面向计算机专业一流学科的实验教学体系建设与管理

2023-04-29刘玉洁

信息系统工程 2023年5期

摘要：从实验教学本身的特性出发，基于多种因素和发展的需求，对计算机科学与技术专业的实验课程体系进行梳理和重建，提出并构建了模块化实验教学体系。该体系具有模块内可循环发展及资源模块化共享的特点，更符合工程教学认证的需求。同时基于国家级一流专业的建设，提出了适用于模块实验教学体系的多层级管理模式，明确了各部门及个人的责权，以及多个部门的横、纵向联系。随着计算机市级实验教学示范中心的发展，模块化实验教学体系及多层级实验管理模式已应用于专业实验课程的课内外教学。

关键词：一流专业；工程认证；实验教学体系建设；实验教学管理

一、发展现状及建设目标

对于高等院校来说，实验及实践教学一直是重要的教学环节，是所有工科类专业面向OBE教学理念的核心[1]。近年来，国内外各高校大力加强工程教育，并在各个方向上进行了大量的实践类教育改革[2]。其中，各高校计算机科学与技术专业在建设一流专业过程中，为了培养学生探索式学习的能力，加强了创新创业教育[3]，对实验教学体系进行了进一步的建设和管理。

在计算机科学与技术专业的本科教学中，实验相关的课程在专业培养计划中所占比例逐年增加。为紧跟工程教育认证的发展，以及教育部提出的新工科概念，各专业在实验教学体系的建设中确立了新任务和新目标[4]。近年来，本专业进行了大量的实践教学改革工作[5]，原有的实验教学体系急需进行梳理和重建，相应的管理模式也需要进一步完善和调整。

（一）环境与发展现状

目前，本专业的实验教学工作主要由计算机市级综合实验中心（以下简称实验中心或中心）提供支持。作为天津市级实验教学示范中心，实验中心是教学质量保障体系的重要组成部分[6]。计算机市级实验教学示范中心建立于2013年，主要包括计算机基础教学实验室、计算机专业实验室和科研实验室三大部分。其中，负责计算机科学与技术专业的本科教学方向的共有9个专业实验室及1个大学生创新基地，具体如图1所示。

（二）存在问题

目前，计算机科学与技术专业培养方案中的实验教学体系随着逐年发展，体现出部分不足之处，相应的实验管理也存在一定的问题。一方面，现有实验教学体系是以理论课程为主体的构建模式，根据理论课程的前继后续关系，实验课程同样采取了基础课和专业课、必修课和选修课的区分方式，未能体现各门实验课程的特性，以及各课程实验内容之间的关联。另一方面，实验课程管理方面也有些问题急需解决。实验课程需要依托实验平台和实验环境，责任教师之间缺少信息互通，实验环境的管理人员单向接收到的实验需求可能存在冗余，由此可能造成资源浪费的现象。另外，多重管理造成的责权单位不统一，实验中心和教务之间责权不明，责任教师或授课教师和实验管理人员的职责重叠，缺少层级管理。

（三）建设目标

目前的实验教学体系急需进行整体梳理，构建符合实验教学特征的实验体系。该体系需要具备一定的稳定性和适用性，经得起实验建设过程中的迭代，个体实验课程或实验内容革新建设可循环应用于模块中的相关课程，能够应对周期性变动的课程调整、课时增减等，当课程、课时发生变化时依旧可以保持整体框架不变。

在实验教学管理方面，加强市级实验教学示范中心建设，同时协调各部门的工作关系，根据重构的实验体系明确责权，建立多级管理模式，增加信息流通，保证实验教学体系的正常运转。

二、国家级一流学科下的实验教学体系

为了建设国家一流专业等工作的开展，在贯彻OBE教学理念的基础上，以模块化的方式对实验教学体系进行重构。实验教学体系的建设在参考原有结构的同时，还需要考虑与教学相关的多种因素。针对每一门实验或实践课程，收集其实验大纲、实验环境、教学平台等多方面信息，重构实验教学体系。

（一）模块化实验课程体系

将目前本专业可开设的40余门实验及实践课程划分为6大模块，各模块中均包含了多门实验课程，以课程组或课程特性分组命名，如图2所示。例如，模块2数据库及软件开发，包含数据库课程组的3门实验课，以及软件工程类的4门课程。其与模块1、模块4、模块5均为原有体系中的专业必修课，而模块3则对应原有的专业基础课。另外，具有多个选修方向的实践选修和实习实训等课程，则包含在模块6创新创业实践中。

