“人工智能+ 新工科”背景下計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革新探

張微

摘要：面對“人工智能+ 新工科”時代更加注重學(xué)生實(shí)踐能力提高的新要求，針對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（簡稱“計(jì)科”）專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生工程實(shí)踐能力較為薄弱，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容難以適應(yīng)技術(shù)更新要求，實(shí)踐教學(xué)方式單一，產(chǎn)學(xué)合作不足的現(xiàn)狀和問題，需要采取實(shí)踐教學(xué)改革新策略，打破傳統(tǒng)計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系及人才培養(yǎng)模式，對現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)方法、途徑等進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，構(gòu)建基于“人工智能+ 新工科”的一體兩翼型實(shí)踐教學(xué)架構(gòu)，以提高計(jì)科專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐型計(jì)科專業(yè)人才，適應(yīng)新時代企業(yè)和社會發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：人工智能；新工科；計(jì)科專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0140-03

0 引言

近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的“人工智能”技術(shù)迅猛發(fā)展，大幅度跨越了科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用之間的鴻溝，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)融入社會各個領(lǐng)域，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)基礎(chǔ)的智能時代已經(jīng)到來[1]。相對于傳統(tǒng)工科而言，在新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，新工科專業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，標(biāo)志著我國工程教育發(fā)展新思維、新方式下的重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，深刻地影響著高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)與人才培養(yǎng)[2-4]。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（簡稱“計(jì)科”）專業(yè)多年來一直處于高速發(fā)展的軌道中，是社會需求量非常大的一級學(xué)科本科專業(yè)，實(shí)踐性極強(qiáng)，工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)要求非常高。計(jì)科專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐型人才的培養(yǎng)是高等教育的發(fā)展方向和重要目標(biāo)。面對“人工智能+ 新工科”時代對計(jì)科專業(yè)提出的新要求，將“人工智能”新理論、新技術(shù)、新成果與“新工科”建設(shè)全面深度融合，探索計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)新模式，優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方法，推動新工科創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)模式的建設(shè)與發(fā)展，培養(yǎng)計(jì)科專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐型人才，既是高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，也是企業(yè)對人才素質(zhì)的現(xiàn)實(shí)要求；既是適應(yīng)新時代中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)國家發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的迫切要求，更是國家富強(qiáng)和民族復(fù)興的必然要求。

1 計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀和問題分析

計(jì)科專業(yè)作為重要的新工科專業(yè)，時代特點(diǎn)鮮明，具有發(fā)展動態(tài)性[1]。計(jì)科專業(yè)也是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，要求學(xué)生不僅要掌握堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，更需要有較強(qiáng)的動手能力和解決實(shí)際問題的能力。計(jì)科專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力在人才培養(yǎng)體系中占有重要地位，也是培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的重要內(nèi)容。從目前情況來看，計(jì)科專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、認(rèn)知實(shí)習(xí)、電子工藝實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等[3]。而新工科為高校工程教育教學(xué)實(shí)踐探索提出了新要求。新工科建設(shè)既是對傳統(tǒng)工科的升級換代，又是適應(yīng)產(chǎn)業(yè)科技革命引發(fā)的新興工程類學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。顯然，計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在亟需直面的一些現(xiàn)實(shí)問題。

1.1 工程實(shí)踐能力薄弱，師生有畏難情緒

我國部分高校教學(xué)過程中存在重理論、輕實(shí)踐的現(xiàn)象。大部分工科課程理論知識本身具有一定難度，學(xué)生理解掌握起來較為困難，而由于學(xué)生對基本理論知識學(xué)習(xí)存在一知半解或者理解掌握不全面不準(zhǔn)確的問題，導(dǎo)致在實(shí)踐過程中自然不能得心應(yīng)手。工程實(shí)踐能力薄弱使得學(xué)生在將理論運(yùn)用到實(shí)際操作過程中可謂是難上加難。除此之外，近年來高校工科專業(yè)教師的學(xué)歷層次雖然有大幅度提高，教師對理論知識的掌握也相對較為完備，但是，卻也存在缺乏實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對企業(yè)運(yùn)行模式及人才實(shí)際需求的了解還不夠到位，不夠深入等問題。師生對實(shí)踐教學(xué)存在畏難情緒，對實(shí)踐教學(xué)重視不夠，必然會影響學(xué)生動手能力和實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。

1.2 課時相對有限，難以挑戰(zhàn)高階任務(wù)

