明仲　蔡茂國　朱安民

摘要：分析我國高等教育對學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)不夠重視的現(xiàn)狀，在國家級“計算機實驗教學(xué)示范中心”和“網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的實驗教學(xué)平臺基礎(chǔ)上，提出以學(xué)生為本，重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，以實驗項目驅(qū)動為主導(dǎo)，倡導(dǎo)“做中學(xué)”實驗學(xué)習(xí)方式的教學(xué)理念，構(gòu)建一個完整的虛實結(jié)合、科教融合，“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學(xué)體系，為同類高校計算機專業(yè)的人才培養(yǎng)建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬仿真；虛實結(jié)合；科教融合；教學(xué)體系

0.引言

目前我國高校每年的畢業(yè)生人數(shù)超過700萬，高等教育為我國經(jīng)濟建設(shè)培養(yǎng)了大量的人才，但是與此同時企業(yè)招不到優(yōu)秀的人才與大量的畢業(yè)生找不到滿意的工作形成明顯的矛盾。歸其原因，是我們的高等教育人才培養(yǎng)方面出現(xiàn)偏差，突出點就是教學(xué)環(huán)節(jié)只重視知識與原理的“單向輸出”，不注重實驗動手能力的培養(yǎng)；實驗室的建設(shè)也是五花八門，大多是圍繞著理論教學(xué)的課程轉(zhuǎn)，隨著理論課程的變化而變化，沒有形成一套完整科學(xué)的實驗教學(xué)體系。這就導(dǎo)致教與學(xué)分離、學(xué)與練分離、練與用分離，學(xué)生在學(xué)習(xí)中處于被動地位。

與此同時，國內(nèi)教育界有識之士一直在呼吁強調(diào)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，認為實驗室是高校進行教學(xué)、研究和培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要場所。實踐動手能力的培養(yǎng)在計算機專業(yè)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)中占有非常重要的地位。虛擬仿真實驗教學(xué)信息技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，是教育信息化的重要組成部分。為了推動高等學(xué)校加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教育部一直都非常重視高校實驗室的建設(shè)，于2005年啟動評審建立一批國家級實驗教學(xué)示范中心，并且此后每年都嚴(yán)格評審建立一批。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在建設(shè)國家級實驗教學(xué)示范中心加強實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，教育部于2013年提出了國家級虛擬仿真實驗中心的建設(shè)工作。

如何領(lǐng)會國家教委的精神，如何建設(shè)好符合企業(yè)人才需求的高校計算機教育實驗室，這是全國高校計算機專業(yè)面臨的重要課題。

1.虛實結(jié)合、科教融合的教學(xué)體系

“虛實結(jié)合、科教融合”是將真實的實驗環(huán)境建設(shè)與虛擬仿真實驗環(huán)境建設(shè)相結(jié)合，將科研成果與實驗教學(xué)融為一體，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)獨特、不可替代的作用，充分發(fā)揮科研成果轉(zhuǎn)化成實驗教學(xué)案例的實際應(yīng)用作用，切實提高教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容。

“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學(xué)體系是將強調(diào)規(guī)范性、系統(tǒng)性的課程實驗教學(xué)系統(tǒng)和強調(diào)自主性、創(chuàng)新性開放實驗教學(xué)系統(tǒng)有機結(jié)合起來的實驗教學(xué)模式，如圖1所示。

課程實驗教學(xué)主要包括大學(xué)公共計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)以及計算機類專業(yè)課程教學(xué)。公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)主要面向全校所有非計算機類專業(yè)學(xué)生開設(shè)，以培養(yǎng)學(xué)生的計算機基本技能為主。專業(yè)課程實驗教學(xué)是計算機類專業(yè)培養(yǎng)方案中規(guī)定的實驗課程教學(xué)，按照教學(xué)計劃層次遞進的規(guī)律設(shè)計了實驗教學(xué)系統(tǒng)，包括計算機技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)實驗教學(xué)、計算機應(yīng)用實驗教學(xué)、計算機綜合實驗（工程實踐）教學(xué)以及實戰(zhàn)性實驗（畢業(yè)設(shè)計）教學(xué)5個層次，其特點是按照計算機類專業(yè)人才的綜合素質(zhì)和專業(yè)化能力的培養(yǎng)規(guī)律，遵循專業(yè)教育質(zhì)量要求來設(shè)計和組織。課程實驗教學(xué)強調(diào)實驗教學(xué)的規(guī)范性、統(tǒng)一性和系統(tǒng)性，與理論教學(xué)協(xié)調(diào)一致，保持實驗教學(xué)體系的完整性、連貫性和相對獨立性。這一部分的實驗要求所有的學(xué)生都參與，采用由教師統(tǒng)一指導(dǎo)和典范引導(dǎo)結(jié)合的方式進行實驗教學(xué)，并由學(xué)生獨立完成實驗內(nèi)容。

