中英高校計算機專業“產出導向”程教學設計對比與思考
——以華威大學和北京交通大學為例

任申元 李浥東白慧慧

(北京交通大學 計算機與信息技術學院,北京 100044)

0 引言

2016年中國成為《華盛頓協議》正式成員國之后,OBE(Outcomes-based Education)的理念開始深入人心。OBE即“產出導向”的教學,是工程教育認證推崇的教學模式。該模式以企業和行業需求作為教學產出,專業培養目標、畢業要求和課程等各個環節均以產出為導向展開設置,教學實施的各主體必須對學生應達到的能力有清楚的構想,采用合適的教學手段保證學生達到這些預期的教學目標,教師要在教學過程中指導學生主動參與、團隊協作和探索創新[1]。

英國華威大學(University of Warwick)是一所研究型大學,創立于1965年,在辦學之初就堅持“親工商界”的理念,始終順應時代發展,堅持與工商界合作,強調產學研深度融合,取得了優異的成績[2-3]。華威大學制造集團是華威大學直接與工商業界建立合作關系的第一個標志性創新[4]。在 2019年發布的《衛報》大學排名中,華威大學是英國排名第5的工程類大學,其工程學院專業排名穩居英國前十,同時,該學院的課程已獲得英國工程和技術學會(IET)的認證[5]。在英國政府評估的研究卓越框架排名(Research Excellence Framework 2014)中,計算機科學位列第2,具備出色的教學和研究實力。

北京交通大學為教育部直屬高校,由教育部、交通運輸部、北京市人民政府和中國國家鐵路集團有限公司共建,是國家“211工程”“985工程優勢學科創新平臺”“雙一流”建設高校,系統科學學科在全國學科評估中連續4次蟬聯全國第1。2016年,作為教育部選定的兩所高校之一,學校的工程專業國家認證接受了《華盛頓協議》國際專家的觀摩考察,支撐我國正式加入《華盛頓協議》國際工程教育組織。學校現有15個工科專業通過工程教育專業認證(評估),標志著這些專業的人才培養質量得到國際認同,進入全球工程教育的“第一方陣”。其中,計算機科學與技術專業已經連續兩次通過了工程教育專業認證。

本研究首先分析了計算機專業傳統課程教學存在的弊端,并以兩校的專業課程建設為例,分別對比了“產出導向”理念在課程安排、授課形式、達成評價等方面的具體做法。然后,對比分析兩校“產出導向”課程建設思路的異同。最后,給出了“產出導向”理念在專業課程建設層面的進一步優化設想。

1 傳統課程教學的弊端

1.1 教學目標缺乏導向性

確定課程教學目標是教學設計的首要問題,能否制定出明確、規范的教學目標關系著本門課程教學的成敗。傳統的專業課程目標普遍存在“重知識輕能力”的情況,即教學目標大部分針對的是知識目標,較少涉及能力目標,尤其是在用人單位特別關注的解決復雜工程問題能力、團隊意識、溝通能力、終身學習能力等方面,傳統的課程方案中缺乏主動考慮和設計。從“產出導向”的角度來講,課程教學目標應該服從于專業的畢業要求和培養目標,著眼并落腳于學生能力培養。

1.2 授課方式難以支撐能力培養要求

課程教學環節用于保障課程教學目標的達成。目前,教學大綱中課程教學內容多是按教學知識點羅列,教學大綱中沒有細化到每個教學活動支撐哪些教學目標。此外,課程教學活動方式單一,大多是知識點的灌輸。學生難以厘清課程知識點之間的關聯關系,更不清楚如何應用以解決實際問題。課程教學中設置的實驗環節往往側重于練習單一的知識點,這種淺嘗輒止的做法制約了學生技術綜合運用能力的提高。

1.3 教學目標缺乏達成度評價

現階段,教學目標達成與否的判定往往采用單一的試卷或報告的方式,這種方式難以準確建立試題與知識目標或能力目標的對應關系,因此也就難以明確判定教學目標是否真正達成。事實上,采用單一的期末考試及實驗報告,主要考核了學生對知識點的掌握程度,但缺乏對學生綜合能力的考核,不能全面有效地評價學生的能力達成情況。

