地方高校計算機類工程實訓智能化服務模式的研究與實踐

彭 成 ，周曉紅，文 鴻，文志誠，鄧曉軍

（1. 湖南工業大學 計算機學院，湖南 株洲 412007；（2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

隨著新工科[1]時代的到來，中國高等教育與工程人才培養必須符合產業結構升級和地方經濟發展的需要。特別是計算機技術在大數據[2]、云計算[3]、智能制造[3]等行業的普遍應用，以工程能力創新為核心的計算機類人才需求變得十分龐大，地方高校計算機類專業正面臨人才培養轉型帶來的嚴峻挑戰。這決定了相關學科的計算機工程人才培養體系必須適應全球智能化工業發展的需要，也決定了地方高校工程教育人才培養模式[4]的徹底改革與轉型。新工科時代給計算機專業人才提出新的能力需求的同時，也給現有的工程教育教學方法帶來了革命性的變化。在這樣的背景下，計算機專業人才工程能力培養面臨諸多新問題，主要表現在以下幾個方面。

1）學生實訓難。

目前，實踐訓練難以靈活實施，難以構建符合教學需要的軟件開發與運行環境；學生難以學習和體驗真實軟件項目的開發流程，難以應用計算思維思考和解決專業中存在的問題，對學生工程能力提升十分有限。因此，通過智能化手段提升實訓過程的合理性、科學性、有效性是亟待解決的關鍵問題。

2）學生工程能力評測難。

學生工程能力評測工作是監督和指導工程實訓的重要措施，是實訓教學的重要組成部分。學生工程能力評價方法的選擇和評價體系的構建關系到評價結果是否客觀、可靠以及能否指導日后的實訓工作的改進。因此，如何評估學生項目的完成情況，如何證明學生具備復雜工程項目的開發能力，也是亟待解決的關鍵問題。

3）學生工程素養不強。

目前，地方高校計算機類專業工程實訓教學中對學生的工程能力培養尚未形成完整體系，學生工程素養不強，工程教育理念沒有完全嵌入專業教育體系，沒有形成工程實訓教育課程體系，缺乏保證工程實訓教育環境形成的體制、機制和模式，工程實訓教育難以有效開展。

因此，以工程實訓智能化培養為目標的計算機工程專業實踐教學平臺與體系的創新，是當前地方高校工程教育升級的主要途徑，亟待從培養體制上尋求新的突破，以確保人才的技術技能培養符合“產教結合與智慧教育”新興產業發展需要。

1 工程實訓現狀及分析

國外在相應工程實訓體系構建上起步較早，目前關于實訓模式的研究，大都從廣義的實訓（即實踐教學的角度）進行總結和界定，形成了一些比較成功的實訓教學模式。例如美國混合學習[5](Blended Learning)是高校工程實訓重要的發展趨勢，成為工程實訓教育領域的研究熱點,并被大量運用到學校教育和企業培訓中；德國的雙元制模式[6]以企業為主導，注重實踐過程管理；澳大利亞的技術與繼續教育TAFE（Technical and Further Education）實訓模式[7]；英國的三明治實訓模式[8]主張理論學習與生產勞動交替進行；新加坡的教學工廠實訓模式[9]實訓的場所在校內，采用全真化的工作過程。

這些國外先進的教學理念與模式從不同的角度和層次對工程實訓進行了理論研究和實踐探索，對國內生產性實訓模式研究與實踐具有借鑒作用和理論價值，但其實訓環境固化，工程項目實訓內容缺少更新，對工程能力的度量主觀性較大。