開放實驗教學(xué)從培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣入手，以創(chuàng)新能力和貼近實戰(zhàn)的應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以實驗項目為核心，采用個別指導(dǎo)和聚徒教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法進行實驗教學(xué)，由學(xué)生按興趣自由組成實驗小組，自由選擇實驗項目，自主設(shè)計實驗方案并完成實驗過程。開放實驗項目來源主要包括重點實驗室（科研所）科研成果轉(zhuǎn)化的實驗項目、校企聯(lián)合創(chuàng)新俱樂部貼近實戰(zhàn)的實驗項目、國內(nèi)國際計算機類大賽的實驗項目、學(xué)校實驗室開放基金實驗項目等。

2.計算機實驗教學(xué)體系建設(shè)

2.1樹立先進的實驗教學(xué)理念

實驗教學(xué)是構(gòu)成高等學(xué)校課程教學(xué)的重要組成部分。在實驗教學(xué)理念（如圖2所示）上應(yīng)以學(xué)生為本，重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，以實驗項目驅(qū)動為主導(dǎo)，倡導(dǎo)“做中學(xué)”的實驗學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；重視實踐實驗教學(xué)，重視學(xué)生基本能力的培養(yǎng)；重視科研成果向?qū)嶒烅椖康挠行мD(zhuǎn)化，強化創(chuàng)新、研究意識，注重創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意識的引導(dǎo)，促進科學(xué)研究能力的培養(yǎng)，突出個性能力發(fā)揮，促進學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展；重視校企合作，為學(xué)生創(chuàng)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境，全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、實驗技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，使學(xué)生具有創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力。

2.2明確實驗教學(xué)改革思路

實驗教學(xué)改革和實驗室建設(shè)思路如圖3所示。

第一，重視理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。計算機人才的能力素質(zhì)結(jié)構(gòu)中包含素質(zhì)、知識、技能3個基本要素，以實踐實驗教學(xué)為紐帶，將這3個能力素質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成要素整合起來，形成一個有機整體。

第二，重視學(xué)生計算機基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，重視基礎(chǔ)實驗教學(xué)，特別是編程能力和動手能力的培養(yǎng)。深圳大學(xué)計算機與軟件學(xué)院為重點計算機基礎(chǔ)課程設(shè)立專門的實驗課，專門為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計實驗與課程設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗與課程設(shè)計兩門課程各安排每周4小時的實驗，采用“全程緊張、機考評分”的全新實驗教學(xué)方式，訓(xùn)練學(xué)生規(guī)范、熟練地掌握計算機編程能力，取得了很好的實驗效果。為了進一步夯實學(xué)生實踐能力基礎(chǔ)，還特別設(shè)立以過程性考核為主的課程（包括數(shù)據(jù)庫原理、軟件工程、嵌入式系統(tǒng)、電子電路等），實行以學(xué)生自學(xué)為主，“做中學(xué)”的教學(xué)模式。

第三，重視科研成果向?qū)嶒烅椖康挠行мD(zhuǎn)化，重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的培養(yǎng)。教學(xué)中應(yīng)使學(xué)生全面了解科技最新發(fā)展和學(xué)術(shù)前沿動態(tài)，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，啟迪科研思維，使其掌握科研方法、培養(yǎng)科研道德，全面提升科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的能力。各省級科研重點實驗室和市級科研重點實驗室積極將各重點實驗室的科研成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生（特別是本科生）的實驗項目，供學(xué)生在課堂實驗中使用；部分研究性實驗項目，以開放實驗項目的形式，提供給學(xué)生在課外創(chuàng)新實驗中使用。

