實踐教學中的開放性創新實驗項目探索

呂 帥，王強強，郭德貴，金京姬

（吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012）

2016年全國高校計算機教育大會——能力培養篇

實踐教學中的開放性創新實驗項目探索

呂 帥，王強強，郭德貴，金京姬

（吉林大學 計算機科學與技術學院，吉林 長春 130012）

分析實踐教學中創新能力培養不足的問題，闡述開放性創新實驗項目設立的意義，結合吉大的實際情況，說明創新實驗項目的整個實施過程和教學效果。

創新；創新實驗；創新項目；開放性；實踐；教學改革

0 引 言

計算機學科的各項教學改革均圍繞著學生的培養展開。近年來得到廣泛重視和積極推廣的“計算思維能力”的培養，希望通過教學改革，推動計算思維觀念的普及，促進在教育過程中對學生計算思維能力的培養，為提高我國在未來國際環境中的競爭力作出貢獻[1]。

目前已經達成共識并得以在北京大學、南京大學等8所院校積極推廣的“系統能力”的培養，希望通過計算機系統基礎課程（群）的建立，提升學生的系統能力，使其更容易從計算機系統整體的角度理解操作系統、編譯原理等，并進一步更好地理解計算機學科的真諦[2]。

教育部計算機專業教學指導分委員會已經明確：對于計算機專業而言，計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及系統能力為4大專業基本能力，其中系統能力包括系統認知、系統設計、系統開發和系統應用能力[2]；而上述能力的培養均需要通過教學過程得以灌輸，實踐課程與理論課程一樣重要，針對計算機學科實踐教學模式的改革從來沒有間斷過，各類競賽、項目在其中扮演了重要的角色[3]。

1 開放性創新實驗項目介紹

吉林大學教務處在大量調研的基礎上，于2013年起在全校范圍內開展開放性創新實驗項目申報與運行工作。學校在設立該類項目之初，就是為了充分發揮吉大實驗儀器設備資源優勢，調動廣大教師培養學生創新能力的積極性，創造本科生接受大師熏陶的機會，促進學生了解先進科學技術與研究方法，進而培養創新精神和創新能力。看得出，學校利用閑散資源，為學生和教師之間有效接觸提供了條件，間接搭建了一個新型教學實踐平臺。對于學生來說，獲得了一個名正言順的參與甚至主導項目的權利；對于教師來說，獲得了一次自主立項、實現其科研價值的機會；對于資源來說，從閑散資源，甚至是待報廢資源，重新發揮了使用價值。

計算機學科尤其是計算機軟件與理論和計算機應用技術二級學科，涉及的科研創新均主要依賴于軟件資源和人工成本。硬件資源主要依托實驗室的各類服務器、計算機、掃描儀、打印機、攝像機、照相機等外圍設備，而上述硬件資源更新換代較快，對許多高精端項目難以適用，但許多學生的創新項目利用一些廉價低效的設備同樣可以完成。

開放性創新實驗項目不僅為學生提供了創新的機會以及必要的資源，還間接提升了設備的利用率。

2 項目實施過程

2.1 選題來源

與大學生創新創業訓練計劃項目不同，大學生開放性創新實驗項目的選題來自于教師，而非學生自由定題。每個項目的題目和要求均來自于教師的把握，充分考慮項目的創新性和工作量。學院和學校進行兩輪評審，以權衡該項目是否適于學生在指導教師的指導下完成；對于已經立項的課題，還考查在上一輪甚至上幾輪的執行過程中的運行情況。

經過3年多總計7輪的運行，目前項目基本穩定，最近一輪（2016年春季學期）有451個項目接受學生申報。在此階段，對于學校和學院來說，指導教師即為項目負責人。

一個項目的選題好壞不僅體現了教師的業務水準，也需要得到學生完成情況的積極反饋。從教師層面，一個項目的選題好壞自然需要考慮一個項目的創新性和工作量。

計算機學科在每輪項目的設置過程中，一直維持10項左右的項目持續滾動設置，選題均來自學院的中青年教師，并通過了學院負責實踐課程設置的專家們的遴選，有一定的創新性和工作量，適于在優秀本科生中予以開展。

