中英高校计算机专业“产出导向”程教学设计对比与思考
——以华威大学和北京交通大学为例

任申元 李浥东白慧慧

(北京交通大学 计算机与信息技术学院,北京 100044)

0 引言

2016年中国成为《华盛顿协议》正式成员国之后,OBE(Outcomes-based Education)的理念开始深入人心。OBE即“产出导向”的教学,是工程教育认证推崇的教学模式。该模式以企业和行业需求作为教学产出,专业培养目标、毕业要求和课程等各个环节均以产出为导向展开设置,教学实施的各主体必须对学生应达到的能力有清楚的构想,采用合适的教学手段保证学生达到这些预期的教学目标,教师要在教学过程中指导学生主动参与、团队协作和探索创新[1]。

英国华威大学(University of Warwick)是一所研究型大学,创立于1965年,在办学之初就坚持“亲工商界”的理念,始终顺应时代发展,坚持与工商界合作,强调产学研深度融合,取得了优异的成绩[2-3]。华威大学制造集团是华威大学直接与工商业界建立合作关系的第一个标志性创新[4]。在 2019年发布的《卫报》大学排名中,华威大学是英国排名第5的工程类大学,其工程学院专业排名稳居英国前十,同时,该学院的课程已获得英国工程和技术学会(IET)的认证[5]。在英国政府评估的研究卓越框架排名(Research Excellence Framework 2014)中,计算机科学位列第2,具备出色的教学和研究实力。

北京交通大学为教育部直属高校,由教育部、交通运输部、北京市人民政府和中国国家铁路集团有限公司共建,是国家“211工程”“985工程优势学科创新平台”“双一流”建设高校,系统科学学科在全国学科评估中连续4次蝉联全国第1。2016年,作为教育部选定的两所高校之一,学校的工程专业国家认证接受了《华盛顿协议》国际专家的观摩考察,支撑我国正式加入《华盛顿协议》国际工程教育组织。学校现有15个工科专业通过工程教育专业认证(评估),标志着这些专业的人才培养质量得到国际认同,进入全球工程教育的“第一方阵”。其中,计算机科学与技术专业已经连续两次通过了工程教育专业认证。

本研究首先分析了计算机专业传统课程教学存在的弊端,并以两校的专业课程建设为例,分别对比了“产出导向”理念在课程安排、授课形式、达成评价等方面的具体做法。然后,对比分析两校“产出导向”课程建设思路的异同。最后,给出了“产出导向”理念在专业课程建设层面的进一步优化设想。

1 传统课程教学的弊端

1.1 教学目标缺乏导向性

确定课程教学目标是教学设计的首要问题,能否制定出明确、规范的教学目标关系着本门课程教学的成败。传统的专业课程目标普遍存在“重知识轻能力”的情况,即教学目标大部分针对的是知识目标,较少涉及能力目标,尤其是在用人单位特别关注的解决复杂工程问题能力、团队意识、沟通能力、终身学习能力等方面,传统的课程方案中缺乏主动考虑和设计。从“产出导向”的角度来讲,课程教学目标应该服从于专业的毕业要求和培养目标,着眼并落脚于学生能力培养。

1.2 授课方式难以支撑能力培养要求

课程教学环节用于保障课程教学目标的达成。目前,教学大纲中课程教学内容多是按教学知识点罗列,教学大纲中没有细化到每个教学活动支撑哪些教学目标。此外,课程教学活动方式单一,大多是知识点的灌输。学生难以厘清课程知识点之间的关联关系,更不清楚如何应用以解决实际问题。课程教学中设置的实验环节往往侧重于练习单一的知识点,这种浅尝辄止的做法制约了学生技术综合运用能力的提高。

1.3 教学目标缺乏达成度评价

现阶段,教学目标达成与否的判定往往采用单一的试卷或报告的方式,这种方式难以准确建立试题与知识目标或能力目标的对应关系,因此也就难以明确判定教学目标是否真正达成。事实上,采用单一的期末考试及实验报告,主要考核了学生对知识点的掌握程度,但缺乏对学生综合能力的考核,不能全面有效地评价学生的能力达成情况。

