0 引 言
相对于传统工科教育，新工科对工程教育的理念、人才培养模式和评价方式提出了新的要求[1]，更加注重培养学生实践动手能力，更加注重交叉与融合、校企合作、协同育人和创新能力。实践教学是高校培养学生实践和科研能力的重要环节，是学生获取技能、工程知识和创新能力的教学活动，有助于学生提升实践动手能力和工程素养。近年来，许多相关研究人员相继在探讨全新的计算机类课程实践教学方案[2]。中设计面向计算类专业的“三层次多平台支撑”的实习教学体系和成效分析；中给出了实践教学改革的几种新途径；中提出层次化的创新创业培养框架，为创新创业教学设计提供参考；中分析了西北民族大学计算机类创新创业教育改革方向。中提出基于“以学生为中心和重视能力培养”的工程教育认证理念，结合传统式教学优点，将讨论式教学引入到实验教学中。中提出“整体观教学、开放式考题、阶梯式考核”的课程评价模式，有助于培养学生的工程能力。随着人工智能和区块链技术的快速发展，人们在诸多领域都有了新的理解[9]。2019 年教育部印发《高等学校区块链技术创新行动计划》的通知，指出了区块链技术建设方向，区块链是分布式数据存储、P2P 传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，具有可溯源、信息不可篡改、去中心化、分布式存储等特点。区块链技术奠定了坚实的“信任”基础，近年来在金融、医药、食品溯源、物联网等领域有了初步的应用[10]。
综上所述，近年来研究人员对新工科计算机类实践教学培养模式的研究热情仍然十分高涨，对大学教学模式也有了认知上的转变：从单调的教与学到教、学、用、创的多元课堂模式，能设计针对复杂工程问题的解决方案以及注重学生的积极评价和反馈。在新工科计算机类实践教学中，人们对区块链的应用研究还十分缺乏。要想为企业、社会培养更多交叉融合、技能型和创新型工程人才，需要以新工科工程教育为背景，以人工智能和区块链技术为前瞻，吸纳计算机方向新兴的创新元素，挖掘计算机类实践教学内容的实用性、趣味性和可操作性，循序渐进地开展教学科研工作，促进计算机类实践教学培养模式的改革创新。
1 当前计算机类实践教学存在的不足
目前，我国高等教育正面临着新一轮的教育创新和变革，高校一直以来都是培育社会人才的摇篮。然而，在培养人才实施过程中，还存在一些不容小觑的问题，尤其是传统工科应用型人才培养存在“重理论、轻实践”的现象，究其原因，主要表现为：①教学设计缺乏有效的手法，没法调动学生的探索欲望。教学方式比较落后仍然有“填鸭式”教学，或者教师先演示，学生再将实践结果复现一遍。这种“以教为主”的传输型教学理念，让学生被动学习与接受知识，缺乏自觉动手的能力，导致学生依赖教师的思路和离不开教师的布置去学习，对一知半解的知识也不愿意深入研究，不利于挖掘学生的实践创新能力。②实践教学案例与知识覆盖面窄，没有广深度。实践所占的比例很轻，安排实践课时较少，实践的内容也很“轻”，多数是验证性实验和基础课程设计，往往考查的只是一个或几个知识点，与实际应用联系并不紧密，学生在学习过程中，容易感到枯燥，提不起兴趣，不知道自己学的知识有什么具体应用，应该掌握什么样的知识技能，无法主动将所学知识用于解决实际问题。③缺乏丰富多样的教学资源和 demo 模块。计算机课程教学资源相对陈旧，没有及时更新，demo 模块偏简单，在案例设计上缺少递进和探索元素，没有切换到学生在自主学习时的简单递进要求，致使学生的学习成本仍然居高不下，知识更新、学习进度明显变缓。④电子作业复制粘贴问题。在实践教学中，学生群体利用计算机网络、QQ、邮箱等共享工具传送、拷贝他人作业的现象非常普遍。教师忽视了此类问题，加之实践结果管理手段欠缺，每个学生的实践结果没法溯源，因而判分失去依据。
2 计算机类实践教学创新培养体系构建及教学实践
2.1 “多层次多元”融合的实践教学创新培养
“基于问题和需求”来定义实践教学设计结构，导入教师 / 企业导师模块，对计算机类实践教学设计提供与企业需求联动的最新元素，创建“多层次多元”融合的计算机类实践教学创新培养体系（图 1 ）。
1）基础实践能力培养。
坚持“千里之行始于足下”的原则，基础实践模块主要是促进学生对计算机系统和编程的认知，包括程序设计基础技能和基础实训内容，培养学生的计算机语言理解、编程、程序调试技能，提高实践动手能力。首先进行基于课程学习的基础训练，充分运用双线（线上线下）混合资源，发展线上到线下（ O2O ）模式，实现双线协同并举。在线下常规课堂，采用“案例式”“讨论式”“互助制”“混合式”等多种教学模式，将理论知识与实际运用紧密联系起来。在线上网络课堂，通过以有教师指导的 C 语言程序设计、Java 程序设计模块为切入点，引导学生一步步训练、补充和验证，激发学生半自主学习，并完成此模块的课程学习任务。
2）综合实践能力培养。
