计算机工程与科学

2018年教学增刊目录

2018, 40(增刊S1): 0-0. doi:

摘要 ( 22 )

PDF (289KB) ( 74 ) 　　

增量式任务驱动的面向对象程序设计教学

刘万伟,李暾,尹良泽,陈立前

2018, 40(增刊S1): 1-5. doi:

摘要 ( 117 )

PDF (582KB) ( 200 ) 　　

面向对象程序设计是计算机专业及软件工程专业的重要基础课程。探讨了在当前教学改革中，针对计算机、软件工程专业学生开展增量式任务驱动的面向对象程序设计的实施过程，具体包括教学理念及方法、迭代式增量练习、综合性练习的设置、课程的考察考核等内容。并对课程的进一步规划进行了讨论。

基于MOOC的现代优化算法课程教学改革研究

杨志伟1，曾平2，唐国明1，杨克巍1

2018, 40(增刊S1): 6-11. doi:

摘要 ( 120 )

PDF (582KB) ( 153 ) 　　

在传统的现代优化算法课程教学存在问题的基础上，利用MOOC平台的优质资源，以学员为中心，组织教学活动，加强教师与学员的交互，鼓励学员进行团队协作，提出基于MOOC平台的新型教学模式，对现代算法课程进行教学案例设计。最后，结合2016~2018年现代优化算法课程的实际教学数据，对比传统教学模式与基于MOOC平台新型教学模式的教学效果，验证了基于MOOC平台的新型教学模式的可行性，能有效提高课程的教学效果。

构建智能型虚拟实验平台，推进现代教育技术改革

奎晓燕1，刘卫国1，郭克华1，杜华坤2

2018, 40(增刊S1): 12-15. doi:

摘要 ( 106 )

PDF (432KB) ( 165 ) 　　

实验教学作为高等教育的重要实践教学环节，对提高学生动手实践能力，培养学生的创新性和创造力起着不可替代的作用。新工科教育的发展，培养具有高素质工程实践能力的创新型人才成为高等学校的人才培养目标之一。2017年《新一代人工智能发展白皮书》要求高等教育教学在人才培养中要更多地结合人工智能的思想，更好地推进现代教育技术改革和双一流建设。探讨了在新的形势下基于人工智能的理念来构建智能型虚拟实验平台的必要性，通过应用案例验证了智能型虚拟实验平台的有效性和重要性，具有很好的应用价值，为高等学校实验教学改革和教育教学质量的提高提供了新的思路和有益帮助。

“嵌入式系统课程设计”合作式实践教学的探索

肖晓强，宁伟勋

2018, 40(增刊S1): 16-20. doi:

摘要 ( 89 )

PDF (417KB) ( 124 ) 　　

分组实验是课程实验教学的典型模式，但随机性分组、分组始终保持不变等做法不利于提高实验效果。以“嵌入式系统课程设计”实验课程为案例，在分析常见分组策略存在问题的基础上，基于课前调查实践了结合学生分组意愿和学生实验能力的综合型分组策略，面向课程阶段性实验的特点实践了动态调整的分组策略。结合信息化手段，通过实验日志和线下答疑等环节对实验过程进行控制，设计了一种组内自评、组间互评、教师点评的实验效果形成性评价机制。实践表明，这些方法手段对于提升合作式实践教学具有促进作用。

工程教育理念下《程序设计基础》实验教学改革探索

蔡美玲，张锦，窦亚玲，刘相滨，张丽霞

2018, 40(增刊S1): 21-26. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (545KB) ( 156 ) 　　

分析程序设计课程实验教学的现状和存在的问题，提出结合工程教育专业认证的教育理念进行教学改革的思路，以网络化教学平台和编程题在线评判系统为依托，从教学内容、教学模式以及教学评价三个方面对课程实验教学进行改革探索，旨在培养程序设计实践能力，促进知识和能力培养目标的达成。

CSE教学实施过程与思考

刘万伟,毛晓光,张春元,李暾,周会平

2018, 40(增刊S1): 27-31. doi:

摘要 ( 86 )

PDF (474KB) ( 128 ) 　　

科学计算机教育（CSE）的教学理念将本科课程中的数学物理计算方法融入至软件工程系列课程中，并通过使用计算机扩展传统问题的求解范围，培养学生基于计算机进行问题求解的能力。回顾了课程组在近年实施CSE实验性教学改革过程中的基本情况，重点就教学案例的设计进行了探讨，同时就教学改革过程中的经验教训进行了总结。

国产操作系统研发对系统能力培养的需求与实践

李姗姗,董威,罗宇,文艳军,廖湘科

2018, 40(增刊S1): 32-36. doi:

摘要 ( 125 )

PDF (442KB) ( 167 ) 　　

操作系统作为IT领域的核心技术之一，是国家和军队信息安全的战略制高点。操作系统的发展必须具备自主可控能力，这样才能杜绝安全隐患，避免自主保障和升级受制于人。从人才培养的角度来看，国产操作系统对研发人员系统能力的培养提出了更高的要求。从系统研发的需求、毕业生存在的各种问题和高校课程教学的现状入手，分析了国产操作系统研发与人才能力的不匹配问题，有针对性地面向国产操作系统研发人才的培养需求完善了培养方案，从代码质量、软件维护等角度规范化学生的程序设计养成同时，将国际前沿的教学理念BOPPPS模型运用到课程设计中，实现对知识、能力与教学方式的全方位的拓展。同时，依托麒麟操作系统和天河高性能计算平台，开展了多项实践教学改革。希望进一步达到提高教学效果，培养创新性人才的目的。

一种以内核调试分析实验为线索的操作系统原理授课法

文艳军，罗宇

2018, 40(增刊S1): 37-41. doi:

摘要 ( 90 )

PDF (2125KB) ( 127 ) 　　

原理与实践的紧密结合是操作系统课程教学的一个难点，提出一种应对此问题的操作系统授课方法，该方法以对操作系统内核运行轨迹的调试分析为线索，来组织对操作系统原理知识的讲授，原理与实验相互交织，又各自成体系，从而使学生既懂原理又懂实践。多年的教学实践表明，此方法可将抽象的操作系统原理具体化，降低教与学的难度。

基于学习行为分析的混合式教学模式设计与实践

白亮1，胡艳丽1，郑龙1,2

2018, 40(增刊S1): 42-46. doi:

摘要 ( 90 )

PDF (565KB) ( 81 ) 　　

近年来，由学生自主学习与教师翻转课堂相结合的新型混合式教学模式受到普遍关注。然而，混合式教学过程中如何量化、评测学生的学习效果，开展以学生为中心的个性化教学成为影响教学效果的难点和瓶颈。结合课程教学中面临的问题和学生的需求，提出基于学习行为分析的混合式教学设计，开展学生自主学习、学习行为分析与教师翻转课堂有机融合的教学模式重构：建立在线虚拟课堂辅助学生开展自主学习，同时采集学习行为数据量化、评测学生自主学习的效果；教师基于学习行为分析了解学生对知识点的掌握情况及其疑问，线下翻转课堂，讲解重点难点，解答学生疑问，并进行案例研讨，加强教师在学生知识建构中的引导作用。实践表明，基于学习行为分析的混合式教学模式填补了学生自主学习和翻转课堂教学的鸿沟，实现了以学生为中心进行知识建构和能力培养。

数据驱动研究范式下的MOOC教学研究问题初探

谢正，李建平

2018, 40(增刊S1): 47-50. doi:

摘要 ( 89 )

PDF (358KB) ( 117 ) 　　

MOOC教育打破了传统教育的时空界限和学校围墙，跨区域推动了高校共享优质学习资源。在MOOC发展过程中，课程平台积累的在线学习数据为开展数据驱动式的MOOC教学研究提供了基础。采用定性与定量相结合、数据科学与教育理论相结合的方式，综合应用统计学与网络科学等理论方法，分析学习行为，挖掘有效学习因素，度量学习有效性，探索有效方法评价课程效用与开展个性化定制教学，对国家推进精品在线开放课程建设以及“互联网+教育”发展等方面具有紧迫的实践意义。