第四，重視虛擬仿真實驗教學(xué)，重視學(xué)生自主在線實驗環(huán)境的建設(shè)。結(jié)合深圳大學(xué)倡導(dǎo)發(fā)起的“全國地方高校UOOC聯(lián)盟”平臺建設(shè)和推廣，學(xué)院在在線虛擬仿真實驗、協(xié)作式虛擬實驗、自組織虛擬實驗教學(xué)等方面進行大量的研究和探索。

第五，重視校企合作，構(gòu)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境。堅持“校企聯(lián)合、注重實踐”的教學(xué)觀念，綜合利用各方面技術(shù)、資源，在實驗室與實訓(xùn)基地建設(shè)、課外創(chuàng)新活動開展、實驗教學(xué)體系構(gòu)建、創(chuàng)業(yè)教育課程開設(shè)、創(chuàng)業(yè)大賽舉辦等各方面，與國內(nèi)外知名企業(yè)進行全面的校企合作，建立校企聯(lián)合創(chuàng)新俱樂部，建立起靈活、富有特色、能適合市場和企業(yè)人才要求的多維立體校企合作模式，大大提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量，確保為企業(yè)和社會輸送大量“高素質(zhì)、強能力、會創(chuàng)新、能創(chuàng)業(yè)”的計算機工程應(yīng)用型高級人才。

2.3實驗教學(xué)體系內(nèi)容

在計算機實驗教學(xué)體系的具體建設(shè)過程中，整合學(xué)校計算機類優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)教學(xué)科研有機結(jié)合，加強虛擬仿真實驗環(huán)境建設(shè)，加強校企合作，從而建立起目標(biāo)清晰、載體明確、考核科學(xué)的實驗教學(xué)體系與內(nèi)容。

1）整合學(xué)校計算機類優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源。

依托計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（國家特色專業(yè)、省級名牌專業(yè)）、軟件工程專業(yè)（廣東省示范性軟件學(xué)院）、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，依托廣東省普及型高性能計算機重點實驗室、粵港現(xiàn)代信息服務(wù)協(xié)同創(chuàng)新中心、廣東省大數(shù)據(jù)分析與處理工程技術(shù)研究中心等3個省級重點實驗室，依托深圳市服務(wù)計算與應(yīng)用重點實驗室、深圳移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件技術(shù)工程重點實驗室、深圳市嵌入式系統(tǒng)設(shè)計重點實驗室、深圳市物聯(lián)網(wǎng)專用集成電路設(shè)計工程實驗室、深圳市科技創(chuàng)新資源共享平臺等5個市級重點實驗室，依托未來數(shù)字媒體研究所、網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究所、計算機視覺研究所等3個科學(xué)研究所，建成16個本科實驗教學(xué)實驗室、3個校企聯(lián)合實驗室、6個校企聯(lián)合實習(xí)基地和9個校企聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新俱樂部，如圖4所示。

2）教學(xué)科研有機結(jié)合，實現(xiàn)科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容有效轉(zhuǎn)化。

中心依托的3個省級科研重點實驗室、5個市級科研重點實驗室以及3個科學(xué)研究所，都積極將各重點實驗室（或研究所）的科研成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生（特別是本科生）的實驗項目（共計77項），供學(xué)生（特別是本科生）在課堂實驗中使用；部分研究性實驗項目以開放實驗項目的形式，提供給學(xué)生課外創(chuàng)新實驗中使用。

3）加強虛擬實驗課程建設(shè)，創(chuàng)建學(xué)生在線實驗環(huán)境。

積極探索在線虛擬仿真實驗課程和實驗項目的建設(shè)，已建成6門在線仿真實驗課程，設(shè)立在線仿真實驗項目119項，可供UOOC聯(lián)盟中的所有大學(xué)的學(xué)生（包括深圳大學(xué)的本科生）以及社會上的專業(yè)人才通過網(wǎng)絡(luò)在線做實驗。

