基于項目任務(wù)的信息系統(tǒng)課程設(shè)計與實踐研究

杜娟

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；任務(wù)驅(qū)動；混合教學(xué)；信息系統(tǒng)；課程設(shè)計

0 引言

2017年，從“復(fù)旦共識”“天大行動”到“北京指南”，教育部提出了新工科理念，對工科生的工程實踐能力提出了新的要求[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念也體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要性。復(fù)雜工程問題的本質(zhì)是運用工程原理分析解決問題。工程原理是對數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程知識、工程技術(shù)和技能的有目的性的應(yīng)用[2]。信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計是信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)實踐課。該綜合設(shè)計圍繞信息獲取及其應(yīng)用過程所涉及的專業(yè)知識和能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力具有不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的綜合課程設(shè)計存在一些問題，如教學(xué)內(nèi)容較單一、教學(xué)設(shè)計脫離實際和教學(xué)方法落后等。這些問題限制了綜合課程設(shè)計的有效實施。

基于項目的教學(xué)法（Project-based Learning， PBL） 是指以一個項目為教學(xué)內(nèi)容驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方式[3]。項目驅(qū)動教學(xué)能更好地幫助學(xué)生掌握完整的項目流程，從整體上培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法以每一個任務(wù)去驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)的知識點，更牢固地掌握基礎(chǔ)知識。項目-任務(wù)驅(qū)動混合教學(xué)模式結(jié)合了項目教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的優(yōu)勢，讓學(xué)生在掌握豐富的基礎(chǔ)知識的前提下，更切實地融入實際工程問題中去，在一步一步完成任務(wù)的過程中鍛煉工程實踐能力。在已有的項目-任務(wù)混合教學(xué)研究當(dāng)中，針對教學(xué)法的研究較多，對于課程的研究較少[3]。因此將項目-任務(wù)驅(qū)動混合教學(xué)模式應(yīng)用到信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計課程中是一個有益的探索。

1 課程教學(xué)中存在的不足

1.1 教學(xué)內(nèi)容較單一

傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容主要是基于“EDA技術(shù)”這門專業(yè)課的，側(cè)重利用硬件描述語言建模、設(shè)計和仿真。覆蓋面較窄，難以滿足培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的需求。

1.2 教學(xué)設(shè)計脫離實際

綜合設(shè)計的課題偏理論化，缺乏與實際應(yīng)用的結(jié)合。這導(dǎo)致學(xué)生難以理解課程內(nèi)容，也無法將所學(xué)知識應(yīng)用到實際工作中。另外，課題較為陳舊，缺少與社會發(fā)展需求密切相關(guān)的新技術(shù)[4]。

1.3 教學(xué)方法落后

傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計教學(xué)方法基本還是驗證性的，主要采取教師主導(dǎo)講授，學(xué)生被動接受的方式，學(xué)生只要按照指引進行就可以完成任務(wù)，缺乏創(chuàng)新性，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。課程設(shè)計進行過程中缺乏有效的反饋機制，學(xué)生無法及時了解自己的學(xué)習(xí)進度和成績。這使得學(xué)生難以對自己的學(xué)習(xí)進行評估和調(diào)整，也無法及時向老師請教問題。大多數(shù)學(xué)生在結(jié)束綜合課程設(shè)計之后并不能獨立完成一個工程項目，不具備相應(yīng)的工程實踐能力。

2 基于項目-任務(wù)驅(qū)動的課程方案設(shè)計

2.1 明確課程目標(biāo)

根據(jù)工程教育認(rèn)證中信息工程專業(yè)的畢業(yè)要求，明確信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)的課程目標(biāo)如下：

課程目標(biāo)1：能夠理解綜合設(shè)計的內(nèi)容和要求，針對綜合設(shè)計題目所涉及的內(nèi)容，結(jié)合傳感器技術(shù)和電子電路與系統(tǒng)的相關(guān)原理和知識進行文獻檢索，歸納總結(jié)綜合設(shè)計題目所涉及的信息獲取、傳輸?shù)裙こ虇栴}，并針對題目的要求做出項目功能分析與可行性分析。

