江先亮，金 光，陳 琛，嚴(yán)迪群

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

近年來(lái)， 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)開(kāi)展廣泛的技術(shù)封鎖，如芯片制造、操作系統(tǒng)等，促使國(guó)內(nèi)許多高校更加關(guān)注學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。 歷史經(jīng)驗(yàn)表明，人才是國(guó)家、社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵，高校教育應(yīng)以培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的人才為目標(biāo)， 促使學(xué)生發(fā)展與社會(huì)需求契合，增強(qiáng)畢業(yè)生競(jìng)爭(zhēng)力。 優(yōu)秀的高校教育除了管理制度的完善， 構(gòu)建與高校人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系[1-3]，還應(yīng)大力支持作為高校發(fā)展核心推動(dòng)力的一線基層教師的教學(xué)投入，打造更多的“金課”[4]和“一流課程”，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

作為基層教師， 應(yīng)如何培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力的學(xué)生呢？仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。憑我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)類本科生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)應(yīng)以課程 （含理論和實(shí)驗(yàn)）為基礎(chǔ)，課外競(jìng)賽、學(xué)生科研和工程問(wèn)題解決為延伸， 教師也應(yīng)充分利用多樣化的課外實(shí)踐改革課程內(nèi)容[5]和授課方式，做到理論、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐的閉環(huán)。 這也契合工程教育認(rèn)證對(duì)課程的要求。

以我們建設(shè)的“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程為例，其具有多學(xué)科交叉、知識(shí)點(diǎn)覆蓋廣、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密等特點(diǎn)，理論、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐的“學(xué)-練-賽”閉環(huán)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力就顯得尤為重要。

1 問(wèn)題和現(xiàn)狀分析

不同高校和專業(yè)的學(xué)生在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面?zhèn)戎夭煌?，方式方法也各有差異，也非某一門(mén)課程就能達(dá)成，應(yīng)統(tǒng)籌考慮優(yōu)化學(xué)生的課程培養(yǎng)方案及課程教學(xué)改革。 本文僅探討“學(xué)-練-賽”模式在地方高校計(jì)算機(jī)類本科生教學(xué)中的運(yùn)用。 接下來(lái)，將首先分析目前高校計(jì)算機(jī)類本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的不足。

（1）課程連貫性不足，不同教師間的課程內(nèi)容缺乏相互銜接，學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的連貫性不足。以“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程為例，其要求學(xué)生先修“操作系統(tǒng)、嵌入式、程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等課程，但課程安排和不同教師的側(cè)重點(diǎn)不同，導(dǎo)致“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程需要給學(xué)生補(bǔ)充操作系統(tǒng)、嵌入式等課程知識(shí)點(diǎn)， 以減少課程連貫性不足所帶來(lái)的影響。

（2）技術(shù)更新快，而課程內(nèi)容更新相對(duì)滯后。不同于文科類課程，計(jì)算機(jī)類課程知識(shí)迭代快，要求授課教師不斷更新授課內(nèi)容，做到與技術(shù)同步。 實(shí)際上，目前高校不少計(jì)算機(jī)類課程仍采用十幾年前甚至更久之前的內(nèi)容進(jìn)行授課，學(xué)生難以學(xué)到最新技術(shù)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。 在“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容建設(shè)上，我們每隔3 年就會(huì)修訂完善教材內(nèi)容[6]，緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐。

（3）傳統(tǒng)“理論+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式以模仿為主，創(chuàng)新不足。大多數(shù)計(jì)算機(jī)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容固定，要求學(xué)生按部就班重復(fù)操作，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)展。 在“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程的建設(shè)中，我們?nèi)诤险n內(nèi)“理論+實(shí)驗(yàn)”和課外創(chuàng)新實(shí)踐，讓學(xué)生不僅掌握課程知識(shí)點(diǎn)，還能夠深入探索以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的作品，參加各類競(jìng)賽和科研創(chuàng)新。

在“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程的教學(xué)實(shí)踐中，我們逐步形成了“學(xué)-練-賽”的教學(xué)模式，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 “學(xué)-練-賽”學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，本文提出如圖1 所示的“學(xué)-練-賽”培養(yǎng)方式，即以課堂理論教學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)為抓手，科研競(jìng)賽為強(qiáng)化，以解決實(shí)際問(wèn)題為落腳點(diǎn)，重在培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。 培養(yǎng)方式包含兩個(gè)閉環(huán)：①理論認(rèn)知強(qiáng)化循環(huán)；②創(chuàng)新能力培養(yǎng)循環(huán)。在①中，重點(diǎn)強(qiáng)化學(xué)生課內(nèi)對(duì)課程理論知識(shí)的掌握，以課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)為達(dá)成途徑，通過(guò)閉環(huán)改進(jìn)理論教學(xué)內(nèi)容和方法。 為實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)， 需要②的課外創(chuàng)新實(shí)踐 （如學(xué)生科研、競(jìng)賽等）進(jìn)行強(qiáng)化，以團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目為抓手，制定合理的考核方法和激勵(lì)策略，充分調(diào)動(dòng)每位學(xué)生的積極性，并依據(jù)②的反饋優(yōu)化課程內(nèi)容和授課方式。

