學科前沿指引下的信息與計算科學專業教學研究

徐增敏　唐先紅　朱志斌　陳軍

摘要：信息與計算科學專業是典型的交叉學科專業，強調用數學和信息的知識解決學科應用中的實際問題，但是在該專業多年的教學過程中，一直存在不同學科知識難以融合的問題。文章針對目前學生理論知識結構單一和教學改革效果不理想的現狀，以安防多媒體應用為例，分析學科前沿知識結構，結合市場工程項目需求提出在學科前沿應用的指引下，面向學術研究和工程應用提高專業教學水平，鍛煉學生實踐能力，深化人才培養機制改革。

關鍵詞：交叉學科；安防應急；知識結構；實踐教學

1 學科前沿雙向指引

國外世界一流大學的辦學經驗證明交叉學科及專業已經成為培養具備綜合學科實力的拔尖創新人才的主渠道。信息與計算科學專業作為典型的交叉學科專業，目前國內已有近500所院校開設了該專業，有的院校根據自身情況制定了不同的人才培養計劃，但是卻鮮有文獻闡述如何將交叉學科的課程知識融為一體，同時，學生理論知識結構單一，難以在實際應用中靈活運用專業知識的情況仍然存在，專業教學改革沒有取得理想效果。因此，課程內容貼近學科前沿，教學方式靈活擴展已經成為信息與計算科學專業教學亟需解決的問題。

1.1 安防應急信息技術學科背景

以安防應急信息技術學科為例，一方面利用管理科學中的實證研究構建安防系統的效能評估指標體系框架；另一方面利用信息科學的理論對監控目標進行深度應用，針對公安部門利用城市安防系統龐大錄像數據的迫切需求，研究以刑偵圖像技術為代表的人臉超分辨率和目標重識別，從而揭示人們辨識事物或行為的內在認知規律，這屬于管理科學和信息科學的交叉融合學科。

武漢大學國家多媒體軟件技術工程研究中心從2003年起，就在多媒體數字安防與應急信息技術的研究領域內形成了自己的學科特色和優勢，并在2008年成功申請“安防應急信息技術”的博士學科點。工程中心項目團隊承擔的國家自然科學基金和973子項目，通過自主創新和技術合作，對傳統的安防工程學科知識做了重大突破，將監控與應急一體化，形成大安防系統的體系架構。同時，主持國家和行業音視頻編解碼標準的研制，通過開發重點引導性產品，承擔重大示范性工程項目，帶動產業技術升級和持續健康發展。

1.2 雙向指引下的知識結構

筆者在多媒體工程中心進修期間發現安防應急學科所涉及的前沿知識可以很好地指引信息與計算科學專業教學，推動專業課程內容更新，優化專業原有知識結構，激發學生學好知識、用好知識的動力。安防應急學科前沿指引下的信息與計算科學專業課程知識結構見表1，該表展示了安防應急所需知識對應信息與計算科學專業課程的情況。

表1說明，如果能在相應課程中對安防應急進行適當延伸，如增加案例分析、擴展實驗內容等，那么信息與計算科學專業學生經過1～2年的基礎課程學習，就可以了解到安防應急學科的前沿應用，尤其是概率論與數理統計的基礎知識，更廣泛應用到安防應急科學領域的各個研究熱點，而到了大學第3、第4學年的時候，將會在更多專業課程上認識到學科知識交叉融合的重要性。又如安防應急學科中的刑偵圖像分析技術，強調用模式識別和機器學習的智能算法，通過數學或計算機工具對特定圖像進行深度分析，找出嫌疑人的臉部或體貌特征，這里面既用到了概率論、矩陣論等數學知識，又用到了數字圖像處理、人工智能等計算機知識。通過研習學科前沿應用案例，無論是在數學知識還是在計算機知識的理解和運用上，學生都會對基礎理論和實踐應用有更深層次的領悟。

與此同時，桂林電子科技大學數學與計算科學學院在人才培養思路上，很早就瞄準了學術研究和工程應用兩個主要方向，因此制定的本科培養方案已經形成了縱向和橫向結合的優勢，在此基礎上，只要在教學過程中加入相應學科前沿的應用案例，就能將專業教學水平提升一個層次。

2 交叉學科專業教學

一般專業教學活動分為兩部分：理論教學和實踐教學，信息與計算科學專業強調培養學生的動手能力，因此將課內教育的理論教學和實踐教學比例調整為70%和30%。筆者為了突出學科前沿應用在專業教學中的重要地位，將結合數學與計科學學院現有基礎，對課程知識交叉融合的方法進行探討。

