依托學科競賽的計算機專業(yè)學生能力培養(yǎng)研究

葉 楓，吳勝艷，張雪潔，李 凌

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

依托學科競賽的計算機專業(yè)學生能力培養(yǎng)研究

葉 楓，吳勝艷，張雪潔，李 凌

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

在總結(jié)國內(nèi)外知名大學生程序設(shè)計競賽特點的基礎(chǔ)上，提出依托學科競賽的計算機專業(yè)學生能力培養(yǎng)模式：結(jié)合不同競賽的特點，完善計算機專業(yè)課程講授體系；構(gòu)建師生協(xié)作和教學過程的質(zhì)量保障體系。通過對近3年應(yīng)屆畢業(yè)生的就業(yè)狀況和競賽成績進行統(tǒng)計和聚類分析，說明依托學科競賽的學生能力培養(yǎng)模式是可行的。

競賽；能力培養(yǎng)； R；K-Mean算法

1 問題與研究現(xiàn)狀分析

計算機科學與技術(shù)的發(fā)展日新月異，熱點不斷。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新理念、新技術(shù)層出不窮，極大地改變了人們生活和工作的方式。為適應(yīng)快速發(fā)展的需求，軟件企業(yè)、科研機構(gòu)等對計算機軟件人才的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新應(yīng)用能力提出更高的要求。張堯?qū)W院士明確指出 “人才培養(yǎng)的目標和定位不準確，與產(chǎn)業(yè)實際需求差距越來越大的矛盾日益突出”“在做事方面，我們的學生在實踐能力和創(chuàng)新能力方面，存在著明顯的不足”[1]。

具體問題包括以下幾方面：①受限于學時，專業(yè)課的課堂教學偏重講解基礎(chǔ)概念，內(nèi)容范圍窄，難以系統(tǒng)地跟蹤新的理念、技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的需求，影響對學生創(chuàng)新思維的啟發(fā)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；②考核機制偏重于卷面筆試，降低對動手能力的要求，不利于對學生實踐能力的培養(yǎng)；③軟件系統(tǒng)的研發(fā)過程需要工程化方法來指導(dǎo)，主動學習和團隊化合作非常必要，但日常教學中主要采用1對N的教授方式，難以培養(yǎng)學生的團隊合作和主動學習能力；④缺少授課質(zhì)量保障機制：學生考試結(jié)束后，所學專業(yè)知識就難以再鞏固和應(yīng)用，難以建立夯實能力的質(zhì)保鏈，形不成“學習—實踐—應(yīng)用—再學習”的良性循環(huán)；⑤其他能力的培養(yǎng)：師資力量有限，導(dǎo)致難以因材施教，諸如學生的寫作、表達能力等就無暇顧及。

已有的研究工作[212]表明，依托計算機競賽建立學生的能力培養(yǎng)機制以及新型的計算機教學模式是可行的，學生專業(yè)能力、團隊合作能力、寫作能力等方面均有所提高，取得了較為有效的教學和人才培養(yǎng)成果。然而，上述研究工作依然存在不足，如專業(yè)競賽的種類非常多，定位和側(cè)重點也大不相同，缺少考慮不同競賽間存在定位差異和承接關(guān)系；在討論將競賽跟正常教學體系相互融合的方式方法時，還不夠細致具體；對學生培養(yǎng)的成果缺乏量化分析等。因此，筆者在總結(jié)國內(nèi)外知名大學生程序設(shè)計競賽特點的基礎(chǔ)上，提出依托學科競賽的計算機專業(yè)學生能力培養(yǎng)模式。

2 構(gòu)建依托競賽的課程培養(yǎng)體系

2.1 計算機專業(yè)競賽的特點

ACM國際大學生程序設(shè)計競賽、“中國軟件杯”大學生程序設(shè)計大賽以及中國大學生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是最具有影響力、最受高校重視和師生關(guān)注的計算機專業(yè)競賽。除了規(guī)模大、關(guān)注度高外，競賽在專業(yè)方面還體現(xiàn)如下特點。

