地方高校計算機類工程實訓智能化服務模式的研究與實踐

彭 成 ，周曉紅，文 鴻，文志誠，鄧曉軍

（1. 湖南工業(yè)大學 計算機學院，湖南 株洲 412007；（2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

隨著新工科[1]時代的到來，中國高等教育與工程人才培養(yǎng)必須符合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和地方經(jīng)濟發(fā)展的需要。特別是計算機技術(shù)在大數(shù)據(jù)[2]、云計算[3]、智能制造[3]等行業(yè)的普遍應用，以工程能力創(chuàng)新為核心的計算機類人才需求變得十分龐大，地方高校計算機類專業(yè)正面臨人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型帶來的嚴峻挑戰(zhàn)。這決定了相關(guān)學科的計算機工程人才培養(yǎng)體系必須適應全球智能化工業(yè)發(fā)展的需要，也決定了地方高校工程教育人才培養(yǎng)模式[4]的徹底改革與轉(zhuǎn)型。新工科時代給計算機專業(yè)人才提出新的能力需求的同時，也給現(xiàn)有的工程教育教學方法帶來了革命性的變化。在這樣的背景下，計算機專業(yè)人才工程能力培養(yǎng)面臨諸多新問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）學生實訓難。

目前，實踐訓練難以靈活實施，難以構(gòu)建符合教學需要的軟件開發(fā)與運行環(huán)境；學生難以學習和體驗真實軟件項目的開發(fā)流程，難以應用計算思維思考和解決專業(yè)中存在的問題，對學生工程能力提升十分有限。因此，通過智能化手段提升實訓過程的合理性、科學性、有效性是亟待解決的關(guān)鍵問題。

2）學生工程能力評測難。

學生工程能力評測工作是監(jiān)督和指導工程實訓的重要措施，是實訓教學的重要組成部分。學生工程能力評價方法的選擇和評價體系的構(gòu)建關(guān)系到評價結(jié)果是否客觀、可靠以及能否指導日后的實訓工作的改進。因此，如何評估學生項目的完成情況，如何證明學生具備復雜工程項目的開發(fā)能力，也是亟待解決的關(guān)鍵問題。

3）學生工程素養(yǎng)不強。

目前，地方高校計算機類專業(yè)工程實訓教學中對學生的工程能力培養(yǎng)尚未形成完整體系，學生工程素養(yǎng)不強，工程教育理念沒有完全嵌入專業(yè)教育體系，沒有形成工程實訓教育課程體系，缺乏保證工程實訓教育環(huán)境形成的體制、機制和模式，工程實訓教育難以有效開展。

因此，以工程實訓智能化培養(yǎng)為目標的計算機工程專業(yè)實踐教學平臺與體系的創(chuàng)新，是當前地方高校工程教育升級的主要途徑，亟待從培養(yǎng)體制上尋求新的突破，以確保人才的技術(shù)技能培養(yǎng)符合“產(chǎn)教結(jié)合與智慧教育”新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。

1 工程實訓現(xiàn)狀及分析

國外在相應工程實訓體系構(gòu)建上起步較早，目前關(guān)于實訓模式的研究，大都從廣義的實訓（即實踐教學的角度）進行總結(jié)和界定，形成了一些比較成功的實訓教學模式。例如美國混合學習[5](Blended Learning)是高校工程實訓重要的發(fā)展趨勢，成為工程實訓教育領(lǐng)域的研究熱點,并被大量運用到學校教育和企業(yè)培訓中；德國的雙元制模式[6]以企業(yè)為主導，注重實踐過程管理；澳大利亞的技術(shù)與繼續(xù)教育TAFE（Technical and Further Education）實訓模式[7]；英國的三明治實訓模式[8]主張理論學習與生產(chǎn)勞動交替進行；新加坡的教學工廠實訓模式[9]實訓的場所在校內(nèi)，采用全真化的工作過程。

這些國外先進的教學理念與模式從不同的角度和層次對工程實訓進行了理論研究和實踐探索，對國內(nèi)生產(chǎn)性實訓模式研究與實踐具有借鑒作用和理論價值，但其實訓環(huán)境固化，工程項目實訓內(nèi)容缺少更新，對工程能力的度量主觀性較大。

