葉 楓，吳勝艷，張雪潔，李 凌

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

依托學(xué)科競(jìng)賽的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)研究

葉 楓，吳勝艷，張雪潔，李 凌

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出依托學(xué)科競(jìng)賽的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)模式：結(jié)合不同競(jìng)賽的特點(diǎn)，完善計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程講授體系；構(gòu)建師生協(xié)作和教學(xué)過(guò)程的質(zhì)量保障體系。通過(guò)對(duì)近3年應(yīng)屆畢業(yè)生的就業(yè)狀況和競(jìng)賽成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和聚類(lèi)分析，說(shuō)明依托學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生能力培養(yǎng)模式是可行的。

競(jìng)賽；能力培養(yǎng)； R；K-Mean算法

1 問(wèn)題與研究現(xiàn)狀分析

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展日新月異，熱點(diǎn)不斷。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新理念、新技術(shù)層出不窮，極大地改變了人們生活和工作的方式。為適應(yīng)快速發(fā)展的需求，軟件企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等對(duì)計(jì)算機(jī)軟件人才的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新應(yīng)用能力提出更高的要求。張堯?qū)W院士明確指出 “人才培養(yǎng)的目標(biāo)和定位不準(zhǔn)確，與產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求差距越來(lái)越大的矛盾日益突出”“在做事方面，我們的學(xué)生在實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面，存在著明顯的不足”[1]。

具體問(wèn)題包括以下幾方面：①受限于學(xué)時(shí)，專(zhuān)業(yè)課的課堂教學(xué)偏重講解基礎(chǔ)概念，內(nèi)容范圍窄，難以系統(tǒng)地跟蹤新的理念、技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的需求，影響對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的啟發(fā)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；②考核機(jī)制偏重于卷面筆試，降低對(duì)動(dòng)手能力的要求，不利于對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)；③軟件系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程需要工程化方法來(lái)指導(dǎo)，主動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)化合作非常必要，但日常教學(xué)中主要采用1對(duì)N的教授方式，難以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力；④缺少授課質(zhì)量保障機(jī)制：學(xué)生考試結(jié)束后，所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)就難以再鞏固和應(yīng)用，難以建立夯實(shí)能力的質(zhì)保鏈，形不成“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—應(yīng)用—再學(xué)習(xí)”的良性循環(huán)；⑤其他能力的培養(yǎng)：師資力量有限，導(dǎo)致難以因材施教，諸如學(xué)生的寫(xiě)作、表達(dá)能力等就無(wú)暇顧及。

已有的研究工作[212]表明，依托計(jì)算機(jī)競(jìng)賽建立學(xué)生的能力培養(yǎng)機(jī)制以及新型的計(jì)算機(jī)教學(xué)模式是可行的，學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、寫(xiě)作能力等方面均有所提高，取得了較為有效的教學(xué)和人才培養(yǎng)成果。然而，上述研究工作依然存在不足，如專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的種類(lèi)非常多，定位和側(cè)重點(diǎn)也大不相同，缺少考慮不同競(jìng)賽間存在定位差異和承接關(guān)系；在討論將競(jìng)賽跟正常教學(xué)體系相互融合的方式方法時(shí)，還不夠細(xì)致具體；對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的成果缺乏量化分析等。因此，筆者在總結(jié)國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出依托學(xué)科競(jìng)賽的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)模式。

2 構(gòu)建依托競(jìng)賽的課程培養(yǎng)體系

2.1 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的特點(diǎn)

ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、“中國(guó)軟件杯”大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽以及中國(guó)大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是最具有影響力、最受高校重視和師生關(guān)注的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽。除了規(guī)模大、關(guān)注度高外，競(jìng)賽在專(zhuān)業(yè)方面還體現(xiàn)如下特點(diǎn)。

（1）展現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向和應(yīng)用的新投向，具有引導(dǎo)性、前瞻性和創(chuàng)新性。這些知名的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，往往由領(lǐng)域?qū)＜一蛘邩I(yè)界知名IT公司的工程師出題，命題內(nèi)容通常會(huì)結(jié)合研究或應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題或算法。

（2）具有基礎(chǔ)性和綜合性。競(jìng)賽的內(nèi)容與課堂教學(xué)內(nèi)容并不脫節(jié)，題目往往利用正常教學(xué)中所需的知識(shí)基礎(chǔ)，是對(duì)學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)內(nèi)容的綜合和技能的提升。例如，ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽能鍛煉學(xué)生在5個(gè)小時(shí)內(nèi)使用C、C++或Java中的一種編寫(xiě)程序解決7～11個(gè)問(wèn)題，重點(diǎn)考查學(xué)生的算法和程序設(shè)計(jì)能力，而使用上述語(yǔ)言進(jìn)行編程是本科專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)。

