面向新工科的軟件工程實踐教學(xué)體系研究

齊蘇敏，公冶小燕

（曲阜師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，山東曲阜 273165）

0 引言

2017 年教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6 號），倡導(dǎo)工程專業(yè)人才培養(yǎng)新理念、新結(jié)構(gòu)、新體系、新質(zhì)量、新模式。新工科建設(shè)的本質(zhì)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，而實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是新工科人才培養(yǎng)的核心。江蘇大學(xué)同多所國際高校合作，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與現(xiàn)代多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建了“團隊體驗式的工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式”［1］；西安交通大學(xué)構(gòu)建了“三位一體”專業(yè)實踐教學(xué)平臺，創(chuàng)建“分層次、問題驅(qū)動、學(xué)科交叉”的教學(xué)模式［2］；天津理工大學(xué)提出通過項目促進和科研帶動培養(yǎng)學(xué)生工程能力的教學(xué)模式［3］；張吉軍［4］從大學(xué)生就業(yè)能力提升角度探索了新工科的人才培養(yǎng)模式。

軟件工程是工科專業(yè)，教學(xué)過程的核心是強化工程實踐能力、工程設(shè)計能力、工程創(chuàng)新能力。廣東第二師范大學(xué)軟件工程專業(yè)作為首批進行工程教育認(rèn)證的試點專業(yè)，提出了軟件工程專業(yè)建設(shè)新提案，包括改變教育觀念、提煉新理念、創(chuàng)新培養(yǎng)模式等專業(yè)建設(shè)提案［5］；吉林大學(xué)基于軟件開發(fā)平臺的工程教育模式，組建工程化多層次綜合師資隊伍，完善課程評價體系，組織項目設(shè)計與開發(fā)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高復(fù)雜軟件工程問題的解決能力［6］；謝雅等［7］從學(xué)習(xí)資源庫、教學(xué)團隊、角色課堂和評價體系4 個方面構(gòu)建四位一體的教學(xué)模式，全方面提高學(xué)生的項目開發(fā)實踐能力；郭詠梅等［8］提出以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，突出能力培養(yǎng)主線的實踐教學(xué)理念；余天佐等［9］以全國示范性軟件工程專業(yè)為例，從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)習(xí)結(jié)果、課程、教學(xué)、評價等多個角度推進工程專業(yè)的持續(xù)改進；肖輝輝等［10］提出基于深度校企合作環(huán)境的軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

筆者學(xué)校于2014 年開設(shè)軟件工程專業(yè)并成立軟件學(xué)院，創(chuàng)建多種實踐教學(xué)資源，如實驗中心、實訓(xùn)平臺、實訓(xùn)中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地、校企聯(lián)合實訓(xùn)基地等。然而，這些實踐教學(xué)資源管理分散，實驗體系不完善，教學(xué)層次不清晰，教學(xué)資源不能有效加以利用。面向新工科的實踐教育體系改革是軟件工程專業(yè)自身發(fā)展的必由之路。

本文針對學(xué)院軟件工程專業(yè)的實踐教育現(xiàn)狀，研究面向新工科的軟件工程實踐教育體系。建設(shè)由基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、綜合實驗、創(chuàng)新實驗4 個層次構(gòu)成的實踐教學(xué)平臺，構(gòu)建面向全體師生，體現(xiàn)自主性、開放性、創(chuàng)新性的實驗體系。充分利用4 大實踐教學(xué)平臺，形成由“案例分析—課程設(shè)計—專項實訓(xùn)—綜合實訓(xùn)—創(chuàng)新教育”等環(huán)節(jié)組成的工程化實踐教學(xué)體系?；? 大實踐教學(xué)平臺設(shè)計了由項目教學(xué)、案例教學(xué)、分組教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實戰(zhàn)教學(xué)等5種方式組成的“五位一體”實踐教學(xué)方法。

1 軟件工程實踐教學(xué)體系現(xiàn)狀

（1）傳統(tǒng)實踐教學(xué)是對課程知識點的驗證。傳統(tǒng)的專業(yè)課程理論性較強，實踐內(nèi)容較少，學(xué)生達到了專業(yè)理論的基本要求，但沒有達到實踐能力基本要求，無法滿足社會和市場需求。課程實踐內(nèi)容一般僅僅針對教材，而實踐教學(xué)只是對課程知識的一個驗證，沒有相應(yīng)的工程支撐，學(xué)生難以形成綜合運用知識解決問題的能力。

