蘇統(tǒng)華+李全龍+涂志瑩+李東+王忠杰

摘 要：針對當前課程對實踐能力培養(yǎng)不足的問題，提出校企共建模式的創(chuàng)新實驗課程項目，立足于面向產(chǎn)業(yè)界培養(yǎng)領軍人才的特定目標，引入校企合作機制，采用以校為主、為校所用的基本原則，構建獨具風格的創(chuàng)新實驗課程共建體系。經(jīng)過在創(chuàng)新實驗課程CUDA高性能并行程序設計上的多年實踐和驗證，證實了共建模式在創(chuàng)新實驗課程上的有效性。

關鍵詞：校企合作；創(chuàng)新實驗；實踐教學；合作模式改革

0 引 言

針對創(chuàng)新及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，美國制定了著名的“2061計劃”，旨在用一代人的時間改變美國的教育體制，造就新一代具有高度科學素養(yǎng)的國民[1]。我國教育部在2012年發(fā)布了《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》，明確提出將“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”作為提高高等教育質(zhì)量的重要舉措。

針對計算機類課程，筆者提出校企共建模式的創(chuàng)新實驗課建設方案。創(chuàng)新實驗課是“985工程”建設項目“創(chuàng)新能力提升計劃”的子項目。該項目旨在通過集中優(yōu)質(zhì)教育資源，為基礎好、能力強、有精力、有興趣的優(yōu)秀本科生提供優(yōu)質(zhì)實踐教學培養(yǎng)平臺，安排難度和深度適當?shù)木C合實驗、創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。以創(chuàng)新實驗課CUDA高性能并行程序設計為案例，本文詳細探討了其共建模式和課程體系。不論是從最初的建設模式還是最終收到的效果來看，該模式都頗具特色，最終實現(xiàn)了學生、學校和企業(yè)優(yōu)勢互補、三方共贏。

1 校企合作模式

工科高校要培養(yǎng)掌握現(xiàn)代工程技術、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的工程技術人才，因此實踐能力培養(yǎng)是當前計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)的核心目標。然而，目前我國開設計算機和軟件類專業(yè)的高等院校，存在著人才培養(yǎng)體系重課堂教學、輕實踐教學，師資隊伍缺乏實踐教學能力，實驗室建設和實習基地建設嚴重滯后等問題[2]。如何借助社會力量，盡快培養(yǎng)出符合社會需求的計算機類高級工程技術人才，已成為當前計算機和軟件類高等教育教學的重要問題。

校企合作聯(lián)合培養(yǎng)軟件人才是解決學校教育與社會需求脫節(jié)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑[3]。教育部“卓越工程師計劃”中明確指出：企業(yè)不僅是人才的使用者，還要深入人才培養(yǎng)過程，與高校深度合作，聯(lián)合制訂人才培養(yǎng)計劃。企業(yè)為人才培養(yǎng)提供實踐環(huán)境和技術支持，學校為企業(yè)提供智力支持，高效能地為國家建設、社會發(fā)展、地方區(qū)域經(jīng)濟快速增長服務。

課程共建的合作模式是決定課程最終目標能否實現(xiàn)的重要因素。在合作模式的探索上，有的學者從企業(yè)角度進行討論[4]，更多的則是從高校角度進行總結[5-6]。大體來講，可以分成企業(yè)主導型、高校主導型和企業(yè)—高校共同主導型。對于企業(yè)主導型，很多高職類院校遵從這一模式。在這一模式下，以企業(yè)的需求為第一目標，高校所有的課程設置和實踐安排均為了滿足企業(yè)需要的技能。高校主導型則以高校力量為主，企業(yè)的參與處于從屬地位。這一模式中，在制訂培養(yǎng)體系或課程實施過程時加入了企業(yè)的力量。有的是在授課過程中聘請企業(yè)專家進行授課或指導，有的則在培養(yǎng)方案制訂期間，征詢企業(yè)專家的意見。對于共同主導型模式，企業(yè)和高校雙方以對等方式合作，培養(yǎng)目標和課程設置經(jīng)雙方深入議定，雙方均有決定權。