國內在多年工程實訓改革的基礎上，也提出了一些具有特色、符合我國高校實際的實訓模式，如沈陽建筑大學工程管理專業提出的夾層制實訓教學模式[10]；廣東工業大學將生產運作管理的“6S管理”[11]方法引入高等學校工程訓練中心日常管理與建設；湖北汽車工業學院將CDIO（構思—設計—實現—運作）[12]工程教育模式運用到計算機等相關專業人才的培養；哈爾濱理工大學探討將軟件企業普遍采用的CMMI[13]（Capability Maturity Model Integration）即軟件能力成熟度集成模型管理理念運用到軟件工程專業實訓教學管理過程中；南華大學和電子科技大學等高校結合混合學習方法，充分利用網絡實訓平臺、MOOCs 與威客平臺等各種網絡媒介。近期，國防科技大學在國內率先建立了集實訓、課堂和競賽為一體的互聯網教學平臺，為廣大師生、編程愛好者、企業員工等提供便捷的學習資源；浙大推出網新仿真實訓平臺，培訓所選項目案例均為企業真實的中高端精選項目，極具代表性、實戰性，涉及的知識點多、深、新。

國內非常重視實訓模式的研究，并通過長期的探索實踐，逐步將國外實訓教育模式優化改進，進而滿足自身實訓教育的需求。然而，還存在諸多問題需要進一步研究和解決。

2 構建智能化服務模式體系

2.1 多元化分層育人模式構建

以學生工程實踐能力的“三要素”（工程意識、工程技能、工程素養）為核心，以智能化工程實訓的“四類型”（開發式的課程實驗、項目驅動的綜合性實踐、面向實際應用的項目研發、面向行業需求的工程實踐）為基礎，以工程素質培養的“二層次”（多元化工程知識獲取、專業深入的工程技能培養）為主線，建立特色鮮明的“三四二”計算機類工程能力培養模式，見圖1。

圖1 多元化分層育人模式

2.2 實訓課程體系建設與內容改革

以專業基礎、專業方向、公共選修、綜合實踐的計算機類專業四大實踐課程為基礎，依據“專業興趣→基本技能→專業能力→工程應用”不同層級的能力目標，建設工程能力訓練為主線的計算機類專業課程群，見圖2，在專業和工程實踐的基礎上對學生進行多方面的能力訓練。本課程群不是單學科單一的課程實驗，它覆蓋了計算機科學、信息科學、信息工程、軟件工程、統計學、物聯網技術等多個學科，集合了C、C++、Java、ASP、數據結構、數據庫原理、多媒體技術等語言類課程的課程群體系。

圖2 以工程能力訓練為主線的計算機類專業課程群

結合行業應用需求及時反饋到理論教學、實驗、課程設計、生產實習和畢業設計等教學環節中，形成“通用案例教學（實驗、理論課程）—課程知識應用提升（課程設計）—專業技能綜合實踐（生產實習、畢業設計）”環環相扣逐步加強的應用型課程教學內容體系，見圖3。學生在綜合實踐環節中，通過選擇不同的行業工程應用可實現企業實際崗位“一站式”的人才培養，達到“橫廣”（項目實施完成后，可提供多個供學生選擇的應用行業）和“縱深”（學生選擇一個行業典型應用，強化某方面的能力）的有機統一。

2.3 實訓評價指標體系構建

對智能實訓平臺系統進行指標抽取，列出指標樹，并統計分析。按照不同的指向層面，指標分為3個層次，梳理影響實訓過程的影響因子，明確列出各指標，形成實訓評估指標體系。該評估指標體系共有3個一級指標、6個二級指標和10個觀測點(見表1)。

圖3 面向行業應用的計算機類專業教學內容體系

表1 實訓效果評估指標體系

通過對實訓評估指標體系的10個觀測點進行整理、歸納，利用自定義查詢、統計和后臺數據庫搭建等方法，對指標進行集中查詢、統計分析與跟蹤，設置對應指標權重，通過算法自動計算定量評估結果，由此形成實訓教學質量水平評估包。

3 智能服務體系實踐

3.1 工程實訓智能化服務平臺

采用“立標桿、樹典型、以點帶面提升學生的工程能力和素養”的培養理念，將有限的資源投入工程實訓平臺，讓平臺來承載學校、企業、教師和學生的利益訴求。圖4為工程實訓智能化服務平臺系統，該平臺將為工程實踐提供真實的生產環境，可降低實訓內容制作與運營成本，自動評測學員的工程開發能力。

