用戶數(shù)據(jù)庫。

（2）第二層次：綜合實踐項目。以課程群為主線，設(shè)計綜合實踐項目，仿真企業(yè)環(huán)境，逐步引導(dǎo)學(xué)生融會貫通專業(yè)知識，提高綜合實踐能力。

大學(xué)教育需要提供給學(xué)生更多的個體化經(jīng)驗。為了滿足個體發(fā)展需求，將發(fā)生十分有挑戰(zhàn)的變化[10]。所以，我們重構(gòu)了第一、二課堂，對他們進行一體化設(shè)計，不僅在知識體系和技能上，第二課堂對第一課堂進行了拓展，而且通過第二課堂與選修課的學(xué)分置換機制，鼓勵大多數(shù)學(xué)生個體化發(fā)展，彌補了原來第二課堂學(xué)生參與度低、覆蓋面窄的缺陷，如圖3左部所示。

在第一課堂中，分方向按知識體系各自設(shè)計了三個工程實踐課程。工程實踐課程用一個例子貫穿相關(guān)課程，如工程實踐案例“氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”貫穿“數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用”“計算機網(wǎng)絡(luò)”“Web應(yīng)用開發(fā)技術(shù)”等課程。

第二課堂基于3個國家級工程實踐教育中心、1個創(chuàng)新實踐工作室、7個實訓(xùn)基地開展綜合實踐項目訓(xùn)練。3個國家級工程實踐教育中心是分別與DELL（中國）有限公司、北京中軟國際信息技術(shù)有限公司、廣州周立功單片機發(fā)展有限公司共同構(gòu)建的。創(chuàng)新實踐工作室的項目是由學(xué)生團隊主動提出，經(jīng)過可行性驗證的項目和參加全國性比賽的項目。這三種機構(gòu)的關(guān)系是在項目技術(shù)方向上互為補充，它們的項目案例完全覆蓋了計算機兩個專業(yè)的三個培養(yǎng)方向。

（3）第三層次：復(fù)雜工程項目。Association for Computing Machinery （ACM） and IEEE Computer Society提出：課程體系應(yīng)該多給學(xué)生涉及社會、企業(yè)和商業(yè)環(huán)境的經(jīng)歷[11]。所以，我們在第三個層次要具備完成復(fù)雜工程項目的能力。復(fù)雜工程項目是在社會環(huán)境下，涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素的項目，具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。第三層次的設(shè)計如圖3右部所示。

第一課堂按培養(yǎng)方向各自設(shè)計了三個工程實踐課程，加上畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計，分別在第五到第八學(xué)期實施，要求所有學(xué)生均要完成。

第二課堂的項目特色是真實工程項目，負(fù)有一定的商業(yè)責(zé)任，分別在項目工廠、校企聯(lián)合開放實驗室中實施。

項目工廠的項目來自教師的橫向和縱向科研項目，校友企業(yè)導(dǎo)師的項目。校友企業(yè)導(dǎo)師制是體系的特色之一，是可復(fù)制的機制。多年來學(xué)院一直邀請企業(yè)導(dǎo)師參與學(xué)生培養(yǎng)各個環(huán)節(jié)，但由于存在企業(yè)導(dǎo)師對我們的學(xué)生狀態(tài)、培養(yǎng)方案的內(nèi)涵等認(rèn)識不足，雙方利益存在隱形沖突等問題，企業(yè)導(dǎo)師無法深度介入。我們率先建立校友企業(yè)導(dǎo)師制，大家共懷“成信人”的情懷，優(yōu)秀校友參與培養(yǎng)方案的制訂，帶公司實際項目進校園，實施項目管理和培養(yǎng)學(xué)生。

校企聯(lián)合開放實驗室是我院與DELL（中國）公司共建云計算聯(lián)合開放實驗室，按照公司模式運作，它延續(xù)了國家工程實踐中心（DELL）對學(xué)生的培養(yǎng)，以員工“老帶新”的方式培養(yǎng)學(xué)生。

（4）第四層次：孵化項目。在第二、三層次中實施的項目成果如具有商業(yè)潛在價值，將被遴選進第四階段進行項目孵化。目前共孵化成功三個項目，分別是成都青檸互動科技有限公司、成都摩通科技有限公司、成都有視科技有限公司。

2.自主研發(fā)硬環(huán)境

我院科研團隊通過七年的自主創(chuàng)新，成功研制出安全的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的、可替代傳統(tǒng)個人電腦的下一代虛擬桌面系統(tǒng)產(chǎn)品——大規(guī)模安全虛擬云桌面系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高校教學(xué)實際需求，研發(fā)出教學(xué)云平臺，從以下三方面對學(xué)生實踐能力培養(yǎng)提供支撐。

基于虛擬化技術(shù)，為計算機課程提供實驗環(huán)境，能夠覆蓋軟件類所有課程，其特點是高效、節(jié)約資源；它還有一個優(yōu)勢是能夠為復(fù)雜實驗環(huán)境的教學(xué)內(nèi)容提供支撐，這一點是原來的實驗環(huán)境難以做到的。如對“軟件測試技術(shù)”和“Linux操作系統(tǒng)實驗”等對環(huán)境要求復(fù)雜的課程提供支持。

可以建設(shè)教學(xué)私有云，模擬不同的企業(yè)研發(fā)環(huán)境，為工程實踐、實訓(xùn)基地、國家級工程實踐教育中心、創(chuàng)新實踐工作室、項目工廠、校企聯(lián)合開放實驗室提供硬件支撐。

管理實踐教學(xué)過程，能夠提供實驗課程安排、實驗過程控制、工程項目管理等功能。

該平臺獲得16項與技術(shù)創(chuàng)新密切相關(guān)的國家發(fā)明專利，軟件著作權(quán)11項，并得到第三方測試機構(gòu)、行業(yè)主管部門等的確認(rèn)?？萍汲晒b定專家指出：項目主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)功能達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進水平，部分性能指標(biāo)超過了當(dāng)前國際同類先進產(chǎn)品的水平；關(guān)鍵技術(shù)安全可控，可替代國外同類產(chǎn)品。

五、實施效果

該體系試點后全部推開在5個年級、36個班級進行了實施。經(jīng)過該體系培養(yǎng)的學(xué)生參加科技競賽，獲得國家級獎項9項，省級獎項53項，申報創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動45項，獲得軟件著作權(quán)11項。

在近幾年麥可思公司對我校畢業(yè)學(xué)生的跟蹤調(diào)研中，我校計算機專業(yè)學(xué)生的就業(yè)能力和就業(yè)質(zhì)量連續(xù)三年位居全省省屬高校前列。此外，值得一提的是支撐實踐教學(xué)的教學(xué)云平臺除了在本校應(yīng)用以外，在1個教育局、6家高校的相關(guān)部門都有推廣應(yīng)用，已經(jīng)部署了幾千個節(jié)點，取得了良好的社會效益。

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[責(zé)任編輯：余大品]