筆者啟動的創(chuàng)新實驗課采用高校主導型共建模式。確定這一合作模式的理由有3點：第一，高校對于如何培養(yǎng)具有未來競爭力的高端人才更有經(jīng)驗；第二，以往的合作經(jīng)驗表明，高校如果失去人才培養(yǎng)的獨立性，將退化為職業(yè)技術教育；第三，引入企業(yè)的力量，并不單單為了這個企業(yè)培養(yǎng)人才，而應為整個行業(yè)培養(yǎng)人才，如果教學內(nèi)容淪為某個企業(yè)專有工具的使用技術，培養(yǎng)出的學生是難以具有較高競爭力的。

2 課程共建體系

課程的共建體系，既要保證高校在人才培養(yǎng)上的獨立性，又要培養(yǎng)出適合行業(yè)需求的人才。本文結合創(chuàng)新實驗課CUDA高性能并行程序設計，具體說明課程共建體系。在與合作公司開展校企合作共建過程中，筆者從4個方面做了頂層規(guī)劃：首先是課程的實驗目標和內(nèi)容；其次是軟硬件實驗環(huán)境；再者是課程的認證和質(zhì)量保證體系；最后是教學服務平臺。這4個方面并不是相互獨立的，存在很多交織。

本課程面向全校學有余力的優(yōu)秀學生開設，在課程的實驗目標上，結合GPU程序設計實例，旨在幫助學生學會采用并行思想解決問題，同時鍛煉和發(fā)展學生的抽象思維能力和計算思維能力，提高解決實際大規(guī)模任務中性能相關的高級技能。為了達到這一教學目的，必須密切聯(lián)系企業(yè)所在行業(yè)的重點需求，并在需求驅動下設計經(jīng)企業(yè)認定的實驗內(nèi)容。經(jīng)過雙方多輪次的深入討論，確定了課程的講授內(nèi)容和實驗內(nèi)容。目前課程為24學時，其中8學時進行CUDA基本編程知識的講授，8學時完成4個基本實驗，剩余8學時完成一個創(chuàng)新項目。整個講授內(nèi)容分成相互銜接、難度逐次遞增的3個層次。第1層次介紹并行處理的基本概念和常用并行模式，配合實際動手實踐，比較串行程序設計與并行程序設計的區(qū)別。并行程序的開發(fā)有其不同于單核程序的特殊性，并行模式和算法是重中之重。第2層次是結合實例，學習CUDA程序設計，從最簡單的矩陣加法入手，介紹CUDA程序的一般結構和流程，然后重點介紹CUDA針對GPU的核心抽象機制，這些機制將嚴重影響GPU上的程序性能，也是本部分的難點之一。在此基礎上，講解如何對CUDA程序的性能進行調(diào)優(yōu)，充分利用硬件的潛力。在最后的第3層次，提供多個CUDA問題場景，發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，重點讓他們嘗試解決這些實際問題，并優(yōu)化CUDA程序的性能。

在軟硬件的實驗環(huán)境搭建過程中，應發(fā)揮雙方的優(yōu)勢。實驗需要配置英偉達顯卡的計算機和支持GPU計算的工具包軟件。在硬件環(huán)境上，一部分學生沒有攜帶該顯卡的筆記本電腦，無法進行實驗。筆者從兩個方面解決這一問題：一方面利用學校對本課程的經(jīng)費支持，購置兩臺服務器；另一方面，從合作公司申請近10塊最新的GPU顯卡或嵌入式GPU設備，置于服務器插槽，滿足一些學生在硬件上的短缺問題。在軟件環(huán)境的配置上，對于收費的加速軟件，申請合作公司的授權，可以在教學上免費使用。

為了保證課程達成目標質(zhì)量，雙方建立了嚴格的公司認證和質(zhì)量保證體系。認證首先是合作公司對授課教師的認定，只有授課教師在技術水平、授課能力上達到合作公司的筆試和機試要求，方有資格開設課程。為了幫助高校教師提高技術水平，合作公司每年會調(diào)集GPU開發(fā)專家對授課教師進行培訓，通過者會獲得GPU培訓師證書。第二層面的認證是課程認定，只有課程的學時、目標和內(nèi)容能夠匹配合作公司的實際需求，課程才能得到認證。在授課過程中，合作公司工程師會對課程進行支援，幫助講授1～2個最新技術專題。第三個層面的認證則是對學生的認定，學生只有通過了由認證教師講授的認證課程，才能得到合作公司頒發(fā)的課程認證證書。

