以系統(tǒng)能力培養(yǎng)導(dǎo)向、學(xué)用相長的混合式專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐

成玲 楊武成 劉新平

摘?要：針對計算機專業(yè)實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，利用信息化技術(shù)，建成了虛實融合、層次遞進的混合式專業(yè)實踐教學(xué)體系，建立優(yōu)質(zhì)線上教學(xué)資源，探索混合式教學(xué)方案，貫通融合、知行合一，形成了以系統(tǒng)能力培養(yǎng)導(dǎo)向、學(xué)用相長的多維度協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，滿足“新工科”背景下一流本科專業(yè)及課程的建設(shè)。實踐證明，對于各工科專業(yè)課程建設(shè)和實踐教學(xué)具有良好的示范意義和推廣價值。

關(guān)鍵詞：虛實融合；實踐教學(xué)；體系設(shè)計；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

根據(jù)教育部《普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)審核評估實施方案（2021—2025年）》的精神，要堅持立德樹人、堅持推進改革，落實“以本為本”“四個回歸”，強化學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進，實現(xiàn)高質(zhì)量內(nèi)涵式發(fā)展。［1］青島軟件學(xué)院、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院成功入選首批國家級特色化示范性軟件學(xué)院，承擔(dān)著解決大型石油工業(yè)軟件的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與高端人才培養(yǎng)重任，而系統(tǒng)能力是計算機專業(yè)學(xué)生的核心競爭力。在此背景下，傳統(tǒng)單一的實驗教學(xué)模式已不能適應(yīng)專業(yè)實驗教學(xué)對學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的發(fā)展要求，為了滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證和新一輪教學(xué)評估的需要，落實“三全育人”教育理念，促進示范性軟件學(xué)院的建設(shè)，迫切需要重構(gòu)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)體系，全面開展線上網(wǎng)絡(luò)和線下實體有機融合的混合式實驗教學(xué)模式。

1?項目改革思路和改革內(nèi)容

1.1?改革現(xiàn)有實驗教學(xué)模式，構(gòu)建出線上線下混合式實驗教學(xué)平臺，研究形成特色化人才培養(yǎng)模式頂層架構(gòu)

傳統(tǒng)計算機專業(yè)系統(tǒng)能力實踐教學(xué)主要以線下為主，部分課程項目改為線上虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ?，無論線上線下單一的教學(xué)開展模式對學(xué)生能力培養(yǎng)都明顯不足，線上線下混合式專業(yè)實驗教學(xué)模式是以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為中心，把教師作為實驗課程教學(xué)的“出發(fā)點”，將線上線下的教學(xué)資源充分整合優(yōu)化，同時對線上線下課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行科學(xué)融合，既不能是單一的模式轉(zhuǎn)換，也不能是簡單的機械相加，需要深度分析教學(xué)目標(biāo)、完成系統(tǒng)化方案設(shè)計，統(tǒng)籌“實驗前+實驗中+實驗后”三個階段的學(xué)習(xí)任務(wù)，并通過線上教學(xué)、課內(nèi)教學(xué)以及課外教學(xué)三種方式滿足學(xué)生的不同層次階段的學(xué)習(xí)需求，為課程實驗教學(xué)全過程提供一個立體的、多維的教學(xué)環(huán)境。最終面向特色化人才系列能力指標(biāo)，實現(xiàn)一個精確發(fā)現(xiàn)問題、實時反饋、調(diào)整優(yōu)化的實驗教學(xué)運行新方案，并且保證能夠滿足不斷持續(xù)改進的閉環(huán)實踐教學(xué)教育過程。［2］

根據(jù)總體思路，統(tǒng)籌系統(tǒng)能力課程體系，設(shè)計以“交叉融合聯(lián)動、知識能力貫通”為核心的特色化人才培養(yǎng)模式架構(gòu)，匯聚多維育人資源，通過多角色導(dǎo)師指導(dǎo)、多場景實踐創(chuàng)新和多指標(biāo)考核評價，貫通人才專業(yè)能力培養(yǎng)與提升路徑，實現(xiàn)全周期素養(yǎng)提升、全鏈條能力提升、全方位成效保障，有效實現(xiàn)知行合一，保障特色化人才培養(yǎng)有效達(dá)成。

1.2?探索混合式實驗教學(xué)方案，真正實現(xiàn)“學(xué)以致用、學(xué)以促學(xué)、學(xué)用相長”的教育理念

混合式實驗教學(xué)方案設(shè)計需要經(jīng)過實驗教學(xué)準(zhǔn)備、在線教學(xué)、面對面教學(xué)和評價反饋四個基本實施階段，才能最終探索出最佳方案來合理安排開展線上線下教學(xué)。［2］

