計算機類本科生解決復雜工程問題能力培養途徑探索
——以“兩貫通六著重”創新實踐項目為例

喬保軍，韓道軍，杜曉玉

（1.河南大學計算機與信息工程學院；2.河南省空間信息處理工程研究中心，河南開封 475004）

0 引言

工程教育認證中所提到的“復雜工程問題”必須是深入工程原理，經過分析才可能得到解決的問題，其涉及多方面技術，而且不是僅靠常用方法即可完全解決，具有較強的綜合性，包含多個相互關聯的子問題［1］。工程教育認證通用標準（2017 年11 月修訂）中有12 條畢業要求，其中8條要求與培養學生解決復雜工程問題的能力相關［2-3］。

我國處于新興產業和新經濟發展的關鍵階段，相對于傳統工科人才，目前更需要實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，這對高等院校的教育理論體系提出了新要求。因此，如何按照工程認證標準的要求，利用學?，F有資源，結合教師與學生的實際情況，培養學生解決復雜工程問題的能力，已成為高校發展和專業建設的焦點問題?！秶鴦赵恨k公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》指出，要形成科學先進、廣泛認同、具有中國特色的創新創業教育理念，形成一批可以推廣、復制的成果，建立健全融課堂教學、自主學習、結合實踐、指導幫扶、文化引領為一體的高校雙創教育體系［4］。創新創業教育是為了適應社會發展和國家戰略規劃需要，以培養具有創業意識的開拓型人才為目標的一種新型教學理念與模式。

在創新能力培養方面，很多高校已展開了實踐研究，如尚鳳軍［5］提出面向復雜工程設計的課程群建設思路；姜瑛等［6］提出構建綜合課程的多維度考核評價機制；江偉等［7］針對地方本科高校的理工專業學生培養現狀，提出“四位一體”實踐教學與大學生創新創業能力培養模式?，F有研究從大學生創新能力和復雜工程問題解決思路等方面進行了較多探索與實踐，取得了一定成果，但是這些專家學者所在的研究機構都是國內發展較好的高校，所研究的對象是學習具有一定自覺性、學習基礎扎實的一類本科生，因此研究成果不適用于普通的二類本科或專科院校，不具備可推廣性。

1 相關研究

目前在工科學生中普遍存在解決復雜工程問題能力不足這一問題［8］，因此很多文獻針對這一問題提出了解決方案，如文獻［9］提出以競賽為抓手，以賽促學，將競賽成果轉化形成相關實踐課程的案例，構建自動化專業面向復雜工程問題解決能力培養的機制與模式；文獻［10］研究了面向培養解決生物工程專業復雜工程問題能力的課程體系；文獻［11］則以Python 課程中的解決復雜工程問題能力培養為研究對象，提出課程設計與實施方案。

從現有研究成果可以看出，越來越多教育機構和學者開始重視解決復雜工程問題能力的培養，但大多僅針對某一課程或者某一專業，尚未提出統一的理論和方法。新工科教育的發展與當前市場對人才的需求尚存在較大差距，主要存在以下問題：

（1）課程體系過于片面和單一。新工科教學以貫穿課程始終的開放式項目和工程問題為核心，營造工作環境，學生在學習基礎知識的同時可綜合運用所學知識解決實際問題。但舊的課程體系大多重理論、輕實踐，考核標準也以試卷考試為主，實驗考核為輔，大學的學習和考核方式仍是高中學習的延續，教師和學生在學習過程中都未建立培養解決復雜工程問題能力的理念。

從實踐角度看，很多高校提高了對大學生創新創業能力培養的重視程度，并將其以選修課和必修課的形式加入到專業教學體系中，以培養學生解決復雜工程問題的能力。但由于課程內容設置得過于片面和單一，致使學生在完成學習任務后，只能在思想層面得到一定教育，而無法將所學知識與實踐活動結合起來。學生處于一種“我認為我學到，但不知道怎么應用”的狀態，對所學的知識點仍處于理解層面，無法將其落實在真正的工程實踐中。