4）加強校企合作，創(chuàng)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境。

為了加強學(xué)生課外實驗的效果，提高學(xué)生對實驗課程的興趣，更好地將實驗與企業(yè)項目結(jié)合，創(chuàng)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境，學(xué)院已與國內(nèi)外9家著名企業(yè)聯(lián)合成立了學(xué)生課外技術(shù)創(chuàng)新俱樂部，包括騰訊創(chuàng)新俱樂部、IBM技術(shù)俱樂部、TI（Texas Instrument）創(chuàng)新俱樂部、ARM技術(shù)俱樂部、Linux創(chuàng)新俱樂部、Microsoft創(chuàng)新俱樂部、嵌入式機器人俱樂部、移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)俱樂部、Java俱樂部（也叫Java協(xié)會）。學(xué)生可以根據(jù)自已的興趣，結(jié)合企業(yè)項目，參與到課外創(chuàng)新性、實戰(zhàn)性和創(chuàng)業(yè)性實，驗中，取得了更好的實驗效果。

5）網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)。

本著“實驗教學(xué)與科研成果轉(zhuǎn)化有機結(jié)合、現(xiàn)場實驗與虛擬仿真實驗虛實結(jié)合、實驗中心與企業(yè)緊密聯(lián)合”的建設(shè)理念，中心已建成開放式網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)管理與共享平臺以及虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（資源）7個，包括網(wǎng)絡(luò)工程專用集成電路（ASIC）芯片設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目9項）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目15項）、網(wǎng)絡(luò)信息安全虛擬仿真實驗室及教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目120項）、計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目22項）、大型綜合性網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目18項）、移動通信原理虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目12項）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)（虛擬仿真實驗項目5項）；已建成虛擬仿真實驗課程11門，虛擬仿真實驗項目201項。中心在建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)（系統(tǒng)）資源的過程中，根據(jù)虛擬仿真實驗項目性質(zhì)的不同，分別采用自主建設(shè)和合作開發(fā)兩種方式進行建設(shè)。對于實體實驗室環(huán)境下很難（或無法）完成的網(wǎng)絡(luò)芯片設(shè)計、最新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備虛擬仿真實驗項目、大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬實驗項目，主要以科研成果向虛擬仿真實驗轉(zhuǎn)化的形式自主建設(shè)；對于常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)工程類虛擬仿真類實驗項目，堅持自主建設(shè)和與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)兩種方式。

2.4實驗教學(xué)方法手段

教學(xué)實驗中心承擔(dān)的實驗教學(xué)任務(wù)比較繁重和復(fù)雜，涵蓋了全校80個專業(yè)的大學(xué)公共計算機基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)，以及本學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、高性能計算等軟、硬件的實驗教學(xué)。教學(xué)實驗中心還要積極應(yīng)對計算機技術(shù)軟、硬件不斷發(fā)展的趨勢，實驗技術(shù)和實驗教學(xué)方法需要不斷學(xué)習(xí)、更新。為此，根據(jù)中心建立的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的實驗教學(xué)體系，遵循既注重實驗教學(xué)的規(guī)范性、統(tǒng)一性、系統(tǒng)性，又兼顧創(chuàng)新型人才、復(fù)合型人才的“因材施教”“興趣培育”“重點培養(yǎng)”的原則，采用了以下5種實驗教學(xué)方法：①統(tǒng)一指導(dǎo)，獨立完成實驗；②典范引導(dǎo)，獨立完成實驗；③自主設(shè)計、協(xié)同完成實驗；④個別指導(dǎo)，項目管理實驗；⑤聚徒教學(xué)，貼近實戰(zhàn)實驗。

3.實驗教學(xué)體系建設(shè)成果

深圳大學(xué)計算機實驗教學(xué)體系建設(shè)的主要成果有：①實驗資源實現(xiàn)了全方位共享，實現(xiàn)了大型實驗儀器設(shè)備社會共享的突破；②有效整合了學(xué)校計算機類優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)了科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)內(nèi)容的有效轉(zhuǎn)化；③創(chuàng)新了虛擬實驗教學(xué)模式，開創(chuàng)了“全程緊張、機考評分”的全新計算機編程實驗教學(xué)新模式；④加強了校企合作，實行了“協(xié)同創(chuàng)新”培養(yǎng)模式，創(chuàng)建了貼近企業(yè)實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境；⑤開創(chuàng)了層次化開放式的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學(xué)體系和“重基礎(chǔ)、重實踐、重創(chuàng)新、重實戰(zhàn)”“做中學(xué)”的人才培養(yǎng)模式。

實踐證明，虛實結(jié)合、科教融合，“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學(xué)體系是行之有效的，可為其他院校的教學(xué)改革提供有益參考。