面向工科研究生創新能力培養的EPI教學模式探索

摘要：依托操作系統結構分析和計算機體系結構兩門計算機專業研究生課程的教學實施，從教學內容、教學手段、考核方式等多方面闡述EPI教學模式的探索與嘗試過程，并根據教學實施情況分析該教學模式的科學性和適用性，為該教學模式的進一步完善及廣泛應用提供依據。

關鍵詞：工程實踐；問題導向；個性化培養

0.引言

研究生教育作為高等教育的最高層次和高等教育大眾化階段中的精英教育，其教學中的各個環節及教學效果直接影響高等院校人才培養的質量和我國現代化建設的進程。教育部于2002年提出研究生教育創新計劃，2005年1月出臺《教育部關于實施研究生教育創新計劃，加強研究生創新能力培養，進一步提高培養質量的若干意見》，強調加強研究生創新能力培養問題的重要性。在信息化領域的競爭中，人才競爭起著至關重要的作用，高素質人才是未來信息化發展的重要因素。工科是最具有綜合性和實踐性特征的學科，學科間的相互滲透和交叉使其邊界被突破，對工科研究生培養必然從單一的專業化教育走向綜合的科學研究領域，因此，工科研究生教學有雙重任務，即培養科學研究能力和工程實踐能力。綜合的科學研究能力包括獨立獲取知識的能力、提出問題的能力、分析問題的能力和深度挖掘知識的能力，而工程實踐能力是指運用上述能力解決實際問題的能力，這很大程度上依賴于工程創新能力的培養。單純的知識型、學術型人才已經落伍，而具有工程創新能力的高級人才才能真正符合現代作戰的需要。這些新情況對原本按部就班的工科研究生培養過程及工科研究生課程的教學內容產生了不小的觸動，對工科研究生的教學提出了新的要求。

1.計算機專業研究生培養現狀

計算機專業研究生是未來信息化競爭的重要參與者，其創新能力培養已引起各方高度重視。作為高素質新型人才，計算機專業研究生所從事的研究工作往往與相關行業中的關鍵工程技術相關，這類研究方向綜合性高、實踐性強，對其相關問題開展研究，不但需要廣博和精深的基礎知識作為支持，還需要具備解決復雜和綜合的實際工程問題的能力，更需要具備對未來科技發展的敏銳力和熱點問題的洞察力。

近年來，很多從事研究生教學工作的教員和研究生導師也紛紛意識到工程能力和創新能力培養的重要性，不少高等院校正在做這方面的嘗試和努力，但是目前國內尚沒有成熟有效的針對工科研究生工程創新能力培養的教學模式。計算機專業研究生的教學存在以下亟待解決的問題：

（1）片面化引入工程問題。以往的教學也部分引人工程問題，但是普遍存在片面、不夠系統的現象，沒有把完整、具體的工程問題帶入教學的全過程，使學生缺乏整體認知，面對一個實際工程往往無從下手。未來，需要系統、完整地將工程問題引入教學的全過程。

（2）學生缺乏提出問題的能力。教學偏向于讓學生分析和解答問題，學生常缺乏提出問題的能力和質疑的能力，而真正的科學發現和創新都是從提出問題開始的。

（3）統一的考核方式。研究生階段的教學評價仍然采用和本科生類似的考核方式，所有學生采用同一套評價體系，偏重教育的統一性而忽視個性化培養，學生的自主性得不到充分發揮，創新能力受到抑制。

2.以工程實踐案例為牽引的教學內容設計（engineering practice）

工科類學科的特點是技術發展較快，其教學內容應注重滲透研究生科研過程中需要的工程設計及實踐方法，將滿足教學目標的完整工程實踐案例融人教學全過程，緊跟學科發展前沿及信息化發展的實際需求，并不斷更新完善教學中的工程實踐案例。以操作系統結構分析課程為例，其教學內容設計把完整具體的案例融人教學的全過程，組織具有豐富工程實踐案例的教學內容，確保研究生在擁有扎實專業基礎理論的同時，擁有較強的解決工程實際問題的能力。

操作系統結構分析課程是一門涉及較多硬件知識的計算機系統軟件課程，其概念多、抽象性強、涉及面廣。當前，Linux操作系統的組成結構和實現技術較為成熟和先進，文檔資料充分。該課程充分利用現有資源，引導碩士研究生進行實際操作系統的案例分析，進一步結合分布式、高性能、實時、嵌入式等操作系統的設計理念與技術，提升學生的操作系統設計水平。課程組根據長期的教學和科研實踐經驗，分析多個版本的Linux內核源代碼，并精心設計教學內容，讓理論與實踐緊密結合，使課程更具吸引力和實用價值。

