計算機專業高年級本科生工程素質培養方法研究

歐陽元新 李超 劉睿 熊璋

學科建設與教學改革

文章編號：1672-5913（2015）11-0050-04

中圖分類號：G642

摘要：分析計算機專業工程本科生素質培養需求和方法，提出結合學生專業課程學習的實際進展，以虛擬課題實踐為主線，在加強學生團隊意識和集體精神培養的同時，加強創新意識的貫入，在高年級物聯網引論課程教學中進行教改實踐。

關鍵詞：本科生；工程素質培養；物聯網

0 引言

作為重點院校的工科學生，只有理論知識還不夠，需要通過實踐來驗證知識是否正確可行；如果把理論應用到實踐當中，發現二者相違背或者不相關，就需要再次驗證，是知識掌握得不好還是應用不當，這就要求學生具有按實際要求把理論知識合理融合到工作中的能力，也就是我們常說的工作經驗。隨著科學技術的飛速發展，計算機已經深度融人到社會的各行各業，因此要求計算機專業的畢業生具有更強的動手能力和工程實踐能力。

1 計算機專業工程素質培養方法研究

高等工程教育的基本要求是培養學生在相應工程專業領域中從業的基本能力。自2008年開始，北航計算機學院工程研究中心受邀作為中國代表，參與美國國家科學基金委支持的國際本科計算機教育研究計劃-CPath。該計劃旨在推動國際計算機院系間的本科生聯合培養，以及與跨國、跨地區高科技企業的密切合作，以適應計算機產業的國際化發展趨勢。

在CPath計劃2009年的專題討論會上，來自企業的代表（如IBM、Google等知名跨國企業）在報告中提到，雖然他們接收的畢業生在專業基礎知識和編程能力方面平均水平都很高，但是他們在團隊協作、人際交流、工作思路和穩定性、忠誠度等方面與企業的要求還存在很大距離。可見，本科生教育在工程實踐方面的缺乏可以說是一個全球范圍內存在的問題。根據我們在CPath計劃高校代表中的調查發現，對于學生在工作思路和團隊訓練方面的培養，大都僅限于軟件工程課的課程實踐和最終的本科畢業設計，且亞洲高校在本科畢設時更傾向于突出個人所需具備的科研能力，因此更強調獨立完成；部分歐美高校（如法國通用工程師培養模式）則鼓勵以小組或者合作的方式完成一個相對完整的課題。由此可以看出，我國的畢業生在本科學習階段所能得到的工程實踐機會非常有限。

2013年6月，我國正式成為《華盛頓協議》組織成員國。《華盛頓協議》是世界上最具影響力的國際本科工程學位互認協議，該協議主要針對國際上本科工程學歷（一般為4年）資格互認，確認由簽約成員認證的工程學歷實質等效，并建議畢業于任一簽約成員認證課程的人員均應被其他簽約國（地區）視為已獲得從事初級工程工作的學術資格。我國能順利加入《華盛頓協議》，與教育部于2006年正式啟動的工程教育專業認證試點工作密不可分。在《全國工程教育專業認證標準》中，與本專業工程素質培養密切相關的要求包括如下。

（1）具有綜合運用所學科學理論和技術手段分析并解決工程問題的基本能力。掌握必要的工程基礎知識以及本專業的基本理論、基本知識；受到本專業實驗技能、工程實踐、計算機應用、科學研究與工程設計方法的基本訓練，具有創新意識和對新產品、新工藝、新技術和新設備進行研究、開發和設計的初步能力。

（2）了解與本專業相關的職業和行業的生產、設計、研究與開發的法律、法規，熟悉環境保護和可持續發展等方面的方針、政策和法律、法規，能正確認識工程對于客觀世界和社會的影響。

（3）具有一定的組織管理能力、較強的表達能力和較強的人際交往能力，以及在團隊中發揮作用的能力。

針對上述要求，經過與在讀本科學生、已走上工作崗位的畢業生和部分計算機相關用人單位的座談和討論，我們認為，計算機專業高年級本科生工程素質培養當前需要重點解決以下問題：①畢業學生存在專業理論知識掌握有余而適應未來實際工作崗位需求變化能力不足，獨立解決問題自信心不足；②從側重于專業理論知識體系學習能力提高轉變到全面提升專業綜合實踐能力過程中缺乏足夠指導環節；③缺少多學科專業理論知識融會貫通的實踐環境，學生在校內從事創新活動動力不足。

