面向工程智能化的軟件項目實訓基礎課程教學實踐探索

邢 雪，鄭力軍

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知中指出：深化工程教育改革、建設工程教育強國，對服務和支撐我國經濟轉型升級具有重要意義[1]。當前，國家推動創新驅動發展，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新[2]。與此同時，提高人工智能領域科技創新，通過“人工智能+X”復合交叉型人才的培養可以對現有的專業課程進行調整和優化，重新構建人才培養模式，以適應并引領未來工程人才發展[3]。因此，本研究為深化工程教育改革，推進新工科的建設與發展，從實踐課程改革著手，探索軟件設計類課程的教學實踐實施方法。新的教學思路使學生具備貼近創業需求的軟件項目開發能力，為社會發展不斷探索新工科人才的培養模式。

一、基于工程智能化的高等教育發展趨勢

智能化是國務院提出的新一代人工智能發展規劃的主要內容，教育部于2018年4月印發的《高等學校人工智能創新行動計劃》指出，要加強專業建設、加快實施“卓越工程師教育培養計劃”，同時，由于人工智能理論和技術具有普適性、遷移性和滲透性的特點，要主動結合學生的學習興趣和社會需求，積極開展新工科研究與實踐，在高等教育階段對智能化創新教學培養模式進行研究和探索具有重要的現實意義。

據教育部最新公布的2019年度普通高等學校本科專業備案和審批結果顯示，180所高校新增人工智能專業，80所高校新增智能制造工程專業，具體專業比例分布如圖1所示，人工智能及其相關專業占比高達37%，新增專業的占比情況充分說明智能學科在高等教育中的發展趨勢，也充分體現了智能科學的發展地位。

隨著人工智能在各行業中的服務范圍不斷擴大，軟件項目已成為這個過程中的必然載體。在國家經濟轉型過程中，創業逐漸成為在校大學生和畢業大學生的一種職業選擇方式。大學生群體普遍欠缺社會實踐經驗與動手能力，在創業初期夭折比例相對較高。實踐課程的教學目標就是使學生在校期間就去掌握適應就業的專業技能。具體的實踐環境和實驗項目越貼近真實，對學生能力的提升越明顯。教學實踐改革選擇的具體課程為軟件項目實訓基礎，該課程為筆者所在學院的計算機科學與技術專業實踐教學環節工程實踐專業必修課程。

圖1 2019年度普通高等學校本科存案和審批專業統計圖

二、實踐教學探索方向

(一) 工程智能化創新

高等教育階段的人才培養需要符合國家發展趨勢，為進一步提升新工科人才的智能化創新能力，教學研究提出以人工智能為核心的知識傳授、以智能制造為重點的實踐能力培養、以大數據智能化為創業驅動力的培養導向。

文獻[4]提出借鑒歐美高校把創業教育融入工程教育的實踐經驗和研究成果，分析在建設中融入創新創業教育的路徑、方式及其重要性,提出應把發展學生的創新思維、創業意識和創造能力作為人才培養的標準和尺度。文獻[5]分析了我國新工科建設背景和國內外人工智能專業教育基本現狀，提出了新工科背景下人工智能專業人才培養的認識與思考。在人才培養中需要把握新工科內涵，重點關注專業能力目標達成、教育教學各要素重構與多元化革新等關鍵內容。文獻[6]分析了重慶郵電大學計算機科學與技術學院13 年來在大數據與智能化領域的人才培養模式改革實踐，探討了地方高校培養新工科創新人才中課程知識體系重構、教育教學方法、工程教育鏈條和師資隊伍強化等方面。文獻[7]對人工智能技術在高等教育中人才培養的重要作用進行了探討。

(二) OBE理念

基于學習產出的教育模式(Outcomes-based Education，OBE)主要為成果導向教育，即在實際教學中體現國家建設導向和社會就業需求。從實際應用角度出發，成果導向教育成為近階段主要教育實踐的發展趨勢。文獻[7-9]的教學研究者分別對高等教育中多個工程專業實踐課程(包括機械設計實踐、電氣工程及自動化和數字化實驗)的成果導向教育型教學模式和方法進行研究。文獻[10-11] 結合工程教育認證標準,提出將實驗內容、網絡資源和數值仿真結果融入課堂教學當中，將課程內容與工程實踐對應起來,培養學生的專業素養,提高學生解決復雜工程問題的能力。文獻[12-13]提出在工程教育認證的專業課程體系設計中，基于OBE理念反向設計原則支撐畢業要求達成的專業課程體系。文獻[14-15]針對計算機科學與技術專業程序開發課程進行OBE導向教學嘗試，已取得一定研究進展。綜合上述研究趨勢和研究具體實踐成果，基于學習產出的教育模式適應新工科專業人才培養的總體目標。

