计算机科学与技术卓越课程行动计划实践

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摘 要:介绍同济大学计算机科学与技术卓越课程行动计划,对计算机科学与技术系已有课程进行凝练和深化,提出“计算机系统级课程”的教学改革方案.通过两级基础深化、知识体系构建、实践能力培养和前沿技术追踪,将计算思维融入课程中,取得若干教学改革成果.

关 键 词:卓越课程;计算机系统;计算思维

0引言

“卓越工程师培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》的重大改革项目,也是适应我国工业化发展进程,培养和造就一大批创新能力强、适应我国经济社会发展需要的工程技术人才的重要举措,是增强我国核心竞争力、建设创新型国家、走新型工业化道路的必然选择.同济大学作为首批实施“卓越计划”的高校,于2010年启动“卓越课程行动计划”,加强课程的内涵建设,推动教学改革以取得突破性进展.

另一方面,计算思维(ComputationalThinking)作为一种教学理念,近年来在计算机基础教育中受到关注.计算思维是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动.当今社会已进入信息化时代,具备计算思维,能够运用计算机技术和手段进行学习和工作、解决专业问题是高级人才必备的素质.计算思维能力是与读写能力一样的人类基本思维方式.

为了配合同济大学实施“卓越工程师培养计划”试点方案,提高骨干教师的业务素质和教学水平,同济大学于2011年开展计算机科学与技术卓越课程行动计划,将计算思维融入“计算机系统级课程”的教学改革中,取得了良好的教学效果.

1“计算机系统级课程”教学改革内容

本次课程改革试点的核心内容主要包括3个方面:一是课程授课方式改革;二是训练(指各种类型的作业、结合课程的创新性实验项目、综合性和设计性实验等)方式改革;三是考试方法改革.

课程授课方式改革要大力推行启发式、探究式、讨论式、参与式、小班制等教学方式.训练方式改革除了传授知识外,还要通过设计综合性作业、结合课程的创新性项目以及其他形式多样的综合性训练,将学生的综合能力和人格培养落实到具体课程教学中.考试方法改革要消除应试教育产生的不利影响,以学生综合能力评价和人格养成作为核心,努力实现学生学习成绩评价方式的多元化.同时,建立计算机系统级教学团队,以团队形式对课程进行设计,积极建设和落实包含课程授课方式、训练方式、考试方法3大环节改革的具体方案.

“计算机系统级课程”教学改革项目在同济大学软件学院和电子与信息工程学院共建的“计算机系统结构”国家级精品课程建设的基础之上,结合电子与信息工程学院在学科方向上的特色和优势,采取“两级基础深化、知识体系构建、实践能力培养、前沿技术追踪”4项措施,建立面向“卓越工程师”培养的计算机系统级课程教学体系.

1)两级基础深化.教师通过“计算机与信息安全导论”“计算机导论”和“计算机系统结构”课程,分别从广度与深度两个方面对学生进行全面的计算机学科基础教学.“计算机与信息安全导论”和“计算机导论”旨在帮助初学者认清学科的轮廓,而“计算机系统结构”则为计算机学科高年级本科生提供完整的学科核心知识.

2)知识体系构建.教师以“虚拟化与云计算”“Web编程”和“计算机前沿技术概论”等课程为基础,建立计算系统和网络的知识体系框架,为强化计算机科学与技术学科的特色和建立完整的计算机系统学科知识体系规范打下基础;同时还注重相关课程的交叉,如“计算机系统结构”与“操作系统原理”“编译原理”在虚拟操作系统、编译优化等方面的结合,“计算机系统结构”与“虚拟化与云计算”在大规模并行处理系统下的融合等.

3)实践能力培养.教师通过“计算机系统实验”课程,将“计算机系统结构”“操作系统原理”与“编译原理”等课程中关系极为密切的核心内容以综合实验形式进行集成,如存储结构及其管理、目标代码生成及优化、线程调度等.这样既有利于消除孤立知识点,又加强了学生的综合实践能力训练,为他们将来从事计算机系统开发工作打下坚实基础.

4)前沿技术追踪.教师通过“计算机前沿技术概论”课程追踪国际计算机系统结构领域中的前沿问题与技术.

笔者提出的面向卓越工程师的计算机系统结构系列课程体系框架如图1所示.该教改项目的实施将提高计算机系的办学水平,加强对青年教师的培养力度,同时也有助于本科教学中多出科研成果.

该教改项目从理论与实践2个方面展开,围绕计算机系统主题,在课程体系建设上注重基础、突出重点.特别是在实践教学方面,除了在相应课程的实验环节对学生进行训练外,还将在专门的“计算机系统实验”课程中进行有关计算机系统硬件和软件2个方面的完整的集成实验,通过数据采集和建模分析等手段验证实验结果的正确性和有效性.通过发现并解决实验过程中遇到的各种问题,学生更加深刻地理解并扎实地掌握计算机学科的核心理论,同时提高了从理论到实践的知识贯通能力和创新能力.

各门课程的教改内容简述如下.

1)计算机与信息安全导论.作为该教学体系的基础课程,将突出建设计算机系统知识体系方面的基础知识.主要教改内容如下:

①选用《ComputerScience:AnOverview》作为该课程的双语教材:

②每章核心内容突出计算机系统方面的基础知识;

③将计算机系统方面的基本知识从传统计

算机导论内容中自然引出;

④展开双语教学,并建设精品课程.

