工程教育理念下计算机类专业应用型人才创新能力培养的教学改革探索与实践

姚亦飞，于繁华，李晓宁

(长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032)

习近平同志在党的十九大报告中指出：创新是引领发展的第一动力。将培养目标定位于提高应用型人才的创新能力，将先进的工程教育理念引入到教学工作中来，是实现高等教育服务社会职能、提升学生实践创新能力的有效途径，同时也能在一定程度上解决人才培养与社会需求相脱节的问题。鉴于此，课题组构建并逐步完善了“螺旋上升、四相推进”方案，基于“在实践中培养创新能力”的思想对计算机类专业教学实施了一系列改革，在提升学生创新能力方面取得了显著成效。

1 计算机类专业人才培养现状

近年来，以深度学习为代表的人工智能将信息产业推向了高峰，整个社会对计算机类专业人才的需求也在不断增大。持续发展的教育规模向社会输送了大量面临就业的学生。然而，根据麦克斯研究院对中国大学生就业情况的调研，应届毕业生找不到专业岗位与企业找不到合适人才的“两难”矛盾依然存在并日渐尖锐。与高校计算机类专业人才培养与社会需求脱节,计算机类专业传统教学中创新能力培养机制存在短板，使学生的主体地位丧失。因此，对计算机类专业人才培养的教育教学改革是实现以提高质量为主的“内涵式发展”的必经之路。

工程教育理念是近年来在世界范围内飞速发展的先进理念，美国实施了多种基于工程教育的改革项目。美国工程院、美国自然基金、美国工程教育学会和许多地区教育组织和高等院校开展了各类相关的教育改革，旨在提升学生的知识、技能和态度，培养工业界和社会需要的工程创新人才。我国教育部出台了质量工程、工程认证和卓越工程师教育培养计划等，来加强工程创新人才的培养。

CDIO(构思-设计-实现-运作)工程教育改革探索以“学”为中心的方法改革，建立更加面向需求的课程体系，强化实践能力培养，在世界范围内的计算机、机械电子工程、信息管理等专业人才培养过程中得到了广泛的应用。课题组以CDIO工程教育思想为指导，明确人才培养类型，科学把握目标定位，与实际办学情况相结合，探索促进学生创新能力发展的改革之路。

2 教学改革方案解析

为贯彻工程教育理念、打造产教研结合的学习氛围、培养计算机类专业学生的创新能力，课题组以“校内实训+企业实习+学科竞赛+创新团队”为核心构建了“螺旋上升、四相推进”方案，突出了学生的主体地位，让学生“在实践中创新”。

2.1 含义

“螺旋上升”指“四维八面一中心”的立体化提升轨迹，即以培养学生创新能力为中心，关注独立思考能力、自主学习能力、工程实践能力和团队协作能力四个方面的综合提高。为实现以上目标，着力于整体教学水平的提高，包括教学方案的修订、教学目标的更新、课程体系的创建、产教协同育人环境的打造、实验环境的改造、教学团队的组建、教学方法的创新和教师工程资质的提高。以上改革内容互相配合，相互促进，将工程教育理念融会其内，以创新能力培养贯通始终，促进整体教学效果稳步提升。

“四相推进”指“在实践中创新”的具体途径，包括：(1)打造“多准入、高耦合”、自由、开放的实践学习环境，加强示范中心建设，推动实验教学改革，构建优良实验环境。围绕校内实训改革课堂教学过程，以项目为引导、以任务为驱动，培养学生工程实践的综合能力；(2)促进产业与教育的深度融合，将产业的优势引入校园，同时将学生带入产业氛围，让学生的综合素质在企业实习中得到充分的锻炼；(3)通过学科竞赛培养学生主动实践能力，配备专任教师负责指导学生申请创新基金、参加各类电子设计竞赛和撰写论文；(4)围绕热点技术组建创新团队，鼓励学生开展连续性的创新和实践活动，进一步提升学生的实践能力和创新思维。

2.2 实施方案

基于工程教育理念建立立体化的理论和实践教学体系，为学生提供不断上升的动力和渠道，充分发挥校内实训、企业实习、学科竞赛和创新团队的吸引力和影响力，强化实践,鼓励创新，提高学生的学习兴趣，培养学生的实践能力和创新意识。