1.2.1?實驗教學(xué)準(zhǔn)備階段

混合式實驗教學(xué)的首要階段是結(jié)合實驗課程特點與學(xué)情特點進行教學(xué)設(shè)計的實驗準(zhǔn)備階段。首先，進行學(xué)情分析。學(xué)情通常是指影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的所有信息，不僅需要教師對主體學(xué)生已經(jīng)存在的認(rèn)知和需求水平程度進行調(diào)研，也需要教師針對調(diào)研報告進行分析和調(diào)整。只有準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)習(xí)水平、能力和習(xí)慣才能做到因材施教設(shè)計教學(xué)方案，有的放矢地開展教學(xué)活動。其次，建設(shè)充分的網(wǎng)絡(luò)課程資源。教師根據(jù)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)體系規(guī)劃來制作相關(guān)課程實驗大綱、實驗項目及設(shè)備軟件操作視頻，根據(jù)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)整合優(yōu)化項目案例庫、微視頻、電子課件及參考文獻等，重構(gòu)完善現(xiàn)有專業(yè)實驗課程教學(xué)資源。最后，是教學(xué)活動的設(shè)計，充分根據(jù)學(xué)情分析研究設(shè)計出與之最契合的線上和線下的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生能力培養(yǎng)將會事半功倍。

1.2.2?在線實驗教學(xué)階段

混合式實驗教學(xué)方案設(shè)計的第二階段是在線教學(xué)。針對每門課程，依托石大云課堂、雨課堂和智慧樹平臺等在線開放課程建設(shè)，實施實踐教學(xué)資源上網(wǎng)計劃，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力出發(fā)，將先進的教學(xué)理念與實驗項目設(shè)計相結(jié)合，整合和優(yōu)化課程體系和結(jié)構(gòu)，改革和更新實驗教學(xué)內(nèi)容，使實驗課程設(shè)置更加先進、系統(tǒng)和規(guī)范；通過綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性“三性”實驗課題的開設(shè)，［3］服務(wù)于學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過在線發(fā)布項目任務(wù)清單，將教學(xué)目標(biāo)分層次設(shè)計，既明確又具有可衡量性，通過在線測試、答疑解惑和監(jiān)控引領(lǐng)環(huán)節(jié)，使所有學(xué)生都可根據(jù)自身情況充分利用好碎片化時間，積極參加、自主學(xué)習(xí)和團隊交流來完成任務(wù)并開拓創(chuàng)新。

1.2.3?面對面實驗教學(xué)階段

實驗課程的面對面教學(xué)需要梳理教師和學(xué)生之間混合式教與學(xué)的行為，制定更優(yōu)化的教學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)“解決核心問題”的有效學(xué)習(xí)。教師通過重難點講解、個性化指導(dǎo)、引導(dǎo)學(xué)生進行交流討論、合作式實驗操作、實驗經(jīng)驗總結(jié)等教學(xué)活動，幫助學(xué)生重新梳理所學(xué)知識，將其系統(tǒng)化，并應(yīng)用于實驗項目及實際問題，實現(xiàn)對知識的深度理解和內(nèi)化。教師把課堂時間交給學(xué)生，構(gòu)建團隊合作探究型的學(xué)習(xí)模式，學(xué)生以小組合作形式自主動手，有效發(fā)揮課堂實驗的主渠道功能，達(dá)到掌握應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的方法，具備使用實驗工具進行問題分析和問題解決的能力，針對學(xué)科發(fā)展趨勢及專業(yè)教學(xué)特色，發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備及教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生進行積極深入的實踐研究，激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，最終轉(zhuǎn)化為技能，從而構(gòu)建高效實驗教學(xué)課堂，實現(xiàn)實驗教學(xué)目的。

1.2.4?評價反饋階段

混合式實驗教學(xué)模式最后是評價反饋的環(huán)節(jié)，主要呈現(xiàn)為參與考核和被考核，教學(xué)相長以及對應(yīng)OBE的教學(xué)大綱指標(biāo)點。學(xué)生依據(jù)實驗內(nèi)容，思考優(yōu)化方案，整理實驗數(shù)據(jù)，完成實驗任務(wù)后分析實驗結(jié)果，撰寫實驗報告，進行總結(jié)評價并上傳。學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺對教師的教學(xué)方式以及項目實驗效果直接評價，或者通過多樣化考核方式對學(xué)生學(xué)習(xí)過程與結(jié)果做出評價，都屬于混合式實驗教學(xué)模式的評價反饋?？紤]到目前考核評價方式普適化程度偏重，大作業(yè)、匯報答辯、隨堂測試等方式雖然能夠?qū)W(xué)生綜合能力進行較為全面的考核；但是，對于特色化計算機人才，還需要從評價主體、賦分原則、權(quán)重比例等方面，研究制訂更詳細(xì)的考核評價實施方案，提高考核評價的針對性、公正性和導(dǎo)向性。所以我們引入“以非標(biāo)準(zhǔn)化為主體，側(cè)重導(dǎo)向性、針對性”的多維考核指標(biāo)體系，幫助教師高效收集學(xué)生反饋信息，動態(tài)調(diào)整優(yōu)化混合式教學(xué)方案設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生個性化充分發(fā)展、探究性意識、創(chuàng)新性思維逐步提升，真正做到因材施教。