2)计算机导论.作为该教学体系的基础课程,将突出建设计算机系统知识体系方面的基础知识.主要教改内容如下:

①选用《ComputerScience:AnOverview》作为该课程的全英文教材;②每章核心内容突出计算机系统方面的基础知识;

③加强计算思维方面的教学和实践,将Python作为入门编程工具培养学生的实践动手能力;

④展开全英文教学,并建设精品课程.

3)计算机前沿技术概论.作为全校的通识课程,适合各个年级的本科生,侧重信息安全前沿,同时带动整个教学体系前沿知识的探索.主要教改内容如下:

①汇集计算机系统结构课程体系中各个分支领域的前沿思想与技术;

②为“计算机系统实验”课程提供前沿的实验内容建议和素材;

③自行编写课程讲义与教材.

4)计算机系统实验.该教学体系中的实验课程建立在“计算机系统结构”“操作系统原理”“编译原理”等课程的基础之上,是整个教学体系中学生实践能力培养的核心课程.主要教改内容如下:

①建立计算机系统课程知识体系;

②建立实验环境,设计丰富多样的综合实验项目和开放性实验项目;

③编写实验指导书.

5)虚拟化与云计算.该教学体系中的专业课程之一,介绍可信与安全系统体系结构的基本概念、基本原理和基本结构.主要教改内容如下:

①建立课程知识体系;

②编写教材.

6)Web编程.该教学体系中的专业课程之一.主要教改内容如下:

①完善课程知识体系;

②建立实验环境,设计实验项目;

③编写教材和实验指导书.

2教改特点

基于“计算机系统级课程”的计算机科学与技术卓越课程行动计划具有如下特点和创新性.

1)将本系计算机学科优势、优质课程与“卓越工程师培养计划”的实施相结合是本系统级课程教改项目的特点之一;

2)开设“计算机系统实验”课程作为计算机系统级课程教学体系的核心实验平台,加强学生的实践能力培养是本系统级课程教改项目的特点之二;


3)本教改项目结合计算机新教学法,将计算思维教学方式在计算机系统级课程中进行实践(“计算机系统实验”和“计算机导论”课程中实施),加强学生的实践创新能力是本系统级课程教改项目的特点之三;

4)本项目将工业界的最新技术介绍给本科生,为其提供毕业设计选题和到著名企业实习的机会是本系统级课程教改项目的特点之四;

5)本项目将可信与安全计算系列课程作为建设对象,点面结合带动一批课程、实验基础设施和教师队伍的建设是本系统级课程教改项目的特点之五.

3教改成果

经过两个学期的建设,计算机系统级课程的教学改革取得如下成果.

3.1教改立项方面

1)2012-2013年,教育部-IBM专业综合改革项目建设课程“虚拟计算与云计算”;

2)2011-2012年,谷歌校企共建实用精品课程项目“Web编程技术”;

3)2011-2013年,同济大学全英文课程建设项目“计算机导论”:

4)2011-2013年,同济大学双语课程建设项目“计算机与信息安全导论”;

5)2011-2012年,同济大学电子与信息工程学院教学改革研究与建设项目“面向‘卓越工程师’培养的可信与安全计算课程教学体系建设”.

3.2课程建设方面

1)计算机系统结构.

该课程于2011年上半年被批准为同济大学本科卓越课程(计算机科学与技术专业),同时作为计算机科学与技术系一软件学院共建国家级精品课程.

2)计算机系统实验.

计算机系和学院实验中心已经购买相关的实验设备并完成实验室建设;已经开始组织2010级3位硕士研究生完成课程所涉及的5个实验设计.

3)计算机与信息安全导论.

该课程成功申报同济大学双语建设课程,并于2011年9月开始实行双语授课,同时完成了课程网站的建设.

4)计算机导论.

该课程成功申报同济大学全英文建设课程,并于2011年9月开始实行双语授课,同时完成了课程网站的建设.

5)计算机科学前沿技术导论.

该课程于2010年开设,目前已完成课程网站建设和《计算机科学前沿技术》教材的写作.该教材获得IBM大学合作项目书籍出版资助和同济大学“十二五”规划教材建设项目的资助.

6)Web编程技术.

该课程成功申报谷歌校企共建实用精品课程,并于2011年开设,同时完成了课程网站的建设.

7)虚拟计算与云计算.

该课程成功申报谷歌校企共建实用精品课程,并于2010年开设,同时完成了课程网站的建设.

3.3教材建设方面

1)《计算机科学前沿技术》教材已经编写完成,于2012年7月正式出版,并被列为同济大学“十二五”规划教材.

该教材是一本计算机科学的入门与提高教材,在力求保证学科广度的同时,还兼顾主题的深度,同时特别强凋计算机科学的前沿性,既介绍计算机学科相关主题的来龙去脉,又引入国内外最新和最热门的前沿课题.该教材既涉及计算机传统研究领域,如计算机网络、操作系统、人工智能等又涉及云计算、物联网、智慧地球等新兴热门研究领域,重点讲解这些最新计算技术在各个学科中的应用,既让读者对计算机新兴技术有一个宏观的把握,又通过各种案例分析指导读者将计算机最新技术应用到相关专业和学科中.

2)同济大学已与清华大学出版社签约出版《虚拟化与云计算》教材,目前已完成部分书稿,预计2013年初出版.

4结语

“卓越工程师培养计划”给了我们很大启示,促使我们反思.大学卓越人才的教育,应该超越“学习知识”本身,追求“创造知识”能力的培养.计算机科学与技术系结合计算思维的创新课程,开展“计算机系统级课程”教学改革,取得了较好效果.

(编辑:宋文婷)

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