課程目標(biāo)2：理解與分析設(shè)計題目，根據(jù)題目中的特定應(yīng)用需求與指標(biāo)，提出并比較分析較為可行的解決方案，包括CPU與傳感器類型的選型、性能參數(shù)的選擇、電路設(shè)計與制作、軟硬件聯(lián)合調(diào)試方案等，設(shè)計出可行的實驗系統(tǒng)。

課程目標(biāo)3：根據(jù)所制定的技術(shù)方案與實驗方案進行測試，并對實驗結(jié)果進行分析與解釋，總結(jié)實驗效果，分析實驗不足之處并提出改正措施。

課程目標(biāo)4：能夠使用現(xiàn)代化的工具軟件對具體的工程問題進行設(shè)計、調(diào)試、仿真及數(shù)據(jù)分析。

新的課程目標(biāo)詳細(xì)具體地指出了對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求，強調(diào)知識的應(yīng)用和獨立思考能力，為課程實施提供了方向指引。

2.2 整合教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程目標(biāo)，結(jié)合電子信息技術(shù)發(fā)展的新趨勢和新方向，將多門專業(yè)課的內(nèi)容進行整合，選取無人機軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)作為載體，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和理論聯(lián)系實際的能力。

信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計在大三下學(xué)期開設(shè)，學(xué)生已經(jīng)完成了高級語言程序設(shè)計、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、通信原理、微處理器與接口技術(shù)、EDA技術(shù)和傳感器技術(shù)及應(yīng)用等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，具備了設(shè)計和實現(xiàn)小型電路系統(tǒng)的理論知識。學(xué)生在綜合課程設(shè)計過程中將對應(yīng)的理論知識應(yīng)用于實際當(dāng)中，融會貫通，并為后續(xù)課程如畢業(yè)設(shè)計等提供必要的支撐。

2.3 確定項目-任務(wù)

項目的選擇對實訓(xùn)教學(xué)的順利實施至關(guān)重要。項目應(yīng)具有實際意義，同時具有一定的復(fù)雜性和綜合性，實操難度要適中[5]。當(dāng)前，無人機在生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，無人機技術(shù)是一項涉及傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模式識別和控制理論等多個技術(shù)領(lǐng)域的綜合技術(shù)，在硬件和軟件方面都有一定的復(fù)雜性，非常適合作為信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計的項目。

將無人機項目分解為飛行控制器設(shè)計、遙控器設(shè)計和地面站設(shè)計三個子任務(wù)，每個子任務(wù)都具有明確的目標(biāo)和要求。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力選擇一個或多個子任務(wù)進行研究和實踐。學(xué)生根據(jù)子任務(wù)的要求，組成相應(yīng)的團隊，進行協(xié)作研究和實踐。團隊成員之間相互支持、交流和合作，共同完成任務(wù)。

2.4 注重過程考核

學(xué)生課程考核成績由小組討論（30%） 、課程報告（50%） 和最終答辯（20%） 共同組成。

課程設(shè)計期間每周固定時間進行小組討論，匯報本周工作進展，分析遇到的問題，在指導(dǎo)老師協(xié)助下提出解決的方法。指導(dǎo)老師指明下周任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)問題并對每位學(xué)生本周表現(xiàn)進行評價。學(xué)生和教師可以根據(jù)反饋和總結(jié)情況對后續(xù)的方案和計劃進行進一步的改進和完善。

