面向計(jì)算機(jī)核心能力的專業(yè)實(shí)踐體系構(gòu)建研究

古 平，孫天昊，李 佳

（重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 400044）

我國(guó)于2016 年加入了世界上最具影響力的工程教育本科專業(yè)認(rèn)證國(guó)際互認(rèn)協(xié)議——《華盛頓協(xié)議》，這是我國(guó)工程教育界的一個(gè)里程碑。工程教育專業(yè)認(rèn)證[1]的核心是要確保工科專業(yè)畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和成果為導(dǎo)向[2]的合格性評(píng)價(jià)。成果導(dǎo)向理念（Outcome-Based Education）的提出，意味著需要打破專業(yè)教學(xué)中傳統(tǒng)模式，以學(xué)生為中心，以特定學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，并圍繞能力目標(biāo)構(gòu)建新的課程實(shí)踐體系。

計(jì)算機(jī)專業(yè)是一門硬軟件結(jié)合、面向行業(yè)應(yīng)用的寬口徑專業(yè)，對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力要求非常高，但結(jié)合業(yè)界的持續(xù)反饋，部分已畢業(yè)學(xué)生在工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等方面還存在不足，反映出目前高校培養(yǎng)模式與業(yè)界需求還有一定距離，尤其在專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容、方式等方面，主要表現(xiàn)為：(1)實(shí)踐內(nèi)容單一，無法體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的具體性和復(fù)雜性。傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)多以演示性、驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，主動(dòng)性不強(qiáng)。部分綜合實(shí)驗(yàn)脫離業(yè)界實(shí)際需求，片面追求技術(shù)深度，無法形成梯度目標(biāo)。(2)實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)目標(biāo)不明確。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置缺乏清晰的目標(biāo)指向，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果不明顯，無法達(dá)到最終的工程能力要求，或者完整覆蓋《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中所有的能力要求矩陣。(3)能力評(píng)價(jià)方式單一，不合理?，F(xiàn)行的評(píng)價(jià)方式主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、程序代碼等為主，以結(jié)果評(píng)價(jià)代替過程評(píng)價(jià)，容易助長(zhǎng)學(xué)生在“結(jié)果優(yōu)先”思想下的抄襲行為，掩蓋其實(shí)際不足和能力差異，甚至挫傷部分學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，如何針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)，改革現(xiàn)行專業(yè)實(shí)踐體系，優(yōu)化評(píng)價(jià)方式，形成理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之間的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，有效提升學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力和綜合創(chuàng)新能力，成為擺在工程教育專業(yè)認(rèn)證面前的一道難題。綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，我們認(rèn)為破解該難題的一個(gè)重要突破口在于：圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化計(jì)算機(jī)核心能力目標(biāo)，改革專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容和評(píng)價(jià)體系，變“總結(jié)性”評(píng)價(jià)為“形成性”評(píng)價(jià)，并構(gòu)建支撐該體系的教學(xué)環(huán)境與平臺(tái)。

一、工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及其能力細(xì)化

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中，與專業(yè)課程教學(xué)直接相關(guān)的要求包括：R1（工程知識(shí)）、R2（問題分析）、R3（設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案）、R4（研究）、R5（使用現(xiàn)代工具）、R11（項(xiàng)目管理）等，其中每項(xiàng)要求又細(xì)分為若干指標(biāo)點(diǎn)。如R3 中又包括R3.1（能夠應(yīng)用計(jì)算機(jī)硬件理論及專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)/實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件部件/系統(tǒng)解決方案，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)）、R3.2（能夠應(yīng)用軟件理論及專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)/實(shí)現(xiàn)軟件模塊/系統(tǒng)解決方案，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)）等。

上述標(biāo)準(zhǔn)雖然覆蓋了基本的能力要求，但對(duì)不同專業(yè)的能力要求缺乏針對(duì)性，也沒有從實(shí)踐視角對(duì)專業(yè)能力目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，可能導(dǎo)致不同高校在具體實(shí)踐中，出現(xiàn)較大的隨意性和差異性。

為解決這一問題，可以根據(jù)《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中具體要求，結(jié)合實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)[3]，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行細(xì)化，并通過多門課程、實(shí)驗(yàn)的組合對(duì)其進(jìn)行支撐。限于篇幅，本文僅以標(biāo)準(zhǔn)中要求R3.2 為例，從實(shí)踐視角對(duì)其進(jìn)行能力細(xì)化。由于R3.2 重點(diǎn)要求學(xué)生具備軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)的能力，因此可以進(jìn)一步從程序記、讀、改、寫，程序測(cè)試，邏輯思維以及系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行能力要求。

表1.面向要求R3.2的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐核心能力細(xì)化

通常一門課程或?qū)嶒?yàn)難以對(duì)上述專業(yè)實(shí)踐能力提供全面的支持和覆蓋，如軟件工程課程側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析、方案設(shè)計(jì)、程序調(diào)試方面的能力，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程則側(cè)重于培養(yǎng)程序閱讀、程序編寫、程序調(diào)試等方面的能力。因此，在實(shí)踐體系設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)上述能力要求，考慮不同課程、實(shí)踐環(huán)節(jié)的高低搭配，避免對(duì)學(xué)生能力訓(xùn)練的缺失。

