以開放型實驗室和多層次實驗體系為基礎推動計算機專業本科創新創業教育

劉捷， 池品優

(華南理工大學 計算機科學與工程學院, 廣州 510006)

0 引言

深化高等學校創新創業教育改革，是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效升級的迫切需要，是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量創業就業的重要舉措。黨的十八大對創新創業人才培養做出重要部署，國務院對加強創新創業教育提出明確要求[1]。隨著新一代信息技術的廣泛應用，任何一個領域都和信息技術緊密相關，各行業應用與信息化的深度結合成為了各個領域結構轉型、經濟增長的關鍵途徑，計算機專業也越來越成為一門基礎學科。因此，在計算機科學領域加強高等學校創新創業教育改革，具有更加深遠的意義[2-4]。高校實驗室是創新創業型人才培養的重要基地，華南理工大學計算機科學與工程學院(以下簡稱學院)以培養計算機創新創業人才為目標，以提高學生創新能力、創業意識為核心，在建設開放型實驗室、形成多層次實驗體系、開展探索性實驗、創新創業訓練等方面進行了深入研究和探索，并取得了豐碩的成果。

1 建設開放型實驗室

實驗室是現代大學核心競爭力、學校辦學水平和辦學特色的重要標志，通過建設開放型實驗室，能夠提高硬件資源的使用率，更好地保障教學正常進行，還能夠更好地支撐學生開展創新創業實踐。學院在“信息-設備-時間-空間”四個維度進行了開放型實驗室的探索，自主設計和開發了一系列基于WEB的信息系統或仿真系統，并對相應的安全和責任制度進行了重新修訂。

1.1 信息開放

實驗室的信息包括了場地信息、課程信息、資產信息、設備使用情況等。通過信息開放，師生們可以很容易地查詢到各個實驗室的課程安排情況，各種設備的借用和使用情況，使學生利用空余時間進行創新訓練成為可能。為此，我們自主設計和開發了實驗室預約系統，學生和老師只需要在網上進行操作，就可以快速地查詢和預約所需要的實驗室，提高了實驗室場地的利用率。學院重新修訂了《實驗室預約管理辦法》，對預約的條件和要求進行了補充和完善。

1.2 設備開放

學校購置了大量的專用設備用于本科教學，包括網絡實驗中的各種路由器、交換機，硬件實驗中的各種開發板等。在以前，這些設備的利用率不高，學生和老師僅在實驗課程中使用。通過設備開放，讓學生和老師既隨時可以到實驗室現場操作專用設備，也可以通過網絡遠程連接到硬件模擬仿真系統，提高了專用設備的利用率。學院重新修訂了《實驗室開放管理辦法》，對開放的范圍、內容、流程以及使用人的責任進行了補充和完善。

1.3 時間開放

在信息開發和設備開放的基礎上，建立7x24小時的實驗室全時段開放機制。要實現全時段開放，確保實驗室安全是非常重要的一塊任務，為此學院專門細化了《實驗室安全管理與安全保衛責任》和《計算機學院實驗室專職工作人員值班條列》，明確了實驗員的安全職責、巡查任務、實驗室安全保障流程，并建立了“課后檢查-日常巡查-節前巡查”的安全運行機制。每次課后由安全責任負責人進行安全檢查；每次周末由中心主任和副主任對所有實驗分室進行安全巡查；每次節假日前由學院分管副院長帶頭、中心副主任和實驗室代表參與，對所有實驗室進行節前巡查。

1.4 空間開放

通過NEMS等虛擬技術，建設硬件模擬仿真系統，學生只需通過網絡訪問，即可遠程控制硬件設備，獲得所需的實驗結果。通過虛擬仿真技術，學生可以不限于在實驗室現場開展活動，還可以在宿舍、圖書館等地方開展團隊創新活動。

為了實現以上四個維度的開放，我們設計和開發了一系列基于WEB的信息系統和仿真教學系統，包括實驗室預約系統、資產管理系統、網絡教學輔助系統、在線教學及測試系統。

實驗室預約系統支持按日期和場地組合查詢實驗室的排課情況，包括課程信息、上課班級、專業、人數、任課教師等，查詢實驗室設備情況，預約空余時間段進行排課，查詢實驗室使用率等。功能模塊圖如圖1。