（3）不同的競(jìng)賽之間存在承接性和系統(tǒng)性。不同的競(jìng)賽有不同的定位和側(cè)重點(diǎn)，針對(duì)的學(xué)生群體和年級(jí)層次也不完全一致，往往存在一定的承接性和系統(tǒng)性。ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽重在鍛煉學(xué)生的算法和邏輯能力；“中國(guó)軟件杯”大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽能鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用開(kāi)發(fā)組織的能力；中國(guó)大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽有利于提高學(xué)生的編程能力、表達(dá)能力等。競(jìng)賽之間的承接性和系統(tǒng)性往往為師生所忽視。

（4）命題的開(kāi)放性。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的方法、解決過(guò)程及選用的工具都是開(kāi)放的，突破了以教室、教師、教材為中心的圈子。要想完成競(jìng)賽內(nèi)容，需要參與的學(xué)生主動(dòng)找資料和積極協(xié)作來(lái)設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真地部署軟硬件環(huán)境并編程解決問(wèn)題，甚至準(zhǔn)備文字和表達(dá)內(nèi)容。這樣的過(guò)程需要學(xué)生反復(fù)實(shí)踐，也要求教師從多角度啟發(fā)指導(dǎo)學(xué)生，幫助其從不斷的實(shí)驗(yàn)甚至是失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。一旦成功實(shí)施，將顯著地提高學(xué)生的實(shí)踐能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

2.2 完善課程培養(yǎng)體系

研究競(jìng)賽的出題思路、特點(diǎn)等，可以快速地將視野從課本內(nèi)的基礎(chǔ)層面引入更廣闊的空間，能讓師生以最直接的方式把握計(jì)算機(jī)學(xué)科的最新動(dòng)態(tài)和企事業(yè)單位的關(guān)注點(diǎn)，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，也能幫助教師在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地將基本概念與先進(jìn)思路和技術(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而最終有益于師生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在講授編程語(yǔ)言、程序設(shè)計(jì)方法、算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)課程時(shí)，任課教師可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目開(kāi)展學(xué)習(xí)；在講授軟件工程、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程時(shí)，可結(jié)合“中國(guó)軟件杯”大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大賽及中國(guó)大學(xué)生服務(wù)外包創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的題目和案例進(jìn)行講解。結(jié)合競(jìng)賽特點(diǎn)完善的教學(xué)體系如圖1所示。學(xué)生帶著該主線思路學(xué)習(xí)課堂內(nèi)容，有效結(jié)合好不同競(jìng)賽之間的承接性和系統(tǒng)性，將對(duì)鍛煉綜合能力起到事半功倍的效果。

圖1 結(jié)合競(jìng)賽特點(diǎn)完善的教學(xué)體系

3 能力培養(yǎng)的新模式

3.1 建立主動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作機(jī)制

一個(gè)軟件項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期中，往往需要多人協(xié)作學(xué)習(xí)和配合。學(xué)校傳統(tǒng)的教學(xué)模式是1對(duì)N的教學(xué)模式，難以組織多人協(xié)作的團(tuán)隊(duì)。依托競(jìng)賽，將有共同興趣和余力的師生組織起來(lái)，利于構(gòu)建主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作的團(tuán)隊(duì)。

以近年來(lái)我們依托競(jìng)賽的教學(xué)實(shí)踐作說(shuō)明：首先，根據(jù)學(xué)生的興趣和能力進(jìn)行選題組合，根據(jù)教師的興趣或?qū)I(yè)特長(zhǎng)將其分配到相應(yīng)的競(jìng)賽隊(duì)中；其次，師生針對(duì)題目制訂時(shí)間進(jìn)度表、人員安排表等內(nèi)容，檢索查找相應(yīng)的資料等；最后，備賽過(guò)程遇到問(wèn)題由師生共同學(xué)習(xí)、討論并解決，整個(gè)團(tuán)隊(duì)的架構(gòu)模式趨向扁平化。在這樣的關(guān)系下，每個(gè)成員都要主動(dòng)學(xué)習(xí)并積極與其他成員開(kāi)展交流合作，相互促進(jìn)提高，才能順利開(kāi)展競(jìng)賽。