2.1.1 創新性

通過考查項目的名稱和具體要求等，不難發現各類項目均不同程度地應用了本科教學內容，但又不局限于本科教學課堂、實驗室的獲得。學生要想完成開放性創新實驗項目，均需要查閱文獻資料、自發設計實驗、嘗試解決問題。

這里的創新性，很難真正達到國際領先或先進，但通過半年時間的調研、實驗等環節，可以充分培養大學生針對某類問題的創新實踐能力，促進其較為深入地了解所選項目相關的先進科學技術與研究方法，強化其相應的實驗操作與分析解決問題的能力，這也正是開設這類實驗項目的原始動機。

2.1.2 工作量

大學生開放性創新實驗項目的執行時間近一個學期，通常從每個學期的第3～5周開始，下一學期的開學第1～3周驗收。計算機學科中的絕大部分創新項目僅需要1臺主機+1臺遠程服務器，所以，時間安排更有利于學生充分利用假期時間，不被教學任務所拖累，全身心地投入到創新實驗過程中。對于偏重算法或軟件的創新項目，工作量的考核目標多為幾個算法或相應的軟件，而代碼的功能、行數、質量以及相應規范的軟件說明書是主要的衡量標準。

2.2 項目申報

依托學院和學校的匯總與審查，最終通過考核的項目可以接受學生自由申報。申報形式可以組隊，也可以個人申報，具體形式以指導教師的要求為準。最終的申報成功與否取決于指導教師，當然還需要考慮指導教師的指導能力、學生的前期基礎是否足以完成該類項目、資源限制情況等。

學院的建議是在力所能及的情況下，盡可能滿足學生的申報要求。當然，指導教師也要保證寧缺毋濫，成熟一項批準一項，保證項目的良好運行和順利結題。

指導教師一旦接受某個或某組學生的申請，則該項目得以立項。在此階段及之后，對于學校、學院和指導教師來說，該學生或該組學生的組長即為項目負責人，該項目在之后的執行過程中，由項目負責人協調項目組成員，在指導教師的指導下力爭順利完成項目的研究內容。

2.3 項目執行

指導教師的參與多少歷來是有爭論的話題，學校在這方面的管理工作也比較人性化，可以完全按照教師要求，依規劃好的步驟完成實驗，也可以自行規劃步驟完成實驗；可以采用“半授課、半實踐”的形式，也可以定期“講座—答疑”形式；可以定期交流，也可以不定期溝通。

項目的執行過程與其他類型創新實驗項目類似，這里不再贅述。學校總的要求就是：教師積極參與、學生自主完成。

例如，大學生開放性創新實驗項目“地圖類路徑規劃仿真算法設計與實現”，雖然項目限定為路徑規劃方向，而且限定了地圖類，但具體課題還是依托學生的選擇而變得五花八門，如跳蚤的最優路徑規劃、協同機器人的次優路徑規劃、帶加減速的賽車路徑規劃等。

例如，大學生開放性創新實驗項目“棋類機器博弈游戲算法的設計與實現”，也分別對應了國際比賽中的不同棋類，如愛因斯坦棋、亞馬遜棋、點點連格棋、飛行棋、蘇拉卡爾塔等。

項目組綜合考慮實驗難度和自身實力，自主規定實驗任務，在規定時間內完成項目。這也在實驗項目的“開放性”上，為學生增加了靈活自由度。

項目的執行過程各有特色，有的項目有幾個指導教師輪流授課并分組討論；有的項目由學生和指導教師一組共同完成實驗過程。我們（呂帥和郭德貴）在項目的執行過程中，嘗試引入博士研究生、碩士研究生、高年級優秀本科生為項目組成員進行科普講座、答疑等，引入學生當“助教”也是為了拉近學生和指導教師、學長學姐的距離。項目運行過程中的很多細節問題都是通過討論解決的，多加入幾個“助教”，學生就有更多尋求幫助的渠道，“助教”的很多想法也會刺激學生的思考，也更有益于項目的順利開展。

2.4 項目驗收

該類項目因為其選題的特殊性，學校和學院采用指導教師為主、學院和學校為輔的驗收機制。

指導教師通過日常的指導和溝通，對該項目的研究進展最了解。基于此，計算機科學與技術學院的檢查模式為：

（1）學生每人單獨填寫學院發布的“吉林大學計算機科學與技術學院開放性創新實驗項目考核表”和“吉林大學計算機科學與技術學院開放性創新實驗項目實驗報告”，并提交相應的程序源代碼、軟件說明書等支撐材料。