計(jì)科專業(yè)開設(shè)的課程主要以理論教學(xué)為主，注重學(xué)生專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)，實(shí)踐教學(xué)則放在輔助位置。在人才培養(yǎng)方案中，理論課時通常遠(yuǎn)大于實(shí)踐課時。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容具有邏輯性強(qiáng)、挑戰(zhàn)性大的特點(diǎn)，對師生均有較高要求。實(shí)踐教學(xué)課時少、實(shí)驗(yàn)條件參差不齊，而采用傳統(tǒng)教學(xué)模式自然難以實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，挑戰(zhàn)高階任務(wù)，影響課程目標(biāo)達(dá)成度。

1.3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容難以適應(yīng)技術(shù)更新要求

計(jì)科專業(yè)強(qiáng)調(diào)動手能力和實(shí)踐操作能力，新理論、新技術(shù)、新知識層出不窮，更新速度快[6]。而不少高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容卻過于陳舊，且長期不變，往往滯后于新時代智能化應(yīng)用現(xiàn)狀，跟不上新時代新理論、新技術(shù)、新知識更新的步伐，與企業(yè)、社會對工程技術(shù)人才的需求嚴(yán)重脫軌，實(shí)踐教學(xué)案例也與新時代的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生參與實(shí)踐的積極性不高，嚴(yán)重影響了實(shí)踐教學(xué)效果。

1.4 實(shí)踐教學(xué)方式單一，產(chǎn)學(xué)合作不足

計(jì)科專業(yè)的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式單一，以教師講授為主，通常在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室線下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性為主，缺少設(shè)計(jì)型、綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程內(nèi)容不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及創(chuàng)新意識。學(xué)生對實(shí)踐課程重視不足，缺少實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和課后總結(jié)分析。同時，企業(yè)主體作用發(fā)揮不到位，校企合作還不夠深入，合作層次還沒有完全融入人才培養(yǎng)過程中，導(dǎo)致學(xué)生對軟件開發(fā)過程認(rèn)識不清晰、系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練和培養(yǎng)明顯不足[7]。學(xué)校教育與企業(yè)需求脫節(jié)，畢業(yè)生和企業(yè)需要花費(fèi)較多時間和精力進(jìn)行適應(yīng)和磨合。

2 基于“人工智能+ 新工科”的計(jì)科專業(yè)“一體兩翼型”實(shí)踐教學(xué)架構(gòu)

研究針對計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問題，結(jié)合新時代計(jì)科專業(yè)新特征，打破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系及人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建基于“人工智能+ 新工科”的創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)改革機(jī)制，建立基于“人工智能+ 新工科”的計(jì)科專業(yè)“一體兩翼型”實(shí)踐教學(xué)架構(gòu)。如圖1所示，其中“一體”代表以計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)主體內(nèi)容為軸心，“兩翼”為“新工科”和“人工智能”融入實(shí)踐教學(xué)主體的新理念、新方向、新要求、新理論、新技術(shù)和新成果。通過“新要素”的融入，調(diào)整、優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)主體內(nèi)容，建立“1 + 2 + 1”階梯遞進(jìn)式模塊化實(shí)踐教學(xué)新體系，構(gòu)建“多主體——多階段——多元化”實(shí)踐教學(xué)新模式，探索混合式教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)踐教學(xué)平臺、雙創(chuàng)教育、產(chǎn)學(xué)合作等多種實(shí)踐教學(xué)新方法、新途徑，培養(yǎng)符合“人工智能+ 新工科”時代要求的計(jì)科專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐型人才。

3 基于“人工智能+ 新工科”的計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革新策略新路徑

根據(jù)“人工智能+ 新工科”時代要求，基于上述“一體兩翼型”實(shí)踐教學(xué)架構(gòu)，結(jié)合寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，從課程體系、教學(xué)模式和實(shí)踐教學(xué)方法、途徑等方面探索實(shí)踐教學(xué)改革新策略新路徑。

3.1 建立“1 + 2 + 1”階梯漸進(jìn)式模塊化實(shí)踐教學(xué)課程體系

采用大類招生模式和4年基本學(xué)制，綜合考慮學(xué)生專業(yè)課程體系建設(shè)和能力導(dǎo)向需求，構(gòu)建基于“人工智能+ 新工科”的計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)“1 + 2 + 1”階梯漸進(jìn)式模塊化課程體系，如圖2所示。

第1 學(xué)年以專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)踐為主夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，包括程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、離散數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和問題求解、認(rèn)知實(shí)習(xí)、程序設(shè)計(jì)能力達(dá)標(biāo)測試等課外實(shí)踐環(huán)節(jié)，第2～3 學(xué)年以專業(yè)課課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)課拓展實(shí)踐為主提高專業(yè)知識和技能。專業(yè)課課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)等核心專業(yè)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。除此之外，增加與之對應(yīng)的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模型機(jī)設(shè)計(jì)等。相比較課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時較少，內(nèi)容相對簡單，多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，課程設(shè)計(jì)是對應(yīng)課程的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生完成一項(xiàng)涉及本課程主要內(nèi)容的綜合性、應(yīng)用性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)題目。同時，增設(shè)企業(yè)實(shí)訓(xùn)課程以及專業(yè)實(shí)習(xí)與應(yīng)用能力達(dá)標(biāo)測試等課外專業(yè)課拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)。最后1學(xué)年通過行業(yè)實(shí)踐、綜合工程訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)踐能力訓(xùn)練。

