以系統能力培養導向、學用相長的混合式專業實驗教學改革與實踐

成玲 楊武成 劉新平

摘?要：針對計算機專業實驗教學中發現的問題，利用信息化技術，建成了虛實融合、層次遞進的混合式專業實踐教學體系，建立優質線上教學資源，探索混合式教學方案，貫通融合、知行合一，形成了以系統能力培養導向、學用相長的多維度協同創新人才培養模式，滿足“新工科”背景下一流本科專業及課程的建設。實踐證明，對于各工科專業課程建設和實踐教學具有良好的示范意義和推廣價值。

關鍵詞：虛實融合；實踐教學；體系設計；創新人才培養

根據教育部《普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025年）》的精神，要堅持立德樹人、堅持推進改革，落實“以本為本”“四個回歸”，強化學生中心、產出導向、持續改進，實現高質量內涵式發展。［1］青島軟件學院、計算機科學與技術學院成功入選首批國家級特色化示范性軟件學院，承擔著解決大型石油工業軟件的關鍵技術攻關與高端人才培養重任，而系統能力是計算機專業學生的核心競爭力。在此背景下，傳統單一的實驗教學模式已不能適應專業實驗教學對學生系統能力培養的發展要求，為了滿足工程教育專業認證和新一輪教學評估的需要，落實“三全育人”教育理念，促進示范性軟件學院的建設，迫切需要重構系統能力培養教學體系，全面開展線上網絡和線下實體有機融合的混合式實驗教學模式。

1?項目改革思路和改革內容

1.1?改革現有實驗教學模式，構建出線上線下混合式實驗教學平臺，研究形成特色化人才培養模式頂層架構

傳統計算機專業系統能力實踐教學主要以線下為主，部分課程項目改為線上虛擬仿真實驗模式，無論線上線下單一的教學開展模式對學生能力培養都明顯不足，線上線下混合式專業實驗教學模式是以教師為主導，以學生為中心，把教師作為實驗課程教學的“出發點”，將線上線下的教學資源充分整合優化，同時對線上線下課堂教學內容和教學方法進行科學融合，既不能是單一的模式轉換，也不能是簡單的機械相加，需要深度分析教學目標、完成系統化方案設計，統籌“實驗前+實驗中+實驗后”三個階段的學習任務，并通過線上教學、課內教學以及課外教學三種方式滿足學生的不同層次階段的學習需求，為課程實驗教學全過程提供一個立體的、多維的教學環境。最終面向特色化人才系列能力指標，實現一個精確發現問題、實時反饋、調整優化的實驗教學運行新方案，并且保證能夠滿足不斷持續改進的閉環實踐教學教育過程。［2］

根據總體思路，統籌系統能力課程體系，設計以“交叉融合聯動、知識能力貫通”為核心的特色化人才培養模式架構，匯聚多維育人資源，通過多角色導師指導、多場景實踐創新和多指標考核評價，貫通人才專業能力培養與提升路徑，實現全周期素養提升、全鏈條能力提升、全方位成效保障，有效實現知行合一，保障特色化人才培養有效達成。

1.2?探索混合式實驗教學方案，真正實現“學以致用、學以促學、學用相長”的教育理念

混合式實驗教學方案設計需要經過實驗教學準備、在線教學、面對面教學和評價反饋四個基本實施階段，才能最終探索出最佳方案來合理安排開展線上線下教學。［2］

1.2.1?實驗教學準備階段

混合式實驗教學的首要階段是結合實驗課程特點與學情特點進行教學設計的實驗準備階段。首先，進行學情分析。學情通常是指影響學生學習效果的所有信息，不僅需要教師對主體學生已經存在的認知和需求水平程度進行調研，也需要教師針對調研報告進行分析和調整。只有準確把握學生的學習水平、能力和習慣才能做到因材施教設計教學方案，有的放矢地開展教學活動。其次，建設充分的網絡課程資源。教師根據培養方案和課程教學體系規劃來制作相關課程實驗大綱、實驗項目及設備軟件操作視頻，根據“兩性一度”標準整合優化項目案例庫、微視頻、電子課件及參考文獻等，重構完善現有專業實驗課程教學資源。最后，是教學活動的設計，充分根據學情分析研究設計出與之最契合的線上和線下的教學方法，激發學習興趣，對學生能力培養將會事半功倍。