（2）實際接觸的工程項目較少，學習成本較高。在新工科專業認證的畢業要求下，全國各大高校對教育模式和教學內容不斷進行優化與創新，將大學生創新創業能力培養納入到教育體系之中，并更加重視復雜工程問題解決能力的培養。但是由于各類高校學生的基礎不同，學校的辦學條件參差不齊，所處的地理環境經濟發展所帶來的機遇也有所不同，目前并沒有一個完全通用的模式可適用于不同類別的高等院校。因此，對于處于中西部的二類本科和?？圃盒＃诮虒W和體系建設過程中并不能直接套用其他高校的教學改革成果，主要原因包括以下3個方面：

第一，經濟欠發達地區高校的課程實踐環節較少，無法充分訓練大學生的創新創業能力。主要體現在普通類本科院校的企業實習、工程訓練機會較少，難以很好地培養學生的動手能力和解決問題的能力。

第二，大學生解決復雜工程問題的意識薄弱。在大學的學習生活中，學校的考核機制仍側重于理論知識學習，學生無法直觀看到所學專業知識的實際意義，不能體會相關知識在實際工作中的運用方法，就無法積極、主動地參與到創新實踐活動中，也不會在學習過程中深入思考，產生創新性的靈感。

第三，組織大規模的創新實踐活動成本較高。新工科創新能力和解決復雜工程問題能力的培養，需要學生和教師付出大量時間和精力，并且需要較長的周期才可以看到成效。普通類本科院校缺乏地理位置較近的實訓基地，校內建設創新創業基地的經濟成本又過高。因此，大部分高校針對解決復雜工程問題能力的教學仍停留在基本的課程實驗和基礎技能訓練方面，導致對大學生創新創業能力的培養與社會實際需求脫節，不能有效將理論知識與實踐應用相結合。

綜合近幾年高校開展創新創業能力培養工作的現狀來看，雖然高校對此項工作給予了高度重視，但并未形成統一、有效的教學理論。究其原因，主要是高校對學生創新創業能力的培養尚存在認識上的誤區，從而在教育理論體系的構建上不夠科學，無法實現很好的培養效果。因此，本文擬構建大學生創新創業能力培養體系，立足于“創新創業意識培育”和“創新實踐項目訓練”兩方面，重點培養計算機類本科生解決復雜工程問題的能力，并在大學生創新創業能力培養的組織協調、培訓指導、實踐操作、督促檢查、考核評價等方面形成有效機制。這對于激發大學生創新創業激情、提升其創新創業能力、提高人才培養質量具有重要價值和長遠的戰略意義。

2 實踐方案與方法

為了提升學生的創新實踐能力，培養學生的開拓創新意識，河南大學計算機與信息工程學院開設了“兩貫通六著重”學生創新能力培養項目，通過加強創新實踐環節，為高素質應用型人才的培養提供支撐?！皟韶炌亍睂W生創新能力培養項目通過建立創新實驗室、組織教師編寫創新項目指導書、開設創新實踐課程、組織興趣小組活動等方法，重點培養學生的創新實踐能力。

“兩貫通”指軟硬貫通和全流程貫通，軟硬貫通中“軟”指創新創業意識培育，“硬”指創新實踐項目訓練；全流程貫通則包括了大學4 年的培養。具體包括：大一：引進企業宣講，培育創新意識；大二：選取專業內創新實驗項目1項；大三：選取專業外創新實踐項目1 項；大四：學生自己組隊，選取創新項目中的提高部分進行自主探索。

“六著重”指項目建設的6 個著重點，具體包括：①自主創新。學生自主動手多，教師集中講授少；②動態更新。項目非固定不變，運行過程中根據需要進行動態調整；③靈活設置項目。教師指定選題+學生自主設置；④場地建設。提供大部分項目所需場地供學生自主研討使用；⑤體系建設。不是一門獨立課程，而是涉及多個年級；⑥學生間氛圍傳承。老生帶新生，高年級帶低年級。

2.1 “兩貫通六著重”創新實踐項目方案

2.1.1 項目立項

創新項目和興趣小組的思想是讓學生獨自或與他人協作在一個學期的時間內完成一個軟件項目，或者探索實踐某個計算機領域的前沿知識。項目按照課程的形式組織并實施，但創新項目又有別于傳統課堂教授的課程：①強調學生動手實踐而非看書學習；②強調由學生獨立完成，反對指導教師的過多參與，厘清指導教師的責任與義務；③強調在明確課程負責人的情況下由導師組而非單個教師進行指導，發揮多個教師的所長，給予學生多元化的經驗傳授；④強調學生充分利用課下時間，培養學生的時間管理能力。