（2）各個專業(yè)課程的實踐教學(xué)內(nèi)容之間缺少交融。一些專業(yè)課的實踐內(nèi)容僅僅針對本課程進行設(shè)計，忽略了課程之間的聯(lián)系，未將多門緊密聯(lián)系的專業(yè)課程實踐教學(xué)內(nèi)容組成一個有機整體。

（3）綜合性與設(shè)計型實踐教學(xué)內(nèi)容比重較小。由于傳統(tǒng)教學(xué)方法的影響以及學(xué)時數(shù)、課程自身特點限制，傳統(tǒng)課程后期的綜合性與設(shè)計型實踐教學(xué)內(nèi)容一般比較簡單、比重較小，無法達到訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用能力的目的。

（4）學(xué)生的編程興趣和信心不足。傳統(tǒng)教學(xué)中，花費很多學(xué)時講解程序設(shè)計的語法，上機練習(xí)機會少，理論作業(yè)偏多，實際操作偏少；缺乏案例分析，初次接觸編程的低年級學(xué)生不易編程上手。學(xué)生在實踐過程中經(jīng)常遇到問題但沒有得到及時解決，而課下又不能回看教師講授的實踐教學(xué)過程，容易挫傷學(xué)習(xí)積極性。在后面幾年的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中習(xí)慣性地回避動手實踐，甚至對專業(yè)失去興趣。

2 實踐教學(xué)體系建設(shè)目標(biāo)

（1）面向新工科需求構(gòu)建軟件工程專業(yè)新結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)實踐教學(xué)5 大轉(zhuǎn)變。在網(wǎng)絡(luò)和計算機普及時代，軟件工程的實驗環(huán)境建設(shè)應(yīng)該由機房建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源建設(shè)；實驗操作模式應(yīng)該由單機實驗轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)性實驗；評價機制應(yīng)該由機時數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源數(shù)量和利用率；實驗手段應(yīng)該由提供上機操作環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁嵦摻Y(jié)合的實驗室服務(wù)；實驗?zāi)康膽?yīng)該由驗證與考核轉(zhuǎn)變?yōu)榕d趣培養(yǎng)與研究創(chuàng)新。

（2）依據(jù)新工科人才培養(yǎng)教育理念更新軟件工程專業(yè)知識體系，實現(xiàn)工程實踐能力的多角度、多方面培養(yǎng)。軟件工程人才培養(yǎng)應(yīng)該依據(jù)新工科人才培養(yǎng)教育理念，與IT企業(yè)協(xié)同發(fā)展，及時更新軟件工程專業(yè)知識體系，指導(dǎo)學(xué)生開展工程實踐活動，結(jié)合軟件開發(fā)的實際過程進行畢業(yè)設(shè)計，參與企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和工程開發(fā)。通過企業(yè)工程師參與人才培養(yǎng)，強化校企合作的實訓(xùn)教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維，突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提升工程實踐能力。

（3）依據(jù)新工科人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)創(chuàng)新軟件工程實踐教育方式和手段，推行“做、學(xué)、研”相結(jié)合的教學(xué)方法改革。軟件工程人才培養(yǎng)的核心目標(biāo)是創(chuàng)新能力培養(yǎng)。堅持實驗、實踐、科研、創(chuàng)新相結(jié)合，將人才培養(yǎng)周期中的實踐環(huán)節(jié)有機融合，強化學(xué)生的工程能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，培育學(xué)生的創(chuàng)新精神，推進實踐教育體系改革，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)。

3 實踐教學(xué)體系建設(shè)

對實踐教學(xué)資源進行整合，重組知識結(jié)構(gòu)，優(yōu)化建設(shè)4大實踐教學(xué)平臺，構(gòu)建面向全體師生體現(xiàn)自主性、開放性、創(chuàng)新性的實驗教學(xué)體系，如圖1 所示。該體系打破了原有的分散實驗室建制，將分散、獨立的實驗實踐教學(xué)單位進行整合和體系化，建設(shè)由基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、綜合實驗及創(chuàng)新實驗等4 個層次的一體化軟件工程實踐教學(xué)平臺。

圖1 軟件工程專業(yè)實驗體系

3.1 基于基礎(chǔ)實驗平臺的實驗項目設(shè)計

組織學(xué)院基礎(chǔ)課程教師與合作企業(yè)工程師設(shè)計軟件工程實驗項目，將所有項目添加到基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺，實行規(guī)范化統(tǒng)一管理。