应用普及型SPOC课程半监督混合式教学模式与实践

魏迎梅，谢毓湘，蒋杰

2018, 40(增刊S1): 51-55. doi:

摘要 ( 89 )

PDF (459KB) ( 121 ) 　　

MOOC的自主学习模式是解决应用普及型选修课学习者个性差异的有效途径，基于MOOC资源的SPOC课程更有利于以教学班为单位的教学组织，但在具体教学实施中，自主学习更多取决于学生学习的自觉性。为了更好地提高教学效果和学习效率，本文结合具体的教学实践，提出了以应用问题为中心的MOOC教学内容组织模式和基于SPOC的半监督混合式教学模式，并通过三年的教学实践结果说明了其有效性。

基于知识图谱的东方音乐可视化教育研究与应用

赵维平1，孙宁2，杨晓春3，郑国真4

2018, 40(增刊S1): 56-62. doi:

摘要 ( 130 )

PDF (657KB) ( 270 ) 　　

针对当前东方音乐教育的现状及问题，分析了可视化教育的基本概念和设计原则，介绍了知识可视化的表现形式和实现方法，解释了利用数据处理和自然语言处理技术构建知识图谱的方法。以古谱教育为例，提出利用古谱及古文化知识图谱实现可视化教育的方法，介绍了知识图谱应用于教学的典型案例。结果表明，知识图谱通过信息及知识可视化方式，为古谱及古文化教育提供了技术支持。

基于学习行为数据的操作系统教学效果量化分析

王雷，甄子琦，沃天宇，姜博，孙海龙，龙翔

2018, 40(增刊S1): 63-71. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (863KB) ( 163 ) 　　

“系统能力”是计算机专业本科生的核心能力之一，而操作系统课程是培养学生系统能力的关键。传统教学模式存在一些普遍性问题：
（1）难以细粒度地区分学生能力差异性，无法提供精细的指导；
（2）教学活动设计过于宏观和粗粒度，缺乏学期内和学期间的迭代反馈机制；
（3）缺乏细粒度的学习行为数据，无法在微观层次分析和发现能力形成的规律。针对这些问题，
设计了一个操作系统实验集成环境，不仅实现了实验发布、提交、评判等工作自动化，同时收集和分析实验过程中学生的行为数据，从而及时发现教学过程中的问题。使用实验集成环境前，在2014年只有38%的学生完成了4个实验，而使用实验集成环境的2015年这个完成率达到了62%。
通过分析2015年实验中学习行为数据，
发现了代码复制、预备知识不足、代码阅读以及lab2现象等问题。针对这些问题，
采取了本学期与长期两方面改进措施。最后，对2015年、2016年和2017年学习行为数据的量化分析表明，教学过程的改进措施取得了明显的效果。

基于云服务的AI玩偶的研究及在教育教学中的应用

叶枫1,2，胡程1，黄倩1，陈勇2

2018, 40(增刊S1): 72-80. doi:

摘要 ( 108 )

PDF (917KB) ( 124 ) 　　

在人工智能时代，以“会说话的汤姆猫”应用为代表的虚拟化、智能化的玩偶软件愈加得到人们的青睐。从教育的角度，它们能提供儿童陪伴、辅助学习等功能。但是，对于教育领域的研究人员而言，受限于AI技术的复杂性、智能终端的硬件和网络条件，构建功能丰富、用户体验良好的AI玩偶应用较为困难。针对该问题，提出了快速构建一个Android平台AI玩偶应用软件的解决方案，并集成了多个第三方提供的云服务实现了人脸合成3D玩偶、语音转换、语音评测及社交分享等功能。通过性能测试和与相关研究做比较，该AI玩偶应用框架适用于主流的Android终端，具有良好的响应速度和用户体验，能成为辅助教育教学的工具。