為了保障創新項目的順利實施，每個創新項目和興趣小組均遵照上述原則，并基于學生的能力配備了詳實的實踐指導書。指導書列明了學生參與實踐課程應完成的任務、每個時間點需完成的子任務和完成子任務的具體方案、完成任務所需的課下學習計劃、指導教師的角色與責任、課程驗收標準與程序，以及能夠幫助學生完成課程任務的一些相關素材。并且，為了保證每個課程實踐指導書的質量和可行性，指導書在實施之前都需經過學院內部的多輪評審與修改。

立項要求選題規模和難度適當，對學生而言有一定創新性和挑戰性，但是通過努力可以在一個學期內完成；選題應體現專業特色，并在全院范圍內進行統籌，相似的項目不重復立項；使用現有的創新實驗室場地和設備，原則上不應提出額外的場地和設備要求。

教師可隨時提出新項目的立項申請，申請教師應準備一個簡單的文檔，說明項目的內容、環境要求、學生人數上限、預期完成指導材料的時間，最好在文檔中對項目的特色、必要性和可行性進行簡單論述。申請教師將此文檔發給所在系、室負責人，相關負責人應及時匯總后提交給學院負責人。

教學院長負責統籌安排新申請項目的立項評審，并將會議評審結論及時反饋給申請教師。參與評審會議的成員以及舉行評審會議的時間由教學院長確定：評審組可由教學院長及系室主任組成，也可以是擴大的教學指導委員會；評審會可以針對一個申請，也可以等待多個立項申請一起舉行。每個參評項目最多有兩次評審機會，如果項目第一次未通過評審，按照建議修改后可參與第二次會評，若仍未通過，以后不再討論該項目。

2.1.2 指導材料驗收

已立項的創新項目需要提供足夠的指導材料以保證學生選擇該項目后能夠順利推進。指導材料包括兩方面：一是示例系統，用于證明項目可行，并在實施過程中可為學生提供參考；二是書面的指導書，給學生的開發過程提供具體指導，內容至少包括項目需求描述、建議進度計劃、考核要求、所需技術資料等，指導書的具體內容和格式要求參考學院提供的相關模板。

項目指導書內容主要包括集中講座、現場指導解惑、布置驗收、分組學習討論、自由實驗和驗收考核等環節，并根據學生選修某個項目后的實施情況對項目指導組給予獎勵或懲罰措施。項目評審以會評方式進行，教學院長負責安排評審會；評審組應是擴大的教學指導委員會；指導材料評審會原則上一個學期舉行一次。對于評審同意驗收的項目，學院提供經費支持。

2.1.3 教師激勵方法

教師對選修學生的指導工作記入教學工作量，具體方法由學院黨政聯席會議另行確定。對項目實施過程的獎懲是基于學生選修該項目后的實施效果，若首次實施效果較好、順利達成項目設計目標，對項目指導組給予經費獎勵，經費的數額和提供方式根據具體情況確定；若實施效果明顯達不到預期、鍛煉學生能力的目標未能有效完成，則責成項目指導組對項目進行整改，改進項目目標和指導材料，整改過程中不再追加經費；若經過多次整改仍不能達到預期目標，可啟動項目退出機制，對項目指導組實施退回經費等懲罰措施。

2.1.4 項目升級與退出

項目實施過程中一般會暴露出一些問題，建議項目指導組對于項目目標、要求、指導材料等進行經常性地改進，這些小規模的改進應有利于減輕指導工作量，學院不再給予經費支持。對于較大規模的項目改動，分為以下3 種情況：

（1）升級。前提是當前項目經過兩屆以上學生選修，能夠正常進行，項目設計目標基本能夠達成；升級要求一般由項目指導組主動提出，升級的原因一般是希望納入新技術、新進展，達成更高的學生創新目標；升級需要對項目要求和指導材料作出較大改動，原則上改動量應在50%以上。