(1)推行“金手指”工程，打造多层次实践创新平台。以“校内实训+企业实习+学科竞赛+创新团队”为主线开展进阶式实践教学，适应不同层次学生的学习水平和实践能力，分别在每学年末安排编程实践、技能实习和项目实训的“金手指工程”,促进学生工程实践能力和综合素质的提高。

(2)整体布局,多元衔接，实现校企协作的深度融合。以供给产业需求、实现教育与产业对接，为社会输送优秀人才为目标，以社会岗位实际需求改建课程体系；以产业项目课程化引领课程建设；以工程项目的完成过程及效果为主要评价手段，通过校企协作的深度融合强化学生的实践与创新能力。

图1 课程设计一体化理念图

(3)促建试点课程，鼓励教学创新，带动全体教师参与教学改革。以“数据库应用基础”“软件工程”“嵌入式基础”系列课程为试点，撰写教材、创建精品课，并鼓励教师进行教学方法等方面的改革，推行课堂教育与线上教育同步进行。提高学生的学习兴趣，提升学生的科学思维，从而促进学生实践与创新活动的开展。

2.3 具体措施

围绕“螺旋上升、四相推进”，课题组在以下方面作出探索和努力。

2.3.1 适应产业需求，优化专业结构

以产业化需求为导向，统一规划专业课程结构，剔除过时内容,加强前后衔接,确定适合时代发展的课程内容。在课程的设计方面采用了如图1的一体化设计理念。

计算机科学与技术专业人才培养方案(2016版)明确以培养学生“具备创新精神和实践能力”为目标，以“接受科学方法的专业训练，具备主动学习和一定的创新性思维能力”为要求,强化实践性教学环节。

依据行业发展调整专业方向课程模块，由原来的基于安卓应用开发系列、嵌入式系列、网络系列、数字媒体系列，修订为大数据分析方向、物联网方向、软件工程方向、网络信息安全方向。开设“大数据分析技术”“智慧城市”等专业课程，调整培养方案中设计与创新型实验由204学时提高至266学时，占实验总学时比率约为30%。

2.3.2 改革课程体系，推行“金手指”工程

结合培养目标，以创新能力培养为中心，减少被动授课内容，增加自学内容，增加动手实践内容，加强基本概念、基本原理的训练，培养学生的宏观工程素质和能力。在专业课体系化后能够更加清晰地关注各门课程之间的联系以及每门课对应的工程能力培养(图2)。表1为计算机学科专业主干课程及实践项目的学时安排与教学学期的对应表，既满足了课程的先修知识要求，同时也符合专业理论知识难度递增的实际需求，实现“理论→实践→总结→指导→再实践→提升”。

图2 课程设置与能力培养对应图

在调整教学计划的同时，课题组提出了培养学生创新能力的“金手指”工程项目，着重在教学过程的特殊阶段通过教师“点金”的方式促进学生能力的提升，同时也饱含了对学生将来就业后用高“含金量”的双手通过计算机紧跟世界先进技术、为祖国建设贡献力量的期望。

表1 主干课程与项目学时分配表

金手指项目工程分为三个阶段。

第一阶段与单门课程的模块化层级相呼应。以试点课程“嵌入式基础”为例，图3以鱼骨图的方式展示了该课程“金手指”项目的结构组成。通过三级项目、二级项目的模块化实践，让学生经历完整的“定时供电插座”开发过程。通过逐级的“点金”使学生融会贯通，消化理论知识,形成实践经验，深入理解和掌握嵌入式系统的开发。

图3 “嵌入式基础”课程“金手指”鱼骨图

第二阶段与课程群建设相呼应。“程序设计基础”“面向对象程序设计”“数据结构”“算法设计与分析”等课程构成了重点建设的课程群。这些课程既相互配合,又各有侧重；既能够实现计算机类专业软件能力的系统化培养，也能够拓宽到软件系统的设计，形成螺旋上升的培养路径。图4以“指针”系列知识点为例展示了核心课程间的递进式层次教学呼应，并通过教师在关键时刻的逐级“点金”来提高学生的动手实践能力。在第一学期学习“程序设计基础”时，学生将被告知“指针”这一知识点将来会在“数据结构”课程中被用来构建“链表”，并通过教师指导下的实践上机练习进行初步体会。第三学期的“数据机构”承前启后，将“指针”构建的“链表”进一步搭建成“二叉树”，并奠定如下基础：“二叉树”能够在后续的“算法设计与分析”课程中完成“查找与排序”。第六学期的“算法设计与分析”课程将该知识点进一步抽象和提炼，通过编制具有特定功能的系统片段提升学生应用知识和解决问题的能力。最终，计算机专业的毕业设计通常要求学生具备独立制作小型应用软件的能力，而查找与排序是最基本的功能之一。通过这样的安排，学生能够体会教学设置中的逐层“点金”，将理论知识逐步升华，帮助学生获得分析问题和解决问题的能力，并最终提升学生的实践能力。