2 “產出導向”課程設計與實施的具體做法

本研究以華威大學計算機安全和北京交通大學Web應用基礎兩門專業課程為例,對比分析“產出導向”理念在專業課程頂層設計方面的實施。

2.1 課程教學頂層設計

華威大學計算機專業計算機安全課程旨在教授學生關于計算機系統、網絡和軟件安全的知識和技能。該課程共32學時,其中包括20學時的教師授課、6學時的研討課和6學時的實驗課,此外,該課程還設置了183學時的自學課時要求。師生比約為1∶15,教師和助教負責解答學生在實驗過程中遇到的各種問題。理論課的教學目的是讓學生理解計算機安全的含義,并能展示計算機安全挑戰方面的知識,了解并熟悉該領域的基本概念,展示對計算機(不)安全實踐方面的辨別,理解常見的安全威脅,并基本了解應對措施。研討課旨在提高學生的IT、數學、學習、溝通技能,在系統安全評估方面展示批判性分析能力,展示適用于計算機科學專業人員在評估和設計安全系統方面的技能。實驗課旨在幫助學生通過實踐的方式掌握計算機安全的基礎知識,例如網絡安全和漏洞利用等。

北京交通大學計算機科學與技術專業的畢業要求共12條,Web應用基礎主要支撐畢業要求的第5條的5.1和第9條的9.1,分別為:5.1 能夠熟練運用程序設計方法、環境與工具,包括軟件開發集成環境、實驗數據分析工具、模擬與仿真工具等;9.1 能夠理解尊重個人權利與利益的重要性,理解個人、團隊、社會的關系,理解個人和團隊的利益統一性,以及團隊不同成員及負責人的作用。課程教學頂層設計過程為:首先根據課程支撐的畢業要求指標點確定課程的教學目標,主要包括基礎目標和進階目標兩大類。然后通過精選案例、課程項目有機融合,明確其對教學目標的支撐作用,將相關知識點融入課程項目,讓學生更好地掌握Web開發技術,并能初步應用于解決計算機科學與工程領域的復雜工程問題。該課程共32學時,其中理論和實踐各占16學時。

2.2 教學環節設置

2.2.1 華威大學:理論課+實驗課+研討課

理論課主要采用案例式教學方式進行理論知識教學。前5周主要是基本計算機安全介紹。這將涵蓋安全領域的許多重要概念,例如簡要歷史、安全和安全威脅、實用措施(例如身份識別、身份驗證、授權)、安全模型、基礎密碼學和網絡安全。之后5周開始詳細調查實際中的安全問題。在本課程的這一部分中,將選擇一種可用于提供具體示例和實際探索的領域進行更詳細的調查。這將包括一些對相關安全技術的介紹。具體考慮的主題可能會因年份而異,例如,可能會考慮安全電子郵件領域,調查所面臨的挑戰、實際的威脅和攻擊、為保障電子郵件所做/已做的措施、在保障電子郵件中使用密碼學的方面等。

實驗課是英國大學計算機安全課程開展的主要形式之一,要求學生在計算機安全實驗室中使用安全工具和軟件進行實驗,以掌握各種安全技術和概念。實驗課通常由一名講師和幾名助教組成,講師會介紹實驗的背景和目的,講解實驗步驟和技術細節,而助教則會提供實驗指導和技術支持,幫助學生解決實驗中遇到的問題和困難。實驗過程中,學生需要使用各種安全工具和軟件,例如Wireshark、Nmap和Metasploit等,來分析和攻擊網絡流量。這些工具和軟件提供了學生實踐的機會,讓他們能夠深入了解網絡安全和漏洞利用的技術細節,同時也幫助他們掌握一些基本的安全工具的使用方法。實驗課覆蓋多個實驗內容和評分項目。例如,其中一個實驗是尋找操作系統中的漏洞。教師提供了一個Linux系統鏡像,其中包含教師設定的多種漏洞和系統自帶的漏洞。實驗的目標是鼓勵學生運用該課程所教授的知識和操作系統課程所學的Linux使用方法,獨立探索教師提供的Linux系統鏡像中存在的漏洞。此外,學生需要編寫實驗計劃和報告,以明確實驗的目標和步驟,并記錄實驗結果和結論。通過編寫實驗報告,學生可以加深對實驗過程和結果的理解,并提高他們的寫作和表達能力。綜上所述,英國大學的計算機安全實驗課采用多種形式,旨在培養學生的實踐能力和團隊合作精神,以幫助學生掌握計算機安全知識和技能。