1.3?建立多層次實踐教學(xué)體系，改革實驗教學(xué)手段，做好教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，構(gòu)建“貫通融合、知行合一”的特色化人才培養(yǎng)新模式

目前實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計呈現(xiàn)碎片化，各個實踐環(huán)節(jié)銜接性不足，通常局限在解決局部問題，復(fù)雜性、探究性、創(chuàng)新性不足，無法形成貫通的系統(tǒng)化訓(xùn)練，在培養(yǎng)解決復(fù)雜工程關(guān)鍵技術(shù)的支撐力上較弱，無法為培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜架構(gòu)、復(fù)雜算法等方面的創(chuàng)新研發(fā)能力提供有效支撐。所以計算機專業(yè)實踐教學(xué)課程體系建設(shè)要以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為主線，打通數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理、EDA技術(shù)等課程實驗內(nèi)容，形成基于龍芯CPUFPGA實驗平臺的一體化、多層次實驗教學(xué)體系。結(jié)合計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的三個階段，探究性地改革增添CPU、操作系統(tǒng)和編譯器的設(shè)計等實驗內(nèi)容，在每個階段，按照基礎(chǔ)系統(tǒng)能力、核心技術(shù)能力、綜合應(yīng)用能力三個遞進的能力層次，在低年級、中年級、高年級三個階段，分別圍繞概念系統(tǒng)學(xué)習(xí)、真實系統(tǒng)實現(xiàn)和系統(tǒng)綜合應(yīng)用三個層次來組織和安排實踐教學(xué)課程，形成“前期強化系統(tǒng)基礎(chǔ)、中期融匯系統(tǒng)觀念、后期提升系統(tǒng)能力”的計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式。

根據(jù)課程特點進行合理有效的線上線下實驗教學(xué)設(shè)計，全面覆蓋硬件實驗前、實驗中和實驗后的整個學(xué)習(xí)過程，并進行科學(xué)監(jiān)控和評價。建成混合式實驗教學(xué)方案，真正實現(xiàn)“學(xué)以致用、學(xué)以促學(xué)、學(xué)用相長”的教育理念。

依托學(xué)院三融合育人資源平臺，面向特色化人才系列能力指標(biāo)，以系列能力指標(biāo)遞進達(dá)成為縱線、四年實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為橫線，研究并構(gòu)建特色化人才系列能力達(dá)成映射矩陣，橫向?qū)崿F(xiàn)單項能力貫通在多項實踐環(huán)節(jié)中達(dá)成；縱向?qū)崿F(xiàn)單項實踐環(huán)節(jié)支撐多項能力培養(yǎng)與提升，將本研一體班、優(yōu)秀本科生三進提升計劃、理科實驗班納入特色化人才培養(yǎng)體系中，并依托學(xué)院科研團隊，強化科教融合，以科研成果轉(zhuǎn)化實踐教學(xué)案例和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)選題等形式，促使系列能力通過階梯式、前向式貫通達(dá)成，有效實現(xiàn)知行合一。

2?項目的改革成效

一是根據(jù)“新工科”及工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，發(fā)揮計算機專業(yè)學(xué)生對計算機系統(tǒng)深刻理解的優(yōu)勢，掌握計算機軟硬件協(xié)同工作及相互作用機制，把握教學(xué)設(shè)計的核心，以學(xué)生成長為中心，采用有效教學(xué)方法的底層邏輯，激發(fā)興趣（內(nèi)在動機）、自我驅(qū)動，由被動的淺層學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥纳疃葘W(xué)習(xí)。［3］重點培養(yǎng)具有分析、解決復(fù)雜工程問題能力的創(chuàng)新型卓越工程人才。針對每門課程，實施實踐教學(xué)資源上網(wǎng)計劃，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力出發(fā)，將先進的教學(xué)理念與實驗項目設(shè)計相結(jié)合，整合和優(yōu)化課程體系和結(jié)構(gòu)，改革和更新實驗教學(xué)內(nèi)容，線下則進行實際的實驗教學(xué)、任務(wù)協(xié)作、交流互動等教學(xué)活動。使實驗課程設(shè)置更加先進、系統(tǒng)和規(guī)范；通過綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性“三性”實驗課題的開設(shè)，服務(wù)于學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。經(jīng)過實施，學(xué)生參與設(shè)計、參與自主考核有掌控感，通過任務(wù)清單有目標(biāo)感，最終完成作品有成就感，使學(xué)生達(dá)到思維、能力、創(chuàng)新的整體提升，切實促進了學(xué)生系統(tǒng)能力的達(dá)成。［4］