1.2.2?在線實驗教學階段

混合式實驗教學方案設計的第二階段是在線教學。針對每門課程，依托石大云課堂、雨課堂和智慧樹平臺等在線開放課程建設，實施實踐教學資源上網計劃，從培養學生的創新精神和實踐能力出發，將先進的教學理念與實驗項目設計相結合，整合和優化課程體系和結構，改革和更新實驗教學內容，使實驗課程設置更加先進、系統和規范；通過綜合性、設計性、創新性“三性”實驗課題的開設，［3］服務于學生實踐能力和創新能力的培養。通過在線發布項目任務清單，將教學目標分層次設計，既明確又具有可衡量性，通過在線測試、答疑解惑和監控引領環節，使所有學生都可根據自身情況充分利用好碎片化時間，積極參加、自主學習和團隊交流來完成任務并開拓創新。

1.2.3?面對面實驗教學階段

實驗課程的面對面教學需要梳理教師和學生之間混合式教與學的行為，制定更優化的教學設計，實現“解決核心問題”的有效學習。教師通過重難點講解、個性化指導、引導學生進行交流討論、合作式實驗操作、實驗經驗總結等教學活動，幫助學生重新梳理所學知識，將其系統化，并應用于實驗項目及實際問題，實現對知識的深度理解和內化。教師把課堂時間交給學生，構建團隊合作探究型的學習模式，學生以小組合作形式自主動手，有效發揮課堂實驗的主渠道功能，達到掌握應用系統設計的方法，具備使用實驗工具進行問題分析和問題解決的能力，針對學科發展趨勢及專業教學特色，發揮現有設備及教學資源，引導學生進行積極深入的實踐研究，激發學生自主探究的興趣，最終轉化為技能，從而構建高效實驗教學課堂，實現實驗教學目的。

1.2.4?評價反饋階段

混合式實驗教學模式最后是評價反饋的環節，主要呈現為參與考核和被考核，教學相長以及對應OBE的教學大綱指標點。學生依據實驗內容，思考優化方案，整理實驗數據，完成實驗任務后分析實驗結果，撰寫實驗報告，進行總結評價并上傳。學生可以利用網絡平臺對教師的教學方式以及項目實驗效果直接評價，或者通過多樣化考核方式對學生學習過程與結果做出評價，都屬于混合式實驗教學模式的評價反饋。考慮到目前考核評價方式普適化程度偏重，大作業、匯報答辯、隨堂測試等方式雖然能夠對學生綜合能力進行較為全面的考核；但是，對于特色化計算機人才，還需要從評價主體、賦分原則、權重比例等方面，研究制訂更詳細的考核評價實施方案，提高考核評價的針對性、公正性和導向性。所以我們引入“以非標準化為主體，側重導向性、針對性”的多維考核指標體系，幫助教師高效收集學生反饋信息，動態調整優化混合式教學方案設計，引導學生個性化充分發展、探究性意識、創新性思維逐步提升，真正做到因材施教。

1.3?建立多層次實踐教學體系，改革實驗教學手段，做好教學環節設計，構建“貫通融合、知行合一”的特色化人才培養新模式

目前實踐教學環節設計呈現碎片化，各個實踐環節銜接性不足，通常局限在解決局部問題，復雜性、探究性、創新性不足，無法形成貫通的系統化訓練，在培養解決復雜工程關鍵技術的支撐力上較弱，無法為培養學生復雜系統、復雜架構、復雜算法等方面的創新研發能力提供有效支撐。所以計算機專業實踐教學課程體系建設要以系統能力培養為主線，打通數字邏輯電路、計算機組成原理、EDA技術等課程實驗內容，形成基于龍芯CPUFPGA實驗平臺的一體化、多層次實驗教學體系。結合計算機專業人才培養的三個階段，探究性地改革增添CPU、操作系統和編譯器的設計等實驗內容，在每個階段，按照基礎系統能力、核心技術能力、綜合應用能力三個遞進的能力層次，在低年級、中年級、高年級三個階段，分別圍繞概念系統學習、真實系統實現和系統綜合應用三個層次來組織和安排實踐教學課程，形成“前期強化系統基礎、中期融匯系統觀念、后期提升系統能力”的計算機專業系統能力培養模式。

根據課程特點進行合理有效的線上線下實驗教學設計，全面覆蓋硬件實驗前、實驗中和實驗后的整個學習過程，并進行科學監控和評價。建成混合式實驗教學方案，真正實現“學以致用、學以促學、學用相長”的教育理念。

依托學院三融合育人資源平臺，面向特色化人才系列能力指標，以系列能力指標遞進達成為縱線、四年實踐教學環節為橫線，研究并構建特色化人才系列能力達成映射矩陣，橫向實現單項能力貫通在多項實踐環節中達成；縱向實現單項實踐環節支撐多項能力培養與提升，將本研一體班、優秀本科生三進提升計劃、理科實驗班納入特色化人才培養體系中，并依托學院科研團隊，強化科教融合，以科研成果轉化實踐教學案例和創新創業選題等形式，促使系列能力通過階梯式、前向式貫通達成，有效實現知行合一。

