坚持实践育人提升学生科学素养和创新实践能力

苏小红　刘宏伟

摘 要：为了贯彻核心价值观培育、综合能力养成、多维知识探究“三位一体”的人才培养模式，依托国家级实验教学示范中心，哈尔滨工业大学以“厚基础、强实践、严过程、求创新”的实践教学理念为指导，以实践育人为宗旨，以提高科学素养和创新实践能力为目标，以自主训练和竞赛驱动为手段，通过科教融合、成果转化以及与企业联合开发等方式，基于网络技术、信息技术、虚拟仿真技术等信息化手段，开发构建了面向学生创新实践能力培养的开放式虚拟仿真实践云平台。基于该平台开展了系列化、多层次的本科生创新实践活动，探索了软硬兼顾、虚实互补、以学生为中心、以学生学习与发展成效为驱动的实践育人新模式，使学生实现了“我的实验我做主”。

关键词：实践教学；实践育人；虚拟仿真；素质教育；创新实践能力

如同高等学校的根本任务是培养人，实践教学的根本任务就是实践育人。我们不能将实践教学狭义地理解为实验教学，即学生做实验和教师教技能，而应以育人为根、实践为本、创新为魂，立足于培养具有社会责任感、科学素养和创新精神，具备自主学习和实践能力的高素质复合型人才，才能适应建设中国特色、世界水平的一流本科教育的需要。

习近平总书记2018年5月28日在两院院士大会上指出，创新决胜未来，改革关乎国运。对于高等教育发展来讲，改革是第一动力，创新是第一引擎，要成就伟大的教育，教育创新就一刻也不能停顿。因此，实践教学也需要创新。从“实验教学”到“实践教学”，只有一字之差，反映的却是目标提升了、认识深化了、内涵拓展了、地位提升了。加之党的十九大提出的基于“物联网、大数据、云计算和人工智能”的国家创新驱动发展战略，这些都对高等学校的实践教学和实践育人工作提出了更高更新的要求。

在上述背景下，如何有效利用网络技术、信息技术和虚拟仿真技术等现代化手段，打造“育人为根，实践为本，创新为魂”的实践教学支撑环境，以培养学生的科学素养和创新实践能力，是新时期高等学校人才培养的一个重要任务。

为全面贯彻落实立德树人，面向国家创新驱动发展战略，着眼于国家经济社会发展和科学技术进步对人才的现時和未来需要，借助现代信息技术推动高等教育质量提升“变轨超车”，打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务需求的实践教学云平台，已势在必行。

一、目前本科实践教学存在的问题

从宏观的角度，目前的本科实践教学主要存在以下两个问题：一是注重知识拓宽和能力提升，忽视品格塑造和科学素养养成；二是注重专业发展和理论教学，忽视学生个性发展和创新意识养成。

从微观的角度，就计算机类专业而言，目前的本科实践教学支撑环境主要存在如下两个问题：一是不能满足学生远程自主实验和差异化训练的需求。首先，众所周知，程序设计能力不是“学”出来的，而是“练”出来的，对于程序设计实践类课程，导致学生“学而有余、练而不足”的主要原因是缺少有效支持学生自主自助式编程能力在线训练和自动评测以及教师监测学生学习过程和检验学生训练效果的平台。其次，硬件设计类实践课程因通常是在固定时间和固定地点做固定实验，循规蹈矩，灵活性不足，导致学生的硬件设计能力尤其是自主创新能力训练不充分，而使学生普遍存在“欺软怕硬”的心理，于是“一动板子就慌、一摸台子就懵、一出故障就怕、一到检查就躲，拿烙铁像刑具怕烫手、看示波器不懂不会调”就成了通病。二是不能满足可持续竞争力人才培养的需求。推进新一轮适应未来发展的计算机教育改革的主题就是可持续竞争力。根据计算机教育发展论坛上的专家小组对可持续竞争力的阐述，所谓可持续竞争力就是指面对未来社会变化和竞争的适应能力，基于信念和技术的创新能力，致力于人类社会持续健康发展的行动能力。可持续竞争力对本科实践教学提出了更高的要求，尤其在“互联网+”和新工科背景下，更需要通过不断改革实践教学模式、不断创新实践教学手段，来适应国家建设需求和教育发展趋势的变化，为学生创造一个想创新、能创新的实践教学环境。

二、严格过程管理，构建全程、全方位实践育人的大格局

实践育人是实践教学的根本任务，也是实践教学需要解决的首要问题。需要将实践育人放到实践教学的首位，将实践育人工作贯穿于实践教学的全过程，将培育和践行社会主义核心价值观融入教书育人全过程。