（2）指導教師針對每位同學的實驗進展情況進行檢查，在考核表上填寫評語，并最終給予通過與否的指導教師意見。

（3）學生以項目組為單位填寫學校發布的“吉林大學開放性創新實驗項目學期檢查表”，指導教師針對每組項目的實驗進展情況進行檢查，在檢查表上填寫評語，并最終給予通過與否的指導教師意見。

（4）學院針對每組項目進行檢查，主要由指導教師針對該項目的實施情況、出現的問題和解決方案等情況予以匯報。

（5）學校針對每組項目進行檢查，主要由學校針對整體項目的實施情況、出現的問題和解決方案等情況予以匯報。

在整個檢查驗收過程中，學校和學院的核心主旨是突出指導教師的專業性，學院和學校主要為指導教師指導過程中出現的問題積極協助解決，并配合指導教師開展工作。

此外，我們還在項目中期加入了若干場講座和交流，以便適時修正學生的研究方案，使得項目順利進行。

3 實驗數據和思考

從2012年底至今，全校已經申報并執行了7輪大學生開放性創新實驗項目。呂帥和郭德貴作為共同指導教師分別于2013年秋季學期、2014年春季學期、2014年秋季學期陸續申報了3項大學生開放性創新實驗項目，并滾動執行至今，學校、學院、指導項目數和人數的歷年資助情況數據見表1。

需要說明的是：表1中的“項目數（學生）呂、郭指導”“人數（學生）呂、郭指導”分別表示對應學期，由呂帥和郭德貴兩位副教授共同指導的3個開放性創新實驗項目的對應人數。

表1 歷年項目資助情況

上述項目參與人數占本科生的10.2%～18.3%，且獲得獎學金的學生占絕大多數。學生通過承擔項目，提升了創新實踐能力。實際執行過程中，我們發現，很多同學是在執行完大學生開放性創新實驗項目之后繼續申報大學生創新創業訓練計劃項目，而且都會在學院和學校的評選中得到較高的評價。主要原因在于，由于后者的執行時間更長（通常情況下為1～2年）、創新程度要求更高（通常需要有高水平論文發表或錄用），在其之前利用半年的時間申請并執行一個類似項目，其前期的知識積累、項目執行過程中的團隊磨合和交流方式的養成等，必將使得其在后一個項目的申請和執行中更加有的放矢。

此外，計算機科學與技術學院和軟件學院已經將開放性創新實驗項目的結題列入本科生教學計劃中的科技創新學分的認定中，校方的認可度也使得更多學生會拿出時間、精力投入到該類創新項目的實踐過程中。

4 結 語

吉大大學生開放性創新實驗項目的開展，為學生提供了一個新的創新創業訓練平臺。學生們普遍反映該類項目選擇余地大，相比理論教學，實驗教學環節更貼近現實生活和興趣愛好，能夠自主地將自己的想法付諸實踐，并可以提前了解創新創業類項目對學生自身實力的要求，這也是該項舉措得以實施的基礎，統計數據中學生的參與比例逐年提升，也更加充分地說明了該類項目實施的有效性。

[1] 李曉明, 蔣宗禮, 王志英, 等. 積極研究和推進計算思維能力的培養[J]. 計算機教育, 2012(5)： 1.

[2] 王志英, 周興社, 袁春風, 等. 計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J]. 計算機教育, 2013(9)： 1-6.

[3] 彭國軍, 張煥國, 杜瑞穎, 等. 信息安全競賽與本科生科研創新實踐能力培養[J]. 計算機教育, 2010(24)： 1-4.

（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)03-0029-04

G642

吉林大學青年教師教學能力發展項目（2015QNZD008）；教育部計算機類專業教學指導委員會系統能力培養專業綜合改革項目（吉林大學）。

呂帥，男，副教授，研究方向為人工智能、智能規劃與自動推理，lus@jlu.edu.cn；

王強強（通信作者），女，研究實習員，研究方向為高教管理，wangqiangqiang@jlu.edu.cn。