虚实结合和科教融合的计算机实验教学体系

明仲　蔡茂国　朱安民

摘要：分析我国高等教育对学生实验动手能力培养不够重视的现状，在国家级“计算机实验教学示范中心”和“网络工程虚拟仿真实验教学中心”的实验教学平台基础上，提出以学生为本，重视学生实践能力的培养，以实验项目驱动为主导，倡导“做中学”实验学习方式的教学理念，构建一个完整的虚实结合、科教融合，“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系，为同类高校计算机专业的人才培养建设提供思路。

关键词：实验教学；虚拟仿真；虚实结合；科教融合；教学体系

0.引言

目前我国高校每年的毕业生人数超过700万，高等教育为我国经济建设培养了大量的人才，但是与此同时企业招不到优秀的人才与大量的毕业生找不到满意的工作形成明显的矛盾。归其原因，是我们的高等教育人才培养方面出现偏差，突出点就是教学环节只重视知识与原理的“单向输出”，不注重实验动手能力的培养；实验室的建设也是五花八门，大多是围绕着理论教学的课程转，随着理论课程的变化而变化，没有形成一套完整科学的实验教学体系。这就导致教与学分离、学与练分离、练与用分离，学生在学习中处于被动地位。

与此同时，国内教育界有识之士一直在呼吁强调实验教学环节的重要性，认为实验室是高校进行教学、研究和培养高素质人才的重要场所。实践动手能力的培养在计算机专业教育和创新人才培养中占有非常重要的地位。虚拟仿真实验教学信息技术应用于教育领域，是教育信息化的重要组成部分。为了推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，教育部一直都非常重视高校实验室的建设，于2005年启动评审建立一批国家级实验教学示范中心，并且此后每年都严格评审建立一批。随着信息技术的发展，在建设国家级实验教学示范中心加强实验教学的基础上，教育部于2013年提出了国家级虚拟仿真实验中心的建设工作。

如何领会国家教委的精神，如何建设好符合企业人才需求的高校计算机教育实验室，这是全国高校计算机专业面临的重要课题。

1.虚实结合、科教融合的教学体系

“虚实结合、科教融合”是将真实的实验环境建设与虚拟仿真实验环境建设相结合，将科研成果与实验教学融为一体，充分发挥虚拟仿真实验教学独特、不可替代的作用，充分发挥科研成果转化成实验教学案例的实际应用作用，切实提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容。

“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系是将强调规范性、系统性的课程实验教学系统和强调自主性、创新性开放实验教学系统有机结合起来的实验教学模式，如图1所示。

课程实验教学主要包括大学公共计算机基础实验教学以及计算机类专业课程教学。公共基础实验教学主要面向全校所有非计算机类专业学生开设，以培养学生的计算机基本技能为主。专业课程实验教学是计算机类专业培养方案中规定的实验课程教学，按照教学计划层次递进的规律设计了实验教学系统，包括计算机技术基础实验教学、计算机应用基础实验教学、计算机应用实验教学、计算机综合实验（工程实践）教学以及实战性实验（毕业设计）教学5个层次，其特点是按照计算机类专业人才的综合素质和专业化能力的培养规律，遵循专业教育质量要求来设计和组织。课程实验教学强调实验教学的规范性、统一性和系统性，与理论教学协调一致，保持实验教学体系的完整性、连贯性和相对独立性。这一部分的实验要求所有的学生都参与，采用由教师统一指导和典范引导结合的方式进行实验教学，并由学生独立完成实验内容。

开放实验教学从培养学生的专业兴趣入手，以创新能力和贴近实战的应用能力培养为目标，以实验项目为核心，采用个别指导和聚徒教学相结合的教学方法进行实验教学，由学生按兴趣自由组成实验小组，自由选择实验项目，自主设计实验方案并完成实验过程。开放实验项目来源主要包括重点实验室（科研所）科研成果转化的实验项目、校企联合创新俱乐部贴近实战的实验项目、国内国际计算机类大赛的实验项目、学校实验室开放基金实验项目等。