基于MOOC学习行为大数据的网络课程通过率预测方法

郑龙1,2，周忠宝1，胡艳丽2,蔡建国1

2018, 40(增刊S1): 81-88. doi:

摘要 ( 110 )

PDF (822KB) ( 165 ) 　　

在分析大规模在线开放课程平台数据中影响课程通过率的评价指标基础上，引入随机图和概率论，建立了一种预测网络课程通过率的概率模型与算法。该模型基于网络图论和学习时长的随机性，通过时频域间的概率函数相互转化，直观地预测课程通过率的动态变化，可分析连续概率分布和离散经验分布函数，以及大规模的网络课程通过率问题，且便于计算机仿真实现。最后，结合Matlab给出的某一网络课程通过率算例，验证了该随机概率模型及其算法的可行性和有效性，并实际应用于高校大规模网络课程平台，显示出其良好的前景。

“国标”三大原则导向的学习契约设计与实施

李涛，段斌，旷怡

2018, 40(增刊S1): 89-93. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (656KB) ( 278 ) 　　

传统教育通常以科学逻辑来规划学科内容，掌握学习进度，忽略了学习者及个人原有的经验与生活世界。新一轮的教学改革强调以学生为主体，强调培养学生的自主学习能力。契约学习是一种以学习契约为载体的教育教学形式。以“国标”三大原则为导向，通过对学习契约的设计与实施，并结合人工智能的方法提出了学习契约代码分类模型，以及对学习契约的验证模型，结合具体案例分析，最终实现产出导向学习。同时学习契约的设计将服务于学习产出区块链。

以内涵式发展支撑“新工科”背景下计算机专业人才培养

萧潇

2018, 40(增刊S1): 94-97. doi:

摘要 ( 74 )

PDF (603KB) ( 137 ) 　　

“新工科”背景下计算机专业人才培养具有时代紧迫感，计算机类慕课的发展为此提供了有利因素。分析了近四年来我国计算机类慕课发展所呈现的内涵式发展特征，即结构优化、质量提升、交叉融合，并指出未来计算机类慕课需要在价值观与社会责任感、创新思维、专业知识与工程能力、终身学习能力四个维度上支持计算机专业人才培养。

世界一流大学研究生培养模式讨论—以人工智能课程为例

周鋆1,3，曾平2，杜振国3，唐国明1,3

2018, 40(增刊S1): 98-102. doi:

摘要 ( 159 )

PDF (511KB) ( 159 ) 　　

高端人才的培养是衡量一个国家核心竞争力的重要指标。目前我国在各领域还有较大的人才缺口，因此改进提高我国高校的人才培养模式和人才质量是当前迫切的任务。从当前最热门的人工智能方向的人才培养入手，首先介绍了人工智能的发展现状及其在“中国制造2025”中的意义；其次从四个方面讨论了世界一流大学人工智能人才的培养模式，这些培养模式可以供我国的教学管理人员参考；最后对未来工作进行了讨论和展望。

工程教育学习产出区块链设计

段斌，李涛，旷怡，肖祥香

2018, 40(增刊S1): 103-108. doi:

摘要 ( 95 )

PDF (763KB) ( 147 ) 　　

提出了一种基于学习产出的区块链技术，以专业认证高校毕业要求标准为基础，建立达成度评价智能合约，将基于成绩、过程和数据，通过学习产出智能合约定量定性相结合的课程学习产出达成值，并将数据记录在梅克尔树中。只有通过该课程达成度评价完成智能合约的学生所获得的能力能达成社会共识，从而完成了学生课程达成度评价到工作后的能力评价结果转化的显性化记录，并能将学生能力评价的反作用给课程，实现对课程的持续性改进。

数据科学与大数据人才专业课程体系分析

李莎莎，周竞文,唐晋韬，王挺

2018, 40(增刊S1): 109-113. doi:

摘要 ( 123 )

PDF (397KB) ( 163 ) 　　