（2）整改。針對在實施過程中不能達成設計目標的項目，一般由院考核組強制要求整改。整改需要對項目要求和指導材料作出較大改動，學院不再提供經費支持。

（3）退出。退出的項目不再提供給學生進行選修。項目的退出分為兩種情況：①正常退出：由于項目指導組成員的工作變化導致項目無法繼續進行，而這種工作變化是學院認可的；正常退出的項目，其負責人應向學院教務辦公室備案，以便及時應從候選項目表中刪除，避免學生選修后發現無法實施的情況；②非正常退出：如果項目經過兩次以上整改仍達不到設計目標，或者被要求整改的項目，指導組成員認為自己無法達到整改目標時，啟動非正常退出。

2.1.5 創新項目實施

經過指導材料驗收的項目已具備實施條件，學院將所有可實施項目的信息公示給學生，在特定時間內由學生自主選擇參加的項目，并在下一學期開始實際的創新實驗項目實踐。實施的場地在各系室的創新實驗室，以學生自主管理為主，不同項目的指導教師與選修學生商定集中指導時間。在項目實施過程中，主要包括以下類型的活動：①集中講座。指導教師主導，講授知識、計劃方案等；②現場指導解惑。指導教師主導，指導學生完成任務方案、回答學生問題；③布置、驗收任務。指導教師主導，驗收學生任務完成結果、布置下一階段任務；④分組學習討論。學生主導，以小組為單位進行討論；⑤自由實驗。學生主導，調試、測試、驗證學生設計的程序等；⑥驗收考核。學院考核組主導，對學生項目成果進行考核、驗收。

項目實施效果從選修情況、完成情況和驗收考核結果幾方面進行評估。創新項目的實施強調課堂集中時間與課下自由時間的結合，安排學生每周在固定時間和固定的教室集中到一起以完成項目任務。

學生可在本學期，從大二下學期提供的20 個備選題目中任選一個來做，但不能選擇與上學期相同的課題。本院專業課教師及實驗教師均可申請立項，原則上每名教師最多參加3 個“創新項目指導書”的編寫和指導，作為項目負責人只能申請一項，但可參與兩個其他項目的指導。每個項目可由2～3 名教師組成，包括1 名項目負責人與1～2名項目指導成員。

2.1.6 創新實踐項目結項評審

項目經過團隊教師現場考核，并通過打分給出驗收考核結果。課程目標主要包括以下幾點：

目標1：能夠通過查閱文獻獲取相關信息，掌握撰寫分析與設計等技術文檔、研究報告的方法和技巧。

目標2：能夠根據項目需求，運用所學專業理論和技術手段完成項目，以培養學生的工程意識和實踐創新能力。

目標3：能夠根據項目需求組織團隊，通過分工合作協調團隊成員之間的關系，提高交流合作能力。

根據以上目標的完成度，團隊教師對每位同學打分，給出最終成績，成績依據如表1所示。

2.2 創新實踐項目需解決的問題

（1）創新項目與興趣小組建設。創新項目的建設以課程為基礎，基于學生培養要求以及學生自身的能力水平。項目中的創新課題由一線任課教師設計，使學生能夠從簡單的項目開始，逐步在教師的指導下，獨立或與他人共同合作完成一個完整的項目，體驗所學知識在實際中的應用效果，獲得應用所學知識解決實際問題的成就感。

為了吸引學生興趣，形成傳幫帶的學習氛圍，進一步提升學生的創新與動手能力，學院計劃建設多個興趣小組。學生可選擇感興趣的小組進行學習，并建立專用的課余科技活動室。在興趣小組的項目設計方面，強調項目具有吸引性，且“起點低”，能夠讓剛入學尚未接觸專業知識學習的學生也能參與其中。一般以一個學年為一個階段，學生通過漸進式、階段性的學習過程，不斷提高自己的能力。

（2）“兩貫通”的建設與實現。軟硬貫通中的“軟”指創新創業意識培育，“硬”指創新實踐項目訓練。全流程貫通則包括了大學4 年的培養。項目選題規模和難度應適當，對學生而言有一定創新性和挑戰性，但是通過努力可在一個學期完成；選題應體現專業特色，并在全院范圍內進行統籌。