（1）展現(xiàn)計算機科學技術(shù)發(fā)展的新動向和應(yīng)用的新投向，具有引導(dǎo)性、前瞻性和創(chuàng)新性。這些知名的計算機專業(yè)競賽，往往由領(lǐng)域?qū)＜一蛘邩I(yè)界知名IT公司的工程師出題，命題內(nèi)容通常會結(jié)合研究或應(yīng)用的熱點問題或算法。

（2）具有基礎(chǔ)性和綜合性。競賽的內(nèi)容與課堂教學內(nèi)容并不脫節(jié)，題目往往利用正常教學中所需的知識基礎(chǔ)，是對學生掌握專業(yè)內(nèi)容的綜合和技能的提升。例如，ACM國際大學生程序設(shè)計競賽能鍛煉學生在5個小時內(nèi)使用C、C++或Java中的一種編寫程序解決7～11個問題，重點考查學生的算法和程序設(shè)計能力，而使用上述語言進行編程是本科專業(yè)學生必須掌握的基礎(chǔ)。

（3）不同的競賽之間存在承接性和系統(tǒng)性。不同的競賽有不同的定位和側(cè)重點，針對的學生群體和年級層次也不完全一致，往往存在一定的承接性和系統(tǒng)性。ACM國際大學生程序設(shè)計競賽重在鍛煉學生的算法和邏輯能力；“中國軟件杯”大學生程序設(shè)計大賽能鍛煉學生綜合應(yīng)用開發(fā)組織的能力；中國大學生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽有利于提高學生的編程能力、表達能力等。競賽之間的承接性和系統(tǒng)性往往為師生所忽視。

（4）命題的開放性。計算機專業(yè)競賽的方法、解決過程及選用的工具都是開放的，突破了以教室、教師、教材為中心的圈子。要想完成競賽內(nèi)容，需要參與的學生主動找資料和積極協(xié)作來設(shè)計方案，嚴謹認真地部署軟硬件環(huán)境并編程解決問題，甚至準備文字和表達內(nèi)容。這樣的過程需要學生反復(fù)實踐，也要求教師從多角度啟發(fā)指導(dǎo)學生，幫助其從不斷的實驗甚至是失敗中總結(jié)經(jīng)驗。一旦成功實施，將顯著地提高學生的實踐能力和獨立解決問題的能力。

2.2 完善課程培養(yǎng)體系

研究競賽的出題思路、特點等，可以快速地將視野從課本內(nèi)的基礎(chǔ)層面引入更廣闊的空間，能讓師生以最直接的方式把握計算機學科的最新動態(tài)和企事業(yè)單位的關(guān)注點，有利于激發(fā)學生的興趣和求知欲，也能幫助教師在教學過程中有意識地將基本概念與先進思路和技術(shù)關(guān)聯(lián)起來，從而最終有益于師生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在講授編程語言、程序設(shè)計方法、算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)課程時，任課教師可以引導(dǎo)學生結(jié)合ACM國際大學生程序設(shè)計競賽的題目開展學習；在講授軟件工程、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及相關(guān)專業(yè)課程時，可結(jié)合“中國軟件杯”大學生程序設(shè)計大賽及中國大學生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的題目和案例進行講解。結(jié)合競賽特點完善的教學體系如圖1所示。學生帶著該主線思路學習課堂內(nèi)容，有效結(jié)合好不同競賽之間的承接性和系統(tǒng)性，將對鍛煉綜合能力起到事半功倍的效果。

圖1 結(jié)合競賽特點完善的教學體系

3 能力培養(yǎng)的新模式

3.1 建立主動學習和團隊合作機制

一個軟件項目從設(shè)計、開發(fā)到運行的整個生命周期中，往往需要多人協(xié)作學習和配合。學校傳統(tǒng)的教學模式是1對N的教學模式，難以組織多人協(xié)作的團隊。依托競賽，將有共同興趣和余力的師生組織起來，利于構(gòu)建主動學習和合作的團隊。

