“人工智能+ 新工科”背景下計科專業實踐教學改革新探

張微

摘要：面對“人工智能+ 新工科”時代更加注重學生實踐能力提高的新要求，針對計算機科學與技術（簡稱“計科”）專業實踐教學中學生工程實踐能力較為薄弱，實踐教學內容難以適應技術更新要求，實踐教學方式單一，產學合作不足的現狀和問題，需要采取實踐教學改革新策略，打破傳統計科專業實踐教學體系及人才培養模式，對現有實踐教學課程體系、教學模式、教學方法、途徑等進行調整與優化，構建基于“人工智能+ 新工科”的一體兩翼型實踐教學架構，以提高計科專業學生的工程實踐能力和綜合素質，培養創新創業實踐型計科專業人才，適應新時代企業和社會發展的需要。

關鍵詞：人工智能；新工科；計科專業；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0140-03

0 引言

近年來，以深度學習為代表的“人工智能”技術迅猛發展，大幅度跨越了科學研究與實際應用之間的鴻溝，相關技術已經融入社會各個領域，以云計算、大數據、區塊鏈、物聯網、機器學習和神經網絡為技術基礎的智能時代已經到來[1]。相對于傳統工科而言，在新科技革命和產業變革背景下，新工科專業應運而生，標志著我國工程教育發展新思維、新方式下的重大戰略轉變，深刻地影響著高校計算機科學與技術專業實踐教學與人才培養[2-4]。計算機科學與技術（簡稱“計科”）專業多年來一直處于高速發展的軌道中，是社會需求量非常大的一級學科本科專業，實踐性極強，工程實踐能力和綜合素質要求非常高。計科專業創新創業實踐型人才的培養是高等教育的發展方向和重要目標。面對“人工智能+ 新工科”時代對計科專業提出的新要求，將“人工智能”新理論、新技術、新成果與“新工科”建設全面深度融合，探索計科專業實踐教學新模式，優化傳統實踐教學內容與方法，推動新工科創新型實踐教學模式的建設與發展，培養計科專業領域創新創業實踐型人才，既是高校人才培養的重要目標，也是企業對人才素質的現實要求；既是適應新時代中國經濟建設和經濟轉型，實現國家發展戰略目標的迫切要求，更是國家富強和民族復興的必然要求。

1 計科專業實踐教學現狀和問題分析

計科專業作為重要的新工科專業，時代特點鮮明，具有發展動態性[1]。計科專業也是實踐性很強的專業，要求學生不僅要掌握堅實的理論基礎，更需要有較強的動手能力和解決實際問題的能力。計科專業學生的實踐能力在人才培養體系中占有重要地位，也是培養創新應用型人才的重要內容。從目前情況來看，計科專業傳統實踐教學包括課內實驗、課程設計、認知實習、電子工藝實習、生產實習、畢業設計等[3]。而新工科為高校工程教育教學實踐探索提出了新要求。新工科建設既是對傳統工科的升級換代，又是適應產業科技革命引發的新興工程類學科發展的現實需要。顯然，計科專業實踐教學存在亟需直面的一些現實問題。

1.1 工程實踐能力薄弱，師生有畏難情緒

我國部分高校教學過程中存在重理論、輕實踐的現象。大部分工科課程理論知識本身具有一定難度，學生理解掌握起來較為困難，而由于學生對基本理論知識學習存在一知半解或者理解掌握不全面不準確的問題，導致在實踐過程中自然不能得心應手。工程實踐能力薄弱使得學生在將理論運用到實際操作過程中可謂是難上加難。除此之外，近年來高校工科專業教師的學歷層次雖然有大幅度提高，教師對理論知識的掌握也相對較為完備，但是，卻也存在缺乏實際工程實踐經驗，對企業運行模式及人才實際需求的了解還不夠到位，不夠深入等問題。師生對實踐教學存在畏難情緒，對實踐教學重視不夠，必然會影響學生動手能力和實踐操作能力的培養。

1.2 課時相對有限，難以挑戰高階任務

計科專業開設的課程主要以理論教學為主，注重學生專業理論知識的學習，實踐教學則放在輔助位置。在人才培養方案中，理論課時通常遠大于實踐課時。實踐教學內容具有邏輯性強、挑戰性大的特點，對師生均有較高要求。實踐教學課時少、實驗條件參差不齊，而采用傳統教學模式自然難以實現實踐教學目標，挑戰高階任務，影響課程目標達成度。

