学科前沿指引下的信息与计算科学专业教学研究

徐增敏　唐先红　朱志斌　陈军

摘要：信息与计算科学专业是典型的交叉学科专业，强调用数学和信息的知识解决学科应用中的实际问题，但是在该专业多年的教学过程中，一直存在不同学科知识难以融合的问题。文章针对目前学生理论知识结构单一和教学改革效果不理想的现状，以安防多媒体应用为例，分析学科前沿知识结构，结合市场工程项目需求提出在学科前沿应用的指引下，面向学术研究和工程应用提高专业教学水平，锻炼学生实践能力，深化人才培养机制改革。

关键词：交叉学科；安防应急；知识结构；实践教学

1 学科前沿双向指引

国外世界一流大学的办学经验证明交叉学科及专业已经成为培养具备综合学科实力的拔尖创新人才的主渠道。信息与计算科学专业作为典型的交叉学科专业，目前国内已有近500所院校开设了该专业，有的院校根据自身情况制定了不同的人才培养计划，但是却鲜有文献阐述如何将交叉学科的课程知识融为一体，同时，学生理论知识结构单一，难以在实际应用中灵活运用专业知识的情况仍然存在，专业教学改革没有取得理想效果。因此，课程内容贴近学科前沿，教学方式灵活扩展已经成为信息与计算科学专业教学亟需解决的问题。

1.1 安防应急信息技术学科背景

以安防应急信息技术学科为例，一方面利用管理科学中的实证研究构建安防系统的效能评估指标体系框架；另一方面利用信息科学的理论对监控目标进行深度应用，针对公安部门利用城市安防系统庞大录像数据的迫切需求，研究以刑侦图像技术为代表的人脸超分辨率和目标重识别，从而揭示人们辨识事物或行为的内在认知规律，这属于管理科学和信息科学的交叉融合学科。

武汉大学国家多媒体软件技术工程研究中心从2003年起，就在多媒体数字安防与应急信息技术的研究领域内形成了自己的学科特色和优势，并在2008年成功申请“安防应急信息技术”的博士学科点。工程中心项目团队承担的国家自然科学基金和973子项目，通过自主创新和技术合作，对传统的安防工程学科知识做了重大突破，将监控与应急一体化，形成大安防系统的体系架构。同时，主持国家和行业音视频编解码标准的研制，通过开发重点引导性产品，承担重大示范性工程项目，带动产业技术升级和持续健康发展。

1.2 双向指引下的知识结构

笔者在多媒体工程中心进修期间发现安防应急学科所涉及的前沿知识可以很好地指引信息与计算科学专业教学，推动专业课程内容更新，优化专业原有知识结构，激发学生学好知识、用好知识的动力。安防应急学科前沿指引下的信息与计算科学专业课程知识结构见表1，该表展示了安防应急所需知识对应信息与计算科学专业课程的情况。

表1说明，如果能在相应课程中对安防应急进行适当延伸，如增加案例分析、扩展实验内容等，那么信息与计算科学专业学生经过1～2年的基础课程学习，就可以了解到安防应急学科的前沿应用，尤其是概率论与数理统计的基础知识，更广泛应用到安防应急科学领域的各个研究热点，而到了大学第3、第4学年的时候，将会在更多专业课程上认识到学科知识交叉融合的重要性。又如安防应急学科中的刑侦图像分析技术，强调用模式识别和机器学习的智能算法，通过数学或计算机工具对特定图像进行深度分析，找出嫌疑人的脸部或体貌特征，这里面既用到了概率论、矩阵论等数学知识，又用到了数字图像处理、人工智能等计算机知识。通过研习学科前沿应用案例，无论是在数学知识还是在计算机知识的理解和运用上，学生都会对基础理论和实践应用有更深层次的领悟。

与此同时，桂林电子科技大学数学与计算科学学院在人才培养思路上，很早就瞄准了学术研究和工程应用两个主要方向，因此制定的本科培养方案已经形成了纵向和横向结合的优势，在此基础上，只要在教学过程中加入相应学科前沿的应用案例，就能将专业教学水平提升一个层次。

2 交叉学科专业教学

一般专业教学活动分为两部分：理论教学和实践教学，信息与计算科学专业强调培养学生的动手能力，因此将课内教育的理论教学和实践教学比例调整为70%和30%。笔者为了突出学科前沿应用在专业教学中的重要地位，将结合数学与计科学学院现有基础，对课程知识交叉融合的方法进行探讨。