我們從下列3個方面人手開展教改實踐：①結合學生對于計算機專業課程學習的實際進展，打造多學科綜合課程知識實踐環境，并探索可行的實踐方法；②加強基于虛擬課題的工程實踐團隊意識和集體精神培養，有針對性地進行個性化能力的發現和保護；③在實踐中加強創新意識，鼓勵精英式發展，提高學生的自信心和榮譽感。

2 培養方法實踐

2.1 課程定位

物聯網引論是在第6學期開設的專業方向課，課堂講授24課時，課外實踐8學時，自2011年至今已開設4輪次，選課學生累計近300人。前修課程為計算機組成原理和系統結構、軟件工程基礎。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，是全球范圍內的重要發展方向。《國家中長期科學和技術規劃發展綱要（2006-2020）》中曾明確指出：“重點開發多種新型傳感器及先進條碼自動識別、射頻標簽（RFID）、基于多種傳感信息的智能化信息處理技術，發展低成本的傳感器網絡和實時信息處理系統，提供更方便、功能更強大的信息服務平臺和環境”。這是國家從戰略高度對物聯網核心技術發展做出的部署。

物聯網是一個集成創新和應用創新并舉的領域，它將大量來自完全不同專業領域的技術綜合在一起。本課程旨在通過對物聯網發展歷程、支撐技術、體系結構、規劃與實施以及開發實例的介紹，開闊學生的視野，促進他們從設計者的角度思索如何使用先進的技術手段，對各種生活中的需求進行分析和設計實現；同時希望他們能夠借此了解信息系統工程化實施過程中需要解決的問題和通常采取的方法，以及如何將理論知識應用到具體的工程實踐過程中去。

2.2 以虛擬課題為主線的課程實踐方案

由于物聯網是一個與應用緊密結合的領域，我們對學生提出能夠切實從生活中的需求出發，以小組的形式完成物聯網應用項目（即虛擬課題）選題、需求分析、概要設計（含界面設計）等應用系統研發基本步驟，讓他們對工程實踐的全過程有一個初步的了解。我們要求4-5名學生組成小組，合作完成選題、課堂展示、文檔撰寫；在物聯網應用案例介紹之后安排一次課堂展示，要求突出特色和關鍵點，相同或相似選題方向的小組之間將進行“PK”，由其他小組的同學擔任評委，選出有亮點的小組，給予適當加分。

大作業選題來自當前主要物聯網應用領域，包括園區（如校園）、圖書館、交通、物流等，要求必須同時用到無線射頻識別和無線傳感器網絡兩種技術，每個小方向不超過3個小組。選題結束后，仿照實際工程實施方式，每個小組每周需提交進展周報。課堂展示（相當于工程實施中的需求評審）之前要求完成90%的“需求規格書”和50%的“概要設計報告”，期末結束前提交上述兩個文檔的修訂版以及對應的“界面規格書”。

幫助學生理解文檔撰寫和維護是軟件研發過程管理中的重要部分，同時與軟件工程課程的教學重點形成互補，本課程實踐提供的大作業文檔模板是在參考了國內外知名IT企業（如三星、中軟、方正等）文檔模板的基礎上，針對三年級本科生已掌握的課程內容和自身特點設計定制的。在文檔撰寫和維護過程中，強調“文實一致”（文檔與系統一致）、“文文相符”（文檔之間自成體系，形成閉環）等更具有工程實踐特色的部分，相對弱化與業務流程關系不是很密切的部分，幫助學生把注意力集中在需要解決的業務問題上，促進他們思考得更深入、更細致。

2.3 教改實踐特色

2.3.1 走出課堂——換個視角看物聯網

作為計算機專業（特別是高年級）的學生，面對已經到來的物聯網產業革命，需要思考的更重要的問題已經不僅僅是如何將“物”聯結到“網”上，而是所有的“物”都聯網后，我們能夠做什么以及如何付諸實現。工業和信息化部電信研究院2011年發布的物聯網白皮書中提到，物聯網的核心任務是信息和通信技術在各行各業的綜合應用。因此，在課堂講授方面，我們力爭通過對物聯網支撐技術的介紹和典型應用案例的分析，幫助學生建立起所學的專業課和現實應用系統之間的聯系。

在課上互動的過程中我們發現，學生對計算機工程實施方面的嚴謹要求和復雜挑戰缺少切身體會。為了讓他們更直觀地了解真正的物聯網應用部署過程，在進行技術總結和展望介紹時，我們安排對華為北京研究所等研發企業的參觀活動和科學技術部主辦跨國技術轉移大會等專場報告/討論會，大約有三分之二的學生參加了校外參觀/討論活動。