总体来讲，模块化的实验教学体系既结合了原有培养方案中对实验课程的描述，又对实验课程进行了进一步的细分，使实验课程的分类更加明确细致。这样既保证了实验教学体系易于在教学中推行，又从本质上提高了实验教学体系的作用。

（二）模块内循环

在模块化的实验教学体系中，各模块内的课程在实验环境和授课方式上相似，以模块3计算机基础及语言为例，模块中主要包含的是3门计算机基础类课程及5门语言类程序设计课程。这两类课程主要是训练学生的计算思维及基础编程能力。模块内课程的相似性，可以将个体实验内容的建设拓展应用于模块内的其他课程。

例如模块3中，近年来有多个教改项目转化至实验教学，包括关于计算机基础课程的MOOC教学、先修课[7-8]，关于C语言程序设计的实践改革等，这些课程建设和教改项目促进了模块内多个实验课程的发展，提高了整个模块的教学质量，形成了有效的模块内循环机制。

（三）资源模块化

模块化的实验教学体系也对应了资源的模块化，模块内多门类型近似的课程可共享资源和平台，避免了重复建设造成的资源浪费。模块化资源也更加方便进行协调和管理，当模块内某课程出现特殊情况，急需调课或加课时，可启用同模块内的其他课程的实验环境。反之，某课程的实验环境出现故障，也可同样在模块内进行调度。

以整体模块为单位的资源建设，避免了因个体课程内容的变化造成的闲置或报废，保证了模块以及整个体系的稳定性。目前执行的2020版教学大纲相较于2016版压缩了大量课时，取消了部分课程，其中不少课程包含实验环节。对于差异较大的两个版本，模块化的实验课程体系均可适用，并证明了新体系的稳定性良好。

三、多层次实验教学体系管理

在以往的实验教学体系中，教务负责课程管理，实验中心负责环境和资源，课程组及责任教师负责提出环境需求及授课，学生负责评教。看似责权简单明确，实则无法实现。由于实验课程必然需要受到实验环境和平台的影响，而教务系统中并没有实验中心各实验室的详细信息，造成教务从第一步的排课就无法完成。而在选课制度之下，同班级的学生课表并不相同，实验中心无法得知全体学生的课表，同样无法负担排课的工作。这就造成实验课程虽然面对教务和实验中心的双重管理，却需要任课教师个人与学生私下协商，个人与实验中心直接对接，如此难免造成抢位或冲突，责权混乱造成的矛盾急需解决。

（一）实验体系的多层次管理

针对模块化的计算机科学与技术专业本科实验教学体系，为了改善多重管理的责权不明的状态，对管理体系进行了分层，实现了两个部门管理，一个系统监督的多层次管理模式，如图3所示。多层次管理体系中对各层级间的关系，以及人员责权加以限定和明确，有效地减少了个人之间的矛盾，保证了实验课程的顺利执行，促进了实验教学体系有序发展。

1.多层次的纵向关系

多层次管理模式需明确各层人员的责任和工作，各层次涉及的人员包括中心专职人员、教务工作人员、责任教师、专家、同行和学生等，基本覆盖了计算机科学与技术专业的本科实验课程中相关的全部人员。

实验中心负责管理其下的实验专职人员，以及整个实验中心的建设工作。目前，实验中心为计算机科学与技术专业配备了5名专职实验管理人员，明确了实验课程体系中6个模块的责任人。模块责任人针对所负责模块进行实验环境管理、模块化资源的调配及协调模块内各实验课程安排。

学院的教务工作人员需负责课时统计，课内外一体化管理，以及汇总责任教师对实验环境的需求等信息。部分教师有团队归属，则以团队形式收集。实验课程的责任教师负责教授实验课程，以及课程建设工作。

评价系统是相对松散的结构，各成员之间没有从属关系。专家、同行和学生的评价标准不一，所采用的评价系统也各不相同。同行、学生和部分专家是以学期为评价周期的，实验中心的专家评价以年为单位，工程认证和国家级一流专业的专家评价则可以申报年限为准。

2.多层级间的横向联系

多层级管理中两个管理部门和一个评价系统之间采用以学院教务为桥梁，以实验中心为主要实施单位，以工程认证各项毕业要求等为考评标准的工作模式。学院教务人员以实验教学体系的6大模块为单位收集并汇总各责任教师的课程需求，传送给实验中心中相应的模块责任人。学院教务接收并拆分各评价系统获得的数据，以学期为单位反馈给各层级中的相应工作人员。