坚持“走出去”模式，安排实际工程项目或经典计算机编程问题进行综合训练。以高级程序设计训练或工程实训项目为载体，进一步训练学生的计算机综合实践能力。以指导老师设计的高级程序设计训练任务为核心，具体可以是经典计算机编程题、算法设计题或深度学习题目为主，以多人小组“讨论式”教学方式，开展问题讨论、模块分解、编码实现和测试联调等实践内容，最后是结果回收、项目总结和文档撰写。也可以是实践基地工程项目，以实际项目学习为目标，以项目设计为载体，通过团队成员之间的相互协作，解决项目所涉及的关键技术问题，最后总结项目和共享学习成果。在整个项目的学习过程中，发挥校企融合的作用，导入企业导师模块，教师、企业导师和学生互动交流，协作培养。综合实践能力强调“以学生为中心”，注重对知识的提升应用，提高学生的工程实践能力和一定的创新意识。
3）科研创新能力拓展。
坚持“创造性学习”，以学工口发布的学科竞赛和创新创业训练项目为主，基于问题和需求开展科研创新拓展训练。每年指导学生参加 ACM 大学生程序设计大赛，全国挑战杯项目，Web3.0 区块链项目等各类学科竞赛。具体是，教师定期指导编程技术组学生加强对计算机编程技术、算法及其实现的深度理解和应用转化。以学科竞赛项目为牵引，以研究兴趣为出发点，通过学科竞赛项目驱动实践创新培养，提高知识的深度应用和转化能力。教、学、赛并举，将学科竞赛转化为应用的项目。对于创新创业训练项目，教师适时介绍研究动态、发布研究方向，搭建科研活动开展的运行平台，如开放性实验室、虚拟仿真平台；引导方法研究组学生主动参与到研究实践中去，促进学生广泛理解所研究的问题，做可行性分析，循序渐进开展不同层次的科研训练，从而发现问题、解决问题以及创造思维的能力得到进一步的培养。最后，撰写研究成果和对项目进行总结。科研创新能力拓展对参与学生的要求更高，注重培养学生探索学习的能力、批判思维的能力和创造力。
2.2 创新培养实践教学实践及成效
在我院开设的本科生“Java 程序设计”实践教学中应用“多层次多元”的创新培养体系，以问题和需求为切入点，精心设计逐级递进的 Java 实践教学内容，从程序设计基础训练模块到综合训练拔高模块，再到学科竞赛算法编程模块，强调了认知由简到繁，从单一到整体，从低级到高级的特性，使学生从零基础突破瓶颈，快速学习 Java 编程并掌握其核心要领，极大地减少了学习成本，降低了学习门槛；通过引入企业级项目单元等需求信息，让学生带着实际问题身临其境地体验 Java 编程，激发了他们的学习兴趣，也直击了他们的学习要害和痛点，促进了全体学生的共同进步。对大二本科学生进行 Java 实践教学改革的问卷调查中，共发问卷 200 份，回收 186 份，其中有效 186 份。问卷有 16 题，主要涉及学生的参与度、启发编程的方式方法和提升效果等方面。对问卷结果进行汇总和分析，不难发现，90% 的学生认为这样的实践教学设计能给他们以启发，有新元素和灵活性，可以促进他们有效思考，能与编程知识的深广度衔接起来，为进一步学习奠定了好的基础。也有部分学生（ 30% ）感觉有压力，但愿意持续选择这种新的实践教学模式。
武汉科技大学计算机科学与技术学院依托 2013 年获批的国家级虚拟仿真实验教学中心，在工程教育认证理念中坚持“以学生为中心，把全体学生学习效果作为关注焦点”，积极进行实践教学设计的改革创新，提出研究性实践教学并加以实践，自主研发了实时数据流、船舶驾驶、炼钢连铸等虚拟仿真教学实验资源，建成了多个省级工程训练中心、校级创新实践平台，组织或承办各类国际国内大学生课外科技活动竞赛。以项目或竞赛为载体，引导学生主动实践、自主研究，激发创新能力提升。学生在平台上主动完成课程学习、实验项目，自主学习能力、基本工程技能和科研创新能力得到显著提高；利用灵活高效的实践教学方式充分调动学生的学习主动性，增强学习兴趣，培养思辨能力和创新意识。近 5 年来，本科生获得国家级和省级大学生创新计划项目 60 余项，获得“挑战杯”竞赛金奖等奖励，获得 ACM-ICPC 程序设计大赛全国冠军等奖励。累计共获得国际级竞赛奖 20 项，国家级竞赛奖 50 项，省部级竞赛奖 170 项。竞赛获奖学生中有一半以上人数到国内 985 高校和国外知名高校继续深造，直接就业的学生中有 90% 就职于 BAT 互联网企业或国家重要部门，毕业生就业质量较高。
为了更好地开展实践教学创新培养结构，我们精心编写了 6 部有关计算机专业的课程教材，在全国诸多高校中广泛使用，好评如潮，包括一些 985 高校和省属重点本科院校等。与此同时，建立了课程对应的教学网站 https://fanya.chaoxing.com/（或 http://www.wustwzx.com/ ），提供较精致的教学资料、案例代码、软件资源和交流平台，从而进一步推广教学成果。
3 成绩溯源管理