第二阶段的“点金”还体现在每学年的实践项目安排上，将该学年学生所学知识融合起来，设置多项综合锻炼题目，由学生根据兴趣和能力自行选择题目。学年度实践项目的设置力求涵盖前一年度所学技能，并融会该学年的新知识，适当提升，实现真正的“点金”。

第三阶段的点金项目由专业实习和毕业设计组成。专业实习与毕业设计是本科教育中非常重要的教学环节，是社会实践和生产实践相结合的过程。由学生与老师双向选择敲定最终选题，并通过开题报告、中期报告、毕业答辩三个关键点逐步提高学生的查阅资料能力、动手实践能力、沟通能力等。毕业设计历时近一年时间，要求指导教师不拘一格、因材施教、随问随教，以丰富的学识与耐心细致的交流实现点金过程最后阶段的铸造。

图4 递进式层次教学示意图

2.3.3 深化校企协作，创建协同育人环境

(1)加强院内、外实习实训基地建设。通过示范中心的建设，加强校内实验室建设和实验教学管理；同时拓宽与企业合作的渠道，建立能满足专业实践教学需要的相对稳定的院外实习基地。目前，与北京慧科、北京尚观科技、北京甲骨文WDP、中软国际、大连东软、大连华信新技术有限公司、吉林盛世科技有限公司、青岛锐聘、长春金桥科技有限公司等企业合作,建立校外实习基地16个，并与省内外30余家企业建立了咨询与合作关系，为提供行业素质的系统培养和营造工程实践环境提供了保障。

(2)坚持把教学工作与企业需求结合起来，组织相关教师认真学习、深入调研、准确定位，着力解决实践动手方面存在的突出问题。鼓励教师参加工程实践，充分发挥“双师型”教师的作用，以教师工程能力的提高带动教学质量的提高。包括：①要求骨干教师承担工程项目的开发工作，保持与企事业之间的紧密联系，多参加教育和学术交流活动，开阔视野，丰富知识，促进教学水平的提高，保证教师拥有先进的教学理念。周期性组织教学团队讨论教学、项目开发中存在的问题，研讨教学与科研的先进方法，促使教学、科研能力的提高。②鼓励教师走入工业界，与产业界的工程师在科研和教学等方面进行多角度合作，继而将实际的开发过程贯穿到教学工作中。③把工程经验作为聘用和提升教师的考量条件，鼓励教师成为学生心目中的工程师榜样。目前，计算机学院共有3名双师型教师，另有9名实践型硕士研究生导师。

2.3.4 强化实践教学，构建优良实验环境

(1)探索有利于学生实践和创新能力培养的教学模式。通过“校内实训+企业实习+学科竞赛+创新团队”将培养学生创新能力落到实处。确立“以技能培养为基础，以工程能力培养为核心”的实践体系建设指导方针，实现从课堂学习到专题技能实训、从项目实训到工程能力实训、从企业实习到社会拓展能力训练、从创新能力训练到研发实践的有效过渡。

第一，以项目为驱动搭建教学过程，在达到基础知识教学要求的前提下，让学生在实践学习中逐步提高自主学习能力、独立思考能力、工程实践能力、团队协作与沟通能力。将课程知识的学习过程融入到特定的项目中，并在项目实施过程中设置一些难题，通过难题的解决给学生提供宝贵的经验和克服困难的勇气。同时，在项目实践过程中加深了对专业知识的理解程度，提高了知识的运用能力。

第二，在2016版人才培养方案中，从大二开始，学生每学期进行2周共计60学时的专业实训。以东软、华信、甲骨文等合作企业的课程、案例、工程师队伍以及成熟的教育培训模式，对应届毕业生进行阶段性技能强化和项目实战。同时，设立定向的培养课程体系，实现专业共建合作，以期培养质量更高、专业更对口的毕业生，实现“毕业第一天即创造价值”的目标。