为全面深入贯彻落实全国高校思想政治工作会议精神，建立了核心价值观培育、综合能力养成、多维知识探究“三位一体”的人才培养模式。首先，要充分发挥哈工大校训育人的有效载体作用，加强教风、班风、学风和考风建设。用良好的教风带动良好的学风，在实践教学过程中加强诚信教育，倡导契约精神。

其次，要深化大学教育与学生成长第一站工作，注重培养学生的社会责任感。开设创新研修课和创新实验课，开展自主选题、自主组队、自主实验、自我管理的大一项目实践活动，以及项目驱动的开放式实践教学模式，挖掘学生的创新潜能，提高学生的科学素养以及提出、分析和解决问题的能力，增强学生表达沟通、团队合作、组织协调、实践操作、敢闯会创的能力，鼓励自我教育、强化自我管理、突出自我服务。通过实验研讨课，让学生课上进行成果展示、交流和分享，营造“思学、善学、乐学、尚学”的学习氛围。同时，在实践教学内容上给学生更多的自主权和选择权，为学生个性化发展和多样化人才培养提供充分空间，满足学生成长成才需求。

最后，要规范过程管理。完善学生学习过程监测、评估与反馈机制，建立以学生学习成效驱动的多维度实践教学质量评价与监控体系，从全面、深入、细致、便捷等角度促进评价监控的有效性和时效性。通过以考辅教、以考促学，激励学生主动学习的积极性。同时充分利用信息化和数据分析的作用，加强学业预警、学业沟通，做到早提醒、早警示，帮助教师关注学生学习动态，帮助学生准确了解学习状况，通过加强信息反馈和关口前移，确保预警机制发挥实效。

此外，还可以根据课程的具体特点，对实践育人进一步强化和细化。例如在网络信息安全相关的实践课程中，可以把国家安全教育融入实践教学，提升学生的国家安全意识，提高其维护国家安全能力；而在程序设计课程中，则通过“全过程、分阶段、多重累加、马拉松式”的考核机制和实践平台的全程监控防作弊机制和学习过程监控预警机制，帮助学生克服“拖延、考前突击、抄袭”三大顽症，养成良好的自主学习习惯。

三、坚持实践为本、创新为魂，构建面向学生创新实践能力培养的开放式实践教学环境

为了贯彻落实“以学生为中心、学生学习与发展成效驱动”的教育理念，强化“厚基础、强实践、严过程、求创新”的人才培养特色，在实现实践教学全程育人、全方位育人的基础上，还需要着力解决如下两个具体问题。

1.建设软硬件实践教学平台，满足学生自主实验和差异化训练的需求

首先，为了支持学生远程自主学习和差异化训练，编程能力自主训练平台必须要有难度分级的庞大题库，允许学生自主选择不同难度的训练内容，出现编程错误时能够通过详细的错误提示引导学生自主修正错误。此外，平台还要支持教师对学生的自主学习过程进行有效的监督和预警，并通过线下的机上实战检验学生的自主训练效果。其次，因为硬件设计类实验直接在真实实验台上操作耗时长、难度大、调试困难，使硬件实验课内完成率偏低，且易导致器件损坏，增加维护费用，因此为了帮助学生树立硬件设计的自信心，需要建设硬件虚拟仿真实验平台来突破时间和空间的局限，通过“由软及硬、以实验虚”的方式对学生的硬件设计能力进行训练。此外，硬件实验台必须有模块扩展的能力，以支持学生的个性化自主创新实验，避免千人一面。

面对上述学生自主实验和差异化训练需求，我们从改变学生学习方式与教师教学方式入手，突破传统的固定时间、固定地点做固定实验的局限，把实验从课内延伸到课外，从内容到方式等多角度，从夯实基础到能力提升等多层面，给学生提供差异化、自主性的实践环境，强化实践能力培养。