學(xué)院基礎(chǔ)實驗課程包括計算機系統(tǒng)概論、程序設(shè)計基礎(chǔ)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、算法設(shè)計與分析等軟件基礎(chǔ)實驗課程，數(shù)字邏輯電路、模擬電路、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機組成原理等硬件基礎(chǔ)實驗課程。這些課程培養(yǎng)軟件工程人才通識教育，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能和基本實踐能力。

基于基礎(chǔ)實驗平臺的實驗項目設(shè)計與完善采用課程組負(fù)責(zé)制，由課程組負(fù)責(zé)完成，學(xué)院只需定期抽查并定期向?qū)W生調(diào)研。實行規(guī)范化的統(tǒng)一管理，夯實實驗基礎(chǔ)，拓寬學(xué)生知識面，強化基礎(chǔ)技能訓(xùn)練。

3.2 基于專業(yè)實驗平臺的實驗項目設(shè)計

組織專業(yè)課教師與合作企業(yè)工程師共同設(shè)計實驗項目，將所有項目添加到實踐教學(xué)平臺，統(tǒng)一實行規(guī)范化管理。

專業(yè)方向?qū)嶒炇野ㄜ浖嶒炇摇⒕W(wǎng)絡(luò)實驗室、信息安全實驗室、數(shù)據(jù)科學(xué)實驗室等。這些專業(yè)課程實驗注重培養(yǎng)學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域的綜合技能和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知能力和工程實踐能力，激發(fā)科研興趣，增強研究能力和專業(yè)擴展能力。

基于專業(yè)實驗平臺的實驗項目設(shè)計與完善采用課程組負(fù)責(zé)制。搭建仿真實驗環(huán)境，組織學(xué)生完成專業(yè)實驗，教師隨時隨地進入實驗平臺對實驗項目進行管理，上傳實驗方法與科研成果；學(xué)生可隨時隨地觀看實驗操作過程，在仿真實驗環(huán)境中完成專業(yè)實驗，并獲取教師在線指導(dǎo)，促進自主學(xué)習(xí)。

3.3 基于綜合實驗平臺的綜合實驗項目設(shè)計

與國際高端軟件企業(yè)共建軟件人才實訓(xùn)基地，企業(yè)選派有經(jīng)驗的軟件工程師作為指導(dǎo)團隊，研究基于校企合作實訓(xùn)平臺的綜合實驗項目設(shè)計，并將所有項目添加到實踐教學(xué)平臺，實行規(guī)范化統(tǒng)一管理。

綜合實驗在本科四年級實訓(xùn)教學(xué)中完成。在真實的企業(yè)環(huán)境中參與真實的項目工作，由經(jīng)驗豐富的企業(yè)員工擔(dān)任項目經(jīng)理，按照軟件開發(fā)流程對學(xué)生進行指導(dǎo)，讓學(xué)生真實體驗標(biāo)準(zhǔn)項目在企業(yè)的完成過程。綜合實驗平臺能夠?qū)嵱?xùn)項目進行統(tǒng)一管理與監(jiān)督，并與企業(yè)合作進行實時監(jiān)控與考核，防止學(xué)生空報實訓(xùn)成績，切實培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

3.4 基于創(chuàng)新實驗平臺的教學(xué)案例設(shè)計

構(gòu)建大學(xué)生創(chuàng)新實驗平臺，設(shè)計創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺教學(xué)案例，提升大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。該平臺包含創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心、高新技術(shù)展示中心等部分。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心教學(xué)案例設(shè)計，讓學(xué)生通過參與各類軟件工程專業(yè)的國內(nèi)外競賽或相關(guān)創(chuàng)業(yè)引導(dǎo)，在團隊合作、團隊管理、創(chuàng)意激發(fā)、項目開發(fā)、創(chuàng)業(yè)實踐等各方面得到鍛煉，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

高新技術(shù)展示中心由高新技術(shù)體驗區(qū)、自主研發(fā)產(chǎn)品體驗區(qū)等部分組成。將軟件行業(yè)的最新理念、尖端技術(shù)、高新產(chǎn)品引入校園，讓學(xué)生感受當(dāng)代高科技帶來的沖擊，激發(fā)學(xué)生對科技創(chuàng)新的興趣，實現(xiàn)自主實踐、自主創(chuàng)新、自主創(chuàng)業(yè)。

4 工程化實踐教學(xué)體系建設(shè)