2.计算机实验教学体系建设

2.1树立先进的实验教学理念

实验教学是构成高等学校课程教学的重要组成部分。在实验教学理念（如图2所示）上应以学生为本，重视学生实践能力的培养，以实验项目驱动为主导，倡导“做中学”的实验学习方式，培养学生自主学习的能力；重视实践实验教学，重视学生基本能力的培养；重视科研成果向实验项目的有效转化，强化创新、研究意识，注重创新、创业意识的引导，促进科学研究能力的培养，突出个性能力发挥，促进学生知识、能力、素质协调发展；重视校企合作，为学生创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，全面培养学生的科学作风、实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力，使学生具有创新、创业精神和实践能力。

2.2明确实验教学改革思路

实验教学改革和实验室建设思路如图3所示。

第一，重视理论教学与实践教学相结合，重视学生实践能力的培养。计算机人才的能力素质结构中包含素质、知识、技能3个基本要素，以实践实验教学为纽带，将这3个能力素质结构的构成要素整合起来，形成一个有机整体。

第二，重视学生计算机基础能力的培养，重视基础实验教学，特别是编程能力和动手能力的培养。深圳大学计算机与软件学院为重点计算机基础课程设立专门的实验课，专门为面向对象程序设计实验与课程设计、数据结构实验与课程设计两门课程各安排每周4小时的实验，采用“全程紧张、机考评分”的全新实验教学方式，训练学生规范、熟练地掌握计算机编程能力，取得了很好的实验效果。为了进一步夯实学生实践能力基础，还特别设立以过程性考核为主的课程（包括数据库原理、软件工程、嵌入式系统、电子电路等），实行以学生自学为主，“做中学”的教学模式。

第三，重视科研成果向实验项目的有效转化，重视创新创业意识的培养。教学中应使学生全面了解科技最新发展和学术前沿动态，激发学生的科研兴趣，启迪科研思维，使其掌握科研方法、培养科研道德，全面提升科学研究和科技创新的能力。各省级科研重点实验室和市级科研重点实验室积极将各重点实验室的科研成果转化为学生（特别是本科生）的实验项目，供学生在课堂实验中使用；部分研究性实验项目，以开放实验项目的形式，提供给学生在课外创新实验中使用。

第四，重视虚拟仿真实验教学，重视学生自主在线实验环境的建设。结合深圳大学倡导发起的“全国地方高校UOOC联盟”平台建设和推广，学院在在线虚拟仿真实验、协作式虚拟实验、自组织虚拟实验教学等方面进行大量的研究和探索。

第五，重视校企合作，构建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境。坚持“校企联合、注重实践”的教学观念，综合利用各方面技术、资源，在实验室与实训基地建设、课外创新活动开展、实验教学体系构建、创业教育课程开设、创业大赛举办等各方面，与国内外知名企业进行全面的校企合作，建立校企联合创新俱乐部，建立起灵活、富有特色、能适合市场和企业人才要求的多维立体校企合作模式，大大提高人才的培养质量，确保为企业和社会输送大量“高素质、强能力、会创新、能创业”的计算机工程应用型高级人才。

2.3实验教学体系内容

在计算机实验教学体系的具体建设过程中，整合学校计算机类优质实验教学资源，实现教学科研有机结合，加强虚拟仿真实验环境建设，加强校企合作，从而建立起目标清晰、载体明确、考核科学的实验教学体系与内容。

1）整合学校计算机类优质实验教学资源。

依托计算机科学与技术专业（国家特色专业、省级名牌专业）、软件工程专业（广东省示范性软件学院）、网络工程专业，依托广东省普及型高性能计算机重点实验室、粤港现代信息服务协同创新中心、广东省大数据分析与处理工程技术研究中心等3个省级重点实验室，依托深圳市服务计算与应用重点实验室、深圳移动互联网应用中间件技术工程重点实验室、深圳市嵌入式系统设计重点实验室、深圳市物联网专用集成电路设计工程实验室、深圳市科技创新资源共享平台等5个市级重点实验室，依托未来数字媒体研究所、网络与信息安全研究所、计算机视觉研究所等3个科学研究所，建成16个本科实验教学实验室、3个校企联合实验室、6个校企联合实习基地和9个校企联合技术创新俱乐部，如图4所示。