第三，积极开展有意义的“第二课堂”，鼓励学生参加创新项目的研究和各类电子设计竞赛，为学生提供科技竞赛渠道，激发学生的实践兴趣，培养学生的实践能力。学院配备专任教师负责指导学生申请创新基金、参加各类电子设计竞赛和撰写论文，2010-2016年在大学生电子设计竞赛中屡获佳绩。成功申请了多项国家级和省级、校级的大学生创新计划和创新基金项目，发表了多篇论文。通过参加电子设计大赛，培养了学生自主学习能力、独立思考能力和团队协作能力。

第四，创新团队是最具项目特性的教学形式，现已组建的物联网创新团队在开展连续性创新和实践活动中取得了一系列的成果，并在各级别比赛获得了佳绩。在创新团队活动中学生们自发地培养了自主学习能力，除学习许多不在课堂教学范围内的内容之外，还提倡多学科之间的融合，培养学生的好奇心及终身学习的习惯，激发学生主动学习的积极性和创造力。

(2)改善教学条件，构建优良实验环境，尽最大可能为学生创造最好的实践环境。

学校按学院的发展及学科建设的要求，划拨专项经费用于更新和增加实验设备。近五年，先后投入1700余万元，通过合理选购和精心维护，满足教学要求并保证实验课正常进行。目前，各实验室常规仪器设备配置齐全，中心共有仪器设备2600余件，固定资产总值1890余万元。中心所有设备全天对学生全面开放，出现故障时及时维修，设备更新率达60%，设备的利用率达100%,常规仪器设备完好率100%。同时，部分实验室配备了专业指导教师，学生们在正常上课时间之外可以随时进入实验室，学习自己感兴趣的课题。

目前，学院现有软件开发实验室、图形图像实验室、电子商务实验室、计算机网络工程及网络安全实验室、计算机通信实验室、嵌入式实验室、机器人实验室、电子技术实验室、计算机组成实验室、微机原理与接口实验室、物联网实验室、云计算实验室等11个专业方向实验室，14个教学机房，中心用房面积约2800余平方米，实验设备2650件(套)，其中大型仪器设备22套。固定资产达1890余万元，可开出实验290余项，可同时承接计算机相关专业的24个班1200余名学生进行专业实验和全校非计算机专业公共课的实验教学。

2.3.5 促建试点课程，创新教学方法

(1)促建试点课程，推进“质量工程”项目，提高人才培养质量。以专业基础课为重心，推进质量工程建设，创办精品课，提高教学水平，提升人才培养质量。从2008到2016年，先后建成“数据库应用基础”“嵌入式基础”“大学计算机基础”“C/C++程序设计”等十门省、校级精品、优秀课程。教学质量逐步提高，受到学生的一致好评。

(2)配合教学改革需要，有计划地进行教材建设。在教材建设方面，既要传承经典,又要具有启发性和探索性，以项目为引导,以任务为驱动，构建能启发学生计算思维和激发创造性思维的教材体系，包括多媒体、教学实习指导书、MOOC等内容，各有侧重,自成系统，构成相互配合的“立体”教材体系。近年来，共编写教材17部，其中“十一五”国家级规划教材1部，“十二五”国家级规划教材1部，省级教材15部。同时，在高校云课堂上线了多门课程，“嵌入式系统设计”与“计算机应用”已经开始采用MOOC形式进行授课。

(3)适应学生特点，创新教学方法，提升教学效果。将案例法、任务驱动法、项目教学法等强调实践与能力培养的新教学法引入到计算机专业教学中，结合本学院各年级学生不同的心理和认知特点，实践教学方法的创新运用。针对“金手指”工程中不同层次的教学目标和教学计划，将方法论与专业知识紧密结合，促进学生对专业知识的掌握与灵活运用。

2.3.6 改革考核机制，强化质量监控

(1)调整考核内容和评价体系，强调对实践能力的考核，以此引导学生注重工程实践经验，提高实际动手能力。第一，注重验证型实验与设计型实验的有机结合，改革现有的考核方式，引导学生重视实践能力的提高。在课程的安排上，确保从大一到大四，上机考核不间断。第二，在工程型课程中全面推行项目考核，将能力考核放在第一位。用能力促知识，强化学生解决实际工程问题的能力。在完成任务的同时引入竞争机制，在实践类课程中广泛应用成果展示与答辩相结合的考核方式。第三，对成绩突出的拔尖学生，允许用竞赛成绩和校外培训证书冲抵课程学分，并通过更加有效的方式进行培养、考核和激励。

