虛實結合和科教融合的計算機實驗教學體系

明仲　蔡茂國　朱安民

摘要：分析我國高等教育對學生實驗動手能力培養不夠重視的現狀，在國家級“計算機實驗教學示范中心”和“網絡工程虛擬仿真實驗教學中心”的實驗教學平臺基礎上，提出以學生為本，重視學生實踐能力的培養，以實驗項目驅動為主導，倡導“做中學”實驗學習方式的教學理念，構建一個完整的虛實結合、科教融合，“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系，為同類高校計算機專業的人才培養建設提供思路。

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；虛實結合；科教融合；教學體系

0.引言

目前我國高校每年的畢業生人數超過700萬，高等教育為我國經濟建設培養了大量的人才，但是與此同時企業招不到優秀的人才與大量的畢業生找不到滿意的工作形成明顯的矛盾。歸其原因，是我們的高等教育人才培養方面出現偏差，突出點就是教學環節只重視知識與原理的“單向輸出”，不注重實驗動手能力的培養；實驗室的建設也是五花八門，大多是圍繞著理論教學的課程轉，隨著理論課程的變化而變化，沒有形成一套完整科學的實驗教學體系。這就導致教與學分離、學與練分離、練與用分離，學生在學習中處于被動地位。

與此同時，國內教育界有識之士一直在呼吁強調實驗教學環節的重要性，認為實驗室是高校進行教學、研究和培養高素質人才的重要場所。實踐動手能力的培養在計算機專業教育和創新人才培養中占有非常重要的地位。虛擬仿真實驗教學信息技術應用于教育領域，是教育信息化的重要組成部分。為了推動高等學校加強學生實踐能力和創新能力的培養，教育部一直都非常重視高校實驗室的建設，于2005年啟動評審建立一批國家級實驗教學示范中心，并且此后每年都嚴格評審建立一批。隨著信息技術的發展，在建設國家級實驗教學示范中心加強實驗教學的基礎上，教育部于2013年提出了國家級虛擬仿真實驗中心的建設工作。

如何領會國家教委的精神，如何建設好符合企業人才需求的高校計算機教育實驗室，這是全國高校計算機專業面臨的重要課題。

1.虛實結合、科教融合的教學體系

“虛實結合、科教融合”是將真實的實驗環境建設與虛擬仿真實驗環境建設相結合，將科研成果與實驗教學融為一體，充分發揮虛擬仿真實驗教學獨特、不可替代的作用，充分發揮科研成果轉化成實驗教學案例的實際應用作用，切實提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容。

“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系是將強調規范性、系統性的課程實驗教學系統和強調自主性、創新性開放實驗教學系統有機結合起來的實驗教學模式，如圖1所示。

課程實驗教學主要包括大學公共計算機基礎實驗教學以及計算機類專業課程教學。公共基礎實驗教學主要面向全校所有非計算機類專業學生開設，以培養學生的計算機基本技能為主。專業課程實驗教學是計算機類專業培養方案中規定的實驗課程教學，按照教學計劃層次遞進的規律設計了實驗教學系統，包括計算機技術基礎實驗教學、計算機應用基礎實驗教學、計算機應用實驗教學、計算機綜合實驗（工程實踐）教學以及實戰性實驗（畢業設計）教學5個層次，其特點是按照計算機類專業人才的綜合素質和專業化能力的培養規律，遵循專業教育質量要求來設計和組織。課程實驗教學強調實驗教學的規范性、統一性和系統性，與理論教學協調一致，保持實驗教學體系的完整性、連貫性和相對獨立性。這一部分的實驗要求所有的學生都參與，采用由教師統一指導和典范引導結合的方式進行實驗教學，并由學生獨立完成實驗內容。

開放實驗教學從培養學生的專業興趣入手，以創新能力和貼近實戰的應用能力培養為目標，以實驗項目為核心，采用個別指導和聚徒教學相結合的教學方法進行實驗教學，由學生按興趣自由組成實驗小組，自由選擇實驗項目，自主設計實驗方案并完成實驗過程。開放實驗項目來源主要包括重點實驗室（科研所）科研成果轉化的實驗項目、校企聯合創新俱樂部貼近實戰的實驗項目、國內國際計算機類大賽的實驗項目、學校實驗室開放基金實驗項目等。