针对数据科学与大数据专业的重要性日益凸显，数据科学与大数据专业人才培养方案各异，质量参差不齐的问题，选取国内外14所有代表性的高校，对其本科专业及硕士研究生专业中与数据学科相关的专业进行分析，将其培养目标和课程设置进行对比，以期能对目前国内外大数据人才培养现状进行总结，并提出数据科学与大数据专业人才培养的建议。

围绕科学研究能力培养的研究生计算复杂性课程建设

罗磊，刘新旺，祝恩

2018, 40(增刊S1): 114-117. doi:

摘要 ( 89 )

PDF (521KB) ( 121 ) 　　

阐述了面向计算机科学与技术一级学科的研究生计算复杂性课程教学目标，根据该目标设计了先具体后抽象、面向科技论文结构的教学内容和方法，以及立足批判性阅读的论文分享教学环节，从而培养学生的综合研究能力。

面向工程教育认证的三阶段迭代式软件工程人才培养模式研究

张锦1，蔡美玲1，窦亚玲1，刘宏1，毛新军2

2018, 40(增刊S1): 118-123. doi:

摘要 ( 66 )

PDF (468KB) ( 140 ) 　　

2016年以来多所高校取消软件工程专业和社会对软件工程人才的需求日趋强烈之间的矛盾表明，现行软件工程人才培养模式亟待改革以满足最基本的人才培养需求。针对该问题讨论了一种面向工程教育认证的三阶段迭代式软件工程人才培养模式。该模式在整体上遵循工程教育认证的三个核心理念，并且着重考虑了如下几个方面：（1）以“计划、实施、提升”为核心，以数据化管理为理念的三阶段教学过程管理模式；（2）本科四年划分为“1+2+1”三阶段教学时间设计；（3）涵盖理论准备、技术掌握和综合提升的三阶段教学内容设计模式；（4）涵盖专业启蒙、专业拓展和专业综合提升的三阶段专业理念教育。同时，探讨了该理念在湖南师范大学软件工程专业进行初步实施的具体措施和效果。

以能力为导向浅谈物联网工程专业人才的培养

陈颖文1，钟萍2，逄德明1

2018, 40(增刊S1): 124-127. doi:

摘要 ( 80 )

PDF (396KB) ( 138 ) 　　

总结了物联网人才培养的现状，阐述了以能力为导向的人才培养模式的重要性，分析了物联网工程专业能力的三个层次，根据物联网体系架构的特征构建了课程体系，基于专业能力与课程内容之间的对应关系，提出教学的实施建议。

基于SE-CDIO的人才培养创新实验区的建设经验

赵娜1，唐旭光1，王炜1，郁湧1，谢仲文1，周廷宇1，王剑2

2018, 40(增刊S1): 128-132. doi:

摘要 ( 64 )

PDF (428KB) ( 121 ) 　　

针对当代软件产业的发展情况，基于CDIO理念，提出采用SE-CDIO模式建设人才培养创新实验区，以达到教育的开展与产业相结合的目的。结合当前软件工程专业的特性和实际情况，不断完善适合软件工程教学的SE-CDIO模式。该模式的运用不仅提高了学生的编程能力，同时锻炼了团队合作能力，让学生完全融入学习的氛围中，很好地诠释了“做与学相结合”的理念，对培养创新实验区的建设起到了举足轻重的作用。

基于HPC环境的深度学习并行优化

陈孟强，颜子杰，叶彦，吴维刚

2018, 40(增刊S1): 133-140. doi:

摘要 ( 88 )

PDF (682KB) ( 168 ) 　　

评审附件

深度学习已被广泛应用于各领域，尤其是大数据分析，然而深度学习所需的计算越来越复杂，规模也越来越大。为了加速大规模深度学习的训练，学术界已经提出了各种分布式并行训练协议。设计了一种新的异步训练协议——加权异步并行协议（WASP），以更有效的方式更新神经网络参数。WASP的核心是对“陈旧梯度”的处理，即基于参数版本号来衡量梯度陈旧性并减少陈旧梯度对参数的影响。此外，通过周期性强制同步模型参数，WASP结合了同步和异步并行协议的优点，可以快速收敛并提高模型训练速度。我们在天河二号超级计算机上使用两个经典卷积神经网络LeNet5和ResNet101进行实验，结果表明，WASP可以比现有异步并行训练协议取得更高的加速比、更稳定的收敛。

