面向新工科的軟件工程實踐教學體系研究

齊蘇敏，公冶小燕

（曲阜師范大學網絡空間安全學院，山東曲阜 273165）

0 引言

2017 年教育部高等教育司發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6 號），倡導工程專業人才培養新理念、新結構、新體系、新質量、新模式。新工科建設的本質是培養創新型人才，而實踐教學是培養學生創新能力的重要途徑。

創新能力培養是新工科人才培養的核心。江蘇大學同多所國際高校合作，將傳統課堂教學與現代多媒體網絡教學相結合，創建了“團隊體驗式的工程創新能力培養模式”［1］；西安交通大學構建了“三位一體”專業實踐教學平臺，創建“分層次、問題驅動、學科交叉”的教學模式［2］；天津理工大學提出通過項目促進和科研帶動培養學生工程能力的教學模式［3］；張吉軍［4］從大學生就業能力提升角度探索了新工科的人才培養模式。

軟件工程是工科專業，教學過程的核心是強化工程實踐能力、工程設計能力、工程創新能力。廣東第二師范大學軟件工程專業作為首批進行工程教育認證的試點專業，提出了軟件工程專業建設新提案，包括改變教育觀念、提煉新理念、創新培養模式等專業建設提案［5］；吉林大學基于軟件開發平臺的工程教育模式，組建工程化多層次綜合師資隊伍，完善課程評價體系，組織項目設計與開發，激發學習興趣，提高復雜軟件工程問題的解決能力［6］；謝雅等［7］從學習資源庫、教學團隊、角色課堂和評價體系4 個方面構建四位一體的教學模式，全方面提高學生的項目開發實踐能力；郭詠梅等［8］提出以培養應用型人才為目標，突出能力培養主線的實踐教學理念；余天佐等［9］以全國示范性軟件工程專業為例，從專業培養目標、學習結果、課程、教學、評價等多個角度推進工程專業的持續改進；肖輝輝等［10］提出基于深度校企合作環境的軟件工程專業人才培養模式。

筆者學校于2014 年開設軟件工程專業并成立軟件學院，創建多種實踐教學資源，如實驗中心、實訓平臺、實訓中心、創新創業基地、校企聯合實訓基地等。然而，這些實踐教學資源管理分散，實驗體系不完善，教學層次不清晰，教學資源不能有效加以利用。面向新工科的實踐教育體系改革是軟件工程專業自身發展的必由之路。

本文針對學院軟件工程專業的實踐教育現狀，研究面向新工科的軟件工程實踐教育體系。建設由基礎實驗、專業實驗、綜合實驗、創新實驗4 個層次構成的實踐教學平臺，構建面向全體師生，體現自主性、開放性、創新性的實驗體系。充分利用4 大實踐教學平臺，形成由“案例分析—課程設計—專項實訓—綜合實訓—創新教育”等環節組成的工程化實踐教學體系。基于4 大實踐教學平臺設計了由項目教學、案例教學、分組教學、網絡教學與實戰教學等5種方式組成的“五位一體”實踐教學方法。

1 軟件工程實踐教學體系現狀

（1）傳統實踐教學是對課程知識點的驗證。傳統的專業課程理論性較強，實踐內容較少，學生達到了專業理論的基本要求，但沒有達到實踐能力基本要求，無法滿足社會和市場需求。課程實踐內容一般僅僅針對教材，而實踐教學只是對課程知識的一個驗證，沒有相應的工程支撐，學生難以形成綜合運用知識解決問題的能力。

（2）各個專業課程的實踐教學內容之間缺少交融。一些專業課的實踐內容僅僅針對本課程進行設計，忽略了課程之間的聯系，未將多門緊密聯系的專業課程實踐教學內容組成一個有機整體。

（3）綜合性與設計型實踐教學內容比重較小。由于傳統教學方法的影響以及學時數、課程自身特點限制，傳統課程后期的綜合性與設計型實踐教學內容一般比較簡單、比重較小，無法達到訓練學生綜合應用能力的目的。

（4）學生的編程興趣和信心不足。傳統教學中，花費很多學時講解程序設計的語法，上機練習機會少，理論作業偏多，實際操作偏少；缺乏案例分析，初次接觸編程的低年級學生不易編程上手。學生在實踐過程中經常遇到問題但沒有得到及時解決，而課下又不能回看教師講授的實踐教學過程，容易挫傷學習積極性。在后面幾年的專業課程學習中習慣性地回避動手實踐，甚至對專業失去興趣。