研討課也是計算機安全課程開展的組成形式之一,要求學生參與到討論中,分享自己的經驗和觀點,以加深對計算機安全領域的理解和認識。研討課通常由助教主持,學生需要準備一些主題和問題,以供討論和交流。另外,在研討課中助教還會講解和訂正課后作業,對學生們的問題進行答疑。研討課還包含學生演示環節,要求學生以小組為單位,學生2～3人為一組,在課上使用安全工具和軟件進行演示,并討論分析各種安全技術和概念的應用場景和效果。演示課通常由學生自行策劃和組織,學生需要提前利用1周的時間準備演示主題和場景,以供演示和展示。最后,獨立研究是一種自主學習和研究計算機安全領域的形式,要求學生選擇一個獨立研究主題,進行研究和實踐,最后根據自己的獨立研究課題,撰寫研究報告。

2.2.2 北京交通大學:理論課+課程項目

理論課主要支撐基礎目標和少部分進階目標。理論知識教學主要采用案例式教學,通過編程實例教授HTTP協議、JavaScript語言、CSS等知識點。理論課的講授也在機房進行,采用邊學邊練的方式,對這些獨立知識點進行強化訓練,使學生能驗證、鞏固和補充課堂講授的理論知識。

課程項目主要面向進階目標,學生分組進行。課程項目要求學生3～4人為一組,可選的課程項目題目有:個人主頁設計、班級管理系統、輔導員工作管理系統、社團活動管理系統、企業主頁設計、產品管理系統等[1]。各組查閱資料,編寫程序,撰寫項目研究報告并制作項目結題匯報用PPT,課程項目中均涉及到登錄注冊、信息發布、資料下載、留言交流等功能模塊,為后續課程設計、生產實習和畢業設計等環節奠定編程能力基礎。

2.3 多角度評價達成情況

華威大學計算機科學專業計算機安全課程的學生成績由結課考試、實驗、研討三部分組成。實驗過程中為了保證公平性,所有學生實驗的對象都是同一個系統鏡像,因此包含的漏洞是相同的。為了培養學生的獨立探索能力并降低抄襲等不良行為的影響,該實驗的評分標準巧妙地設定為根據漏洞的稀有程度評分。即找到某個漏洞的學生數量越多,因尋找該漏洞而獲得的評分相對越低。如果某個漏洞僅被少量學生發現,那么該漏洞的評分價值就更高。實驗報告通常是實驗成績的重要組成部分,可以反映學生對安全知識和技術的理解和掌握程度。研討課成績主要由課后作業、演示環節和獨立研究報告等部分組成。

北京交通大學計算機科學與技術專業Web應用基礎課程的學生成績由結課考試、課程項目兩部分成績構成。課程項目成績依據研究報告、項目程序代碼和匯報情況綜合評定。根據教學大綱和考試評定方式,課程組還確定了課程目標與考核內容的對應關系,計算出了各教學目標的達成度評價值,該評價值可以進一步支撐畢業要求達成度的計算。

3 “產出導向”課程教學的對比分析

將上面兩校計算機類專業課程基于“產出導向”理念的設計與實施過程進行類比,可知存在如下的相同點和不同點。

3.1 “產出導向”課程教學的相同點

(1) 注重課程頂層設計。課程頂層設計服務于專業的畢業要求,而后者服務于國家社會和市場的需求。因此課程的頂層設計是確定好本課程在整個課程體系中的地位和作用,為此需要深入分析制定本課程的人才培養目標(包含基礎目標和進階目標)、達成途徑和評價方法。

(2) 注重學生能力的培養。通過設置多種環節分別培養學生的分析解決復雜工程問題能力、實踐能力、研究能力、團隊合作能力,以及溝通交流、職業規范等方面能力。例如兩校均設置了課程項目的環節,能夠有效提升學生團隊合作、溝通交流等能力。此外,課內項目也有助于學生將課內知識融會貫通,并內化提升為分析研究解決復雜工程問題的能力。