2?項目的改革成效

一是根據“新工科”及工程教育專業認證要求，發揮計算機專業學生對計算機系統深刻理解的優勢，掌握計算機軟硬件協同工作及相互作用機制，把握教學設計的核心，以學生成長為中心，采用有效教學方法的底層邏輯，激發興趣（內在動機）、自我驅動，由被動的淺層學習轉變為主動的深度學習。［3］重點培養具有分析、解決復雜工程問題能力的創新型卓越工程人才。針對每門課程，實施實踐教學資源上網計劃，從培養學生的創新精神和實踐能力出發，將先進的教學理念與實驗項目設計相結合，整合和優化課程體系和結構，改革和更新實驗教學內容，線下則進行實際的實驗教學、任務協作、交流互動等教學活動。使實驗課程設置更加先進、系統和規范；通過綜合性、設計性、創新性“三性”實驗課題的開設，服務于學生實踐能力和創新能力的培養。經過實施，學生參與設計、參與自主考核有掌控感，通過任務清單有目標感，最終完成作品有成就感，使學生達到思維、能力、創新的整體提升，切實促進了學生系統能力的達成。［4］

二是線上線下混合式實驗教學環節主要運用現有網絡教學“石大云課堂”平臺、“QQ學習群”“雨課堂”“微助教”手機端交互平臺，依托課程團隊主持的十多項硬件技術課程建設教研項目組織實施，首先，針對硬件課程傳統實踐教學存在的實驗方式單一、實驗資源不足、實驗環節缺失等關鍵問題，提出軟件搭建虛擬仿真實驗平臺與研發的“背包實驗室”系統套件設備相結合，建立在線實驗教學平臺，創新探索了線上線下虛實融合的硬件課程實驗教學新模式，彌補了硬件課程脫離實驗室不能實驗操作的短板，突破時空限制，為課程實驗教學全過程提供一個立體的、多維的教學環境，實現教與學、線上與線下、課上與課外的有機融合，解決了課程實驗教學模式單一的問題；其次，根據“兩性一度”的要求，構建了優質“項目案例資源庫”，［5］拓展數字化實驗教學資源，將項目實驗教學法成功運用到了計算機硬件課程實驗教學之中，有效提升了學生對系統電路整體設計能力和工程實踐創新能力，解決了實驗教學資源不足的問題；最后，構建出線上線下混合式多維度計算機專業實驗教學體系，依托學院科研團隊，強化科教融合，以科研成果轉化實踐教學案例、科研項目遴選創新創業選題、學術成果理論編著專業教材、支撐學科競賽選題等形式，實現特色化軟件人才培養和工業軟件科研雙突破，改革實驗教學評價方式，激發學生思維創新能力，提高了教學效率，解決了實驗環節缺失，實驗效率不高的問題，真正實現了以學生為中心，多維度協同創新人才培養的目標。［6］如下圖所示。

多維度協同創新人才培養模式

結語

在特色化示范性軟件學院歷史使命驅動下，統籌規劃計算機系統能力培養體系，以“教為主導、學為主體”的原則，將系統能力培養作為核心，實現對不同層次學生個性化培養的需求，真正實現“學以致用、學以促學、學用相長”的教育理念。扎實打造計算機科學與技術專業的最大特色，提升了實踐實驗教學效果，改善了認證專家進校考察時反映的培養方案“偏軟”問題，為培育更多一流課程奠定良好基礎，最終達成對學生系統創新能力培養的目標。

參考文獻：

［1］教育部.教育部關于印發《普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025年）》的通知：教督〔2021〕1號［Z］.2021.

［2］黃茜，趙煒.混合式教學模式在經管類實驗教學中的應用探索［J］.產業與科技論壇，2017（16）140141.

［3］孔令琴，李翠玲，鄭猛，等.混合教學模式在《光電儀器電子學實驗》中的運用探索［J］.光學技術出版社，2020（03）：253256.

［4］成玲.一流本科課程建設背景下“虛實”結合的單片機實驗教學模式改革與實踐［J］.電腦元器件與信息技術，2021（10）：6167.

［5］陳友媛，辛佳，楊世迎，等.混合式實驗教學提高學生主動學習能力的探討［J］.實驗室研究與探索，2019（04）：205208.

［6］王香芬，萬博，黃姣英，等.面向“兩性一度”的實驗課程混合式教學實踐探索——電子產品熱設計熱分析實驗［J］.教育教學論壇，2022（06）：58.

基金項目：中國石油大學（華東）2022年校級教學改革項目（CM2022074）

作者簡介：成玲（1974—?），女，山東淄博人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為計算機實驗教學、硬件技術研究及應用等。