(2)监控教学质量,规范教学秩序，努力推动教学评价形成良性反馈，增强教学工作的针对性和有效性。依托网络教学平台构建学习信号系统，对教学过程中采集的大数据进行分析，把原来人为完成的教学过程监控、学习进程控制、教学现场反馈等学习行为转换为基于大数据的信号系统辅助下的学习过程，提高教师的教学效率和学习者的学习效果。

3 教学改革取得的成效

课题组基于“在实践中培养创新能力”的思想，深化教育教学改革，不断完善和创新人才培养机制，提高人才培养质量，促进学生全面发展，取得了一系列成效。

3.1 专业实力增强，办学水平上升

课题组有计划地进行了教材建设和课程建设，同时加强教师队伍建设，提升了人才培养能力，增强了专业实力，获得了社会的认可。主编出版各级各类教材17部，其中实验教材4部，普通高等教育国家级规划教材两部(其中《Access基础教程》目前累计出版并发行十万余册)，21世纪系列教材4部。先后获得国家、省级财政专项资金(总计1890万元)，组建省级实验教学示范中心和实验室3个、校级实验室16个。拥有吉林省拔尖创新人才1人，吉林省新世纪科学技术优秀人才2人、春苗人才1人。建成省级精品课程2项,省级优秀课程2项,校级精品课3项,校级优秀课3项。拥有吉林省优秀教学团队1个，吉林省卓越工程师培养计划项目1个，校级人才培养模式创新实验区1个。2010-2016年，共承担教育部校企合作教研课题2项，吉林省教学研究课题12项，发表教学研究论文14篇。近年来，教师承担国家自然科学基金国家级项目共计1项，省、市项目14项，总经费150万元；获得吉林省科技进步三等奖3项，自然科学学术成果奖2项；发表SCI论文7篇；获授权专利20项。

3.2 示范作用明显，获得同行认可

通过多年的教学实践，形成了特有的教学风格和学习氛围，为提高计算机类专业人才的创新能力等综合素质起到了重要的推动作用。同时，积极将成功的教学经验传递给本校其他专业和高职相关专业，并率先在校级公共课教学中实践应用，取得了良好的效果。

基于工程教育理念培养计算机类专业应用型人才创新能力的教学改革获得了省内外兄弟院校的认可，认为该改革成果为省属地方院校计算机类相关专业学生创新能力的培养提供了一个可资借鉴的范本。

3.3 综合素质提升，竞赛成绩优异

自2010年起，积极培养和指导学生参加各类电子设计竞赛及教师的科研课题，学生动手和创新能力大幅度提高。成功申报大创项目29项，其中国家级、省级16项；在大学生科技竞赛中获奖20项，其中国家级10项；学生参与科研项目7项；参与发表科技论文4篇；考取全国信息技术职业证书(国家级)及企业认证37项。

3.4 个人能力提高，受到社会青睐

现已建成校内实习基地5个，校外实习基地16个。同时，与省内外30余家企业建立了合作关系，能够提供工程实践环境与行业能力素质的系统培养，有效提高学生的实践能力与专业职位的就业率,由此形成了与企事业单位的密切联系，提升了用人单位的满意度，特别是毕业生的创新意识、团队协作能力和职业道德普遍受到用人单位的欢迎和好评，使我校计算机专业在省内企事业单位中具有了一定的知名度。

4 结语

“互联网+”的高速发展，大众创新、万众创业的快速推进，使计算机类专业人才的需求大幅提升。知识体系更新快、新技术层出不穷是计算机类专业人才培养必须面对的问题。为了培养学生的创新能力，课题组引入工程教育理念，围绕独立思考能力、自主学习能力、工程实践能力和团队协作能力四方面的综合提升，着力于教学方案的修订、教学目标的更新、课程体系的创建、产教协同育人环境的打造、实验环境的改造、教学团队的组建、教学方法的创新和教师工程资质的提高，构建以“校内实训+企业实习+学科竞赛+创新团队”为主线的“螺旋上升、四相推进”方案,突出了学生的主体地位，让学生“在实践中创新”，使整体教学效果稳步提高。

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