2）教学科研有机结合，实现科研成果向实验教学内容有效转化。

中心依托的3个省级科研重点实验室、5个市级科研重点实验室以及3个科学研究所，都积极将各重点实验室（或研究所）的科研成果转化为学生（特别是本科生）的实验项目（共计77项），供学生（特别是本科生）在课堂实验中使用；部分研究性实验项目以开放实验项目的形式，提供给学生课外创新实验中使用。

3）加强虚拟实验课程建设，创建学生在线实验环境。

积极探索在线虚拟仿真实验课程和实验项目的建设，已建成6门在线仿真实验课程，设立在线仿真实验项目119项，可供UOOC联盟中的所有大学的学生（包括深圳大学的本科生）以及社会上的专业人才通过网络在线做实验。

4）加强校企合作，创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境。

为了加强学生课外实验的效果，提高学生对实验课程的兴趣，更好地将实验与企业项目结合，创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，学院已与国内外9家著名企业联合成立了学生课外技术创新俱乐部，包括腾讯创新俱乐部、IBM技术俱乐部、TI（Texas Instrument）创新俱乐部、ARM技术俱乐部、Linux创新俱乐部、Microsoft创新俱乐部、嵌入式机器人俱乐部、移动互联网应用开发俱乐部、Java俱乐部（也叫Java协会）。学生可以根据自已的兴趣，结合企业项目，参与到课外创新性、实战性和创业性实，验中，取得了更好的实验效果。

5）网络工程虚拟仿真实验教学中心建设。

本着“实验教学与科研成果转化有机结合、现场实验与虚拟仿真实验虚实结合、实验中心与企业紧密联合”的建设理念，中心已建成开放式网络工程虚拟仿真实验教学管理与共享平台以及虚拟仿真实验教学系统（资源）7个，包括网络工程专用集成电路（ASIC）芯片设计与物联网设备设计虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目9项）、软件定义网络（SDN）虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目15项）、网络信息安全虚拟仿真实验室及教学系统（虚拟仿真实验项目120项）、计算机网络虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目22项）、大型综合性网络虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目18项）、移动通信原理虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目12项）、网络设备基础虚拟仿真实验教学系统（虚拟仿真实验项目5项）；已建成虚拟仿真实验课程11门，虚拟仿真实验项目201项。中心在建设虚拟仿真实验教学（系统）资源的过程中，根据虚拟仿真实验项目性质的不同，分别采用自主建设和合作开发两种方式进行建设。对于实体实验室环境下很难（或无法）完成的网络芯片设计、最新型网络技术和设备虚拟仿真实验项目、大型网络系统虚拟实验项目，主要以科研成果向虚拟仿真实验转化的形式自主建设；对于常规的网络工程类虚拟仿真类实验项目，坚持自主建设和与企业联合开发两种方式。

2.4实验教学方法手段

教学实验中心承担的实验教学任务比较繁重和复杂，涵盖了全校80个专业的大学公共计算机基础课程实验教学，以及本学院计算机科学与技术、软件工程、网络工程、高性能计算等软、硬件的实验教学。教学实验中心还要积极应对计算机技术软、硬件不断发展的趋势，实验技术和实验教学方法需要不断学习、更新。为此，根据中心建立的“课程实验+开放实验”双轨交叉的实验教学体系，遵循既注重实验教学的规范性、统一性、系统性，又兼顾创新型人才、复合型人才的“因材施教”“兴趣培育”“重点培养”的原则，采用了以下5种实验教学方法：①统一指导，独立完成实验；②典范引导，独立完成实验；③自主设计、协同完成实验；④个别指导，项目管理实验；⑤聚徒教学，贴近实战实验。

3.实验教学体系建设成果

深圳大学计算机实验教学体系建设的主要成果有：①实验资源实现了全方位共享，实现了大型实验仪器设备社会共享的突破；②有效整合了学校计算机类优质实验教学资源，实现了科研成果向实验教学内容的有效转化；③创新了虚拟实验教学模式，开创了“全程紧张、机考评分”的全新计算机编程实验教学新模式；④加强了校企合作，实行了“协同创新”培养模式，创建了贴近企业实际的模拟、虚拟、仿真实验环境；⑤开创了层次化开放式的“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系和“重基础、重实践、重创新、重实战”“做中学”的人才培养模式。

实践证明，虚实结合、科教融合，“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系是行之有效的，可为其他院校的教学改革提供有益参考。