以近年來我們依托競賽的教學實踐作說明：首先，根據(jù)學生的興趣和能力進行選題組合，根據(jù)教師的興趣或?qū)I(yè)特長將其分配到相應(yīng)的競賽隊中；其次，師生針對題目制訂時間進度表、人員安排表等內(nèi)容，檢索查找相應(yīng)的資料等；最后，備賽過程遇到問題由師生共同學習、討論并解決，整個團隊的架構(gòu)模式趨向扁平化。在這樣的關(guān)系下，每個成員都要主動學習并積極與其他成員開展交流合作，相互促進提高，才能順利開展競賽。

3.2 建立教學質(zhì)量保障機制

傳統(tǒng)模式缺少教學過程中的質(zhì)量保障機制。對于很多學生而言，考試一結(jié)束，對課程內(nèi)容的實踐、應(yīng)用等后續(xù)環(huán)節(jié)就缺失了，難以形成“學習—實踐—應(yīng)用—再學習”的良性循環(huán)，導(dǎo)致學生缺乏獨立解決實際問題的素養(yǎng)。教師作為知識和學生之間的最直接媒介，也要面對計算機專業(yè)知識更新帶來的挑戰(zhàn)。如果計算機教師不能有效地補充前沿知識，不能適應(yīng)理念的更新和技術(shù)的發(fā)展，將不可避免落伍。

利用競賽體系，能進一步完善教與學的質(zhì)量保障鏈。教師可借鑒軟件工程的過程跟蹤和監(jiān)督體系[13]，采用如下方法：結(jié)合競賽的時間安排，詳細地規(guī)劃競賽內(nèi)容的開展，積極與軟件工程的過程跟蹤和監(jiān)督體系相對應(yīng)，包括對每個團隊成員學習和實踐內(nèi)容的安排、關(guān)鍵的考核節(jié)點、預(yù)期目標等。這樣，每個環(huán)節(jié)都會要求參與的學生以較高的質(zhì)量完成相應(yīng)的內(nèi)容和文檔，教師可按計劃進行監(jiān)督和指導(dǎo)，任何一步馬虎和不合格的工作都將在環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出來。細化的流程跟蹤和質(zhì)量保障方式，可以有效地保障學生的學習質(zhì)量。

4 實施效果與分析

4.1 供分析的數(shù)據(jù)和試驗環(huán)境

為了驗證該模式的有效性，我們對采用上述方法實施培養(yǎng)的近3屆學生就業(yè)狀況和獲獎狀況進行分析。所選用的數(shù)據(jù)是近3年畢業(yè)的350名計算機專業(yè)本科學生的成績、就業(yè)和競賽成績數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織見表1，包括編號、性別、成績績點、畢業(yè)去向、接收單位權(quán)值和競賽權(quán)值，其中，畢業(yè)去向是個數(shù)組[保研，考研，國外深造，工作，自主創(chuàng)業(yè)和其他]；接收單位權(quán)值定義為數(shù)組，若保研、考研和國外深造是名校、985高校，權(quán)值定為20；若是保研本校或其他211高校，權(quán)值定為15；若是去了知名的企業(yè)、大型國企或事業(yè)單位，權(quán)值定為15；若是一般規(guī)模的公司，定義為10；其他的則定義為0。競賽權(quán)值是參加一次比賽，賦值為1；若是獲得省級獎項按一等至三等分別給予3分到1分；若獲得國家級獎項按一等至三等分別給予6分到4分，某位學生的競賽權(quán)值按比賽成績相加。該數(shù)據(jù)集有350條，獲獎總?cè)藬?shù)為45人，其中女生84人，獲獎10人。表1是兩條例示數(shù)據(jù)的具體形式。

表1 2008—2010級應(yīng)屆畢業(yè)生成績、就業(yè)去向和競賽成績例示表

所選用的統(tǒng)計分析工具R[1415]是當前發(fā)展最為迅速的一種開源免費的統(tǒng)計軟件，提供豐富的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算和展現(xiàn)功能。