3.2 建立教學(xué)質(zhì)量保障機(jī)制

傳統(tǒng)模式缺少教學(xué)過(guò)程中的質(zhì)量保障機(jī)制。對(duì)于很多學(xué)生而言，考試一結(jié)束，對(duì)課程內(nèi)容的實(shí)踐、應(yīng)用等后續(xù)環(huán)節(jié)就缺失了，難以形成“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—應(yīng)用—再學(xué)習(xí)”的良性循環(huán)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的素養(yǎng)。教師作為知識(shí)和學(xué)生之間的最直接媒介，也要面對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)更新帶來(lái)的挑戰(zhàn)。如果計(jì)算機(jī)教師不能有效地補(bǔ)充前沿知識(shí)，不能適應(yīng)理念的更新和技術(shù)的發(fā)展，將不可避免落伍。

利用競(jìng)賽體系，能進(jìn)一步完善教與學(xué)的質(zhì)量保障鏈。教師可借鑒軟件工程的過(guò)程跟蹤和監(jiān)督體系[13]，采用如下方法：結(jié)合競(jìng)賽的時(shí)間安排，詳細(xì)地規(guī)劃競(jìng)賽內(nèi)容的開(kāi)展，積極與軟件工程的過(guò)程跟蹤和監(jiān)督體系相對(duì)應(yīng)，包括對(duì)每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員學(xué)習(xí)和實(shí)踐內(nèi)容的安排、關(guān)鍵的考核節(jié)點(diǎn)、預(yù)期目標(biāo)等。這樣，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)要求參與的學(xué)生以較高的質(zhì)量完成相應(yīng)的內(nèi)容和文檔，教師可按計(jì)劃進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)，任何一步馬虎和不合格的工作都將在環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出來(lái)。細(xì)化的流程跟蹤和質(zhì)量保障方式，可以有效地保障學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4 實(shí)施效果與分析

4.1 供分析的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證該模式的有效性，我們對(duì)采用上述方法實(shí)施培養(yǎng)的近3屆學(xué)生就業(yè)狀況和獲獎(jiǎng)狀況進(jìn)行分析。所選用的數(shù)據(jù)是近3年畢業(yè)的350名計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生的成績(jī)、就業(yè)和競(jìng)賽成績(jī)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織見(jiàn)表1，包括編號(hào)、性別、成績(jī)績(jī)點(diǎn)、畢業(yè)去向、接收單位權(quán)值和競(jìng)賽權(quán)值，其中，畢業(yè)去向是個(gè)數(shù)組[保研，考研，國(guó)外深造，工作，自主創(chuàng)業(yè)和其他]；接收單位權(quán)值定義為數(shù)組，若保研、考研和國(guó)外深造是名校、985高校，權(quán)值定為20；若是保研本?；蚱渌?11高校，權(quán)值定為15；若是去了知名的企業(yè)、大型國(guó)企或事業(yè)單位，權(quán)值定為15；若是一般規(guī)模的公司，定義為10；其他的則定義為0。競(jìng)賽權(quán)值是參加一次比賽，賦值為1；若是獲得省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)按一等至三等分別給予3分到1分；若獲得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)按一等至三等分別給予6分到4分，某位學(xué)生的競(jìng)賽權(quán)值按比賽成績(jī)相加。該數(shù)據(jù)集有350條，獲獎(jiǎng)總?cè)藬?shù)為45人，其中女生84人，獲獎(jiǎng)10人。表1是兩條例示數(shù)據(jù)的具體形式。

表1 2008—2010級(jí)應(yīng)屆畢業(yè)生成績(jī)、就業(yè)去向和競(jìng)賽成績(jī)例示表

所選用的統(tǒng)計(jì)分析工具R[1415]是當(dāng)前發(fā)展最為迅速的一種開(kāi)源免費(fèi)的統(tǒng)計(jì)軟件，提供豐富的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和展現(xiàn)功能。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

（1）通過(guò)統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生獲獎(jiǎng)比例為12.9%，女生占學(xué)生總?cè)藬?shù)的24%，獲獎(jiǎng)女學(xué)生比例占獲獎(jiǎng)人數(shù)的22.2%。顯而易見(jiàn)，能獲得競(jìng)賽成績(jī)非常不容易，男女生參與競(jìng)賽的能力也沒(méi)有顯著的區(qū)分，因此在依托競(jìng)賽的教學(xué)安排和團(tuán)隊(duì)組織方面，并不需要針對(duì)性別作特別的考慮。

（2）有興趣參加專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的人數(shù)第1年是29人，獲獎(jiǎng)7人；第2年是42人，獲獎(jiǎng)15人；第3年是57人，獲獎(jiǎng)23人。這說(shuō)明越來(lái)越多的師生主動(dòng)參與競(jìng)賽并獲得競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)。參與的老師越多，越能將該模式應(yīng)用到課堂中，吸引更多的學(xué)生加入競(jìng)賽，師生雙方也能從中獲得綜合能力的提升。