2.1 理论教学

笔者在多年专业教学改革的过程中发现，课程教材、教师业务水平、教育经历和教学方式都是影响课程教学质量的主要因素。首先课内理论教学依赖于贴近真实案例和通俗易懂的课本，其次任课教师的业务水平决定了教学质量的高低，第三任课教师的教育或实践经历能帮助学生尽快熟悉课程知识，最后就是灵活的教学方式可以激发学生学习的兴趣。

诸如高等数学、概率论与数理统计、数据库、C语言程序设计等基础课程，经过多年使用更新，其教材内容相对成熟，教师可以根据自己研究领域的学科前沿讲解典型案例，如概率论的贝叶斯公式经常用于目标跟踪的图像序列分析，而回归分析也经常用于监控成像系统性能评价的主观实验。相对而言，数据库一类的计算机基础课程更倾向于实际上机操作，这在工程项目中对于用户数据存放和权限管理有较高的要求。因为这些课程在教材内容更新上已经做过大量工作，所以学生只要掌握了基本的计算机操作能力，就可以将这些知识应用到安防应急调度或其他工程项目中。

尽管如此，在专业性更强的一些课程中，如计算机网络、操作系统、矩阵论等，更需要结合学科前沿应用涉及的内容进行讲解。例如，在安防应急调度项目中，开发座机网关不仅要考虑调度后台与语音卡的接口设计，实现回调函数的即时通信功能，还要熟悉音频数据传输的网络协议，更要理解操作系统中多核、多线程、多任务的消息传递机制，掌握面向对象程序语言对临界资源的互斥操作。如果任课教师没有经过一定时间的项目开发实践，很难在课本教材范围之外讲出让学生信服的内容。同理，在人脸超分辨率研究中，稀疏矩阵的表示形式已经成为该领域的重要知识，这些都需要任课教师对学科前沿有较为深入的研究。因此，数学与计算科学学院十分重视师资队伍的梯队建设，从2006年起每年都有教师外出进修或攻读博士学位，同时也引进博士、教授补充新鲜血液。目前数学与计算科学学院教师的博士（含在读）比例在全校排名第一。只有这样，才能不断提高教师的业务水平，才能将更为生动灵活的教学方式融入到理论教学中。endprint

2.2 实践教学

作为地方应用型高等院校，桂林电子科技大学一直重视实践教学改革，而常见的实践教学形式有课内实验、课程设计、专业实习和毕业设计。除此之外，该校的信息与计算科学专业还加上了创新实验，每学期通过学院创新实验平台网站发布题目，让学生根据兴趣爱好选择课题，以不超过3人一组的形式完成创新学分。

课内实验是与理论教学关系最为紧密的教学活动，虽然基础课程的实验内容相对成熟，可以适当增加部分学科前沿应用的验证性实验或在专业课程的实验中改进综合实验，但是课内实验学时毕竟有限，所以实践教学活动必须在课外进行延伸扩展。另外，一些软件工具需要更新换代，如面向对象程序语言的开发工具可以升级为VS2010或以上版本，数据库原理实验可以将数据库升级为SQL Server 2008或以上版本。软件工具的升级有助于养成良好的操作习惯，帮助理解程序出错信息，方便查看函数和对象的定义，紧跟企业项目的主流趋势。

从培养学生实践能力的角度来说，为期2周的课程设计很适合作为学科前沿应用来开展，但是由于课程设计不要求教师上课堂讲学，而主要靠学生课外自主完成，使得有些教师以放羊形式应付这门实践课程，导致课程设计教学流于形式。从另一个角度讲，任课教师如果具备良好的业务水平和负责的工作态度，那么可以考虑结合学科前沿应用制订设计内容。尤其是信息与计算科学专业本身就是一个交叉学科专业，具备将数学、计算机科学技术、通信与信息系统进行课程知识交叉融合的先天优势，学生在经过2-3年的课程知识学习后，每学期的选修课程任务量已经明显减少，他们拥有强烈的意愿对所学知识进行实践检验，而且学生在大三要选择专业方向，或者是信息科学，或者是计算科学与软件，鉴于此，涉足领域较多的安防应急学科知识，能很好地满足这两个方向学生的学习要求。例如，安防应急调度项目中对于监控网关、座机网关和手台网关的开发，需要用到计算机网络、操作系统和面向对象程序设计的知识，在学生已经熟悉这几门课程内容的前提下，课程设计就可以安排同类题目，由任课教师安排一定课时，先讲解该项目的业务流程、设备驱动和部分代码，再让学生根据源码学习编程，在指定时间内可以只实现一个会话维持或音频传输的功能并提交周报和文档；而关于综合服务器、地图服务器和调度服务器，则需要用到JSP或ASRNET一类的Web开发技术。虽然课内学时有限，学生不一定选修过相关课程，但是可以将这类题目安排在创新实验中，让感兴趣的学生在课外继续跟进学习。