國內(nèi)在多年工程實訓改革的基礎上，也提出了一些具有特色、符合我國高校實際的實訓模式，如沈陽建筑大學工程管理專業(yè)提出的夾層制實訓教學模式[10]；廣東工業(yè)大學將生產(chǎn)運作管理的“6S管理”[11]方法引入高等學校工程訓練中心日常管理與建設；湖北汽車工業(yè)學院將CDIO（構(gòu)思—設計—實現(xiàn)—運作）[12]工程教育模式運用到計算機等相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)；哈爾濱理工大學探討將軟件企業(yè)普遍采用的CMMI[13]（Capability Maturity Model Integration）即軟件能力成熟度集成模型管理理念運用到軟件工程專業(yè)實訓教學管理過程中；南華大學和電子科技大學等高校結(jié)合混合學習方法，充分利用網(wǎng)絡實訓平臺、MOOCs 與威客平臺等各種網(wǎng)絡媒介。近期，國防科技大學在國內(nèi)率先建立了集實訓、課堂和競賽為一體的互聯(lián)網(wǎng)教學平臺，為廣大師生、編程愛好者、企業(yè)員工等提供便捷的學習資源；浙大推出網(wǎng)新仿真實訓平臺，培訓所選項目案例均為企業(yè)真實的中高端精選項目，極具代表性、實戰(zhàn)性，涉及的知識點多、深、新。

國內(nèi)非常重視實訓模式的研究，并通過長期的探索實踐，逐步將國外實訓教育模式優(yōu)化改進，進而滿足自身實訓教育的需求。然而，還存在諸多問題需要進一步研究和解決。

2 構(gòu)建智能化服務模式體系

2.1 多元化分層育人模式構(gòu)建

以學生工程實踐能力的“三要素”（工程意識、工程技能、工程素養(yǎng)）為核心，以智能化工程實訓的“四類型”（開發(fā)式的課程實驗、項目驅(qū)動的綜合性實踐、面向?qū)嶋H應用的項目研發(fā)、面向行業(yè)需求的工程實踐）為基礎，以工程素質(zhì)培養(yǎng)的“二層次”（多元化工程知識獲取、專業(yè)深入的工程技能培養(yǎng)）為主線，建立特色鮮明的“三四二”計算機類工程能力培養(yǎng)模式，見圖1。

圖1 多元化分層育人模式

2.2 實訓課程體系建設與內(nèi)容改革

以專業(yè)基礎、專業(yè)方向、公共選修、綜合實踐的計算機類專業(yè)四大實踐課程為基礎，依據(jù)“專業(yè)興趣→基本技能→專業(yè)能力→工程應用”不同層級的能力目標，建設工程能力訓練為主線的計算機類專業(yè)課程群，見圖2，在專業(yè)和工程實踐的基礎上對學生進行多方面的能力訓練。本課程群不是單學科單一的課程實驗，它覆蓋了計算機科學、信息科學、信息工程、軟件工程、統(tǒng)計學、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個學科，集合了C、C++、Java、ASP、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理、多媒體技術(shù)等語言類課程的課程群體系。

圖2 以工程能力訓練為主線的計算機類專業(yè)課程群

結(jié)合行業(yè)應用需求及時反饋到理論教學、實驗、課程設計、生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)中，形成“通用案例教學（實驗、理論課程）—課程知識應用提升（課程設計）—專業(yè)技能綜合實踐（生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計）”環(huán)環(huán)相扣逐步加強的應用型課程教學內(nèi)容體系，見圖3。學生在綜合實踐環(huán)節(jié)中，通過選擇不同的行業(yè)工程應用可實現(xiàn)企業(yè)實際崗位“一站式”的人才培養(yǎng)，達到“橫廣”（項目實施完成后，可提供多個供學生選擇的應用行業(yè)）和“縱深”（學生選擇一個行業(yè)典型應用，強化某方面的能力）的有機統(tǒng)一。

2.3 實訓評價指標體系構(gòu)建

對智能實訓平臺系統(tǒng)進行指標抽取，列出指標樹，并統(tǒng)計分析。按照不同的指向?qū)用妫笜朔譃?個層次，梳理影響實訓過程的影響因子，明確列出各指標，形成實訓評估指標體系。該評估指標體系共有3個一級指標、6個二級指標和10個觀測點(見表1)。

圖3 面向行業(yè)應用的計算機類專業(yè)教學內(nèi)容體系

表1 實訓效果評估指標體系

通過對實訓評估指標體系的10個觀測點進行整理、歸納，利用自定義查詢、統(tǒng)計和后臺數(shù)據(jù)庫搭建等方法，對指標進行集中查詢、統(tǒng)計分析與跟蹤，設置對應指標權(quán)重，通過算法自動計算定量評估結(jié)果，由此形成實訓教學質(zhì)量水平評估包。

3 智能服務體系實踐

3.1 工程實訓智能化服務平臺

采用“立標桿、樹典型、以點帶面提升學生的工程能力和素養(yǎng)”的培養(yǎng)理念，將有限的資源投入工程實訓平臺，讓平臺來承載學校、企業(yè)、教師和學生的利益訴求。圖4為工程實訓智能化服務平臺系統(tǒng)，該平臺將為工程實踐提供真實的生產(chǎn)環(huán)境，可降低實訓內(nèi)容制作與運營成本，自動評測學員的工程開發(fā)能力。

圖4 計算機類工程實訓智能化服務平臺架構(gòu)