1.3 實踐教學內容難以適應技術更新要求

計科專業強調動手能力和實踐操作能力，新理論、新技術、新知識層出不窮，更新速度快[6]。而不少高校計算機專業的實踐教學內容卻過于陳舊，且長期不變，往往滯后于新時代智能化應用現狀，跟不上新時代新理論、新技術、新知識更新的步伐，與企業、社會對工程技術人才的需求嚴重脫軌，實踐教學案例也與新時代的現實應用脫節，學生參與實踐的積極性不高，嚴重影響了實踐教學效果。

1.4 實踐教學方式單一，產學合作不足

計科專業的傳統實踐教學方式單一，以教師講授為主，通常在學校實驗室線下進行，實驗內容以驗證性為主，缺少設計型、綜合性實踐環節，課程內容不易激發學生的學習興趣及創新意識。學生對實踐課程重視不足，缺少實驗課前預習和課后總結分析。同時，企業主體作用發揮不到位，校企合作還不夠深入，合作層次還沒有完全融入人才培養過程中，導致學生對軟件開發過程認識不清晰、系統設計訓練和培養明顯不足[7]。學校教育與企業需求脫節，畢業生和企業需要花費較多時間和精力進行適應和磨合。

2 基于“人工智能+ 新工科”的計科專業“一體兩翼型”實踐教學架構

研究針對計科專業實踐教學存在的問題，結合新時代計科專業新特征，打破傳統計算機科學與技術專業實踐教學體系及人才培養模式，構建基于“人工智能+ 新工科”的創新型實踐教學改革機制，建立基于“人工智能+ 新工科”的計科專業“一體兩翼型”實踐教學架構。如圖1所示，其中“一體”代表以計科專業實踐教學主體內容為軸心，“兩翼”為“新工科”和“人工智能”融入實踐教學主體的新理念、新方向、新要求、新理論、新技術和新成果。通過“新要素”的融入，調整、優化傳統實踐教學主體內容，建立“1 + 2 + 1”階梯遞進式模塊化實踐教學新體系，構建“多主體——多階段——多元化”實踐教學新模式，探索混合式教學、虛擬仿真、實踐教學平臺、雙創教育、產學合作等多種實踐教學新方法、新途徑，培養符合“人工智能+ 新工科”時代要求的計科專業創新創業實踐型人才。

3 基于“人工智能+ 新工科”的計科專業實踐教學改革新策略新路徑

根據“人工智能+ 新工科”時代要求，基于上述“一體兩翼型”實踐教學架構，結合寶雞文理學院計算機學院計科專業實踐教學現狀，從課程體系、教學模式和實踐教學方法、途徑等方面探索實踐教學改革新策略新路徑。

3.1 建立“1 + 2 + 1”階梯漸進式模塊化實踐教學課程體系

采用大類招生模式和4年基本學制，綜合考慮學生專業課程體系建設和能力導向需求，構建基于“人工智能+ 新工科”的計科專業實踐教學“1 + 2 + 1”階梯漸進式模塊化課程體系，如圖2所示。

第1 學年以專業基礎課程實踐為主夯實學科基礎，包括程序設計基礎、離散數學、計算機系統基礎等專業基礎課程課內實驗和問題求解、認知實習、程序設計能力達標測試等課外實踐環節，第2～3 學年以專業課課內實驗和專業課拓展實踐為主提高專業知識和技能。專業課課內實驗包括數據結構與算法、數字邏輯與計算機組成、操作系統等核心專業課程的課內實驗。除此之外，增加與之對應的課程設計環節，包括數據結構課程設計和計算機模型機設計等。相比較課內實驗課時較少，內容相對簡單，多以驗證性實驗為主，課程設計是對應課程的綜合性實踐教學環節，讓學生完成一項涉及本課程主要內容的綜合性、應用性的系統設計開發題目。同時，增設企業實訓課程以及專業實習與應用能力達標測試等課外專業課拓展實踐環節。最后1學年通過行業實踐、綜合工程訓練、畢業設計等綜合實踐環節加強學生應用創新實踐能力訓練。