2.1 理論教學

筆者在多年專業教學改革的過程中發現，課程教材、教師業務水平、教育經歷和教學方式都是影響課程教學質量的主要因素。首先課內理論教學依賴于貼近真實案例和通俗易懂的課本，其次任課教師的業務水平決定了教學質量的高低，第三任課教師的教育或實踐經歷能幫助學生盡快熟悉課程知識，最后就是靈活的教學方式可以激發學生學習的興趣。

諸如高等數學、概率論與數理統計、數據庫、C語言程序設計等基礎課程，經過多年使用更新，其教材內容相對成熟，教師可以根據自己研究領域的學科前沿講解典型案例，如概率論的貝葉斯公式經常用于目標跟蹤的圖像序列分析，而回歸分析也經常用于監控成像系統性能評價的主觀實驗。相對而言，數據庫一類的計算機基礎課程更傾向于實際上機操作，這在工程項目中對于用戶數據存放和權限管理有較高的要求。因為這些課程在教材內容更新上已經做過大量工作，所以學生只要掌握了基本的計算機操作能力，就可以將這些知識應用到安防應急調度或其他工程項目中。

盡管如此，在專業性更強的一些課程中，如計算機網絡、操作系統、矩陣論等，更需要結合學科前沿應用涉及的內容進行講解。例如，在安防應急調度項目中，開發座機網關不僅要考慮調度后臺與語音卡的接口設計，實現回調函數的即時通信功能，還要熟悉音頻數據傳輸的網絡協議，更要理解操作系統中多核、多線程、多任務的消息傳遞機制，掌握面向對象程序語言對臨界資源的互斥操作。如果任課教師沒有經過一定時間的項目開發實踐，很難在課本教材范圍之外講出讓學生信服的內容。同理，在人臉超分辨率研究中，稀疏矩陣的表示形式已經成為該領域的重要知識，這些都需要任課教師對學科前沿有較為深入的研究。因此，數學與計算科學學院十分重視師資隊伍的梯隊建設，從2006年起每年都有教師外出進修或攻讀博士學位，同時也引進博士、教授補充新鮮血液。目前數學與計算科學學院教師的博士（含在讀）比例在全校排名第一。只有這樣，才能不斷提高教師的業務水平，才能將更為生動靈活的教學方式融入到理論教學中。endprint

2.2 實踐教學

作為地方應用型高等院校，桂林電子科技大學一直重視實踐教學改革，而常見的實踐教學形式有課內實驗、課程設計、專業實習和畢業設計。除此之外，該校的信息與計算科學專業還加上了創新實驗，每學期通過學院創新實驗平臺網站發布題目，讓學生根據興趣愛好選擇課題，以不超過3人一組的形式完成創新學分。

課內實驗是與理論教學關系最為緊密的教學活動，雖然基礎課程的實驗內容相對成熟，可以適當增加部分學科前沿應用的驗證性實驗或在專業課程的實驗中改進綜合實驗，但是課內實驗學時畢竟有限，所以實踐教學活動必須在課外進行延伸擴展。另外，一些軟件工具需要更新換代，如面向對象程序語言的開發工具可以升級為VS2010或以上版本，數據庫原理實驗可以將數據庫升級為SQL Server 2008或以上版本。軟件工具的升級有助于養成良好的操作習慣，幫助理解程序出錯信息，方便查看函數和對象的定義，緊跟企業項目的主流趨勢。

從培養學生實踐能力的角度來說，為期2周的課程設計很適合作為學科前沿應用來開展，但是由于課程設計不要求教師上課堂講學，而主要靠學生課外自主完成，使得有些教師以放羊形式應付這門實踐課程，導致課程設計教學流于形式。從另一個角度講，任課教師如果具備良好的業務水平和負責的工作態度，那么可以考慮結合學科前沿應用制訂設計內容。尤其是信息與計算科學專業本身就是一個交叉學科專業，具備將數學、計算機科學技術、通信與信息系統進行課程知識交叉融合的先天優勢，學生在經過2-3年的課程知識學習后，每學期的選修課程任務量已經明顯減少，他們擁有強烈的意愿對所學知識進行實踐檢驗，而且學生在大三要選擇專業方向，或者是信息科學，或者是計算科學與軟件，鑒于此，涉足領域較多的安防應急學科知識，能很好地滿足這兩個方向學生的學習要求。例如，安防應急調度項目中對于監控網關、座機網關和手臺網關的開發，需要用到計算機網絡、操作系統和面向對象程序設計的知識，在學生已經熟悉這幾門課程內容的前提下，課程設計就可以安排同類題目，由任課教師安排一定課時，先講解該項目的業務流程、設備驅動和部分代碼，再讓學生根據源碼學習編程，在指定時間內可以只實現一個會話維持或音頻傳輸的功能并提交周報和文檔；而關于綜合服務器、地圖服務器和調度服務器，則需要用到JSP或ASRNET一類的Web開發技術。雖然課內學時有限，學生不一定選修過相關課程，但是可以將這類題目安排在創新實驗中，讓感興趣的學生在課外繼續跟進學習。