面向工科能力培養(yǎng)設(shè)計軟件工程專業(yè)基礎(chǔ)理論體系及專業(yè)課程大綱?；凇按髮嵺`”觀［11］，即將人才培養(yǎng)周期中所有實踐環(huán)節(jié)有機融合，充分利用4 大實踐教學(xué)平臺形成工程化實踐教學(xué)體系，如圖2 所示。該體系強化學(xué)生系統(tǒng)工程能力培養(yǎng)，重視低年級學(xué)生編程能力及興趣培養(yǎng)，設(shè)置程序設(shè)計語言案例分析，解析語言典型應(yīng)用，引導(dǎo)高年級學(xué)生參加ACM 等國際國內(nèi)大賽，構(gòu)建由案例分析—課程設(shè)計—專項實訓(xùn)—綜合實訓(xùn)—創(chuàng)新教育基本環(huán)節(jié)組成的循序漸進的工程化實踐教學(xué)體系，使學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力逐步得到提升。

圖2 軟件工程實踐教學(xué)體系

5 面向工科能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)方法設(shè)計

面向工科能力培養(yǎng)，研究軟件工程學(xué)科發(fā)展，基于4 大實踐教學(xué)平臺設(shè)計如圖3 所示的“五位一體”實踐教學(xué)方法。通過項目教學(xué)、案例教學(xué)、分組教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實戰(zhàn)教學(xué)等5 種方式，推進“做、學(xué)、研”相結(jié)合，實現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中研、研中創(chuàng)”。

圖3 “五位一體”實踐教學(xué)方法

項目教學(xué)指軟件工程的專業(yè)課程教學(xué)以實際項目為導(dǎo)向，采用任務(wù)驅(qū)動方式，以培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力為目標(biāo)安排教學(xué)內(nèi)容。案例教學(xué)指教學(xué)中依據(jù)典型案例采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)。分組教學(xué)指教師組織學(xué)生分組學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)指教師指導(dǎo)學(xué)生充分利用教學(xué)平臺與課程網(wǎng)站數(shù)字化資源開展教學(xué)，使學(xué)生在課下也能反復(fù)觀看教學(xué)過程。實戰(zhàn)教學(xué)指將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的模擬成果應(yīng)用到實踐中，開展基于真實任務(wù)的綜合實訓(xùn)教學(xué)。

6 防疫期間基于實踐教學(xué)平臺的遠(yuǎn)程教學(xué)

2020 年2 月，面對突如其來的疫情，高等院校教學(xué)模式由線下教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上教學(xué)。曲阜師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院所有課程的實踐內(nèi)容均基于實踐教學(xué)平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程實踐教學(xué)。

基于北京航天航空大學(xué)的CG 平臺，學(xué)院程序設(shè)計課程組歷經(jīng)1 年時間設(shè)計并建立了程序設(shè)計類課程所有實驗項目。CG 平臺是全國50 余所高校共建共享的一站式、全自動程序設(shè)計教學(xué)輔助平臺。學(xué)生可在校外通過VPN 賬號遠(yuǎn)程登錄平臺，實現(xiàn)實踐教學(xué)的遠(yuǎn)程管理與控制。

該平臺具備完善的課程管理功能，支持教學(xué)全過程；全面的代碼實時評判能力，全面引導(dǎo)學(xué)生寫出高質(zhì)量程序；智能化的相似性檢測可查驗12 種學(xué)術(shù)抄襲手段；強大的學(xué)習(xí)追蹤與大數(shù)據(jù)分析能力，可幫助師生精準(zhǔn)定位學(xué)習(xí)重點與難點。平臺的程序自動實時評判功能如圖4 所示。

圖4 實踐教學(xué)平臺程序自動實時評判功能

在平臺上開展專業(yè)學(xué)習(xí)靈活便捷，學(xué)生參與度極高，24 小時內(nèi)平臺評測次數(shù)高達9 124 次。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，平臺累計總代碼已超過191 萬行，評測37 萬余次，學(xué)生平均有效代碼3 198 行，提交率高達97%。

防疫期間，學(xué)院采用“教學(xué)平臺在線考試+騰訊會議視頻監(jiān)考+拍攝學(xué)生考試圖片”三合一的方式實現(xiàn)課程云考試，啟用IP 地址綁定等在線考試監(jiān)考措施防止替考，保證了課程考核環(huán)節(jié)正常進行。

7 結(jié)語

面向新工科的實踐教學(xué)體系改革是軟件工程專業(yè)自身發(fā)展的必由之路，對于培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)人才具有重要的理論和實踐意義。通過構(gòu)建軟件工程實踐教學(xué)體系，建設(shè)軟件工程學(xué)科實踐教學(xué)平臺，研究軟件工程實踐教學(xué)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)新工科培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的核心目標(biāo)，對軟件工程專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)具有重要意義。