資產管理系統支持查詢實驗室中的專用設備信息，包括配置情況、購買日期等，借用和歸還設備，查詢設備使用率和借用記錄等。功能模塊圖如圖2所示。

網絡教學輔助系統是一個專業的網絡實驗管理平臺，可以對實驗教學、實驗學員、實驗設備集中統一管理。針對網絡實驗生命周期(實驗定義、實驗準備、實驗過程、實驗結果)提供完整的智能的管理。教師可以通過系統進行實驗的定制、實驗環境部署和實驗過程的管理、監控，完成實驗環境的快速部屬、恢復，以及獲取、驗證實驗結果等工作，學生可以通過系統進行具體的實驗。系統拓撲圖如圖3所示。

圖1 實驗室預約系統功能模塊圖

圖2 資產管理系統功能模塊圖

在線教學及測試系統支持學生在線學習、在線作業、在線實驗、在線測試等。功能模塊圖如圖4所示。

開放型實驗室的建設，有助于學生們協調課堂學習與創新創業訓練的時間安排，有助于保障學生創新創業訓練的研究和開發進度，有助于提高設備利用率，因此得到了學院師生的一致好評。

2 健全多層次實驗體系

為了更好地培養學生動手能力和創新能力，學院構建了“演示-驗證-設計-探索”四個層次的實驗體系。

演示性實驗是指以老師為主，圍繞課本中的某個知識點，為了更直觀地向學生演示理論知識、加深學生感性認識，向學生進行展示的過程，主要目標在于提高學生的感性認識。

驗證性實驗是指以學生為主，有學生自己動手完成針對某個或某類知識點所進行的基礎實驗。驗證性實驗僅限于已知領域內，通常由指導教師提前準備實驗內容、實驗技術、實驗方案、實驗步驟，學生根據實驗大綱逐步完成實驗，旨在加深學生對于已知理論的掌握。

圖3 網絡教學輔助系統拓撲圖

圖4 在線教學及測試系統功能模塊圖

設計性實驗是指學生在進行必要的理論學習之后，根據教師的要求，自主設計和實現某一些功能、模塊和系統。設計性實驗需要學生根據指導教師所準備的實驗內容，自主選擇實驗技術、自主設計實驗方案，在教師的指導下完成一定的作品、報告等成果。學生不但需要內化已經學到的知識，還需要建立某些新知識(如逆推出某個理論假設等)，對于學生的知識擴展、逆向推理、工程設計能力有很大的幫助作用。

探索性實驗是指學生接受一個開放性的問題，需要發揮主觀能動性，在課堂教學之外自行了解相關技術、尋找解決方案，創造性地開展創新活動。探索性實驗通常針對未知領域，學生需要自主尋找現實中存在的問題，自主確定實驗內容、自主選擇實驗技術、自主設計實驗方案、自主完成實驗過程，指導教師僅給予大方向上的指導，實驗不保證成功也不對成果進行要求。學生在實驗過程中不僅需要自行補充新知識、內化已經學到的知識，而且有可能產生新知識、創建新理論，對于提升學生的創新能力和創業意識具有非常大的促進作用。

從學生學習角度而言，如下表1所示。

表1 不同類型項目的區別

“演示-驗證-設計-探索”實驗體系是一個難度遞增的體系，需要將不同類型的實驗有機結合起來。通常來說，驗證性實驗大多比較簡單，學生只需根據實驗指導書的步驟即可完成，因此我們需要逐漸減少這一類實驗在實驗課時中的占比，盡量讓學生在空余時間自由完成；設計性實驗包括了各門課程的大作業和課程設計，能夠比較完全地考察學生對于課程知識的掌握程度，因此我們在課程開始的時候就公布題目，便于學生能夠帶著問題去學習，也便于學生自由分配時間去逐步完成；探索性實驗主要基于教師的在研項目和已取得的科研成果，難度上要高于驗證性、設計性實驗內容，學生根據自身情況和興趣報名參與，發揮學生的主觀能動性，自主設計自主完成，在實驗過程中允許學生失敗，主要包括了各等級的學生創新項目和創新競賽。

3 計算機專業本科創新創業教育改革

開放型實驗室和多層次實驗體系作為底層建筑，在硬件和軟件兩個方面為學院更好地開展創新創業教育提供了保障。在此基礎上，學院在競賽與教學相結合、結合教學科研團隊實際研發項目開設探索性實驗、改革課程評價手段、舉辦程序設計競賽、創立大學生創業孵化機制、本科生全導師制、開設實驗主導型課程等方面進行了改革，有力地推動了本科創新創業教育。