二、面向能力達(dá)成的專業(yè)實(shí)踐體系探索研究

圍繞工程教育專業(yè)中著力培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題這一總體目標(biāo)，本文擬從專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容、形成性評(píng)價(jià)方法、支持平臺(tái)等三個(gè)方面對(duì)專業(yè)實(shí)踐體系進(jìn)行研究。

1.專業(yè)實(shí)踐內(nèi)容

解決復(fù)雜工程問題，意味著從實(shí)踐內(nèi)容上，首先需要確保教學(xué)設(shè)計(jì)滿足“復(fù)雜性”和“工程性”的教學(xué)目標(biāo)[4]。復(fù)雜性意味著所解決的問題沒有現(xiàn)成答案，或者所解決的問題涉及多種因素，學(xué)生需要從復(fù)雜多變的問題中設(shè)計(jì)、找出最合理的解決方案。工程性則意味著面向應(yīng)用，除系統(tǒng)可用性外，穩(wěn)定性、執(zhí)行效率、安全性甚至社會(huì)影響、環(huán)境等都是設(shè)計(jì)者需要面對(duì)和解決的問題。

但高校畢竟不同于企業(yè)，其教育屬性和規(guī)律決定，不能完全照搬企業(yè)要求進(jìn)行訂單式人才培養(yǎng)，尤其在教育資源（如時(shí)間、計(jì)算能力、平臺(tái)等）受限的情況下，需要從工程核心能力出發(fā)，對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行一定的重構(gòu)和優(yōu)化，才能既突出復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵，又能確保教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（1）面向能力而非知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)實(shí)踐內(nèi)容

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系往往以知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系進(jìn)行組織設(shè)計(jì)，但知識(shí)點(diǎn)的覆蓋并不意味著專業(yè)能力的達(dá)成。相反，學(xué)生可能只是孤立的掌握了某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但卻不具備在相應(yīng)問題上的實(shí)踐能力。因此，面向?qū)W生能力而非知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和重構(gòu)實(shí)踐內(nèi)容體系，更能凸顯實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性、目的性，也更有利于分析和評(píng)價(jià)學(xué)生的專業(yè)能力。

（2）構(gòu)建多層次能力需求的實(shí)踐內(nèi)容

工程能力的培養(yǎng)是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從初級(jí)到高級(jí)的循序漸進(jìn)的過程。因此，在實(shí)踐內(nèi)容體系的構(gòu)建中，需要面向基礎(chǔ)能力、核心能力、高階能力的培養(yǎng)精選實(shí)踐內(nèi)容，使得基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性等各類實(shí)踐項(xiàng)目合理配置，建立一體化多層次的實(shí)踐教學(xué)體系。

（3）面向復(fù)雜工程問題重構(gòu)實(shí)踐內(nèi)容

在學(xué)校教學(xué)環(huán)境下，有時(shí)很難做到企業(yè)在解決復(fù)雜工程問題時(shí)需要的廣度和深度。因此基于教學(xué)實(shí)現(xiàn)的可行性，對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行一定的重構(gòu)，以達(dá)到學(xué)校人才培養(yǎng)的目的。如對(duì)復(fù)雜工程問題的覆蓋范圍進(jìn)行一定剪裁，對(duì)復(fù)雜工程問題的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行一定剪裁，或者對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行剪裁等。一方面，恰當(dāng)體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的復(fù)雜性，同時(shí)不失其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的工程性。

2.形成性評(píng)價(jià)方法

專業(yè)能力的形成往往貫穿整個(gè)的實(shí)踐過程。因此，要想客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生的專業(yè)能力達(dá)成度，必須借助于新的形成性評(píng)價(jià)方法，將評(píng)價(jià)指標(biāo)映射到不同的實(shí)踐環(huán)節(jié)和任務(wù)中。

形成性評(píng)價(jià)[5,6]是指在教學(xué)活動(dòng)中，通過監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，過程性的評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，最終通過評(píng)價(jià)來調(diào)整教學(xué)以提高教學(xué)效果，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。形成性評(píng)價(jià)的內(nèi)涵與工程教育認(rèn)證的核心要求十分吻合，如果能參考《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中的各項(xiàng)要求，就能進(jìn)一步明確形成性評(píng)價(jià)的指標(biāo)和相應(yīng)內(nèi)容。

（1）形成性評(píng)價(jià)方式

傳統(tǒng)形成性評(píng)價(jià)以教師評(píng)價(jià)和學(xué)生評(píng)價(jià)為主，通過定量與定性兩種方式進(jìn)行，缺點(diǎn)在于評(píng)價(jià)的工作量較大，主觀性較強(qiáng)，在某些能力指標(biāo)上難以體現(xiàn)公平性。