基于训练数据动态分配的深度学习并行优化机制

颜子杰，陈孟强，吴维刚

2018, 40(增刊S1): 141-144. doi:

摘要 ( 107 )

PDF (729KB) ( 182 ) 　　

评审附件

基于MXNet框架，针对同步并行下参数同步耗时过长这一问题，提出了一种多机同步并行下的训练数据动态分配算法。基于计算节点的计算效率，每一次迭代后将动态调整节点需要处理的样本数据量。这样的机制使模型既能同步并行也降低了等待梯度更新的耗时。最后，利用天河二号超级计算机对此优化算法进行了对比实验，实验结果表明，所提出的优化机制达到了预期效果。

面向多领域的高性能计算机应用综述

聂含伊，杨希，张文喆

2018, 40(增刊S1): 145-153. doi:

摘要 ( 136 )

PDF (593KB) ( 217 ) 　　

评审附件

在现代科学研究和工程实践中，通常使用数学方程式来表示某些自然科学规律，普通计算已经难以满足愈发复杂的计算公式，利用超级计算机进行科学计算可以极大地提高运算效率。高性能计算机能够达到每秒亿亿次的浮点运算速度，已经成功应用于生物计算与精准医疗、全数字设计与制造、地球科学与环境工程、智慧城市云计算和材料科学与工程等领域，并取得相当成果。简单介绍了高性能计算机，并总结其在不同领域的应用现状与成果。

基于硬件事务内存构建并发链表

吴振伟，张文喆

2018, 40(增刊S1): 154-158. doi:

摘要 ( 66 )

PDF (525KB) ( 123 ) 　　

评审附件

并发数据结构是并行程序的基本组成部分，其执行效率直接影响到并行程序的执行性能。设计并发数据结构需要解决的一个主要问题是数据同步。传统的基于锁的同步控制策略使用较为普遍，但无法兼顾编程效率和执行性能。事务内存作为一种新兴的并行编程范式被提出。基于Intel处理器所提供的硬件事务内存构建并发链表，并与基于锁和基于硬件同步原语的并发链表展开性能比对，研究Intel硬件事务内存对并发链表执行效率的影响。

可扩展的软件错误挖掘实例分析与优化

吴旭刚，张文喆

2018, 40(增刊S1): 159-162. doi:

摘要 ( 70 )

PDF (624KB) ( 150 ) 　　

当前随着计算机技术的发展，计算机软件存在规模大、漏洞难以发现的特点，人工审核大规模软件的漏洞花费的人工成本大，在大规模软件中可行性低。因此，基于机器自动挖掘漏洞的方法成为当前研究的热点。基于现阶段具有代表性的可扩展的软件漏洞挖掘工具AFL，针对此工具在挖掘漏洞中存在的问题，例如通过幻数测试困难的问题，并对此问题出现的原因进行分析，并且采用将幻数测试边拆分成为同语义的一系列幻字节测试边的方法对AFL进行改进，取得了不错的效果。

Angr动态软件测试应用分析与优化

宋丛溪，王辛，张文喆

2018, 40(增刊S1): 163-168. doi:

摘要 ( 225 )

PDF (563KB) ( 192 ) 　　

如今，基于符号化执行技术的动态软件测试被人们广泛应用，然而符号化执行遍历路径时带来的路径爆炸问题限制了其性能。应用了基于动态符号化执行技术的系统Angr，它加载待测二进制程序，并转化成中间语言符号化遍历程序。提出将待测程序根据特点分类的方法，调整遍历时的参数设置，对遍历过程剪枝，缓解了路径爆炸问题。为了分析Angr在软件测试中的应用方法，我们使用该系统对几种类别的程序分别进行了参数调整，以便扩展应用于更多软件系统的漏洞探测中。

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