2 實踐教學體系建設目標

（1）面向新工科需求構建軟件工程專業新結構，實現實踐教學5 大轉變。在網絡和計算機普及時代，軟件工程的實驗環境建設應該由機房建設轉變為資源建設；實驗操作模式應該由單機實驗轉變為系統性實驗；評價機制應該由機時數量轉變為資源數量和利用率；實驗手段應該由提供上機操作環境轉變為提供實虛結合的實驗室服務；實驗目的應該由驗證與考核轉變為興趣培養與研究創新。

（2）依據新工科人才培養教育理念更新軟件工程專業知識體系，實現工程實踐能力的多角度、多方面培養。軟件工程人才培養應該依據新工科人才培養教育理念，與IT企業協同發展，及時更新軟件工程專業知識體系，指導學生開展工程實踐活動，結合軟件開發的實際過程進行畢業設計，參與企業技術創新和工程開發。通過企業工程師參與人才培養，強化校企合作的實訓教學，啟發學生的科研創新思維，突出創新能力培養，提升工程實踐能力。

（3）依據新工科人才培養的核心目標創新軟件工程實踐教育方式和手段，推行“做、學、研”相結合的教學方法改革。軟件工程人才培養的核心目標是創新能力培養。堅持實驗、實踐、科研、創新相結合，將人才培養周期中的實踐環節有機融合，強化學生的工程能力，培養學生的工程素養，培育學生的創新精神，推進實踐教育體系改革，使學生由被動學習轉變為自主學習。

3 實踐教學體系建設

對實踐教學資源進行整合，重組知識結構，優化建設4大實踐教學平臺，構建面向全體師生體現自主性、開放性、創新性的實驗教學體系，如圖1 所示。該體系打破了原有的分散實驗室建制，將分散、獨立的實驗實踐教學單位進行整合和體系化，建設由基礎實驗、專業實驗、綜合實驗及創新實驗等4 個層次的一體化軟件工程實踐教學平臺。

圖1 軟件工程專業實驗體系

3.1 基于基礎實驗平臺的實驗項目設計

組織學院基礎課程教師與合作企業工程師設計軟件工程實驗項目，將所有項目添加到基礎實驗教學平臺，實行規范化統一管理。

學院基礎實驗課程包括計算機系統概論、程序設計基礎、面向對象程序設計、數據結構、操作系統、算法設計與分析等軟件基礎實驗課程，數字邏輯電路、模擬電路、計算機網絡、計算機組成原理等硬件基礎實驗課程。這些課程培養軟件工程人才通識教育，培養學生的基本技能和基本實踐能力。

基于基礎實驗平臺的實驗項目設計與完善采用課程組負責制，由課程組負責完成，學院只需定期抽查并定期向學生調研。實行規范化的統一管理，夯實實驗基礎，拓寬學生知識面，強化基礎技能訓練。

3.2 基于專業實驗平臺的實驗項目設計

組織專業課教師與合作企業工程師共同設計實驗項目，將所有項目添加到實踐教學平臺，統一實行規范化管理。

專業方向實驗室包括軟件實驗室、網絡實驗室、信息安全實驗室、數據科學實驗室等。這些專業課程實驗注重培養學生在本專業領域的綜合技能和創新能力，提高學生的專業認知能力和工程實踐能力，激發科研興趣，增強研究能力和專業擴展能力。

基于專業實驗平臺的實驗項目設計與完善采用課程組負責制。搭建仿真實驗環境，組織學生完成專業實驗，教師隨時隨地進入實驗平臺對實驗項目進行管理，上傳實驗方法與科研成果；學生可隨時隨地觀看實驗操作過程，在仿真實驗環境中完成專業實驗，并獲取教師在線指導，促進自主學習。

3.3 基于綜合實驗平臺的綜合實驗項目設計

與國際高端軟件企業共建軟件人才實訓基地，企業選派有經驗的軟件工程師作為指導團隊，研究基于校企合作實訓平臺的綜合實驗項目設計，并將所有項目添加到實踐教學平臺，實行規范化統一管理。

綜合實驗在本科四年級實訓教學中完成。在真實的企業環境中參與真實的項目工作，由經驗豐富的企業員工擔任項目經理，按照軟件開發流程對學生進行指導，讓學生真實體驗標準項目在企業的完成過程。綜合實驗平臺能夠對實訓項目進行統一管理與監督，并與企業合作進行實時監控與考核，防止學生空報實訓成績，切實培養學生的實踐能力。