圖4 計算機類工程實訓智能化服務平臺架構

該平臺是一種新型工程人才培養服務環境，通過提供各種實訓項目將高校和企業的工程人才培養活動有機地結合起來。

院校的工程實訓活動能為計算機類相關專業提供配套的在線實訓項目，全面提升學生的工程實踐能力，提高教師的工程實訓效率和效果，推動院校在創新型和工程型人才培養方面的快速變革與升級。平臺包括3個層次：平臺層、內容層、業務層。

業務層為教師和學生提供通用教學工具、計算機類工程實訓服務、網校服務、人才數據服務以及直播等交流互動服務。其中實訓服務通過實訓項目為學生提供覆蓋知識學習、編程、配置、操作、評測等各種實訓服務。

內容層主要提供計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、信息安全等專家的實訓項目。平臺將匯聚大量優秀教師，教師與平臺合作建設一批高品質實訓項目，對全面提升學生的專業水平和工程能力具有重要價值。

平臺層負責制作和管理不同類型的實訓支撐環境，每個實訓支撐環境能夠支持特定類型的實訓活動，比如安裝和配置Spark的實訓環境可以支持Spark相關的大數據實訓。此外，平臺層還需要提供各種評測服務，用以在不同的實訓環境中對學生的工程實訓活動進行評估，準確度量學生的工程實踐能力。

3.2 實訓效果

以計算機科學與技術專業的程序設計與軟件開發類實驗為研究對象，學習者進入實驗任務的實訓路徑見圖5。具體流程包括：第一步，學習者根據自己的興趣、掌握的基本技能、未來預計從事的職業及所在專業選擇適當的實訓項目開展實訓；第二步，進入實訓平臺，開始實訓；第三步，實訓過程中，如果需要補充相應基本原理和基礎知識，可以隨時查閱學習；第四步，根據系統給出的實訓案例，完成實訓；第五步，結合實際應用場景，在工業級環境中實戰；最后，實訓完成后，實時反饋學習者實驗結果及實訓過程中需要加強的學習點及學習提示。

以學習者選擇“MySQL數據庫編程開發”為實驗主題進行實驗任務活動為例，當學習者進行“MySQL數據庫編程開發”的實驗主題后，項目簡介主要介紹本主題實訓包括的內容，從數據庫連接、數據庫實例與數據表的創建、數據記錄的增刪查改等方面進行介紹，共設置了7個關卡培養和考核學員數據庫應用開發能力，具體包括：第1關，數據庫連接與實例創建；第2關，數據表的創建；第3關，數據查詢操作；第4關，數據庫的插入操作；第5關，數據表的刪除操作；第6關，數據表的更新操作 ；第7關，數據庫的應用。

圖5 實訓路徑

經過一段時間的運行，系統自動收集用戶行為數據，可以查看每日的新增用戶、活躍用戶以及啟動數，并進行數據分析。系統活躍度數據展示的是DAU（日活躍用戶），這類數據可以直觀地反映用戶活躍性的趨勢。用戶畫像可以清晰地反映出加入平臺進行實訓的男女比例、年齡分布、地域分布、應用偏好等數據，根據這些數據可以進一步優化和擴展平臺功能。

4 結 語

筆者結合實際的工程教學經驗，提出了面向地方高校計算機專業人才工程實訓培養方案，在課程體系構建、教學方法改革、保障措施等方面進行了研究和探索，基于此將所有實訓環境轉移到云端，通過在線方式為廣大終端用戶提供智能化、個性化的實訓服務，為高校計算機類工程人才培養提供一個全方位的在線學習、實時評測、個性定制的大規模工程實訓服務平臺。下一步重點工作將基于高校應用場景，結合企業的實際應用需求構建更大規模的實訓平臺，為深層次提升教育信息化基礎設施功能和性能、為下一代工程實訓公共服務平臺提供核心技術支持。希望本文的研究能為“新工科教育”與“智慧教育”的有機結合提供一種發展思路和有益參考。