当前很多信息技术企业单位已经意识到优秀人才对公司的积极作用，近年来更是注重企业文化发展和员工培养，因此他们为大学生提供了很多实习机会。另一方面，学生在专业实习时更愿意选择感兴趣的实际项目开发公司，可以最大限度地锻炼自己的动手能力。

至于大学生创新实验项目，学院考虑到不同年级学生的知识结构有所差异，因而由命题教师给出创新实验题目的难度系数和适合年级，再让学生到平台网站上选题。为方便学生在课余时间完成创新实验，这种实践方式只要求学生在一个学期内提交最终程序和文档，期间师生可以自由约见讨论问题。另外，为丰富学生课余学习生活，学院还成立了学生创新基地，在负责教师的带领下，各种可验证随机数、目标跟踪识别、GPU并行计算等学科前沿应用项目如雨后春笋般出现，通过各种形式带动学生参与课外学习，在学生之间形成了良好的学习气氛。

3 教学效果反馈分析

教学的目的在于培养学生，在课程内容相对固定的前提下，不同的教学方法对于最终的教学效果影响巨大，这种差别在交叉学科专业教学过程中更为明显。由于信息与计算科学专业是由数学、计算机科学技术、通信与信息系统组成的交叉学科专业，专职教师的教育背景相对独立，数学专业的教师很难把计算机或通信类的知识融入基础课程教学中，其他专业教师也存在同样情况，导致不少学生误认为该专业是个三不像。为了解决这个难题，教师可以考虑在晚上或周末空余时间组织师生开展专题讲座，以轻松活泼的形式给学生介绍学科实例，鼓励学生大胆提问并勇于探索。

同时，项目驱动的实践教学方式受到学生的热烈欢迎，例如，数据库课内综合实验是任课教师手把手地用Delphi语言搭建程序前台界面，以SQL Server存储后台数据控制用户权限，让学生在学习数据库知识的同时又获得最简单的项目开发经验。然而，该课内综合实验并不限于一种程序语言，小组成员可以自由选择Web应用或桌面应用开发，最终提交的应用软件可在课外一周内完成。验收时小组成员除了提交个人实验报告，还得接受教师对相关知识的提问，以检查参与综合实验的具体工作情况。

虽然常见的循序渐进教学法在前沿应用授课中同样有效，但是专业教学不能用填鸭式思路灌输知识，而要注重培养学生独立思考和分析问题的能力，这就需要教师在举例说明并解决一个问题后，以再次提出新问题的方式让学生学会思考，善于思考。另外，提问的方式也很重要，如安防应急调度中的座机网关开发，在逐步实现基本的网络通话功能后，有可能出现通话声音延迟时间增长的情况，这对于初学者是个难以理解的问题，因为这里面涉及操作系统的多线程调度机制、网络调度后台音频处理、语音卡驱动程序的内部逻辑等内容，它们之间存在相互制约的关系，像Windows操作系统的线程调度因为不是实时系统，所以每个任务线程的平均回调时间会变化，而网络调度后台也不能按理想状态约定转发音频数据的时间，再者语音卡放音回调函数的内部逻辑还得咨询相关厂家。如果任课教师直接点出问题关键所在，那么学生反而会形成依赖心理，所以应该考虑在不同的知识点上做适当改动，设计问题鼓励学生思考，通过分析各种可能以便于掌握更多知识。

4 结语

教学改革是个永恒的课题，只要时代在进步，专业教学就不能一成不变。尽管文中以安防多媒体前沿应用为例，对信息与计算科学专业教学提出了一定的思路和想法，但是改革过程中仍然存在很多问题，如该专业的数学类课程占用学时多，影响计算机和通信课程的学时分配；计算机和通信类的专职教师人数较少，高校教师的准入制度限制较多，造成专业教师上课任务偏重，科研时间被压缩。无论如何，以学科前沿应用指引专业教学符合当前高校教育现状，只有紧跟时代前进的脚步，才能保持学科专业的活力，为社会输送更多合格人才。

参考文献：

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（编辑：宋文婷）endprint