（二）软、硬件环境的建设

笔者所在院校的实验中心目前用于教学的软、硬件资产共有1984.6万，其中用于计算机科学与技术专业本科教学的资产共1764.3万，其中以计算机及相关实验设备为资产的主体，计算机科学与技术专业的实验教学实验室近5年资产增长如图4所示，图4中显示了近五年专业实验室的设备数量增长情况及资产的增长情况，可以看出每一年均在不断地更新和建设之中。

专业实验室的总资产中，各类教学软件也在逐年增加，目前共投入了约212.62万，其中以创新创业实训模块的软件投资比例较大，占37.4％。软件投入虽然不高，但在各模块中资源共享率要远高于硬件设备。随着线上教学等授课方式的增加，未来实验教学体系中的软件资产投入还将有所提高。

四、实验教学的扩展应用

模块化实验教学体系及多层级实验管理模式已应用于专业实验课程的课内外教学，包括第一、第二和第四课堂。经过对课内、外大量课时的实际应用，证实了教学体系和管理模式均是稳定且适用的。

由于第一课堂的课时紧张，根据工程认证的基本理念和专业要求，为保障教学效果，部分实验教学内容扩展出了第二课堂、第四课堂。计算机科学与技术专业的大量课程均包含实验环节，以2022学年为例，共开设实验相关课程32门，选课人次数共5792。开设有第二、第四课堂实验的课程共11门，占全年开设课程的17％，全年实验课程的34％。课内、外教学的学时比例如表1所示。

随着2020版大纲的执行，课外的扩展学时比例在逐年上升。由于第一课堂课时的挤压，部分课程已将第二课堂的具体内容写入大纲，课外的第二课堂基本已成为选课学生的必修内容。目前第四课堂占比只有第二课堂的一半，但其未来增长速度可能会更快。近两年由于疫情的原因，线上教学成为必选项，很多课程积累了不少的经验和资源，其中一部分将以第四课堂的形式保留下来。相比理论课程，对于实验课程来说，第四课堂的线上教学是更具挑战的教学方式。故此中心投资了各类软硬件配套设施，包括实验室直播设备、仿真软件、在线考试系统等，以保证课内外一体化实验课程的顺利开设。

五、结语

面对工程认证和一流专业的双重建设任务，通过梳理计算机科学与技术专业的全部实验课程，构建了模块化的实验教学体系，并配合该体系提出了多层级的实验管理模式。

模块化教学体系能够更好地实现资源共享，由于模块内课程的相似性，块内课程的教研和教改项目推广可应用到更多其他的课程之中；同时资源模块化的配置，也可规避资源的闲置与浪费。经过两版教学大纲的应用，模块化实验教学体系保持了整体框架的稳定性，各模块不受课程和课时变化的影响。

结合模块化实验教学体系，构建了多层级的实验管理模式，明确了各层工作人员的具体责任，以及各级间的工作关系。该模式是以学院教务为桥梁，以实验中心为实施主体，几个部门协同工作的形式，评价系统监督保证教学效果。由于具体事务按模块划分到人，从而保证了所有实验课程及整个实验教学体系的有序运转。

参考文献

[1]刘玉洁.面向OBE的模型机设计[J].实验室科学，2022，25（3）：111-113.

[2]刘进，王璐瑶，施亮星，等.麻省理工学院新工程教育改革课程体系研究[J].高等工程教育研究，2021，191（6）：140-145.

[3]王洪才.一流本科教育的内涵、特征与建设[J].中国高教研究，2019，305（1）：11-15.

[4]刘彦，赵欢，杨科华，等.新工科背景下成果导向的计算机系统课程教学改革[J].计算机教育，2019，295（7）：1-4+9.

[5]曹卫东，王红.成果导向的民航特色计算机专业实践教学思考[J].计算机教育，2020，301（1）：82-85.

[6]张晓梅，彭其渊，邓灼志，等.实验教学示范中心与虚仿中心的一体化建设与管理[J].实验室科学，2021，24（1）：179-183.

[7]李俊生，王怀超，李海丰，等.MOOC背景下大学计算机基础先修课新模式及实践[J].计算机教育，2019，290（2）：140-143.