當前很多信息技術企業單位已經意識到優秀人才對公司的積極作用，近年來更是注重企業文化發展和員工培養，因此他們為大學生提供了很多實習機會。另一方面，學生在專業實習時更愿意選擇感興趣的實際項目開發公司，可以最大限度地鍛煉自己的動手能力。

至于大學生創新實驗項目，學院考慮到不同年級學生的知識結構有所差異，因而由命題教師給出創新實驗題目的難度系數和適合年級，再讓學生到平臺網站上選題。為方便學生在課余時間完成創新實驗，這種實踐方式只要求學生在一個學期內提交最終程序和文檔，期間師生可以自由約見討論問題。另外，為豐富學生課余學習生活，學院還成立了學生創新基地，在負責教師的帶領下，各種可驗證隨機數、目標跟蹤識別、GPU并行計算等學科前沿應用項目如雨后春筍般出現，通過各種形式帶動學生參與課外學習，在學生之間形成了良好的學習氣氛。

3 教學效果反饋分析

教學的目的在于培養學生，在課程內容相對固定的前提下，不同的教學方法對于最終的教學效果影響巨大，這種差別在交叉學科專業教學過程中更為明顯。由于信息與計算科學專業是由數學、計算機科學技術、通信與信息系統組成的交叉學科專業，專職教師的教育背景相對獨立，數學專業的教師很難把計算機或通信類的知識融入基礎課程教學中，其他專業教師也存在同樣情況，導致不少學生誤認為該專業是個三不像。為了解決這個難題，教師可以考慮在晚上或周末空余時間組織師生開展專題講座，以輕松活潑的形式給學生介紹學科實例，鼓勵學生大膽提問并勇于探索。

同時，項目驅動的實踐教學方式受到學生的熱烈歡迎，例如，數據庫課內綜合實驗是任課教師手把手地用Delphi語言搭建程序前臺界面，以SQL Server存儲后臺數據控制用戶權限，讓學生在學習數據庫知識的同時又獲得最簡單的項目開發經驗。然而，該課內綜合實驗并不限于一種程序語言，小組成員可以自由選擇Web應用或桌面應用開發，最終提交的應用軟件可在課外一周內完成。驗收時小組成員除了提交個人實驗報告，還得接受教師對相關知識的提問，以檢查參與綜合實驗的具體工作情況。

雖然常見的循序漸進教學法在前沿應用授課中同樣有效，但是專業教學不能用填鴨式思路灌輸知識，而要注重培養學生獨立思考和分析問題的能力，這就需要教師在舉例說明并解決一個問題后，以再次提出新問題的方式讓學生學會思考，善于思考。另外，提問的方式也很重要，如安防應急調度中的座機網關開發，在逐步實現基本的網絡通話功能后，有可能出現通話聲音延遲時間增長的情況，這對于初學者是個難以理解的問題，因為這里面涉及操作系統的多線程調度機制、網絡調度后臺音頻處理、語音卡驅動程序的內部邏輯等內容，它們之間存在相互制約的關系，像Windows操作系統的線程調度因為不是實時系統，所以每個任務線程的平均回調時間會變化，而網絡調度后臺也不能按理想狀態約定轉發音頻數據的時間，再者語音卡放音回調函數的內部邏輯還得咨詢相關廠家。如果任課教師直接點出問題關鍵所在，那么學生反而會形成依賴心理，所以應該考慮在不同的知識點上做適當改動，設計問題鼓勵學生思考，通過分析各種可能以便于掌握更多知識。

4 結語

教學改革是個永恒的課題，只要時代在進步，專業教學就不能一成不變。盡管文中以安防多媒體前沿應用為例，對信息與計算科學專業教學提出了一定的思路和想法，但是改革過程中仍然存在很多問題，如該專業的數學類課程占用學時多，影響計算機和通信課程的學時分配；計算機和通信類的專職教師人數較少，高校教師的準入制度限制較多，造成專業教師上課任務偏重，科研時間被壓縮。無論如何，以學科前沿應用指引專業教學符合當前高校教育現狀，只有緊跟時代前進的腳步，才能保持學科專業的活力，為社會輸送更多合格人才。

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（編輯：宋文婷）endprint