(3) 注重學生能力達成的評價。課程目標達成度評價是畢業要求達成度評價和人才培養目標達成度評價的基礎。兩校均設計了有效的課程目標達成度評價方法,一方面,作為持續改進的重要方面,及時反饋達成度評價結果,有利于促使教師發現教學短板并相應改進教學內容或方法[5];另一方面,達成度評價結果可用作課程合格評估和課程評選的重要參考依據。

3.2 “產出導向”課程教學的不同點

(1) 以華威大學為代表的英國高校更加注重和工業企業界合作,培養學生企業家式的創新精神。通過與工業界廣泛合作,堅持將“實踐創新,知識應用”作為培養工程人才的理念,為學生提供廣泛的工程實踐機會,幫助學生提升創新意識能力[6-7]。同時,華威大學更加注重科研和教學的融合,所設立的討論環節帶有研究色彩[8]。

(2) 以華威大學為代表的英國高校更加注重學生自主學習能力培養。相較于國內課程設置密集、學生課余時間較少的情況,華威大學大力開放課堂資源、圖書館資源等[9],同時壓縮課程學時從而留給學生充分的課余時間去自我學習。如計算機安全的課程課內課時僅有32學時,而該課程設置的自學課時達到了183學時,通過這些自學學時,學生可以深入了解計算機安全的基礎和最新技術,并掌握安全工具和軟件的使用技巧。再加上與實踐、研討課等環節的配合,有效地提升了學生自我學習的意識和能力。

(3) 以北京交通大學為代表的中國高校注重學生解決復雜工程問題能力的培養。《華盛頓協議》指出復雜性是現代工程問題的本質,并對復雜工程問題進行了明確定義,要求本科工程教育的教學過程要以“培養解決復雜工程問題能力”為導向[10],此外,培養解決復雜工程問題能力也是國內“新工科”專業建設的重要目標之一[11]。

4 啟示

工程教育始終在路上,持續改進也是專業認證的核心理念之一。基于上述對比分析,“產出導向”的課程教學還可以在以下幾個方面深入展開。

(1) 綜合利用各種現代化教學手段。經過3年疫情的檢驗,學習通、騰訊課堂、雨課堂等線上教學手段日趨完善,可以作為線下教學穩定有力的補充。在此基礎上,可以擴展出本地、異地多名師協同的聯合教學模式,有效提升異地教師在線教學的時間利用率。

(2) 充分利用網絡開放資源進行線上自學。完全學分制逐漸在各個高校推行,專業課程可以嘗試進一步壓縮課內學時,打通對線上公共資源,如公開課等資源的互認,使學生充分利用課外的碎片時間,提升學生的時間利用率。

(3) 與企業進行課程級合作,盡早開展解決復雜工程問題能力的培養。目前,大部分高校在大四階段的生產實習環節建立了校企合作協同育人機制,但此時學生的學習和思維方式已經基本定型。因此,應將“產出導向”的理念盡可能前置,將解決復雜工程問題的意識和能力培養分散到各個課程中去。因此應該與企業進行課程級合作,從復雜工程問題中提煉教學案例,并盡可能凝練成課程項目供學生進行實踐鍛煉。

(4) 注重學科交叉與創新性評估方式。可以鼓勵學生進行學科交叉研究,培養綜合性能力。例如,可以推動社會學與心理學、經濟學與政治學等學科的交叉研究,讓學生在實際問題中運用不同學科的知識。另外,傳統的考試評估方式可能難以完全體現學生在社科類學科中的綜合能力。因此,可以探索采用開放性題目、研究報告、項目展示等創新性的評估方式,以更全面地評價學生的學習成果。

5 結束語

教育部副部長吳巖曾指出:教學改革改到深處是課程。可見課程在整個學生培養體系中的重要地位。本研究回顧了傳統課程方案設計中存在的弊端,并闡述了華威大學和北京交通大學的計算機專業課程所實施的基于“面向產出”的課程頂層設計、實施和達成度評價情況。對比分析了兩者做法的異同之處,并總結了幾點有益的啟示,希望能對理解和踐行“產出導向”的課程建設有所啟發。