（3）“六著重”的建設與實現?！傲亍敝疙椖拷ㄔO的6個著重點。學生創新能力提升項目以學院為實施主體，充分利用學科基礎資源，激勵科研經歷豐富的教師參與指導，注重項目實施過程管理，強調學生需要自主設計、管理與完成實驗項目。第一，創新實踐課程由學生自主選擇項目題目，創新實驗室以學生自主管理為主；第二，為了給學生更多選擇，充分反映學科發展熱點和本院專業特色，創新項目還需要持續進行補充、修正和完善；第三，選題分為兩種，可以由教師指定選題，也可以由學生自主設置題目并提出申請，審核通過后可進入實驗室完成實驗；第四，學院需解決創新項目實施過程中所需的場地和經費問題；第五，創新項目應涉及學科中的大多數課程，是對學科知識的綜合應用，因此需保持創新項目的多樣性和時效性。最后，培養學生獨立自主的研發能力和團隊協作精神，強調學生之間的傳幫帶。

Table.1 Evaluation table for innovative practice project表1 創新實踐項目評審表

3 實踐效果

“兩貫通六著重”學生創新能力培養項目包括項目目標制定和項目評審與管理。學院目前的本科專業全部是工科，特別強調解決實際問題的能力，具有很高的實踐性要求。指導教師設定創新項目的題目和要求，并提供建議項目進度計劃及關鍵參考資料，學生需要在兩個學期中，每學期分別從備選項目中選定一個項目進行實現。

通過教師能力的提高，提升學生的學習效果，激發其學習意愿，提高學習主動性，形成一個學生帶學生、高年級帶低年級、好學生帶差學生的良好學習環境，在全院范圍內建立積極學習的良好氛圍。創新實踐項目已實現以下目標：①制定創新項目管理辦法；②組織教師最終達成編寫30 部創新項目指導書的目標；③建設7 個全開放的學生創新實驗室；④開設兩個學期的創新實踐課程。

創新項目旨在提高學生的創新意識和動手能力、激發其自主學習興趣，并培養團隊合作精神。長期目標如下：

（1）實現課程功能的轉變。創新能力培養課程改變了舊的教學方法和教學手段，強調形成積極、主動的學習態度，從單純注重傳授知識轉變為引導學生主動學習，學會合作，以激發學生學習興趣為目標。

（2）建立創新實踐項目課程教學計劃，優化課程體系。均衡性、綜合性和選擇性是本次實踐改革的3 條基本原則。在整個實踐課程建設過程中，創新項目和興趣小組的設置需兼顧學院4 個專業的特點，包容各種專業類型和多個實現方法，可實現多學科交叉融合，滿足學生對知識的多維需求。正是由于項目的多樣性和復雜性，學生可自主選擇學習項目，以課程形式進行學習。

（3）改變學生的學習方式。在傳統的教育模式中，教育的目標是知識的傳授?！皟韶炌亍睂W生創新能力培養項目重點培養學生的自主學習能力，旨在培養學生綜合運用計算機知識進行實踐訓練，此外還包括了能夠開拓學生視野和知識領域的一系列前沿應用知識，既滿足了學生提升動手能力的需求，又滿足了其進一步學習課堂之外前沿知識的需求。

（4）建立分級考核制度，對不同學生采取不同管理方法。經過一段時間的大學學習，學生之間已存在一定程度的差別，教師在創新項目的教學過程中，注重培養學生的獨立性和自主性，引導學生調查、探究與主動參與。尊重學生的個體差異，滿足不同學生的學習需求。對于達到不同考核等級的學生給予不同的成績認定，鼓勵優秀的學生實現更高難度的任務，申請大學生創新項目。

4 結語

以新工科專業認證畢業要求指標點為抓手，培養計算機人才解決復雜工程問題的能力，設計出適合學生的創新實踐課程體系和實驗內容是目前教學亟需解決的問題。本文的研究與教學實踐聯系緊密，研究模式為：從教學實踐中提出問題——分析并上升到理論研究問題，提出解決問題的方案——回到教學實踐中檢驗方案——根據檢驗結果再進行分析、研究——最后將研究成果用于指導教學實踐。

“兩貫通六著重”創新實踐項目實現了實踐項目課程化，并且探索工科類學生學習的長效運行機制和激勵機制。創新實踐課程要想切實提高學生的學習效果，就要提供盡可能真實的實踐教學環境，提高學生的學習興趣，加深學生對課程的理解，打破長期以來理論與實踐分離的局面，實現理論與實踐一體化的面向工作過程的教學改革。