圖1 “學(xué)-練-賽”學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式Figure 1 “Learning-Practicing-Competition” student innovation ability cultivation model

需注意，②中的項(xiàng)目應(yīng)與課程內(nèi)容相關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用課程的知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行深入探索，提升創(chuàng)新意識(shí)。

3 案例探討

“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程的建設(shè)過(guò)程中，我們充分考慮了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并運(yùn)用了“學(xué)-練-賽”的培養(yǎng)模式，取得了較好效果。 下面以學(xué)生完成的“軟硬件協(xié)同的交互式編程平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)” 項(xiàng)目為例，闡述如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。 圖2 所示為軟硬件協(xié)同的交互式編程平臺(tái)的框架示意圖。在開(kāi)展項(xiàng)目前，我們通過(guò)課堂教學(xué)使學(xué)生掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙、隱聲數(shù)據(jù)通信、嵌入式計(jì)算、Arduino/樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、各類傳感器、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等，以及程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。 為讓學(xué)生扎實(shí)掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論知識(shí)，同時(shí)融合了我們開(kāi)發(fā)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源[7]進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)。完成理論知識(shí)講授， 并開(kāi)展了相關(guān)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

圖2 軟硬件協(xié)同的交互式編程平臺(tái)框架示意圖Figure 2 Schematic diagram of the framework of an interactive programming platform with software and hardware collaboration

圖3 所示為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的軟件編程子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其為用戶提供完善的多語(yǔ)言編譯和解釋環(huán)境， 支持 C/C++、Java 和 Python 等語(yǔ)言的在線編程功能。它包括前端在線代碼編輯和云端服務(wù)兩部分。在線編輯為用戶提供代碼編輯、關(guān)鍵字高亮、代碼補(bǔ)全和錯(cuò)誤提醒等功能。 云端服務(wù)包括網(wǎng)關(guān)、編譯器以及數(shù)據(jù)庫(kù)，提供編譯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)行等功能。

圖3 軟件編程子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of the software programming subsystem structure

為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)，學(xué)生設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng)，其包括設(shè)備層和應(yīng)用層兩部分。 設(shè)備層配套的開(kāi)發(fā)板使用MicroPython 作為底層固件，采用Python 開(kāi)發(fā)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。 應(yīng)用層包括在線編輯、代碼推送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備認(rèn)證和結(jié)果反饋等。

為滿足高并發(fā)和一對(duì)一通信需求，學(xué)生設(shè)計(jì)了基于MQTT 的一對(duì)一代碼推送，如圖4 所示。 在開(kāi)發(fā)板配網(wǎng)和認(rèn)證時(shí)，系統(tǒng)會(huì)獲取開(kāi)發(fā)板的標(biāo)識(shí)并與用戶賬戶綁定。配網(wǎng)成功后開(kāi)發(fā)板會(huì)訂閱以自身標(biāo)識(shí)+“00”組成的主題，發(fā)布以自身標(biāo)識(shí)為信息的廣播。用戶完成線上開(kāi)發(fā)后，后端獲取設(shè)備標(biāo)識(shí)，向該主題推送代碼， 設(shè)備通過(guò)訂閱該主題接受代碼，達(dá)到一對(duì)一通信目的。

圖4 一對(duì)一代碼推送機(jī)制流程Figure 4 One-to-one code push mechanism process

平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后， 在內(nèi)存32GB、CPU 為E5-2630V3 的服務(wù)器上， 采用 19.03.5 版本 Docker 容器化部署線上編程系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)， 使用Android 6.0.1 系統(tǒng)搭載開(kāi)發(fā)的配網(wǎng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)板的配網(wǎng)。 圖5 所示為平臺(tái)搭載的學(xué)生設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板，其為核心控制板，可用于控制不同的外設(shè)。

圖5 外設(shè)主控板實(shí)現(xiàn)圖Figure 5 Implementation diagram of peripheral main control board

目前，該項(xiàng)目已完成學(xué)術(shù)論文2 篇、獲軟件著作權(quán)5 項(xiàng)， 并積極擴(kuò)展作品功能以參加物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽、互聯(lián)網(wǎng)+等學(xué)科競(jìng)賽。 項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，學(xué)生從系統(tǒng)構(gòu)想到需求分析、硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)、組網(wǎng)測(cè)試等都全程參與， 構(gòu)建了無(wú)需復(fù)雜環(huán)境配置就可開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的平臺(tái)， 創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)和體現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)的有機(jī)結(jié)合。文中提出的“學(xué)-練-賽” 驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)類本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式僅為我們?cè)凇盁o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程建設(shè)中的心得，存在的不妥之處仍需不斷研討和探索。