2.計算機實驗教學體系建設

2.1樹立先進的實驗教學理念

實驗教學是構成高等學校課程教學的重要組成部分。在實驗教學理念（如圖2所示）上應以學生為本，重視學生實踐能力的培養，以實驗項目驅動為主導，倡導“做中學”的實驗學習方式，培養學生自主學習的能力；重視實踐實驗教學，重視學生基本能力的培養；重視科研成果向實驗項目的有效轉化，強化創新、研究意識，注重創新、創業意識的引導，促進科學研究能力的培養，突出個性能力發揮，促進學生知識、能力、素質協調發展；重視校企合作，為學生創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境，全面培養學生的科學作風、實驗技能以及綜合分析、發現和解決問題的能力，使學生具有創新、創業精神和實踐能力。

2.2明確實驗教學改革思路

實驗教學改革和實驗室建設思路如圖3所示。

第一，重視理論教學與實踐教學相結合，重視學生實踐能力的培養。計算機人才的能力素質結構中包含素質、知識、技能3個基本要素，以實踐實驗教學為紐帶，將這3個能力素質結構的構成要素整合起來，形成一個有機整體。

第二，重視學生計算機基礎能力的培養，重視基礎實驗教學，特別是編程能力和動手能力的培養。深圳大學計算機與軟件學院為重點計算機基礎課程設立專門的實驗課，專門為面向對象程序設計實驗與課程設計、數據結構實驗與課程設計兩門課程各安排每周4小時的實驗，采用“全程緊張、機考評分”的全新實驗教學方式，訓練學生規范、熟練地掌握計算機編程能力，取得了很好的實驗效果。為了進一步夯實學生實踐能力基礎，還特別設立以過程性考核為主的課程（包括數據庫原理、軟件工程、嵌入式系統、電子電路等），實行以學生自學為主，“做中學”的教學模式。

第三，重視科研成果向實驗項目的有效轉化，重視創新創業意識的培養。教學中應使學生全面了解科技最新發展和學術前沿動態，激發學生的科研興趣，啟迪科研思維，使其掌握科研方法、培養科研道德，全面提升科學研究和科技創新的能力。各省級科研重點實驗室和市級科研重點實驗室積極將各重點實驗室的科研成果轉化為學生（特別是本科生）的實驗項目，供學生在課堂實驗中使用；部分研究性實驗項目，以開放實驗項目的形式，提供給學生在課外創新實驗中使用。

第四，重視虛擬仿真實驗教學，重視學生自主在線實驗環境的建設。結合深圳大學倡導發起的“全國地方高校UOOC聯盟”平臺建設和推廣，學院在在線虛擬仿真實驗、協作式虛擬實驗、自組織虛擬實驗教學等方面進行大量的研究和探索。

第五，重視校企合作，構建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境。堅持“校企聯合、注重實踐”的教學觀念，綜合利用各方面技術、資源，在實驗室與實訓基地建設、課外創新活動開展、實驗教學體系構建、創業教育課程開設、創業大賽舉辦等各方面，與國內外知名企業進行全面的校企合作，建立校企聯合創新俱樂部，建立起靈活、富有特色、能適合市場和企業人才要求的多維立體校企合作模式，大大提高人才的培養質量，確保為企業和社會輸送大量“高素質、強能力、會創新、能創業”的計算機工程應用型高級人才。

2.3實驗教學體系內容

在計算機實驗教學體系的具體建設過程中，整合學校計算機類優質實驗教學資源，實現教學科研有機結合，加強虛擬仿真實驗環境建設，加強校企合作，從而建立起目標清晰、載體明確、考核科學的實驗教學體系與內容。

1）整合學校計算機類優質實驗教學資源。

依托計算機科學與技術專業（國家特色專業、省級名牌專業）、軟件工程專業（廣東省示范性軟件學院）、網絡工程專業，依托廣東省普及型高性能計算機重點實驗室、粵港現代信息服務協同創新中心、廣東省大數據分析與處理工程技術研究中心等3個省級重點實驗室，依托深圳市服務計算與應用重點實驗室、深圳移動互聯網應用中間件技術工程重點實驗室、深圳市嵌入式系統設計重點實驗室、深圳市物聯網專用集成電路設計工程實驗室、深圳市科技創新資源共享平臺等5個市級重點實驗室，依托未來數字媒體研究所、網絡與信息安全研究所、計算機視覺研究所等3個科學研究所，建成16個本科實驗教學實驗室、3個校企聯合實驗室、6個校企聯合實習基地和9個校企聯合技術創新俱樂部，如圖4所示。