創(chuàng)新實驗課CUDA高性能并行程序設計在執(zhí)行過程中遵循嚴格的篩選和淘汰機制。首先通過選課資格考試，從全校10多個專業(yè)70～80名學有余力的學生中選擇30～40名。其次在最終的考核上，嚴格把關，一般50%的學生可以通過課程考核。課程考核按照累加式評分，課程的總成績由以下3部分構成：平時表現(xiàn)占10%；4個基本實驗共計占40%；創(chuàng)新大作業(yè)占50%。評分大項在于基本實驗完成情況和創(chuàng)新作品的水平，意在重點考核學生并行程序設計的能力以及解決實際問題的水平。

在教學服務平臺上，雙方均做了大量工作。高校提供完善的在線教學網(wǎng)站，可供公司實時查看課程進度并檢驗教學質(zhì)量。每年的教學情況，高校也要提交總結報告供公司評估。合作公司組織最新技術的培訓、資源共享和在線咨詢論壇。除此之外，雙方合作推進全國GPU教學聯(lián)盟，積極與全世界的高校一起交流GPU教學的經(jīng)驗。在教學服務平臺的支持下，學生可以隨時在線上提問，并很方便地與合作公司專家進行創(chuàng)新項目的合作。

正是這4個層面的設計，幫助創(chuàng)新實驗課的培養(yǎng)目標得以順利達成。高?？梢园l(fā)揮其在高端人才培養(yǎng)上的優(yōu)勢和決定權。企業(yè)可以通過認證、保證機制以及實時抽查機制維持課程的執(zhí)行方向不會偏離行業(yè)的真實需求。

本課程自2013年開課后，反響強烈。課程得到合作公司認證，通過本課程考試的學生，直接獲得合作公司官方頒發(fā)的課程認證證書。目前，已有50余名學生順利通過本課程的考核，獲得了合作公司的認證。

3 課程執(zhí)行情況與主要成果

3.1 課程執(zhí)行情況

創(chuàng)新實驗課CUDA高性能并行程序設計自2013年開設以來，已經(jīng)持續(xù)了5年。這里收集了最初兩次的數(shù)據(jù)進行深入分析。2013年秋參加該課程學習的32名學生中，有6名因為到課率不達標而被取消資格，其余26名學生的成績分布見圖1。從成績分布可以看出，創(chuàng)新類課程與普通課程有較大區(qū)別。普通課程的成績分布一般呈現(xiàn)正態(tài)分布，而創(chuàng)新實驗課兩極分化比較嚴重。這一分布情況跟課程的性質(zhì)密切相關，本次成績的分布是合理的。當課程目標不再是讓學生死記硬背一些知識點，而是要自主、靈活地解決較大難度的實際問題時，一定比例的學生很難勝任，這也說明學生在解決實際問題的能力方面仍有不足，而創(chuàng)新實驗課可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)課程的真空區(qū)。

參加2014年秋課程學習的37名學生中，有15名因為到課率或者未參加創(chuàng)新作品而被取消資格，其余學生的成績分布見圖2。同樣可以看到，創(chuàng)新類課程成績的分布與普通課程有較大區(qū)別，同時第二次開課的通過率較第一次開課有一定提高，特別是出現(xiàn)了更多較好的作品。

每次課程結束，都加入了匿名評價環(huán)節(jié)。兩次開課共收集到37份有效評價表，學生普遍肯定了本課程的教學效果。本課程對學生能力培養(yǎng)方面的作用，歸納起來有以下幾點。

