建設教學云平臺 構建計算機工程技術實踐能力培養體系

鄒茂揚 王鐵軍?何嘉?方睿?魏維

摘 要：成都信息工程大學計算機學院根據雙循環機制運行的結果得出，學生的工程技術實踐能力與企業需求存在差距最大的三方面是：系統思維，對社會、企業和商業環境的認知以及系統實施能力。針對問題，我們逐步構建了計算機工程技術實踐能力培養體系，并建設了具有自主知識產權的教學云平臺。這個體系符合CDIO和專業認證的指導思想，運行5年后取得了良好的效果。

關鍵詞：OBE；工程技術實踐能力；教學云平臺；計算機專業

一、引言

最近幾年得到廣泛認可的“Outcome-Based Education”（OBE）教育模式真正做到了“以生為本”，它明確學生在畢業時應達到的能力以及今后數年內能達到的水平，是以產出為驅動而非內容為驅動的教育模式[1]。美國學者Spady在《基于產出的教育模式：爭議與答案》一書中將OBE定義為“清晰地聚焦和組織教育系統，使之圍繞確保學生獲得在未來生活中獲得實質性成功的經驗”[2]。有學者指出實施OBE教育模式主要有四個步驟：定義學習結果，實現學習結果，評估學習結果和應用學習評估結果[3]。

成都信息工程大學計算機學院的計算機科學與技術專業是“卓越工程師教育培養計劃”首批試點專業，自2010年始，以OBE為指導思想，計算機學院進行了七年基于CDIO的改革[4-6]，進行了兩年的專業認證準備[7-8]。期間，計算機學院建立了雙循環機制，通過行業需求確定培養目標，完善培養方案，根據內外循環計算畢業要求達成度，分析統計結果，發現實施過程的問題，進行螺旋形的持續改進。經過多年建設，針對如何培養二本院校學生的計算機工程技術實踐能力，形成了一套具有特色的培養體系。

該體系的特點是：分解培養目標，落地到從通識工程實踐到復雜工程的數個培養環節；打通第一、第二課堂的學分互換機制，為學生提供更多個體化的體驗，鼓勵學生多元化發展。此外，建設了具有自主知識產權的教學云平臺，為工程實踐能力培養體系的實施奠定了硬件基礎。

二、基于OBE思想，通過雙循環發現問題，改進優化培養體系

我院建立并實施了基于OBE思想的雙循環機制，以期逐步縮小畢業生的產出與工程技術人才實踐能力需求之間的差距。在雙循環機制中，發現和分析問題的數據來源是多樣化的，如圖1所示。目前，我院進行了3輪用人單位、重點單位回訪，連續6年進行畢業生調查，搜集了大量外部反饋信息作為修訂培養目標和課程體系的依據；同時，內部根據達成度計算和各種監控、反饋，定位我們生源的特點，診斷培養過程存在的問題，促進培養體系的調整。

根據雙循環運行的結果，在學生的計算機工程技術實踐能力方面，我們發現學生能力與企業需求存在差距最大的三個方面是：系統思維，對社會、企業和商業環境的認知，系統實施能力。經過論證分析，主要原因如下：

（1）課程之間沒有對承上啟下進行最優的一體化設計，雖然有工程實踐課程對知識點進行融會貫通，但是應該從最小實踐單元——實驗這個層面整體考慮，形成課程群落，全面支撐培養目標。

（2）實踐環節對企業、商業環境考慮不足，缺乏企業深入參與的機制。

（3）傳統實踐教學環境單一，對環境要求高的實驗實施效果不好甚至無法實施；此外，針對工程化的項目，無法提供企業級的研發環境，對學生的項目管理訓練也不足。

三、基于教學云平臺的計算機工程技術實踐能力培養體系

針對實踐教學體系中存在的主要問題，我們提出了解決方案，如圖2所示。

在圖2的上部，以OBE為導向重構實踐體系，對第一、第二課堂進行一體化設計，分四個層次逐步培養學生實踐能力，分別是課程實驗—綜合實踐項目—復雜工程項目—孵化項目。四個層次共承載了13條培養目標，每一個層次的培養的目標和重點不同，每一個層次根據其承載的培養目標進行具體的方案設計。