（3）為研究獲獎(jiǎng)學(xué)生的就業(yè)傾向，我們對(duì)學(xué)生就業(yè)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2和圖3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有224名學(xué)生選擇直接參加工作，占比為64%；選擇保研和考研的分別是65人和31人。只針對(duì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)學(xué)生進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)保研和考研是第一選擇，直接選擇工作的只有13人，占比28.9%，遠(yuǎn)小于64%的全體學(xué)生選擇工作的比例。這說(shuō)明獲獎(jiǎng)學(xué)生對(duì)于提升自己的專(zhuān)業(yè)能力有了更高的期待，對(duì)自己的綜合素質(zhì)有了更高的認(rèn)可度。

圖2 全體學(xué)生就業(yè)選擇情況

圖3 獲獎(jiǎng)學(xué)生的就業(yè)選擇狀況

（4）為研究參與競(jìng)賽的學(xué)生是否更容易獲得較好的就業(yè)選擇，我們采用K-means聚類(lèi)算法[16]。經(jīng)過(guò)多次比較實(shí)驗(yàn)后，確定在劃分簇?cái)?shù)k=3時(shí)展示的聚類(lèi)效果最顯著。圖4展示學(xué)生課程學(xué)習(xí)成績(jī)與就業(yè)去向單位權(quán)值的關(guān)系，主要?jiǎng)澐殖?類(lèi)，即去向單位權(quán)值在5左右、在10左右和在15左右的3個(gè)就業(yè)群組，其中值得注意的是一部分學(xué)生的課程學(xué)習(xí)績(jī)點(diǎn)低于4，但就業(yè)單位的權(quán)值反倒相對(duì)較高。為探究其原因，我們構(gòu)建圖5競(jìng)賽權(quán)值與去向單位的權(quán)值散點(diǎn)圖，在該圖中，可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其中聚類(lèi)將部分的點(diǎn)歸為一類(lèi)，此類(lèi)學(xué)生的去向單位明顯受到競(jìng)賽成績(jī)的影響，說(shuō)明就業(yè)單位較為看重學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力和競(jìng)賽成績(jī)。將圖5中的散點(diǎn)擬合成一條曲線，如圖6所示，可以看到，獲得競(jìng)賽成績(jī)的學(xué)生，去向單位的權(quán)值是偏高的并且曲線呈上升趨勢(shì)，也就意味著競(jìng)賽獲獎(jiǎng)學(xué)生的就業(yè)能力能得到有效提升，具有明顯更優(yōu)的就業(yè)前景。

圖4 績(jī)點(diǎn)與去向單位權(quán)值聚類(lèi)散點(diǎn)圖

圖5 競(jìng)賽權(quán)值與去向單位權(quán)值聚類(lèi)散點(diǎn)圖

圖6 競(jìng)賽權(quán)值與去向單位權(quán)值擬合曲線

綜上，我們可以得到如下結(jié)論：依托學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生能力培養(yǎng)模式是可行的，參賽學(xué)生逐年增多，競(jìng)賽獲獎(jiǎng)學(xué)生的綜合能力能得到認(rèn)可，具有明顯更優(yōu)的就業(yè)前景。

5 結(jié) 語(yǔ)

依托競(jìng)賽的教學(xué)模式，重點(diǎn)在于3方面：①能開(kāi)闊視野，把握新的發(fā)展動(dòng)向，結(jié)合競(jìng)賽的特點(diǎn)，利于進(jìn)一步完善課程教學(xué)體系；②能建立主動(dòng)學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)制；③教學(xué)過(guò)程中具有質(zhì)量保障環(huán)節(jié)。實(shí)施該教學(xué)模式，可以在很大程度上彌補(bǔ)當(dāng)前計(jì)算機(jī)教學(xué)中的不足，顯著地提高師生兩方面的綜合素質(zhì)，具有良好的教學(xué)質(zhì)量提升效果。后面的研究將繼續(xù)完善該教學(xué)模式，豐富并細(xì)化其內(nèi)容，為教學(xué)研究提供新的可借鑒思路。

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（編輯：宋文婷）

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河海大學(xué)2014年小型教學(xué)研究項(xiàng)目（河海教務(wù)[2014]31號(hào)）。

葉楓，男，講師，研究方向?yàn)樵朴?jì)算及數(shù)據(jù)挖掘，yefeng1022@hhu.edu.cn。