期末調查問卷數據顯示，85.48%的學生在企業參觀和學術討論之間，更傾向于選擇前者，主要原因是企業應用更貼近實際，能夠更直觀地體會到如何將技術與實踐相結合，同時了解更多的企業文化和運作模式。以華為北研所參觀為例，返校后，學生普遍反映對大型企業從研發到測試所有環節的一絲不茍留下了深刻的印象，此外對課堂上所學知識如何演變成工業經濟價值的過程有了更多的了解；而優先選擇學術討論的學生則認為，能夠從相關活動中獲得更多的前沿知識。

2.3.2 課堂展示——模擬工程實施中的需求評審

為了增強真實感，同時加強對大作業的過程管理，本課程參照信息系統工程實施過程，由任課教師擔任大作業“監理”的角色。在完成選題之后，每個小組需要按時提交周報，其中包括整體開發進度安排、本周主要工作、下周工作重點、未按計劃執行或變更原因等內容。在物聯網應用案例介紹之后，我們安排一次課堂展示，相當于工程實施過程中的設計聯絡和專家需求評審。課堂展示時，除了要準備演示用PPT以外，還要提交需求說明書0.9版和概要設計報告0.1版。展示過程中要求突出特色和關鍵點，相同或相似選題方向的小組之間將進行“PK”，由其他小組的同學擔任評委，選出有亮點的小組，給予適當加分。展示通過后，需求說明書經過修訂可以形成1.0版（即專家評審通過稿），概要設計報告和界面規格書在學期末統一提交。

根據期末對學生的問卷調查數據顯示，35.2g%的同學認為周報是最難完成的部分，另有26.8g%的同學認為界面規格書最不容易，前者是最需要嚴謹、細致的，而后者是最能夠直觀反映出應用系統模塊間邏輯關系的。

3 實踐效果

本課程在考核方面，以小組大作業作為課程成績的主要評判依據，占總成績的40%；平時成績、綜述論文（或課外活動感想）和期末考試各占20%。

客觀分析、自行組隊、自主選題、小組PK的大作業方式對不主動的學生而言，可能會比較容易鉆空子，但還是很好地調動了大多數學生的積極性。在課堂展示環節中，能明顯感覺到很多學生在小組合作中充分發揮了各自特長，并且著實下了一番功夫。很多小組對敘述過程的掌控已經具備了一定的專業水準，演示文稿中也不乏制作精美的作品。比如在2013年春季的課程實踐環節，有兩個小組的展示內容給大家留下了深刻的印象。一組的選題是“停車場管理系統”，如圖l（a1所示，他們使用樂高（IEGO）積木組合軟件搭建了一個可視化的停車場環境，更形象地完成了系統展示說明；另一組選擇“快遞自助提取系統”的學生在進行需求分析時，向周圍的同學發放了上百份調查問卷并進行了數據分析，如圖l（b）（c）所示，為系統設計提供了事實依據。

為了讓所有小組成員都能夠更積極用心，授課教師在課堂展示環節會對每個學生針對系統的需求分析、系統設計甚至市場應用前景等提出形形色色的問題，督促他們更主動地參與到小組實踐作業中；另一方面，在期末考題中設計與大作業相關的題目，如“請給出小組大作業中使用到的物聯網關鍵技術及具體應用方法”和“請結合大作業應用背景，簡述可能存在的安全問題和相應的對策”，因考試時間有限，沒有努力參與大作業的學生往往不能很好地回答。

4 結語

根據統計，北京航空航天大學計算機學院近年約40%的畢業生直接走上了工作崗位，約60%選擇繼續深造。對于畢業后直接參加工作的學生，如果在學校課程學習的同時能夠獲得更多的工程實踐經驗，他們在進行角色轉換的時候就可以更成熟、更理智；而對于選擇繼續深造的學生，則能幫助他們在進行碩士和博士科研活動的時候更規范、更嚴謹。未來本課程將考慮嘗試大班+小班的授課模式，原課程內容保留大班授課不變，將實踐部分的內容以小班課的形式由課外轉到課內，便于授課教師進一步深入到實踐的每個環節中。一方面為學生提供更直接的指導，及時發現他們在實踐中存在的問題，另一方面幫助他們更好地消化吸收課堂知識。此外，將授課教師與學生之間的面對面指導放到課堂上，可以發動更多的學生參與討論，激發他們的競爭意識，更好地調動其積極性。