4.2 試驗結(jié)果及討論

（1）通過統(tǒng)計，我們發(fā)現(xiàn)學生獲獎比例為12.9%，女生占學生總?cè)藬?shù)的24%，獲獎女學生比例占獲獎人數(shù)的22.2%。顯而易見，能獲得競賽成績非常不容易，男女生參與競賽的能力也沒有顯著的區(qū)分，因此在依托競賽的教學安排和團隊組織方面，并不需要針對性別作特別的考慮。

（2）有興趣參加專業(yè)競賽的人數(shù)第1年是29人，獲獎7人；第2年是42人，獲獎15人；第3年是57人，獲獎23人。這說明越來越多的師生主動參與競賽并獲得競賽獎勵。參與的老師越多，越能將該模式應(yīng)用到課堂中，吸引更多的學生加入競賽，師生雙方也能從中獲得綜合能力的提升。

（3）為研究獲獎學生的就業(yè)傾向，我們對學生就業(yè)狀況進行統(tǒng)計，如圖2和圖3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有224名學生選擇直接參加工作，占比為64%；選擇保研和考研的分別是65人和31人。只針對競賽獲獎學生進行分析，發(fā)現(xiàn)保研和考研是第一選擇，直接選擇工作的只有13人，占比28.9%，遠小于64%的全體學生選擇工作的比例。這說明獲獎學生對于提升自己的專業(yè)能力有了更高的期待，對自己的綜合素質(zhì)有了更高的認可度。

圖2 全體學生就業(yè)選擇情況

圖3 獲獎學生的就業(yè)選擇狀況

（4）為研究參與競賽的學生是否更容易獲得較好的就業(yè)選擇，我們采用K-means聚類算法[16]。經(jīng)過多次比較實驗后，確定在劃分簇數(shù)k=3時展示的聚類效果最顯著。圖4展示學生課程學習成績與就業(yè)去向單位權(quán)值的關(guān)系，主要劃分出3類，即去向單位權(quán)值在5左右、在10左右和在15左右的3個就業(yè)群組，其中值得注意的是一部分學生的課程學習績點低于4，但就業(yè)單位的權(quán)值反倒相對較高。為探究其原因，我們構(gòu)建圖5競賽權(quán)值與去向單位的權(quán)值散點圖，在該圖中，可進一步發(fā)現(xiàn)其中聚類將部分的點歸為一類，此類學生的去向單位明顯受到競賽成績的影響，說明就業(yè)單位較為看重學生的專業(yè)能力和競賽成績。將圖5中的散點擬合成一條曲線，如圖6所示，可以看到，獲得競賽成績的學生，去向單位的權(quán)值是偏高的并且曲線呈上升趨勢，也就意味著競賽獲獎學生的就業(yè)能力能得到有效提升，具有明顯更優(yōu)的就業(yè)前景。

圖4 績點與去向單位權(quán)值聚類散點圖

圖5 競賽權(quán)值與去向單位權(quán)值聚類散點圖

圖6 競賽權(quán)值與去向單位權(quán)值擬合曲線

綜上，我們可以得到如下結(jié)論：依托學科競賽的學生能力培養(yǎng)模式是可行的，參賽學生逐年增多，競賽獲獎學生的綜合能力能得到認可，具有明顯更優(yōu)的就業(yè)前景。

5 結(jié) 語

依托競賽的教學模式，重點在于3方面：①能開闊視野，把握新的發(fā)展動向，結(jié)合競賽的特點，利于進一步完善課程教學體系；②能建立主動學習和團隊合作的機制；③教學過程中具有質(zhì)量保障環(huán)節(jié)。實施該教學模式，可以在很大程度上彌補當前計算機教學中的不足，顯著地提高師生兩方面的綜合素質(zhì)，具有良好的教學質(zhì)量提升效果。后面的研究將繼續(xù)完善該教學模式，豐富并細化其內(nèi)容，為教學研究提供新的可借鑒思路。

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（編輯：宋文婷）

1672-5913(2017)03-0043-05

G642

河海大學2014年小型教學研究項目（河海教務(wù)[2014]31號）。

葉楓，男，講師，研究方向為云計算及數(shù)據(jù)挖掘，yefeng1022@hhu.edu.cn。