首先，基于科研成果研发高级语言程序设计能力自主训练平台。引入自主选择知识点和难度系数、随机抽题限时完成、利用动态测试和错误定位技术引导学生自主修正错误、按做题总量取相对分、允许学生自主设计题目经教师审核通过后获得奖励积分等多种竞争或奖励机制，满足学生差异化、个性化、自主性的学习需求，配合过程考核实现以考促练，帮助学生养成自主学习习惯。后台支持教师多角度多侧面观测学生学习动态以便及时帮扶和提前预警，从关注学习成绩向关注学习过程和学习成效转变。具體的解决措施如下：（1）通过在平台中引入负责人科研成果中的动态测试和错误定位技术，给出更为详细的错误信息和提示引导学生在没有教师面对面指导的情况下根据系统给出的错误提示自主地修正错误，实现了自主自助式编程能力训练。（2）通过在平台中引入自主选择知识点、自主选择难度系数、自主选择训练时间、自主设计题目发布到习题市场赢取积分奖励等机制，满足学生差异化、个性化的自主学习需求，鼓励和培养学生的创新意识。（3）通过在平台中引入随机抽题限时完成、限定每日做题数量、按做题总分取相对分等多种竞争机制，督促学生坚持每天练习，防止考前突击，配合分阶段的过程考核方式，对落后的学生及时预警，实现从关注“考试成绩”向关注“学习过程和学习成效”的转变。（4）通过在平台中引入练习排行榜、个人学习曲线监测、每学期和每天的整体学习行为曲线监测等功能，满足教师需及时掌握学生学习动态的需求。（5）通过多校教师联合出题和鼓励学生自主设计题目，解决编程能力训练需要后台庞大题库支持的问题。

其次，在夯实学生的硬件能力基础方面，我们购置了可扩展性强的便携式实验板，创建了口袋实验室，使学生可随时借用，自主增加外接模块，自主设计实验，从害怕做硬件实验转变为喜欢做硬件实验。具体的解决措施为：将传统的硬件实验箱改为便携式口袋实验板，学生可随时借用带在身边，方便学生自主选择做实验的场地和时间，增加学生实际动手的机会。实验板电路简单、稳定可靠、可扩展性强，学生可由简入繁、由小变大，循序渐进并自主地选择增加外接模块，且简单操作就能见到灯亮、听到声响，以提高学生自主创新实践的积极性和对硬件实验的兴趣，增强对硬件实验以及逐步使用复杂实验台的自信心，打消对硬件实验的惧怕心理。

最后，还与企业联合开发了基于FPGA的远程在线硬件实践云平台[1]，使学生可自主扩展硬件模块并全天候进行软件模拟仿真、远程控制和故障排查，在调试无误后再上载到物理实验台验证，以提高硬件实验的课内完成率，降低维护费用。具体的解决措施为：学生在电脑上先用软件进行模拟仿真，既可远程观察，也可远程控制输入输出和排查故障，在保证软件设计和仿真结果正确的前提下，再上传到远程实际的物理实验台上，或者到实验室实际动手操作进行验证。通过“由软及硬、先虚后实”解决硬件实验受时间、空间和成本所限的问题，实现硬件实验的自主性和开放性，支持学生的自主创新实践，夯实其硬件能力基础，通过“以实验虚”帮助学生提高课内实验的完成率，降低硬件维护费用。

2.打造灵活可变、安全可控的智慧实验环境

“互联网+”催生了一种新的教育生产力，打破了传统教育的时空界限和学校围墙，引发了教育教学模式的革命性变化。在这种背景下，需要通过不断改革和创新实践教学手段与实践教学模式，来不断提高学生的系统设计能力及创新实践能力。因此，在实现计算机类课程大范围贯通以及打通本研课程体系的基础上，需要进一步加强各门课程的实践教学资源的整合和共享，参考欧美在虚拟仿真实验室建设方面的经验为学生打造一个智慧的实践环境[2-4]，为学生自主创新实践创造条件。

例如，对于风险大、不可逆甚至在真实环境下难以完成的实验（例如网络安全实验）以及成本高、开发效率低的实验（例如物联网实验），需要探索新的虚拟仿真实验教学手段，建设软硬兼顾、虚实互补的虚拟仿真实践平台。为学生提供广阔的锻炼平台，以快速响应网络安全技术和物联网相关底层硬件的快速发展，满足学生对实验资源、实验内容多样化、个性化的需求以及自主创新实验的需求。

面向上述学生个性化和多样化的自主创新实验需求，我们基于科研成果和软总线技术构建了云虚拟主机和配置虚拟仿真目标机并部署于云端，使学生只要远程连到虚拟主机，即可在无硬件开发板条件下对物联网硬件系统模拟仿真。组件化、环境可配置和集成调试等功能使学生可按需组板、自由加载针对特定需求的硬件配置环境并完成软硬件协同开发，包括故障注入、闭环测试、网络化仿真、覆盖率分析、系统迭代设计和调试等，以解决原来物联网实验必须先开发硬件然后才能开发软件的问题，提升学生适应物联网应用需求快速变化的创新实践能力。

