項目驅動的計算機專業實踐教學體系初探

摘 要：基于項目的教學與學習方式已經被國內外多所大學證明是提高大學生創新能力和綜合素質的有效途徑 文章介紹哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院本科生培養中的專業實踐教學體系，闡釋其創新機制，提出將課內學習與課外學習相結合，將軟硬件實踐課程相結合，形成貫穿4年本科教育的項目學習實踐教學體系和較為完善的過程管理方法，為高水平計算機專業人才培養作出有益嘗試；指出基于項目的學習對培養學生的主動學習意識、問題分析、問題求解以及綜合創新能力有重要意義

關鍵詞：項目學習；實踐課程體系；年度創新項目；創新實驗課；設計與實踐課

1 背 景

項目學習（PjBL，project based learning）的基本形式是以項目（組）形式完成一項或多項任務，設計并實現一個具體的作品，如計算機專業中的硬件設備或軟件系統等，并以書面或口頭的形式總結表達完成任務的過程及產出物。其主旨是讓學牛積極主動學習，完成知識體系的構建，強調了教學過程中“做”的重要意義；既增強了學生的動手能力，又培養了學生的創新意識、項目設計的能力和團隊協作的精神。

國外一流大學非常強調基于項目的學習，如美國大學的“Gordon-MIT工程領導力培養計劃”、英國大學“基于項目的學習方式”、澳大利亞大學的“無邊界工程師培養計劃”等。以MIT為例，MIT所有工科專業的培養方案都包括以項目為基礎的學習課程，讓學生親自動手參與工程項口：大一學生不分專業，完成基礎課程，在這些課程中，有一部分工學院開設的項目課程，學生需要組成團隊，完成老師指定或者自選的項日，其目的主要是為了讓學生親自動手參與一些簡單的項目，培養他們對工程學科的興趣；大二到大四的學生每年至少有一門圍繞本專業基礎知識的項目課程，訓練學牛解決專業相關問題的能力。有的課程跨度為2-3個學期，學牛有充分的時間完成相對較大的工程項目。學生在完成本科四年的課程和實踐項目后，才能獲得工學學士學位。

2 計算機專業項目學習體系的創新機制

2008年，哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院（以下簡稱計算機學院）開展了項目學習方而的研究、規劃、實施等工作。經過多年的建設，學院已形成一個立體化、個方位的項目學習體系。它包括大一年度創新項同，大二、大三年級的專業設計項目課程，大四年級的畢業設計項目，再配合大學生創新科技項目、課程大作業練習、創新實驗課、研究實驗室科研項目、企業實習項目等，如圖1所示。

2.1 大一年度創新項目

大一年級的學生在知識儲備和實踐能力訓練上存在較大的欠缺，所以設置大一年度創新項目的日標并不是讓大一學生做出一個大型的完整項目，而是讓學生在具體的項目實踐中走一遍，提升興趣、積累經驗、形成認識。具體來說，人一年度創新項曰的目標是：提升學生求知、探索新事物和從事科學研究的興趣；讓學生學會自主學習和問題求解，能夠觀察、思考和發現問題；培養學生搜集資料、查閱文獻的基本能力；引導學生進行團隊協作，培養其溝通交流及與人協作的能力。

在這樣的日標下，大一年度創新項目具有嚴格的、與科研項目類似的工作流程：申報立題一開題答辯一過程監控和管理一中期檢查一驗收答辯。學生認真走完全過程就能熟悉和了解科研的基本方法。同時以項目為驅動可以培養學生的專業興趣。在開題環節，學生自立題目、自由申報、自主選擇導師，培養自身觀察和發現問題的能力；開題答辯采取poster方式，張貼海報、茶話交流，師生共同評審投票，培養學生表達與自我推銷的能力；在項目工作過程中，依靠項目管理網站記錄項目進展和師生交流情況，讓學生體會工程實踐中的過程控制；中檢和驗收答辯采用的形式是檢查項目組進展和結果，要求書面和口頭報告，完成對學生自我總結和表達能力的訓練。

2.2 創新實驗課

設置創新實驗課的目的是將教師的科研、教學的最新成果，業界的前沿內容（如移動計算、云操作系統等），引入到本科生課堂中，讓學生盡早接觸學科前沿。表1給出了計算機學院目前已經開設的創新實驗課，從課程名稱可以看出，低功耗嵌入式系統、高級網絡、系統軟件、腦機接口等內容都是目前業界的熱點領域。