2 “产出导向”课程设计与实施的具体做法

本研究以华威大学计算机安全和北京交通大学Web应用基础两门专业课程为例,对比分析“产出导向”理念在专业课程顶层设计方面的实施。

2.1 课程教学顶层设计

华威大学计算机专业计算机安全课程旨在教授学生关于计算机系统、网络和软件安全的知识和技能。该课程共32学时,其中包括20学时的教师授课、6学时的研讨课和6学时的实验课,此外,该课程还设置了183学时的自学课时要求。师生比约为1∶15,教师和助教负责解答学生在实验过程中遇到的各种问题。理论课的教学目的是让学生理解计算机安全的含义,并能展示计算机安全挑战方面的知识,了解并熟悉该领域的基本概念,展示对计算机(不)安全实践方面的辨别,理解常见的安全威胁,并基本了解应对措施。研讨课旨在提高学生的IT、数学、学习、沟通技能,在系统安全评估方面展示批判性分析能力,展示适用于计算机科学专业人员在评估和设计安全系统方面的技能。实验课旨在帮助学生通过实践的方式掌握计算机安全的基础知识,例如网络安全和漏洞利用等。

北京交通大学计算机科学与技术专业的毕业要求共12条,Web应用基础主要支撑毕业要求的第5条的5.1和第9条的9.1,分别为:5.1 能够熟练运用程序设计方法、环境与工具,包括软件开发集成环境、实验数据分析工具、模拟与仿真工具等;9.1 能够理解尊重个人权利与利益的重要性,理解个人、团队、社会的关系,理解个人和团队的利益统一性,以及团队不同成员及负责人的作用。课程教学顶层设计过程为:首先根据课程支撑的毕业要求指标点确定课程的教学目标,主要包括基础目标和进阶目标两大类。然后通过精选案例、课程项目有机融合,明确其对教学目标的支撑作用,将相关知识点融入课程项目,让学生更好地掌握Web开发技术,并能初步应用于解决计算机科学与工程领域的复杂工程问题。该课程共32学时,其中理论和实践各占16学时。

2.2 教学环节设置

2.2.1 华威大学:理论课+实验课+研讨课

理论课主要采用案例式教学方式进行理论知识教学。前5周主要是基本计算机安全介绍。这将涵盖安全领域的许多重要概念,例如简要历史、安全和安全威胁、实用措施(例如身份识别、身份验证、授权)、安全模型、基础密码学和网络安全。之后5周开始详细调查实际中的安全问题。在本课程的这一部分中,将选择一种可用于提供具体示例和实际探索的领域进行更详细的调查。这将包括一些对相关安全技术的介绍。具体考虑的主题可能会因年份而异,例如,可能会考虑安全电子邮件领域,调查所面临的挑战、实际的威胁和攻击、为保障电子邮件所做/已做的措施、在保障电子邮件中使用密码学的方面等。

实验课是英国大学计算机安全课程开展的主要形式之一,要求学生在计算机安全实验室中使用安全工具和软件进行实验,以掌握各种安全技术和概念。实验课通常由一名讲师和几名助教组成,讲师会介绍实验的背景和目的,讲解实验步骤和技术细节,而助教则会提供实验指导和技术支持,帮助学生解决实验中遇到的问题和困难。实验过程中,学生需要使用各种安全工具和软件,例如Wireshark、Nmap和Metasploit等,来分析和攻击网络流量。这些工具和软件提供了学生实践的机会,让他们能够深入了解网络安全和漏洞利用的技术细节,同时也帮助他们掌握一些基本的安全工具的使用方法。实验课覆盖多个实验内容和评分项目。例如,其中一个实验是寻找操作系统中的漏洞。教师提供了一个Linux系统镜像,其中包含教师设定的多种漏洞和系统自带的漏洞。实验的目标是鼓励学生运用该课程所教授的知识和操作系统课程所学的Linux使用方法,独立探索教师提供的Linux系统镜像中存在的漏洞。此外,学生需要编写实验计划和报告,以明确实验的目标和步骤,并记录实验结果和结论。通过编写实验报告,学生可以加深对实验过程和结果的理解,并提高他们的写作和表达能力。综上所述,英国大学的计算机安全实验课采用多种形式,旨在培养学生的实践能力和团队合作精神,以帮助学生掌握计算机安全知识和技能。