区块链不可篡改、可追溯等特性适合建立简单有效的成绩链系统。在系统搭建过程中，可以选用稳定可靠且支持 Java 编程的 HyperLedger BeSu 联盟链环境，采取实用拜占庭容错 PBFT （ Practical Byzantine Fault Tolerance ）共识算法和基于研究室 GPU 服务器组建了一个联盟链网络。使用 Ownable 合约管理的 onlyOwner 模式控制对智能合约特定方法的访问权限。成绩链系统中账户（指以太坊账户，即 metaMask 管理的账户）设有教师、学生和教务科人员 3 类以及合约部署人。由合约部署人添加管理员如教务科人员，随后教务科人员可以导入教师、学生的账户地址和课程信息。在智能合约设计中，只有任课教师才有权限提交学生成绩。当设置课程信息时要求指派任课教师（账户地址），因此设计相应的智能合约方法以实现课程号到任课教师之间的映射（ C#→Teacher Address ），并编写智能合约方法验证教师身份，以允许持有合法身份的教师提交或修改学生成绩上链。成绩链系统功能模块如图 2 所示。
整个成绩链系统架构由“前端－后端－链端” 3 部分组成，前端和后端构成传统的 Java Web 程序结构，由于成绩上链需要，因此增加链端的设计。合约部署成功后，合约部署人会添加教务科人员为管理员，教务科人员设置课程、任课老师等信息。这里课程及任课教师信息会保存到链上，供前端“教师”登录后，提交成绩之前将触发智能合约方法要求验证身份。身份通过后，由任课教师签名学生成绩数据交易，将成绩数据提交上链。与此同时，Java 后端通过合约事件监测程序自动捕获链上数据变动，然后获取变动后的数据，抓取下来转存到后台 MySQL 数据库中，以确保成绩数据的一致性。前端“学生”在登录账户后，将通过后台的账户比对，匹配后方能查出自己的课程成绩。
我们基于图 2 实现了一个成绩链系统。在成绩链系统中，首先由合约部署人添加管理员“教务科人员”，然后教务科人员导入教师、学生和课程信息，调用智能合约方法完成课程到任课教师的映射及其上链。教师使用 metaMask 登录后，通过前端提交批量学生成绩上链，此过程会要求教师签名、调用智能合约方法验证教师身份和交易提交 3 个步骤。成绩上链后，后台实时运行的监测合约事件将检测到链上数据的变化，从而触发链上新数据的获取和写回到后端 MySQL 数据库，以保证成绩链和后端成绩数据的一致性。
为了进一步检验 PBFT 共识算法在不可篡改方面的特性，我们还搭建了由 4 个节点组成的联盟链网络，教师修改学生的成绩并将其提交上链，整个过程属于正常修改。因为区块链要保证的是区块中已有的记录不会被修改，而教师修改成绩是调用智能合约方法对合约内的成绩数据字段进行修改，其本质是向链上提交了一个交易，这个交易会被记录到某个新的区块中，留下新的痕迹而不会修改已有的记录，因此不是恶意的篡改，而后者可以在共识算法层进行模拟。验证表明，区块链共识算法具有原生的防篡改能力。
4 结 语
人工智能的再次兴起对新工科环境下计算机类实践课程教学提出了更高要求，要求更加注重实践创新元素。“多层次多元”融合的新工科计算机类实践教学创新培养结构指出了学生从基础模块训练到参与项目的学习训练和以竞赛创新实践动手能力的层次化实践教学途径，特别是在项目学习和学科竞赛中，本科生可以完成从零碎知识到知识整合的快速转化，提高了解决复杂工程问题的能力和培养工程思维素养，在教学实践中取得了一些成效。从学生成绩可溯源的角度实现的成绩链系统，激发了学生对成绩上链技术的研究兴趣，主动提高实践动手能力，还可以输入自己的账户查询成绩，在“教、学、用、创”中获得真知，一举两得。
今后，我们还将继续探索计算机类实践教学创新培养结构，切实提高本科生计算机类实践教学水平；强调与新兴的区块链技术的深度结合，继续完善成绩链系统，引导本科生在实践中逐步探索和创新，提升本科生主动创新意识和向硕士阶段学习的铺垫及贯通。
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[10] Antonopoulos A M, Wood G. Mastering ethereu[EB/OL]. [2021-12-20]. https://github.com/ethereumbook/ethereumbook.
基金项目：武汉科技大学教研项目“以人工智能技术为导向，实现个性化教学”（ 2021X026 ）；武汉科技大学 2021 年教材立项建设“Web 前端开发技术”。
第一作者简介：边小勇，男，武汉科技大学副教授，研究方向为人工智能、区块链技术，bianxiaoyong@wust.edu.cn。
引文格式: 边小勇, 李晨, 吴志祥, 等. 新工科背景下计算机类实践教学创新培养与成绩溯源 [J]. 计算机教育，2023(6): 7-11.
转自：“计算机教育”微信公众号
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