在圖2的下部，為了使上層的實踐能力培養體系能夠順利實施，我們歷時七年研發了教學云平臺。它是我院科研成果在教育領域的應用，具有自主知識產權，曾經在2016年獲得省科技進步二等獎，其底層框架在2013年獲得省科技進步一等獎。它除了能夠提供分布式資源調度，復雜的實驗教學環境外，還能提供實驗教學管理、企業級項目仿真環境和項目過程的管理。

四、體系的實施

1.建設軟環境

Berglund等人研究了實踐與理論之間的關系[9]。研究顯示在實踐中學習時，如果沒有完全明白結果為何如此，會促使學生求助于書籍中的原理。所以，我們特別強調實踐環節的設計，促進知識的融會貫通和探索。以下闡述我院對第一、第二課堂進行一體化設計，以四個層次逐步加強學生的工程實踐能力，在實施的時候，這四個層次在時間上不是嚴格分開的，而是有所交叉。

（1）第一層次：通識工程實驗和專業課程實驗。通識工程實驗引導學生建立通識工程能力。在“工程導論”等課程中設計了紙橋、廢物改造等實驗，這些實驗都淡化了專業概念，根據其實驗內容不同，分別承載了不同的通識工程能力培養目標。專業課程實驗引導學生掌握基本的專業技能。根據培養目標，我院設計了實驗課程群，包括以問題求解為主線的算法實驗課程群、以軟件系統研發為主線的java實驗課程群和.net實驗課程群、以先進IT技術為主線的大數據實驗課程群和并行計算實驗課程群，將部分實驗融會貫通，重構專業課程實驗。如“數據庫原理及應用”的實驗（設計數據庫）和“Web編程技術”的實驗（訪問數據庫）使用同一個用戶數據庫。

（2）第二層次：綜合實踐項目。以課程群為主線，設計綜合實踐項目，仿真企業環境，逐步引導學生融會貫通專業知識，提高綜合實踐能力。

大學教育需要提供給學生更多的個體化經驗。為了滿足個體發展需求，將發生十分有挑戰的變化[10]。所以，我們重構了第一、二課堂，對他們進行一體化設計，不僅在知識體系和技能上，第二課堂對第一課堂進行了拓展，而且通過第二課堂與選修課的學分置換機制，鼓勵大多數學生個體化發展，彌補了原來第二課堂學生參與度低、覆蓋面窄的缺陷，如圖3左部所示。

在第一課堂中，分方向按知識體系各自設計了三個工程實踐課程。工程實踐課程用一個例子貫穿相關課程，如工程實踐案例“氣象信息網絡系統”貫穿“數據庫原理及應用”“計算機網絡”“Web應用開發技術”等課程。

第二課堂基于3個國家級工程實踐教育中心、1個創新實踐工作室、7個實訓基地開展綜合實踐項目訓練。3個國家級工程實踐教育中心是分別與DELL（中國）有限公司、北京中軟國際信息技術有限公司、廣州周立功單片機發展有限公司共同構建的。創新實踐工作室的項目是由學生團隊主動提出，經過可行性驗證的項目和參加全國性比賽的項目。這三種機構的關系是在項目技術方向上互為補充，它們的項目案例完全覆蓋了計算機兩個專業的三個培養方向。

（3）第三層次：復雜工程項目。Association for Computing Machinery （ACM） and IEEE Computer Society提出：課程體系應該多給學生涉及社會、企業和商業環境的經歷[11]。所以，我們在第三個層次要具備完成復雜工程項目的能力。復雜工程項目是在社會環境下，涉及多方面的技術、工程和其他因素的項目，具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。第三層次的設計如圖3右部所示。