因此，本文提出一種新的形成性評(píng)價(jià)思路，即通過自動(dòng)或半自動(dòng)方式采集實(shí)踐過程相關(guān)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析與處理方法，輔助教師評(píng)價(jià)和學(xué)生評(píng)價(jià)，從而形成反應(yīng)學(xué)生實(shí)踐能力的多維評(píng)價(jià)體系，更準(zhǔn)確的對(duì)學(xué)生在能力、態(tài)度、成果質(zhì)量等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，要想評(píng)價(jià)學(xué)生的程序測(cè)試能力，僅憑教師和學(xué)生的主觀評(píng)價(jià)非常困難，但借助計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)方式，可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)試用例進(jìn)行分析、執(zhí)行，判斷其對(duì)被測(cè)程序的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)，以此定量分析其是否掌握或具備程序測(cè)試的基本能力。同樣，為評(píng)價(jià)學(xué)生的程序編寫能力，杜絕抄襲帶來的誤判，可以通過輔助查重程序?qū)ζ涑u情況進(jìn)行分析，從而避免評(píng)價(jià)的不準(zhǔn)確性。表2為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)中所采取的形成性評(píng)價(jià)方式和指標(biāo)。

表2 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)形成性評(píng)價(jià)方式、指標(biāo)示例

（2）形成性評(píng)價(jià)內(nèi)容

仍以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程為例，其實(shí)驗(yàn)過程包括算法設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、調(diào)試、發(fā)布、報(bào)告編寫等，涉及的形成性評(píng)價(jià)內(nèi)容有：實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算機(jī)程序源碼、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、測(cè)試用例數(shù)據(jù)等。具體評(píng)價(jià)內(nèi)容不同，其數(shù)據(jù)采集方式也不同，如實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、計(jì)算機(jī)程序等電子文檔，由于實(shí)時(shí)性要求較低，可以通過系統(tǒng)上傳獲??；出勤情況可部分通過人臉識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)記錄、匯總學(xué)生出勤情況獲得。

實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集最為復(fù)雜，一方面其實(shí)時(shí)性要求很高，同時(shí)隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，數(shù)據(jù)量將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的事后采集或人工采集方式顯然無法滿足這一特殊需求。因此，可以考慮將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入到形成性評(píng)價(jià)中，利用學(xué)生客戶端駐留程序，實(shí)時(shí)、自動(dòng)的采集學(xué)生在程序開發(fā)過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，再通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行混合存儲(chǔ)。

3.支持平臺(tái)

為鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，需要構(gòu)建目標(biāo)明確、多層次多模塊的實(shí)踐支持平臺(tái)。

（1）計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)實(shí)踐平臺(tái)

該平臺(tái)由計(jì)算機(jī)學(xué)科各個(gè)專業(yè)方向共性的、具有明顯學(xué)科特點(diǎn)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，反映本學(xué)科合格本科畢業(yè)生應(yīng)該具備的專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)踐能力需求和知識(shí)需求。以驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，以部分綜合性實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充，開設(shè)覆蓋計(jì)算機(jī)理論和系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)踐能力訓(xùn)練的實(shí)踐課程。

（2）專業(yè)綜合與復(fù)雜系統(tǒng)平臺(tái)

該平臺(tái)以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)遞進(jìn)和邏輯關(guān)聯(lián)為主線，打破理論課程內(nèi)容橫向劃分的慣例，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，專門設(shè)置了包括嵌入式系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)方向，旨在解剖其中的細(xì)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)思、架構(gòu)、設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)維能力。

4.工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)依照卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃理念，遵循理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化設(shè)計(jì)的原則，建立實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)循序漸進(jìn)的工程能力訓(xùn)練平臺(tái)。

5.形成性評(píng)價(jià)輔助平臺(tái)

該平臺(tái)依托大數(shù)據(jù)、人工智能、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)，面向?qū)W生實(shí)踐實(shí)訓(xùn)過程，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)采集、分析挖掘、形成性評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)反饋等，有效的對(duì)教學(xué)過程中學(xué)生的實(shí)踐效果進(jìn)行監(jiān)督、評(píng)價(jià)和記錄，客觀反映學(xué)生多方面的專業(yè)實(shí)踐能力。

三、 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)專業(yè)是國(guó)內(nèi)首批開展工程教育專業(yè)認(rèn)證的專業(yè)，為提高計(jì)算機(jī)專業(yè)人才工程教育質(zhì)量與專業(yè)辦學(xué)水平，建設(shè)面向能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)踐體系，具有非常重要的意義和價(jià)值。本文從計(jì)算機(jī)專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，探索建立以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、能力為目標(biāo)的專業(yè)實(shí)踐體系，通過細(xì)化計(jì)算機(jī)專業(yè)能力目標(biāo)，重構(gòu)實(shí)踐內(nèi)容，創(chuàng)新形成性評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)等多個(gè)方面，解決了專業(yè)實(shí)踐體系建設(shè)中的部分關(guān)鍵問題，有效滿足業(yè)界對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生能力的培養(yǎng)需求。