此外，还与企业联合开发了集实验教学、攻防演练、实践创新为一体的网络安全仿真实践云平台。采用虚拟化技术对真实网络环境和实验设备模拟仿真，通过互联网服务模式支持学生远程登录完成难以在真实环境下实做的网络安全实验，在降低安全风险的前提下达到与在真实网络环境下同样的训练效果。

四、开放式虚拟仿真实践云平台的组成

为满足学生差异化、个性化、自主创新实验的需求，通过科教融合、将科研成果转化为优质教学资源以及与企业联合开发等方式，结合网络技术、信息技术、虚拟仿真技术等现代化手段，以创新实践能力培养为目标，以自主训练和竞赛驱动为手段，建设了面向学生创新实践能力培养的开放式虚拟仿真实践云平台。该平台主要由远程在线硬件实践云平台、高级语言程序设计能力自主训练平台、网络安全仿真实践云平台、物联网虚拟仿真实践云平台构成。其中，子平台1和2以夯实创新能力培养所必备的软硬件基础实践能力训练为主，子平台3和4以竞赛驱动的综合应用和创新实践能力训练为主。这四个子平台相辅相成，共同打造了支撑计算机学科或相关交叉学科学生创新能力训练的云实践环境。

高级语言程序设计能力自主训练平台既支持学生自主做题，也支持学生自主出题，还支持教师后台监测学生自主学习的过程和效果。物联网虚拟仿真实践云平台解决了物联网实验原来必须先开发计算机硬件系统然后才能开发软件系统的问题，支持软硬件并行开发和迭代设计，提高了系统开发效率，平台的开放性还支持将新开发的硬件模块加载到系统中，扩展了平台的模拟能力，使学生针对特定的需求可按需组板并个性化配置实验环境，能够快速适应物联网底层硬件和应用需求的变化。远程在线硬件实践云平台通过“虚先实后、虚实互补”為学生提供了全天候、自主、开放的远程虚拟仿真实践环境，使学生避免了练而不足的通病。网络安全仿真实践云平台使原来风险较大、难以在真实环境下实做的实验得以虚拟仿真实现，并达到与真实网络环境下同样的训练效果。

五、实践应用效果

目前，开放式虚拟仿真实践云平台共支持15门校内本科生课程实验，年均总实验学时394，年均实验学生约5 800人次，开出实验项目100余项，综合研究性实验项目占55%以上。具有自主知识产权的高级语言程序设计能力自主训练平台自2007年开始建设，2012年正式投入使用，支持全校本科生程序设计课程的编程训练，目前题库题量已接近4 000。远程在线硬件实践云平台建于2015年，支持计算机、自动控制和电子科学与技术等专业计算机硬件类实验课程，以及面向全校的两门创新实验课。2017年7月计算机学院暑期国际学校邀请卡内基梅隆大学Asim Smailagic教授利用该平台开设了“快速原型系统设计”课程，不仅开阔了学生的学习视野，而且有效支持了国际化教学。物联网虚拟仿真实践云平台建于2016年，支持哈工大物联网专业2门课程实验。网络安全仿真实践云平台建于2014年，支持信息安全专业6门课程实验。

参考文献：

[1] 张彦航，刘宏伟，陈惠鹏，等. 基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台[J]. 实验技术与管理，2017，34（1）：16-20.

[2] D. Garijo， R. Senhadji. ccLAB： A Tool for Remote Verification of FPGA-based Circuits[J]. Ieee Latin America Transactions， 2016， 14（3）： 1115-1121.

[3] Veljko Potkonjak， Michael Gardner， Victor Callaghan， etc. Virtual laboratories for education in science， technology， and engineering： A review[J]. Computers & Education， 2016， 95： 309-327.

[4] F. A. Candelas， G. J. García， S. Puente， etc. Experiences on using Arduino for laboratory experiments of Automatic Control and Robotics[C]. 3rd IFAC Workshop on Internet Based Control Education， 2015， 48（29）： 105-110.

[基金项目：2016年中国高等教育学会高通公司产学合作协同育人项目“多校协同培养大学生高级语言程序设计能力的教学改革研究与试点”（项目编号：201602034001）；黑龙江省本科教育教学改革项目“学习成效驱动的C语言程序设计O2O混合式教学模式研究与实践”（项目编号：SJGY20170655）；教育部计算机类专业教学指导委员会系统能力培养专业综合改革及课程建设项目]

[责任编辑：余大品]