該平臺是一種新型工程人才培養(yǎng)服務環(huán)境，通過提供各種實訓項目將高校和企業(yè)的工程人才培養(yǎng)活動有機地結(jié)合起來。

院校的工程實訓活動能為計算機類相關(guān)專業(yè)提供配套的在線實訓項目，全面提升學生的工程實踐能力，提高教師的工程實訓效率和效果，推動院校在創(chuàng)新型和工程型人才培養(yǎng)方面的快速變革與升級。平臺包括3個層次：平臺層、內(nèi)容層、業(yè)務層。

業(yè)務層為教師和學生提供通用教學工具、計算機類工程實訓服務、網(wǎng)校服務、人才數(shù)據(jù)服務以及直播等交流互動服務。其中實訓服務通過實訓項目為學生提供覆蓋知識學習、編程、配置、操作、評測等各種實訓服務。

內(nèi)容層主要提供計算機科學與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡工程、信息安全等專家的實訓項目。平臺將匯聚大量優(yōu)秀教師，教師與平臺合作建設一批高品質(zhì)實訓項目，對全面提升學生的專業(yè)水平和工程能力具有重要價值。

平臺層負責制作和管理不同類型的實訓支撐環(huán)境，每個實訓支撐環(huán)境能夠支持特定類型的實訓活動，比如安裝和配置Spark的實訓環(huán)境可以支持Spark相關(guān)的大數(shù)據(jù)實訓。此外，平臺層還需要提供各種評測服務，用以在不同的實訓環(huán)境中對學生的工程實訓活動進行評估，準確度量學生的工程實踐能力。

3.2 實訓效果

以計算機科學與技術(shù)專業(yè)的程序設計與軟件開發(fā)類實驗為研究對象，學習者進入實驗任務的實訓路徑見圖5。具體流程包括：第一步，學習者根據(jù)自己的興趣、掌握的基本技能、未來預計從事的職業(yè)及所在專業(yè)選擇適當?shù)膶嵱栱椖块_展實訓；第二步，進入實訓平臺，開始實訓；第三步，實訓過程中，如果需要補充相應基本原理和基礎知識，可以隨時查閱學習；第四步，根據(jù)系統(tǒng)給出的實訓案例，完成實訓；第五步，結(jié)合實際應用場景，在工業(yè)級環(huán)境中實戰(zhàn)；最后，實訓完成后，實時反饋學習者實驗結(jié)果及實訓過程中需要加強的學習點及學習提示。

以學習者選擇“MySQL數(shù)據(jù)庫編程開發(fā)”為實驗主題進行實驗任務活動為例，當學習者進行“MySQL數(shù)據(jù)庫編程開發(fā)”的實驗主題后，項目簡介主要介紹本主題實訓包括的內(nèi)容，從數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)庫實例與數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)記錄的增刪查改等方面進行介紹，共設置了7個關(guān)卡培養(yǎng)和考核學員數(shù)據(jù)庫應用開發(fā)能力，具體包括：第1關(guān)，數(shù)據(jù)庫連接與實例創(chuàng)建；第2關(guān)，數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建；第3關(guān)，數(shù)據(jù)查詢操作；第4關(guān)，數(shù)據(jù)庫的插入操作；第5關(guān)，數(shù)據(jù)表的刪除操作；第6關(guān)，數(shù)據(jù)表的更新操作 ；第7關(guān)，數(shù)據(jù)庫的應用。

圖5 實訓路徑

經(jīng)過一段時間的運行，系統(tǒng)自動收集用戶行為數(shù)據(jù)，可以查看每日的新增用戶、活躍用戶以及啟動數(shù)，并進行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)活躍度數(shù)據(jù)展示的是DAU（日活躍用戶），這類數(shù)據(jù)可以直觀地反映用戶活躍性的趨勢。用戶畫像可以清晰地反映出加入平臺進行實訓的男女比例、年齡分布、地域分布、應用偏好等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以進一步優(yōu)化和擴展平臺功能。

4 結(jié) 語

筆者結(jié)合實際的工程教學經(jīng)驗，提出了面向地方高校計算機專業(yè)人才工程實訓培養(yǎng)方案，在課程體系構(gòu)建、教學方法改革、保障措施等方面進行了研究和探索，基于此將所有實訓環(huán)境轉(zhuǎn)移到云端，通過在線方式為廣大終端用戶提供智能化、個性化的實訓服務，為高校計算機類工程人才培養(yǎng)提供一個全方位的在線學習、實時評測、個性定制的大規(guī)模工程實訓服務平臺。下一步重點工作將基于高校應用場景，結(jié)合企業(yè)的實際應用需求構(gòu)建更大規(guī)模的實訓平臺，為深層次提升教育信息化基礎設施功能和性能、為下一代工程實訓公共服務平臺提供核心技術(shù)支持。希望本文的研究能為“新工科教育”與“智慧教育”的有機結(jié)合提供一種發(fā)展思路和有益參考。