第一課堂按培養方向各自設計了三個工程實踐課程，加上畢業實習、畢業設計，分別在第五到第八學期實施，要求所有學生均要完成。

第二課堂的項目特色是真實工程項目，負有一定的商業責任，分別在項目工廠、校企聯合開放實驗室中實施。

項目工廠的項目來自教師的橫向和縱向科研項目，校友企業導師的項目。校友企業導師制是體系的特色之一，是可復制的機制。多年來學院一直邀請企業導師參與學生培養各個環節，但由于存在企業導師對我們的學生狀態、培養方案的內涵等認識不足，雙方利益存在隱形沖突等問題，企業導師無法深度介入。我們率先建立校友企業導師制，大家共懷“成信人”的情懷，優秀校友參與培養方案的制訂，帶公司實際項目進校園，實施項目管理和培養學生。

校企聯合開放實驗室是我院與DELL（中國）公司共建云計算聯合開放實驗室，按照公司模式運作，它延續了國家工程實踐中心（DELL）對學生的培養，以員工“老帶新”的方式培養學生。

（4）第四層次：孵化項目。在第二、三層次中實施的項目成果如具有商業潛在價值，將被遴選進第四階段進行項目孵化。目前共孵化成功三個項目，分別是成都青檸互動科技有限公司、成都摩通科技有限公司、成都有視科技有限公司。

2.自主研發硬環境

我院科研團隊通過七年的自主創新，成功研制出安全的、具有完全自主知識產權的、可替代傳統個人電腦的下一代虛擬桌面系統產品——大規模安全虛擬云桌面系統。在此基礎上，結合高校教學實際需求，研發出教學云平臺，從以下三方面對學生實踐能力培養提供支撐。

基于虛擬化技術，為計算機課程提供實驗環境，能夠覆蓋軟件類所有課程，其特點是高效、節約資源；它還有一個優勢是能夠為復雜實驗環境的教學內容提供支撐，這一點是原來的實驗環境難以做到的。如對“軟件測試技術”和“Linux操作系統實驗”等對環境要求復雜的課程提供支持。

可以建設教學私有云，模擬不同的企業研發環境，為工程實踐、實訓基地、國家級工程實踐教育中心、創新實踐工作室、項目工廠、校企聯合開放實驗室提供硬件支撐。

管理實踐教學過程，能夠提供實驗課程安排、實驗過程控制、工程項目管理等功能。

該平臺獲得16項與技術創新密切相關的國家發明專利，軟件著作權11項，并得到第三方測試機構、行業主管部門等的確認。科技成果鑒定專家指出：項目主要技術指標及系統功能達到國際同類產品的先進水平，部分性能指標超過了當前國際同類先進產品的水平；關鍵技術安全可控，可替代國外同類產品。

五、實施效果

該體系試點后全部推開在5個年級、36個班級進行了實施。經過該體系培養的學生參加科技競賽，獲得國家級獎項9項，省級獎項53項，申報創新創業活動45項，獲得軟件著作權11項。

在近幾年麥可思公司對我校畢業學生的跟蹤調研中，我校計算機專業學生的就業能力和就業質量連續三年位居全省省屬高校前列。此外，值得一提的是支撐實踐教學的教學云平臺除了在本校應用以外，在1個教育局、6家高校的相關部門都有推廣應用，已經部署了幾千個節點，取得了良好的社會效益。

參考文獻：

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[3] Acharya C. Outcome-based education （OBE）： A new paradigm for learning[J]. Centre for Development of Teaching and Learning （Singapore）， 2003， 7（3）.

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[9] Berglund A， Eckerdal A. Learning Practice and Theory in Programming Education： Students' Lived Experience[C]. International Conference on Learning and Teaching in Computing and Engineering. IEEE， 2015：180-186.

[10] Joint Task Force on Computing Curricula， Association for Computing Machinery （ACM） and IEEE Computer Society. Computer Science Curricula 2013： Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Science[M]. ACM， 2013.

[11] Pears A. Envisioning the Education of the Future[J]. Paper Sessions， 2015： 44.

[責任編輯：余大品]