研讨课也是计算机安全课程开展的组成形式之一,要求学生参与到讨论中,分享自己的经验和观点,以加深对计算机安全领域的理解和认识。研讨课通常由助教主持,学生需要准备一些主题和问题,以供讨论和交流。另外,在研讨课中助教还会讲解和订正课后作业,对学生们的问题进行答疑。研讨课还包含学生演示环节,要求学生以小组为单位,学生2～3人为一组,在课上使用安全工具和软件进行演示,并讨论分析各种安全技术和概念的应用场景和效果。演示课通常由学生自行策划和组织,学生需要提前利用1周的时间准备演示主题和场景,以供演示和展示。最后,独立研究是一种自主学习和研究计算机安全领域的形式,要求学生选择一个独立研究主题,进行研究和实践,最后根据自己的独立研究课题,撰写研究报告。

2.2.2 北京交通大学:理论课+课程项目

理论课主要支撑基础目标和少部分进阶目标。理论知识教学主要采用案例式教学,通过编程实例教授HTTP协议、JavaScript语言、CSS等知识点。理论课的讲授也在机房进行,采用边学边练的方式,对这些独立知识点进行强化训练,使学生能验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识。

课程项目主要面向进阶目标,学生分组进行。课程项目要求学生3～4人为一组,可选的课程项目题目有:个人主页设计、班级管理系统、辅导员工作管理系统、社团活动管理系统、企业主页设计、产品管理系统等[1]。各组查阅资料,编写程序,撰写项目研究报告并制作项目结题汇报用PPT,课程项目中均涉及到登录注册、信息发布、资料下载、留言交流等功能模块,为后续课程设计、生产实习和毕业设计等环节奠定编程能力基础。

2.3 多角度评价达成情况

华威大学计算机科学专业计算机安全课程的学生成绩由结课考试、实验、研讨三部分组成。实验过程中为了保证公平性,所有学生实验的对象都是同一个系统镜像,因此包含的漏洞是相同的。为了培养学生的独立探索能力并降低抄袭等不良行为的影响,该实验的评分标准巧妙地设定为根据漏洞的稀有程度评分。即找到某个漏洞的学生数量越多,因寻找该漏洞而获得的评分相对越低。如果某个漏洞仅被少量学生发现,那么该漏洞的评分价值就更高。实验报告通常是实验成绩的重要组成部分,可以反映学生对安全知识和技术的理解和掌握程度。研讨课成绩主要由课后作业、演示环节和独立研究报告等部分组成。

北京交通大学计算机科学与技术专业Web应用基础课程的学生成绩由结课考试、课程项目两部分成绩构成。课程项目成绩依据研究报告、项目程序代码和汇报情况综合评定。根据教学大纲和考试评定方式,课程组还确定了课程目标与考核内容的对应关系,计算出了各教学目标的达成度评价值,该评价值可以进一步支撑毕业要求达成度的计算。

3 “产出导向”课程教学的对比分析

将上面两校计算机类专业课程基于“产出导向”理念的设计与实施过程进行类比,可知存在如下的相同点和不同点。

3.1 “产出导向”课程教学的相同点

(1) 注重课程顶层设计。课程顶层设计服务于专业的毕业要求,而后者服务于国家社会和市场的需求。因此课程的顶层设计是确定好本课程在整个课程体系中的地位和作用,为此需要深入分析制定本课程的人才培养目标(包含基础目标和进阶目标)、达成途径和评价方法。

(2) 注重学生能力的培养。通过设置多种环节分别培养学生的分析解决复杂工程问题能力、实践能力、研究能力、团队合作能力,以及沟通交流、职业规范等方面能力。例如两校均设置了课程项目的环节,能够有效提升学生团队合作、沟通交流等能力。此外,课内项目也有助于学生将课内知识融会贯通,并内化提升为分析研究解决复杂工程问题的能力。