為貫徹《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》(國辦發〔2015〕36號)和《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》(國辦發〔2017〕95號)精神，深化產教融合、校企合作，結合產學合作中企業提供的實際項目案例基礎上，研究確立以企業智能化需求項目為課程的規定內容，以實際項目執行流程實現項目實訓過程。研究旨在通過工程實踐的成果導向教學，使得學生完整體驗和實踐項目開發中的軟件開發技術。

三、課程教學研究主要框架及方法

(一) 課程教學研究內容

通過對《軟件項目實訓基礎》課程教學模式的探索，從把握課程的應用性和指導性的關鍵導向出發，在企業化項目開發流程中培養學生自主學習、動手操作、團隊溝通能力，培養學生寫作、分析和解決問題及智能化創新能力。教學研究通過具體的課程實踐過程，形成以項目成果為起點，以市場需求為導向，以“互聯網+”創業為培養目的，以智能化服務為理念的高等教育“新工科”實踐教學的新模式。

按照“成果導向教育”的設計構思，為實現上述新工科計算機科學與技術專業人才培養目標，研究通過針對《軟件項目實訓基礎》課程實踐教學模式的探索，具體分析研究的框架如圖2所示，主要從理論探索和應用實踐方面展開。

圖2 研究分析框架

(二) 具體的研究方法

學習產出的教育模式(Outcomes-based Education，OBE)可以實現融合成果導向教育理念，理念為工程教學改革的主導。以教育過程取得學習成果為教學設計和教學實施的目標，按反向設計原則設計課程，并分階段對成果進行評價，總設計可以從專業課程體系入手，細化到每門課程具體課程安排。研究應用學習產出的教育模式實踐教學，結合申請產學合作協同育人項目完善計算機科學與技術專業軟件項目實訓課程的課程設計，主動結合企業提供的有益經驗輔助實訓。

首先，為課程確立學習成果目標，在軟件項目實訓中利用企業提供實際案例為課程成果目標，通過實踐過程使得學生完整體驗和實踐實際智能化培訓項目開發中的軟件開發技術，同時通過工程師和教師逐一指點，達到實際問題具體分析的實踐效果。之后，針對實訓任務和成果目標確定項目過程化流程，著重體現創新和創業的過程化思維和團隊執行過程。

(三) 教學實踐實施路徑

教學實施過程包括確立成果目標、制定教學策略、成果導向的教學實施和課程階段性評價。成果導向的教學實施路徑涉及實訓教學內容的安排、實訓教學大綱、實訓案例設計執行步驟和實訓總結等方面，具體如圖3所示。

圖3 教學實踐實施路徑

四、實踐教學的案例分析

面向工程認證的專業建設需求，多方向工科專業的教學探索不斷向實踐課程中學生的實踐能力培養方向傾斜[16-17]。為將理論與實際相關聯，將軟件設計類型的實踐課程作為實踐專業知識理論的“試煉場”，將綜合工程化項目或創新設計項目選為訓練項目，以達到教學探索和不斷優化教學創新的目的。本文以筆者所在學院計算機科學與技術專業的軟件項目實訓基礎課程中學生自主設計的案例為例，具體說明工程智能化導向的教學實踐對學生創新能力培養的重要性。

(一) 符合智能化創新目標和市場目標用戶需求的實訓選題

具體貫穿以“工程化”和“智能化”的開發技術為核心的軟件系統項目，有特色的結合Web前端、大數據分析和與Android相關的移動應用開發等技術。以訓練面向“互聯網+”創業項目為開發載體，以培養智能服務為創業理念，綜合利用Python、大數據分析、Android相關的移動應用開發、物聯網技術等技術集成，構建具有創新性功能的互聯網服務平臺，通過智能化服務提升生活或生產的安全性、便利性和舒適性。

通過學生分組完成實際設計項目，提升學生對工程化的應用設計理解，同時在實踐中有意識引導學生自主選擇設計項目，提升學生對智能化的創新設計理解。基于上述教學理念指導下，學生創新實踐不斷涌現，本文選擇以2016級某學生小組的實訓過程為例，分析面向工程智能化的軟件項目實訓基礎課程的教學探索。