二是線上線下混合式實驗教學(xué)環(huán)節(jié)主要運用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)“石大云課堂”平臺、“QQ學(xué)習(xí)群”“雨課堂”“微助教”手機端交互平臺，依托課程團隊主持的十多項硬件技術(shù)課程建設(shè)教研項目組織實施，首先，針對硬件課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的實驗方式單一、實驗資源不足、實驗環(huán)節(jié)缺失等關(guān)鍵問題，提出軟件搭建虛擬仿真實驗平臺與研發(fā)的“背包實驗室”系統(tǒng)套件設(shè)備相結(jié)合，建立在線實驗教學(xué)平臺，創(chuàng)新探索了線上線下虛實融合的硬件課程實驗教學(xué)新模式，彌補了硬件課程脫離實驗室不能實驗操作的短板，突破時空限制，為課程實驗教學(xué)全過程提供一個立體的、多維的教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)教與學(xué)、線上與線下、課上與課外的有機融合，解決了課程實驗教學(xué)模式單一的問題；其次，根據(jù)“兩性一度”的要求，構(gòu)建了優(yōu)質(zhì)“項目案例資源庫”，［5］拓展數(shù)字化實驗教學(xué)資源，將項目實驗教學(xué)法成功運用到了計算機硬件課程實驗教學(xué)之中，有效提升了學(xué)生對系統(tǒng)電路整體設(shè)計能力和工程實踐創(chuàng)新能力，解決了實驗教學(xué)資源不足的問題；最后，構(gòu)建出線上線下混合式多維度計算機專業(yè)實驗教學(xué)體系，依托學(xué)院科研團隊，強化科教融合，以科研成果轉(zhuǎn)化實踐教學(xué)案例、科研項目遴選創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)選題、學(xué)術(shù)成果理論編著專業(yè)教材、支撐學(xué)科競賽選題等形式，實現(xiàn)特色化軟件人才培養(yǎng)和工業(yè)軟件科研雙突破，改革實驗教學(xué)評價方式，激發(fā)學(xué)生思維創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)效率，解決了實驗環(huán)節(jié)缺失，實驗效率不高的問題，真正實現(xiàn)了以學(xué)生為中心，多維度協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)。［6］如下圖所示。

多維度協(xié)同創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式

結(jié)語

在特色化示范性軟件學(xué)院歷史使命驅(qū)動下，統(tǒng)籌規(guī)劃計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系，以“教為主導(dǎo)、學(xué)為主體”的原則，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)作為核心，實現(xiàn)對不同層次學(xué)生個性化培養(yǎng)的需求，真正實現(xiàn)“學(xué)以致用、學(xué)以促學(xué)、學(xué)用相長”的教育理念。扎實打造計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的最大特色，提升了實踐實驗教學(xué)效果，改善了認(rèn)證專家進?？疾鞎r反映的培養(yǎng)方案“偏軟”問題，為培育更多一流課程奠定良好基礎(chǔ)，最終達(dá)成對學(xué)生系統(tǒng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻：

［1］教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)審核評估實施方案（2021—2025年）》的通知：教督〔2021〕1號［Z］.2021.

［2］黃茜，趙煒.混合式教學(xué)模式在經(jīng)管類實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（16）140141.

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［4］成玲.一流本科課程建設(shè)背景下“虛實”結(jié)合的單片機實驗教學(xué)模式改革與實踐［J］.電腦元器件與信息技術(shù)，2021（10）：6167.

［5］陳友媛，辛佳，楊世迎，等.混合式實驗教學(xué)提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力的探討［J］.實驗室研究與探索，2019（04）：205208.

［6］王香芬，萬博，黃姣英，等.面向“兩性一度”的實驗課程混合式教學(xué)實踐探索——電子產(chǎn)品熱設(shè)計熱分析實驗［J］.教育教學(xué)論壇，2022（06）：58.

基金項目：中國石油大學(xué)（華東）2022年校級教學(xué)改革項目（CM2022074）

作者簡介：成玲（1974—?），女，山東淄博人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為計算機實驗教學(xué)、硬件技術(shù)研究及應(yīng)用等。