3.2 構建“多主體——多階段——多元化”實踐教學新模式

針對實踐教學方式單一，產學合作不足的問題，提出“多主體——多階段——多元化”實踐教學新模式，如圖3所示。該模式充分發揮學校、教師、企業多主體作用，積極與企業開展項目合作，增強與企業合作建立實踐課程，通過校內實訓、企業實習實踐等教學環節，強化學生對理論知識的理解、提升創新實踐能力。將實踐教學過程分為課前、課中、課后三個階段。要求學生課前預習、課中主動學習、課后總結分析，形成實驗、實訓、實習報告。與此同時，將新工科和人工智能“新要素”融入實踐教學主體，從教學方式、教學內容、考核方式等多方面實現實踐教學的多元化。引入以問題引導為基礎的探究性學習、以案例分析為基礎的討論性學習、以項目實踐為基礎的參與性學習等創新性學習方法，努力提升學生綜合素養，利用現代信息技術，促進虛擬現實、人工智能等信息技術與教育教學深度融合，切實提高教學效果與效率。

3.3 探索線上線下混合式教學、虛擬仿真、實踐教學平臺、雙創教育、產學合作等實踐教學新方法、新途徑

“人工智能+ 新工科”背景下，針對實踐教學現狀及問題，重塑計科專業人才培養質量觀，對現有實踐教學方法進行改進。采用線上線下混合式教學、虛擬仿真、雙創教育、產學合作等多種方法、途徑，提高教學過程的靈活性、互動性，提升學生學習興趣，切實提高教學效果，培養符合“人工智能+ 新工科”時代要求的計科專業創新創業實踐型人才。

1）開展線上線下混合式教學。在線實驗教學對于計科專業具有很好的契合度，如編程類、軟件開發類等課程實驗均可通過在線方式完成，與線下教學進行有機結合，實現混合式教學。

2）搭建虛擬仿真實驗環境。對部分專業基礎課程，可以搭建虛擬仿真實驗環境，如數字邏輯與計算機組成等課程實驗，可以采用Logisim虛擬仿真實驗軟件。虛擬仿真實驗能夠模擬真實實驗環境，不僅降低了實驗教學成本，還能夠提高實驗教學的安全性，克服了傳統計算機硬件實驗對實驗時間和實驗場地的限制，課內課外相結合，也為學生提供了自主學習、個性化學習的機會，滿足現代化教學需要，適合線上線下開展。

3）利用實踐教學平臺。利用頭歌（EduCoder）實踐教學平臺搭建實踐型MOOC，更好地建立多元化層次化實驗體系。通過頭歌實踐教學平臺創建SPOC課程，教師可全程掌控學生實驗過程和成績，幫助教師了解學生的實驗進度及對課程的掌握情況。

4）加強雙創實踐教育。鼓勵教師指導、學生參加大學生創新創業訓練計劃項目、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽等比賽，通過創新創業大賽鍛煉實踐能力，提升實踐教學效果。

5）加強與企業的合作、產學研結合。通過建設校外實踐基地，選派青年教師到企業學習，邀請企業有經驗的一線工程師參與校內校外實踐環節，講授企業實際項目案例，提高教師專業技能，提升學生的動手實踐創新能力。

4 結束語

“人工智能+ 新工科”時代需要深化高校工程教育改革，打破傳統實踐教學體系及人才培養模式，建立創新型實踐教學改革機制，本文基于“人工智能+ 新工科”的計科專業一體兩翼型實踐教學架構，從實踐教學課程體系、教學模式、教學方法及教學途徑等方面進行探索，提出計科專業實踐教學改革策略和實施路徑，不斷提高計科專業學生的實際操作、實踐創新能力及各種綜合素質，更好地適應新時代企業和社會對工程技術人才的需要。

參考文獻：

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[3] 陳義明，劉桂波，張林峰，等.基于多尺度CDIO的人工智能新工科人才培養模式[J].計算機教育，2022（8）：11-14.

[4] 劉剛，周慶國，海軒，等.面向新工科視角的實踐性教學探索研究[J].微納電子與智能制造，2021，3（4）：103-109.

[5] 李妍，孫冬璞，崔永利，等.新工科背景下計算機組成原理課程實踐教學的探索[J]. 中國現代教育裝備，2020（19）：49-51+61.

[6] 李波，覃俊，帖軍.新工科及人工智能背景下計算機類專業創新創業教育研究[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：18-22.

[7] 王征，欒鑫，劉旦，等“. 人工智能+新工科”創新型實踐教學人才培養對策探討[J].長春工程學院學報（社會科學版），2022，23（3）：90-93.

【通聯編輯：王力】