以“低功耗嵌入式系統設計與實現”為例，教師首先需要明確給出設計項目的要求，如要實現如圖2所示的嵌入式板子；或者是由學生自主選題，實現一款自行設計的低功耗產品。教師可根據現實世界中常使用的設備，如iPad、MP3播放器等進行啟發設計，但必須要有明確的目標

在這個課程中，學生需要完成一個完整的系統，包括項目設想、方案設計（包括電路沒汁和軟件設計）、安裝和調試（包括制作電路板、焊接器件和調試電路）、測試和驗收等環節。

創新課程可以調動學生的興趣。學生通過選擇元器件，設計原理圖和制版圖，參與焊接、州試、組裝、生產工藝等，實現一款融入自己設計思想的低功耗產品，培養自身的動手能力和系統觀，將所學的多個知識點應用于一個實際的產品設計開發中，實現了知識的有機融合。

2.3 設計與實踐類課程

計算機學院的設計與實踐課程主要包括硬件設計實踐和軟件設計實踐兩個部分，其中硬件設計實踐對應的課程是計算機設汁與實踐，在這個課程中，學生要設計計算機系統的主要部件（狀態機、元件例化、I/O接口與簡單的CPU設計，最基本支持LDA、STA、MOV、MVI、ADD、SUB、JZ、JMP、IN、OUT 10條指令），要培養學生的硬件系統設計能力以及硬件實現能力

軟件設計與實踐對應的課程有兩門，其中軟件設計與實踐I是針對數據結構、算法等應用級軟件的設計與實踐。在這個實踐課程中，要讓學生完成如“社交網絡數據的建模、分析與信息擴散模擬”等大型的軟件類項目，項目實踐過程中涉及問題的抽象、綜合知識的應用、軟件實現等內容。以社交網絡模擬為例，其涉及的問題抽象是如何將社交網絡抽象為圖，將社交網上的相關應用抽象為圖上的算法；這涉及圖論、大圖的數據結構、擴散算法等相關知識的應用和實踐。軟件設計與實踐II是針對操作系統、網絡等系統級軟件的設計與實踐，如“小Linux上的鼠標驅動與圖形界面開發”項目涉及設備驅動、鼠標硬件、事件處理框架、圖形模式等，學生需要在現有的操作系統中增加大型模塊。

設計與實踐類課程采取的教學管理方式也是項目式管理，即由“開題一平時討論一中期檢查一結題驗收一答辯”構成，其中開題的核心是要明確方案和結題的目標；平時討論的核心是技術難點和下一步的工作計劃；結題驗收答辯的核心是驗收開題時的結題目標以及團隊合作情況。表2是軟件設計與實踐II課程的一個小組在課程教學過程中產生的一些中間結果，其中結題目標取自其開題報告；討論記錄記錄了該小組平時討論的主題和達成的共識；組員分工取自課程的結題驗收報告。

3 計算機專業項目學習體系的支撐平臺建設

為了支持高水平的項目式學習，計算機學院在實踐平臺建設等方面做了大量工作，取得了一定的成果。目前已經實現物聯網技術研發平臺、小區智能交通管理系統、類人形機器人等多個硬件嵌入式實踐平臺。同時在教學輔助軟件系統建設上實現了基于C/S結構的“C語言編程題考試自動評分系統”，該系統獲得國家自然科學基金項目資助，目前已經有包括國防科學技術大學、北京工業大學、北京郵電大學等在內的119所院校免費申請試用；同時也實現了面向學生自主學習的作業在線測試系統，正在學校內部使用。另外，計算機學院基于云計算理念，采用虛擬化與SDN等技術構建了一個虛擬仿真實驗教學平臺，供學生以虛擬化的方式完成信息安全相關的課程實驗和自主實驗。

4 結語

計算機學院在項目學習的課程體系、教育管理體系、具體課程的實施過程管理與學生學習情況考核等方面邊實施邊探索，形成具有科學性、系統性、可實施性的、較為完整的人才培養體系。項目學習實施7年來，學院共畢業約1500名本科畢業生，以2012年為例，畢業本科生217人，其中出國深造16人，讀研84人（占總人數38.7%）。應就業人數117人，實際就業人數113人，一次就業率達到96.58%。在北京就業的39人，深圳21人，就業主要集中于大型企事業單位。畢業2-3年后，部分學生自主創業。多年的畢業生跟蹤調查表明，這些畢業生的專業能力和創新意識深受用人單位好評。筆者在此撰文分享哈工大計算機學院在人才培養方面所做的一些工作，希望能為本科專業人才培養體系的設計者和實現者提供參考。