圖5 計算機專業本科創新創業教育改革

競賽與教學相結合：在《高級語言程序設計(C++)》、《數據結構》、《算法設計與分析》三門課程中，將ACM競賽模式應用于課程的實驗、作業和測驗中。每一次實驗、作業、考試都相當于1場競賽，采用ACM競賽規則和評價方式。競賽的題目可以取自各導師的科研項目，并沒有標準的解決方案，需要學生在現場根據已學知識設計數據結構和算法，并編程實現。

結合實際研發項目開設探索性實驗：基于教師已取得的科研成果，能反映最新科研成果或實驗技術的發展，適合本科實驗教學且能與專業已開設的理論課程和實驗教學課程體系相融合，突出專業特色。提前制訂出明確的學習績效評價標準，并向學生公布。項目建成后，列入某門實驗課的教學大綱及教學計劃之中，并保證每學年至少開出一次。

開設實驗主導型課程：采用“以實驗為指導、以學生為主體”的方式，把部分計算機課程的教學搬到實驗室進行。如《Web程序設計》、《網絡防御與對抗》、《數字系統創意設計》、《移動應用開發(Android)》等課程，課程講解時間和學生實驗時間基本上各占一半，課程講解著重動手能力的培養，充分體現教學互動。

改革課程評價手段：以課程設計、競賽成績、科研論文、發明專利、軟件著作權、創新項目等替代傳統的考核方式，研究成績轉化規則，形成了一套切實可行的成績評價標準，鼓勵學生開展創新創業活動。

舉辦程序設計競賽：每年4月舉辦春季賽，邀請廣東省內高水平隊伍參加，以組隊賽的形式進行，完全采用ACM-ICPC競賽規則；每年11-12月舉辦冬季賽，面向校內大一和大二的本科生，分為3-4場比賽，以個人賽的形式進行，根據3-4場比賽正確解答題目總數量及總用時決定最終名次。在該項賽事中表現優異的同學將獲得加入計算機學院ACM集訓隊的邀請。

創立大學生創業孵化機制：聘請創業導師、設立專門的創業實踐基地，每年面向全院優選學生創業項目，為項目提供真實的企業基本環境、少量的創業基金支持、必要的創業指導，為學生創業團隊提供全方位的孵化服務。

本科生全導師制：全英創新班、全英聯合班學生大一時進入導師團隊，其它班級學生大二時進入導師團隊。導師主要從學業規劃、科研規劃、職業規劃、人生規劃等方面給予學生指導性意見和建議，引導學生參加科研訓練，有意識地培養學生的創新意識、實踐能力和綜合素質。

建立院級創新項目：學生自主選題、自由申請，學院給予一定的經費支持，針對某個應用方向開展實用性研究和創新。

4 成果展示

華南理工大學計算機科學與工程學院最近幾年在本科生創新創業教育中取得了豐碩的成果。2014年至2017年，獲得廣東省教育教學成果獎和校級教學成果獎各兩次；ACM集訓隊參加ACM國際大學生程序設計競賽亞洲區域賽共獲得金牌13枚、銀牌30枚、銅牌31枚，并連續五年進入全球總決賽，為國內七所高校之一；本科生參與國家大學生創新計劃項目46項、中央高校基本科研業務費本科生自主選題項目 32項、校學生研究計劃100項，經費達132萬；發表近42篇論文(SCI論文5篇)，申請/獲得發明專利、軟件著作權53項。

優秀創業本科生包括2010屆本科畢業生陳第，自主創立國內第一家移動應用廣告平臺——廣州優蜜信息科技有限公司，2013年創收突破一個億，被福布斯評為中國30位30歲以下創業者，2015年首次闖入“福布斯TOP 10中國非上市潛力企業”并于2015年成功上市，項目獲得首屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽亞軍。2013屆本科畢業生黃冠，微課平臺“荔枝微課”創始人，目前平臺已擁有超過 1000 萬的用戶，注冊講師 100 萬人，孵化出月入 10 萬的老師 100 多位，2輪融資金額近億元，項目獲得第三屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽全國總決賽金獎。

5 總結

通過信息開放、設備開放、時間開放、空間開放等手段，建立了開放型實驗室；通過擴大設計性實驗在整個實驗體系中的比重，結合教學科研團隊的實際研發項目，積極開設探索性實驗項目，將驗證性實驗、設計性實驗、探索性實驗有機結合起來，形成了多層次實驗體系。并以開放型實驗室和多層次實驗體系為基礎，實現了科研與教學融合、深化了教學內容和實驗體系改革、提高了本科生實踐創新能力，有力地支撐了計算機專業本科創新創業教育改革，取得了豐碩的成果，對提高學生創新能力、創業意識都有巨大的促進作用。