(3) 注重学生能力达成的评价。课程目标达成度评价是毕业要求达成度评价和人才培养目标达成度评价的基础。两校均设计了有效的课程目标达成度评价方法,一方面,作为持续改进的重要方面,及时反馈达成度评价结果,有利于促使教师发现教学短板并相应改进教学内容或方法[5];另一方面,达成度评价结果可用作课程合格评估和课程评选的重要参考依据。

3.2 “产出导向”课程教学的不同点

(1) 以华威大学为代表的英国高校更加注重和工业企业界合作,培养学生企业家式的创新精神。通过与工业界广泛合作,坚持将“实践创新,知识应用”作为培养工程人才的理念,为学生提供广泛的工程实践机会,帮助学生提升创新意识能力[6-7]。同时,华威大学更加注重科研和教学的融合,所设立的讨论环节带有研究色彩[8]。

(2) 以华威大学为代表的英国高校更加注重学生自主学习能力培养。相较于国内课程设置密集、学生课余时间较少的情况,华威大学大力开放课堂资源、图书馆资源等[9],同时压缩课程学时从而留给学生充分的课余时间去自我学习。如计算机安全的课程课内课时仅有32学时,而该课程设置的自学课时达到了183学时,通过这些自学学时,学生可以深入了解计算机安全的基础和最新技术,并掌握安全工具和软件的使用技巧。再加上与实践、研讨课等环节的配合,有效地提升了学生自我学习的意识和能力。

(3) 以北京交通大学为代表的中国高校注重学生解决复杂工程问题能力的培养。《华盛顿协议》指出复杂性是现代工程问题的本质,并对复杂工程问题进行了明确定义,要求本科工程教育的教学过程要以“培养解决复杂工程问题能力”为导向[10],此外,培养解决复杂工程问题能力也是国内“新工科”专业建设的重要目标之一[11]。

4 启示

工程教育始终在路上,持续改进也是专业认证的核心理念之一。基于上述对比分析,“产出导向”的课程教学还可以在以下几个方面深入展开。

(1) 综合利用各种现代化教学手段。经过3年疫情的检验,学习通、腾讯课堂、雨课堂等线上教学手段日趋完善,可以作为线下教学稳定有力的补充。在此基础上,可以扩展出本地、异地多名师协同的联合教学模式,有效提升异地教师在线教学的时间利用率。

(2) 充分利用网络开放资源进行线上自学。完全学分制逐渐在各个高校推行,专业课程可以尝试进一步压缩课内学时,打通对线上公共资源,如公开课等资源的互认,使学生充分利用课外的碎片时间,提升学生的时间利用率。

(3) 与企业进行课程级合作,尽早开展解决复杂工程问题能力的培养。目前,大部分高校在大四阶段的生产实习环节建立了校企合作协同育人机制,但此时学生的学习和思维方式已经基本定型。因此,应将“产出导向”的理念尽可能前置,将解决复杂工程问题的意识和能力培养分散到各个课程中去。因此应该与企业进行课程级合作,从复杂工程问题中提炼教学案例,并尽可能凝练成课程项目供学生进行实践锻炼。

(4) 注重学科交叉与创新性评估方式。可以鼓励学生进行学科交叉研究,培养综合性能力。例如,可以推动社会学与心理学、经济学与政治学等学科的交叉研究,让学生在实际问题中运用不同学科的知识。另外,传统的考试评估方式可能难以完全体现学生在社科类学科中的综合能力。因此,可以探索采用开放性题目、研究报告、项目展示等创新性的评估方式,以更全面地评价学生的学习成果。

5 结束语

教育部副部长吴岩曾指出:教学改革改到深处是课程。可见课程在整个学生培养体系中的重要地位。本研究回顾了传统课程方案设计中存在的弊端,并阐述了华威大学和北京交通大学的计算机专业课程所实施的基于“面向产出”的课程顶层设计、实施和达成度评价情况。对比分析了两者做法的异同之处,并总结了几点有益的启示,希望能对理解和践行“产出导向”的课程建设有所启发。