3.4 基于創新實驗平臺的教學案例設計

構建大學生創新實驗平臺，設計創新創業實踐平臺教學案例，提升大學生創新創業能力。該平臺包含創新創業中心、高新技術展示中心等部分。

創新創業中心教學案例設計，讓學生通過參與各類軟件工程專業的國內外競賽或相關創業引導，在團隊合作、團隊管理、創意激發、項目開發、創業實踐等各方面得到鍛煉，培養創新思維。

高新技術展示中心由高新技術體驗區、自主研發產品體驗區等部分組成。將軟件行業的最新理念、尖端技術、高新產品引入校園，讓學生感受當代高科技帶來的沖擊，激發學生對科技創新的興趣，實現自主實踐、自主創新、自主創業。

4 工程化實踐教學體系建設

面向工科能力培養設計軟件工程專業基礎理論體系及專業課程大綱。基于“大實踐”觀［11］，即將人才培養周期中所有實踐環節有機融合，充分利用4 大實踐教學平臺形成工程化實踐教學體系，如圖2 所示。該體系強化學生系統工程能力培養，重視低年級學生編程能力及興趣培養，設置程序設計語言案例分析，解析語言典型應用，引導高年級學生參加ACM 等國際國內大賽，構建由案例分析—課程設計—專項實訓—綜合實訓—創新教育基本環節組成的循序漸進的工程化實踐教學體系，使學生的實踐能力和創新能力逐步得到提升。

圖2 軟件工程實踐教學體系

5 面向工科能力培養的實踐教學方法設計

面向工科能力培養，研究軟件工程學科發展，基于4 大實踐教學平臺設計如圖3 所示的“五位一體”實踐教學方法。通過項目教學、案例教學、分組教學、網絡教學與實戰教學等5 種方式，推進“做、學、研”相結合，實現“做中學、學中研、研中創”。

圖3 “五位一體”實踐教學方法

項目教學指軟件工程的專業課程教學以實際項目為導向，采用任務驅動方式，以培養學生分析與解決問題的能力為目標安排教學內容。案例教學指教學中依據典型案例采用任務驅動式教學。分組教學指教師組織學生分組學習，培養學生的團隊協作能力。網絡教學指教師指導學生充分利用教學平臺與課程網站數字化資源開展教學，使學生在課下也能反復觀看教學過程。實戰教學指將網絡教學的模擬成果應用到實踐中，開展基于真實任務的綜合實訓教學。

6 防疫期間基于實踐教學平臺的遠程教學

2020 年2 月，面對突如其來的疫情，高等院校教學模式由線下教學轉變為線上教學。曲阜師范大學網絡空間安全學院所有課程的實踐內容均基于實踐教學平臺實現遠程實踐教學。

基于北京航天航空大學的CG 平臺，學院程序設計課程組歷經1 年時間設計并建立了程序設計類課程所有實驗項目。CG 平臺是全國50 余所高校共建共享的一站式、全自動程序設計教學輔助平臺。學生可在校外通過VPN 賬號遠程登錄平臺，實現實踐教學的遠程管理與控制。

該平臺具備完善的課程管理功能，支持教學全過程；全面的代碼實時評判能力，全面引導學生寫出高質量程序；智能化的相似性檢測可查驗12 種學術抄襲手段；強大的學習追蹤與大數據分析能力，可幫助師生精準定位學習重點與難點。平臺的程序自動實時評判功能如圖4 所示。

圖4 實踐教學平臺程序自動實時評判功能

在平臺上開展專業學習靈活便捷，學生參與度極高，24 小時內平臺評測次數高達9 124 次。統計數據表明，平臺累計總代碼已超過191 萬行，評測37 萬余次，學生平均有效代碼3 198 行，提交率高達97%。

防疫期間，學院采用“教學平臺在線考試+騰訊會議視頻監考+拍攝學生考試圖片”三合一的方式實現課程云考試，啟用IP 地址綁定等在線考試監考措施防止替考，保證了課程考核環節正常進行。

7 結語

面向新工科的實踐教學體系改革是軟件工程專業自身發展的必由之路，對于培養應用型專業人才具有重要的理論和實踐意義。通過構建軟件工程實踐教學體系，建設軟件工程學科實踐教學平臺，研究軟件工程實踐教學方法，能夠實現新工科培養創新型人才的核心目標，對軟件工程專業建設和人才培養具有重要意義。