3.2 構(gòu)建“多主體——多階段——多元化”實(shí)踐教學(xué)新模式

針對實(shí)踐教學(xué)方式單一，產(chǎn)學(xué)合作不足的問題，提出“多主體——多階段——多元化”實(shí)踐教學(xué)新模式，如圖3所示。該模式充分發(fā)揮學(xué)校、教師、企業(yè)多主體作用，積極與企業(yè)開展項(xiàng)目合作，增強(qiáng)與企業(yè)合作建立實(shí)踐課程，通過校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、企業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解、提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。將實(shí)踐教學(xué)過程分為課前、課中、課后三個階段。要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課中主動學(xué)習(xí)、課后總結(jié)分析，形成實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)報(bào)告。與此同時，將新工科和人工智能“新要素”融入實(shí)踐教學(xué)主體，從教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等多方面實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的多元化。引入以問題引導(dǎo)為基礎(chǔ)的探究性學(xué)習(xí)、以案例分析為基礎(chǔ)的討論性學(xué)習(xí)、以項(xiàng)目實(shí)踐為基礎(chǔ)的參與性學(xué)習(xí)等創(chuàng)新性學(xué)習(xí)方法，努力提升學(xué)生綜合素養(yǎng)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，切實(shí)提高教學(xué)效果與效率。

3.3 探索線上線下混合式教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)踐教學(xué)平臺、雙創(chuàng)教育、產(chǎn)學(xué)合作等實(shí)踐教學(xué)新方法、新途徑

“人工智能+ 新工科”背景下，針對實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及問題，重塑計(jì)科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量觀，對現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。采用線上線下混合式教學(xué)、虛擬仿真、雙創(chuàng)教育、產(chǎn)學(xué)合作等多種方法、途徑，提高教學(xué)過程的靈活性、互動性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)提高教學(xué)效果，培養(yǎng)符合“人工智能+ 新工科”時代要求的計(jì)科專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐型人才。

1）開展線上線下混合式教學(xué)。在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于計(jì)科專業(yè)具有很好的契合度，如編程類、軟件開發(fā)類等課程實(shí)驗(yàn)均可通過在線方式完成，與線下教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)。

2）搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對部分專業(yè)基礎(chǔ)課程，可以搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成等課程實(shí)驗(yàn)，可以采用Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不僅降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，還能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，克服了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)場地的限制，課內(nèi)課外相結(jié)合，也為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)的機(jī)會，滿足現(xiàn)代化教學(xué)需要，適合線上線下開展。

3）利用實(shí)踐教學(xué)平臺。利用頭歌（EduCoder）實(shí)踐教學(xué)平臺搭建實(shí)踐型MOOC，更好地建立多元化層次化實(shí)驗(yàn)體系。通過頭歌實(shí)踐教學(xué)平臺創(chuàng)建SPOC課程，教師可全程掌控學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和成績，幫助教師了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度及對課程的掌握情況。

4）加強(qiáng)雙創(chuàng)實(shí)踐教育。鼓勵教師指導(dǎo)、學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽等比賽，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽鍛煉實(shí)踐能力，提升實(shí)踐教學(xué)效果。

5）加強(qiáng)與企業(yè)的合作、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。通過建設(shè)校外實(shí)踐基地，選派青年教師到企業(yè)學(xué)習(xí)，邀請企業(yè)有經(jīng)驗(yàn)的一線工程師參與校內(nèi)校外實(shí)踐環(huán)節(jié)，講授企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目案例，提高教師專業(yè)技能，提升學(xué)生的動手實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

“人工智能+ 新工科”時代需要深化高校工程教育改革，打破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系及人才培養(yǎng)模式，建立創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)改革機(jī)制，本文基于“人工智能+ 新工科”的計(jì)科專業(yè)一體兩翼型實(shí)踐教學(xué)架構(gòu)，從實(shí)踐教學(xué)課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)方法及教學(xué)途徑等方面進(jìn)行探索，提出計(jì)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革策略和實(shí)施路徑，不斷提高計(jì)科專業(yè)學(xué)生的實(shí)際操作、實(shí)踐創(chuàng)新能力及各種綜合素質(zhì)，更好地適應(yīng)新時代企業(yè)和社會對工程技術(shù)人才的需要。

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【通聯(lián)編輯：王力】