該課程理論部分共分為12個章節，詳細分析Linux的內存管理、進程管理、文件系統、設備驅動等子系統的管理結構和管理方法，并輔以源代碼分析、算法改進和驅動程序設計，將抽象的操作系統概念、原理、方法等落到實處。

該課程實踐部分將工程案例UCORE中的功能模塊按照操作系統原理的知識模塊進行劃分，逐步展開實驗內容，將操作系統內核中的原理及各部分實現對應于UCORE系統中進行對比分析。學生在一邊學習的基礎上，可以同時開始動手進行UCORE的分析和設計，隨著課程的進行，逐步閱讀并實現內存管理、進程管理、文件管理等操作系統內核的核心代碼，最終實現并完成一個小型的操作系統。為了使學生更好地掌握計算機系統的軟硬件協作關系與整體工作原理，該課程改變傳統的課上講授、課下實驗的教學模式，以UCORE教學操作系統為主線，將操作系統原理與Linux系統結構分析融人工程實踐教學環節，課程理論和工程實驗環節的具體內容設計見表1和表2。

3.以問題為導向的教學方法改革

采用以問題為導向的教學方式，通過對工程中具體問題的解決，培養學生觀察、分析、探索和解決問題的能力以及自主學習、合作學習、自主創造的能力，由“教師提出問題一學生討論解答”發展到“學生再提出問題一學生給出綜合方案”。在整個過程中，由一個問題引發多個相關問題，由既有的知識結構擴展到新的知識結構，教學的過程不再是以往的“教與學”，而是不斷探索創新新知的過程。

以計算機體系結構課程為例，課堂教學注重學生的參與度，以問題為導向牽引教學全過程，教學的形式以提出問題與解決問題的方式交叉進行，課堂討論與課下自主學習相結合，課堂講授形式多樣，授課內容充實有吸引力，根據學生情況適時調整內容和進度，注重教學過程中的激勵和控制，及時引入學科前沿的相關研究內容，以激發學生的求知欲，充分發揮學生自主學習的能力，加深其對計算機工作過程的理解。教學過程包含引入環節、課前調研、課堂講授、課后評估、總結歸納、課后延展等，遵循學生認知規律，設計針對不同授課內容的多樣化課堂組織方式。

與以往教學內容相比，重點將教學內容圍繞工程實踐的全過程做科學組織與梳理，依據優化后的課程結構，根據不同的設計方案，形成多層次可自選可擴充的教學內容。將教學內容進行單元劃分，每個單元以問題為導向，學生的學習過程就是解決問題的過程，教學目標明確且兼具可度量性，學生可自行評價通過學習是否能夠解決問題，教員可評價其解決問題采用的方法和效率。該課程對于學生全面理解計算機系統的層次結構、建立計算機整機的概念、了解軟硬件之間的關系起到非常重要的作用。引入以問題為導向的教學方法，其具體實施情況與傳統教學內容之間的對比如表3所示，由于篇幅有限，此表只舉例給出了一種設計問題的方案。根據教員不同的教學設計，可形成不同的設計方案。

4.個性化的考核方式

研究生階段更應強調素質和能力的考核，包括動手能力、工程實踐能力、實踐中運用理論知識解決實際問題的能力、研究合作能力、總結表達能力等。可建立一套柔性可重構可自選的考核系統和科學合理的評價體系，注重階段性過程評價，將過程考核與教學目標緊密結合。由學生根據個人興趣和專長選擇考核方式和內容，不斷完善和建立真正能反映研究生知識水平和具有創新能力的考核體系。這既有利于提高學生學習的主動性和創造性，又能充分體現個性化的培養，符合研究生精英教育的理念。

5.存在的問題與思考

從實踐效果上看，EPI教學模式目前在部分研究生課程的教學實施中已取得了良好的效果，得到了學生認可，并逐步向多層次發展。例如，在前期各門課程進行實踐教學探索的基礎上，下一步可以廣泛開展基于項目學習方法的實踐教學，使項目學習的主線貫穿教學全過程，將課程內容與一個完整的工程項目結合起來，進一步提高學生的綜合能力。

課題研究實踐過程也存在一些問題。例如，少部分學生缺乏提出問題的能力，存在主動性欠佳的情況，主要原因在于長期以來學習習慣的培養已使其形成固定模式，很難通過短期的教學改革產生較大影響。此外，個性化的考核方式下，在大部分學生被調動積極性與新鮮感的同時，基礎較差、動手能力相對較弱的學生容易產生畏難情緒，因此個性化的考核方式也很難面面俱到。

工科研究生將來是我國重要的知識力量和技術力量，高等院校培養信息化高水平人才，更要將學生的工程創新能力作為工科研究生的一項基本素質能力，使其成為學生能力素質構成中不可或缺的元素。研究者將對這種教學模式進行不斷優化及深層拓展，結合現狀總結經驗，在探索與實踐的道路上繼續前行。