“学-练-赛”驱动的计算机类本科生创新能力培养实践<br/>——以“无线网络技术”课程为例

“学-练-赛”驱动的计算机类本科生创新能力培养实践
——以“无线网络技术”课程为例

2021-03-10江先亮严迪群

智能物联技术 2021年3期

江先亮，金光，陈琛，严迪群

（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211）

0 引言

近年来，发达国家对我国开展广泛的技术封锁，如芯片制造、操作系统等，促使国内许多高校更加关注学生的创新能力培养。历史经验表明，人才是国家、社会创新发展的关键，高校教育应以培养具备创新能力的人才为目标，促使学生发展与社会需求契合，增强毕业生竞争力。优秀的高校教育除了管理制度的完善，构建与高校人才培养目标相适应的创新能力培养体系[1-3]，还应大力支持作为高校发展核心推动力的一线基层教师的教学投入，打造更多的“金课”[4]和“一流课程”，提高人才培养质量。

作为基层教师，应如何培养具备创新能力的学生呢？仁者见仁，智者见智。凭我们的实践经验，计算机类本科生的创新能力培养应以课程（含理论和实验）为基础，课外竞赛、学生科研和工程问题解决为延伸，教师也应充分利用多样化的课外实践改革课程内容[5]和授课方式，做到理论、实验、创新实践的闭环。这也契合工程教育认证对课程的要求。

以我们建设的“无线网络技术”课程为例，其具有多学科交叉、知识点覆盖广、理论与实践结合紧密等特点，理论、实验、创新实践的“学-练-赛”闭环对于培养学生的创新能力就显得尤为重要。

1 问题和现状分析

不同高校和专业的学生在创新能力培养方面侧重不同，方式方法也各有差异，也非某一门课程就能达成，应统筹考虑优化学生的课程培养方案及课程教学改革。本文仅探讨“学-练-赛”模式在地方高校计算机类本科生教学中的运用。接下来，将首先分析目前高校计算机类本科生创新能力培养存在的不足。

（1）课程连贯性不足，不同教师间的课程内容缺乏相互衔接，学生对知识掌握的连贯性不足。以“无线网络技术”课程为例，其要求学生先修“操作系统、嵌入式、程序设计、计算机网络”等课程，但课程安排和不同教师的侧重点不同，导致“无线网络技术”课程需要给学生补充操作系统、嵌入式等课程知识点，以减少课程连贯性不足所带来的影响。

（2）技术更新快，而课程内容更新相对滞后。不同于文科类课程，计算机类课程知识迭代快，要求授课教师不断更新授课内容，做到与技术同步。实际上，目前高校不少计算机类课程仍采用十几年前甚至更久之前的内容进行授课，学生难以学到最新技术，不利于学生创新能力培养。在“无线网络技术”课程的教学内容建设上，我们每隔3 年就会修订完善教材内容[6]，紧跟技术发展的步伐。

（3）传统“理论+实验”的教学方式以模仿为主，创新不足。大多数计算机类课程的实验教学内容固定，要求学生按部就班重复操作，束缚了学生的创新能力发展。在“无线网络技术”课程的建设中，我们融合课内“理论+实验”和课外创新实践，让学生不仅掌握课程知识点，还能够深入探索以设计和实现创新性的作品，参加各类竞赛和科研创新。

在“无线网络技术”课程的教学实践中，我们逐步形成了“学-练-赛”的教学模式，经过实践检验，有效提升了学生的创新能力。

2 “学-练-赛”学生创新能力培养模式

针对计算机专业学生的创新能力培养，本文提出如图1 所示的“学-练-赛”培养方式，即以课堂理论教学为基础，应用实践教学为抓手，科研竞赛为强化，以解决实际问题为落脚点，重在培养学生在现有知识基础上进行创新。培养方式包含两个闭环：①理论认知强化循环；②创新能力培养循环。在①中，重点强化学生课内对课程理论知识的掌握，以课程实验实践教学为达成途径，通过闭环改进理论教学内容和方法。为实现学生创新能力培养，需要②的课外创新实践（如学生科研、竞赛等）进行强化，以团队合作项目为抓手，制定合理的考核方法和激励策略，充分调动每位学生的积极性，并依据②的反馈优化课程内容和授课方式。

图1 “学-练-赛”学生创新能力培养模式Figure 1 “Learning-Practicing-Competition” student innovation ability cultivation model

需注意，②中的项目应与课程内容相关，培养学生灵活运用课程的知识点，并对存在的问题进行深入探索，提升创新意识。

3 案例探讨

“无线网络技术”课程的建设过程中，我们充分考虑了学生创新能力的培养，并运用了“学-练-赛”的培养模式，取得了较好效果。下面以学生完成的“软硬件协同的交互式编程平台设计与实现” 项目为例，阐述如何培养学生的创新能力。图2 所示为软硬件协同的交互式编程平台的框架示意图。在开展项目前，我们通过课堂教学使学生掌握无线网络相关的技术，如Wi-Fi、蓝牙、隐声数据通信、嵌入式计算、Arduino/树莓派开发板、各类传感器、分布式数据库等，以及程序设计开发能力。为让学生扎实掌握无线网络相关理论知识，同时融合了我们开发的无线网络实验实践资源[7]进行应用实践教学。完成理论知识讲授，并开展了相关课内实验后，学生可进行项目设计与开发。

图2 软硬件协同的交互式编程平台框架示意图Figure 2 Schematic diagram of the framework of an interactive programming platform with software and hardware collaboration

图3 所示为学生创新设计的软件编程子系统结构示意图，其为用户提供完善的多语言编译和解释环境，支持 C/C++、Java 和 Python 等语言的在线编程功能。它包括前端在线代码编辑和云端服务两部分。在线编辑为用户提供代码编辑、关键字高亮、代码补全和错误提醒等功能。云端服务包括网关、编译器以及数据库，提供编译、数据存储和运行等功能。

图3 软件编程子系统结构示意图Figure 3 Schematic diagram of the software programming subsystem structure

为实现物联网应用快速开发，学生设计了物联网应用子系统，其包括设备层和应用层两部分。设备层配套的开发板使用MicroPython 作为底层固件，采用Python 开发设备的驱动。应用层包括在线编辑、代码推送、数据存储、设备认证和结果反馈等。

为满足高并发和一对一通信需求，学生设计了基于MQTT 的一对一代码推送，如图4 所示。在开发板配网和认证时，系统会获取开发板的标识并与用户账户绑定。配网成功后开发板会订阅以自身标识+“00”组成的主题，发布以自身标识为信息的广播。用户完成线上开发后，后端获取设备标识，向该主题推送代码，设备通过订阅该主题接受代码，达到一对一通信目的。