2）教學科研有機結合，實現科研成果向實驗教學內容有效轉化。

中心依托的3個省級科研重點實驗室、5個市級科研重點實驗室以及3個科學研究所，都積極將各重點實驗室（或研究所）的科研成果轉化為學生（特別是本科生）的實驗項目（共計77項），供學生（特別是本科生）在課堂實驗中使用；部分研究性實驗項目以開放實驗項目的形式，提供給學生課外創新實驗中使用。

3）加強虛擬實驗課程建設，創建學生在線實驗環境。

積極探索在線虛擬仿真實驗課程和實驗項目的建設，已建成6門在線仿真實驗課程，設立在線仿真實驗項目119項，可供UOOC聯盟中的所有大學的學生（包括深圳大學的本科生）以及社會上的專業人才通過網絡在線做實驗。

4）加強校企合作，創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境。

為了加強學生課外實驗的效果，提高學生對實驗課程的興趣，更好地將實驗與企業項目結合，創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境，學院已與國內外9家著名企業聯合成立了學生課外技術創新俱樂部，包括騰訊創新俱樂部、IBM技術俱樂部、TI（Texas Instrument）創新俱樂部、ARM技術俱樂部、Linux創新俱樂部、Microsoft創新俱樂部、嵌入式機器人俱樂部、移動互聯網應用開發俱樂部、Java俱樂部（也叫Java協會）。學生可以根據自已的興趣，結合企業項目，參與到課外創新性、實戰性和創業性實，驗中，取得了更好的實驗效果。

5）網絡工程虛擬仿真實驗教學中心建設。

本著“實驗教學與科研成果轉化有機結合、現場實驗與虛擬仿真實驗虛實結合、實驗中心與企業緊密聯合”的建設理念，中心已建成開放式網絡工程虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺以及虛擬仿真實驗教學系統（資源）7個，包括網絡工程專用集成電路（ASIC）芯片設計與物聯網設備設計虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目9項）、軟件定義網絡（SDN）虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目15項）、網絡信息安全虛擬仿真實驗室及教學系統（虛擬仿真實驗項目120項）、計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目22項）、大型綜合性網絡虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目18項）、移動通信原理虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目12項）、網絡設備基礎虛擬仿真實驗教學系統（虛擬仿真實驗項目5項）；已建成虛擬仿真實驗課程11門，虛擬仿真實驗項目201項。中心在建設虛擬仿真實驗教學（系統）資源的過程中，根據虛擬仿真實驗項目性質的不同，分別采用自主建設和合作開發兩種方式進行建設。對于實體實驗室環境下很難（或無法）完成的網絡芯片設計、最新型網絡技術和設備虛擬仿真實驗項目、大型網絡系統虛擬實驗項目，主要以科研成果向虛擬仿真實驗轉化的形式自主建設；對于常規的網絡工程類虛擬仿真類實驗項目，堅持自主建設和與企業聯合開發兩種方式。

2.4實驗教學方法手段

教學實驗中心承擔的實驗教學任務比較繁重和復雜，涵蓋了全校80個專業的大學公共計算機基礎課程實驗教學，以及本學院計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、高性能計算等軟、硬件的實驗教學。教學實驗中心還要積極應對計算機技術軟、硬件不斷發展的趨勢，實驗技術和實驗教學方法需要不斷學習、更新。為此，根據中心建立的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的實驗教學體系，遵循既注重實驗教學的規范性、統一性、系統性，又兼顧創新型人才、復合型人才的“因材施教”“興趣培育”“重點培養”的原則，采用了以下5種實驗教學方法：①統一指導，獨立完成實驗；②典范引導，獨立完成實驗；③自主設計、協同完成實驗；④個別指導，項目管理實驗；⑤聚徒教學，貼近實戰實驗。

3.實驗教學體系建設成果

深圳大學計算機實驗教學體系建設的主要成果有：①實驗資源實現了全方位共享，實現了大型實驗儀器設備社會共享的突破；②有效整合了學校計算機類優質實驗教學資源，實現了科研成果向實驗教學內容的有效轉化；③創新了虛擬實驗教學模式，開創了“全程緊張、機考評分”的全新計算機編程實驗教學新模式；④加強了校企合作，實行了“協同創新”培養模式，創建了貼近企業實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境；⑤開創了層次化開放式的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系和“重基礎、重實踐、重創新、重實戰”“做中學”的人才培養模式。

實踐證明，虛實結合、科教融合，“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系是行之有效的，可為其他院校的教學改革提供有益參考。