（1）增強了動手能力和鉆研能力，加強了解決問題能力，培養(yǎng)了開拓精神和能力；

（2）真正利于學生的全面發(fā)展，激發(fā)學生的潛力和認知極限；

（3）增強了創(chuàng)新意識，增強了自學能力和創(chuàng)新能力；

（4）比較鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；

（5）培養(yǎng)了并行設計思想、堅持的精神；

（6）建立起GPU開發(fā)能力，培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力；

（7）不拘泥于單純的理論教學，培養(yǎng)了自主研究能力；

（8）培養(yǎng)作用非常大，學到了非常多跨專業(yè)的知識；

（9）擴展了自己的視野；

（10）提高了并行編程能力，加強了對問題深入研究與優(yōu)化程序的能力。

3.2 課程主要成果

本課程在教學上，秉持“國際化”特色，引進多本GPU課程教材，積極利用MOOC教學工具革新GPU課堂；緊密結合領域內(nèi)科研需求，自主研發(fā)基于GPU的CNN、LSTM等深度學習平臺，并成功轉化文字識別領域的研究成果；在學生培養(yǎng)上結合軟件學院“工業(yè)化”特色，在無人機、運動物體檢測以及文字識別等研究項目上取得了優(yōu)異的成績，并獲得了百度、大疆等知名互聯(lián)網(wǎng)公司和創(chuàng)新公司的實習機會。

（1）編寫了能夠較好支持課程建設的實驗指導書。按照循序漸進的原則，科學地設計了4個基礎實驗，用于鞏固學生的基礎并行理論和基本并行程序設計技能。另外，根據(jù)學生的興趣和專長，課程設置自選題目的創(chuàng)新大項目，注重解決大規(guī)模任務中的實際問題。

（2）建設了能夠基本支持學生實驗的實驗平臺和環(huán)境。實驗需要配置英偉達顯卡的計算機，我們利用實驗項目經(jīng)費和合作公司捐助，配置了兩臺GPU服務器，解決了硬件短缺問題。另外，本課程積極爭取合作公司的贊助，收到合作公司提供的4套嵌入式開發(fā)板（Jetson TK1），可以支持大項目的開發(fā)。

（3）本項目培養(yǎng)了一批大規(guī)模并行程序設計的人才，也在非常廣的領域內(nèi)展示了大規(guī)模并行程序的威力。該課程完成的創(chuàng)新大項目，涵蓋多個學科的挑戰(zhàn)問題。多名曾參加本課程學習的學生，如今正在把所學知識用到自己的研究工作中，也有一些學生如愿到知名公司實習。

（4）結合創(chuàng)新實驗課，課程組取得了一批有影響的科研成果。2013年，任課教師獲合作公司官方認證的首批CUDA工程師稱號和CUDA培訓師稱號。以本課程為基礎，2014年所在單位成為GPU教育中心（GEC）和GPU研究中心。課程組自2014年以來，翻譯出版了3本GPU計算方面的教材（《CUDA并行程序設計：GPU編程指南》《CUDA專家手冊：GPU編程權威指南》《CUDA高性能并行計算》），很好地推動了高性能程序設計和大數(shù)據(jù)分析領域的教學工作。

（5）課程得到合作公司認可。通過本課程考試的學生，直接獲得合作公司官方頒發(fā)的課程認證證書。在2015年GPU教育中心年會上，所在單位憑借優(yōu)秀的課程設置、出色的課程執(zhí)行效果以及在GPU計算研究方面的豐碩成果，得到了合作公司和其他GEC成員的一致認可，當選本年度最佳GEC獎。在后續(xù)的2016年度，所在單位再次蟬聯(lián)最佳GEC獎。

4 結 語

創(chuàng)新及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，是當今高等教育改革的重要主題。哈爾濱工業(yè)大學啟動的創(chuàng)新實驗課項目是培養(yǎng)和發(fā)展本科階段學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要舉措之一；所在單位采用校企共建模式開設了一門名為CUDA高性能并行程序設計的創(chuàng)新實驗課程，在建設模式上采取以校為主、為校所用的基本原則，構建了獨具風格的創(chuàng)新實驗課程共建體系。最終收到的效果實現(xiàn)了學生、學校和企業(yè)優(yōu)勢互補、三方共贏。

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（編輯：孫怡銘）