實訓過程開始之前，首先依據企業提供的實際需求指導，在指導教師對創新項目理念分析引導下，指導學生小組調查實際選題問題。文中案例學生小組從日常生活中挖掘出有創新意義和可提供創業可能的實際工程問題，即機動車駕駛培訓管理中缺乏微服務的靈活性。因此，在充分調研所在城市范圍內機動車培訓管理的實際情況和實際需求基礎上，面對工程需求提出設計題目“機動車駕駛技術培訓管理系統”，并根據調研的目標用戶需求確定擬完成設計系統界面和功能的具體達成效果。設計使用Google推出的gRPC框架，加上服務端應用的SpringBoot框架，使用戶可以通過手機、平板和臺式計算機隨時隨地管理、查詢駕駛員培訓管理信息，并可能學員用戶模擬訓練結果智能化推送培訓提醒。

(二) 保持原有專業能力培養中軟件開發類項目實訓的基本流程

研究選擇的實踐課程主要為培養學生職業素質，訓練學生項目環境搭建、項目開發計劃、需求分析、概要設計、詳細設計、編碼實現、系統測試、項目總結等一系列實際軟件開發工作的能力。以《軟件項目實訓基礎》課程的項目開發流程為例，如圖4所示。實訓過程指導老師根據軟件項目開發流程，層次化解構設計過程，指導學生熟悉工程設計具體環節。

圖4 《軟件項目實訓基礎》課程項目開發流程

學生小組按照項目設計流程，從項目開發計劃到需求分析，從概要設計到詳細設計，從編碼實現到系統測試，最終完成項目總結。設計系統主要實現機動車培訓中考試練習、用戶報名、進度查詢、練車預約、考試預約、我的消息、我的賬單、個人設置、用戶反饋等功能，設計重點是通過手機動態查詢培訓進程、培訓中練車預約和駕駛知識在線練習。對于培訓進程管理和查詢功能，學生小組結合移動端和Web端的特點分別進行基于Android技術和網站開發技術的設計方案，形成培訓單位和培訓人員雙方靈活進行信息溝通的途徑。

在具體項目開發詳細設計環節，特色性結合企業提供智能化相干技術指導。在本文選擇的案例中為學習小組為方便用戶隨時隨地學習駕駛知識和交通法規，在移動端App的考試練習模塊中設計了順序練習和背題模式的在線學習功能。學習小組利用企業技術指導的智能算法，根據用戶練習的差異，設計適合本案例需求的易錯題推送功能。

(三) 實訓設計過程落實工程素質培養目的

經過項目實訓的鍛煉，學生小組在不同開發階段不斷變換各自的角色，不斷嘗試解決問題的途徑和方法，不僅從宏觀方面上深層地體會了工程任務的流程并體會到了從業的難度，也從具體設計方面，獲取到了設計經驗，發現并解決了一系列實際問題，有了進一步設計構想，為學生的創新創業打下了基礎。本文選擇的案例中學生小組設計系統成果如圖5所示。

圖5 案例學生小組創新成果軟件展示圖

對實訓課程進行過程化評價，突出強調教學過程的輸出而不是輸入。著重強調針對不同學習能力的學生不局限時間區間，通過不同途徑(設計軟件項目語言和技術框架)和方式(設計實現平臺)達到統一目標。

本課程的完成可以讓學生對軟件系統開發有一個整體認識，讓學生學習和體會到“互聯網+”創業中人工智能技術開發的方法，掌握軟件開發核心和熱門的開發技術，便于學生把在學校學過的基礎知識，如高級語言程序設計、數據結構、操作系統、數據庫應用、軟件項目管理、人工智能相關等課程知識進行融會貫通。

課程為實踐、理論與經驗相結合，通過實踐去理解本專業創業中技術開發原理和過程，并能從思想上以及代碼上領悟IT軟件開發的精髓和軟件工程制作流程。同時通過企業項目實例化實訓，達到實際問題具體分析的實踐效果。

五、結 語

(1) 研究結合工程智能化的高等教育發展趨勢，從工程智能化創新和OBE教學理念兩個角度展開對軟件項目實訓基礎課程的實踐教學探索。研究提出實踐教學改革的研究框架和主要內容，通過具體的實踐教學，形成符合“成果導向教育”理念的高等教育“新工科”實踐教學的新模式。

(2)研究結合實踐教學中具體的學生項目案例，分析了工程智能化導向的教學實踐對學生創新能力培養的重要性。結合實際項目的訓練，提升學生對工程化應用的設計理解，同時有意識引導學生自主選擇設計項目，提升學生對智能化創新理念的理解。