學(xué)生完成項目后，進行公開的實物成果展示，并回答指導(dǎo)老師提出的問題。同時提交課程報告。

3 課程設(shè)計的實施

3.1 課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)方法

課程包括每周的集中講解、實操課程和小組討論。集中講解由指導(dǎo)老師講解無人機軟硬件的基本概念和理論，并發(fā)布每周任務(wù)進度。每周的實操課程為學(xué)生提供實踐學(xué)習(xí)機會，在三人小組中工作，應(yīng)用在課堂上學(xué)到的課程知識解決實際問題，完成任務(wù)目標(biāo)。每個子任務(wù)分為6個相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)模塊，按時間順序如表1所示。每周一次的小組討論在組內(nèi)成員間進行，每個成員匯報任務(wù)進展，討論工作配合情況，針對出現(xiàn)的問題在指導(dǎo)老師引導(dǎo)下提出解決方案。

為了幫助沒有實際編程經(jīng)驗的學(xué)生更快上手，針對每個子任務(wù)提供了相應(yīng)例程。學(xué)生通過讀懂例程和修改例程獲取完成任務(wù)所需的理論知識和編程技巧，在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)練習(xí)以及完成任務(wù)設(shè)計。以無人機項目為課程的主線，將課程知識點與系統(tǒng)代碼實例一一對應(yīng)起來，使教學(xué)內(nèi)容前后銜接更加融洽，讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來更有連續(xù)性，在實踐編程中有整體性。

例如，對于遙控器按鍵控制程序，學(xué)生先學(xué)習(xí)已實現(xiàn)左右兩個方向微調(diào)功能的例程，然后自己修改例程，實現(xiàn)通過按鍵對前后左右4個方向進行微調(diào)的功能。學(xué)生在此過程中需要熟悉編程環(huán)境和編程語言，理解按鍵工作原理，掌握遙控器和飛行控制器之間的通信協(xié)議。出現(xiàn)錯誤時，能夠?qū)﹀e誤進行分析和解釋，理解方案的局限性，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論，進而培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2 課程的反饋與成果

信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計已在信息工程學(xué)院2019 級和2020級信息工程專業(yè)5個班共450名學(xué)生中開展。雖然學(xué)生之前有相關(guān)課程的知識儲備，但有一部分學(xué)生的實際操作技能仍顯不足。盡管如此，所有小組都成功地實現(xiàn)了基本的軟硬件功能，完成了項目任務(wù)。一個由學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)的遙控器電路板如圖1 所示。

2020級電子信息工程3班和4班學(xué)生共89人在課程結(jié)束后填寫了調(diào)查問卷。認(rèn)為“該課程對理解之前學(xué)習(xí)的理論知識非常有幫助”的占比80.9%。認(rèn)為“任課教師的指導(dǎo)非常有效”和“比較有效”的共有70.8%。認(rèn)為“課程的項目非常貼近實際”和“比較貼近實際”的共占89.9%。認(rèn)為“對提高軟件編程能力非常有幫助”和“對提高文獻檢索能力非常有幫助”的學(xué)生均超過90%。近80%的學(xué)生認(rèn)為程度“非常大”或“比較大”地激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性。將近一半的學(xué)生在學(xué)完該課程后，有信心獨立設(shè)計、實現(xiàn)和測試單片機電路系統(tǒng)。當(dāng)然，也有22.5%的學(xué)生認(rèn)為項目難度非常大，12.3%的學(xué)生覺得任務(wù)工作量非常大。其根本原因在于這部分學(xué)生實際項目經(jīng)驗較少，面對實際的工程問題一時難以找到有效的解決辦法。可以通過在前面的課程如高級語言程序設(shè)計、微處理器與接口技術(shù)和EDA技術(shù)中加入相關(guān)實踐內(nèi)容來使學(xué)生提早得到適應(yīng)。

部分2020級學(xué)生還在學(xué)院組織下參加了2023年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，有課程設(shè)計項目無人機軟硬件設(shè)計作為基礎(chǔ)，取得了一個國家一等獎、三個省二等獎的好成績。

4 結(jié)束語

本文對基于項目-任務(wù)驅(qū)動的信息系統(tǒng)綜合課程設(shè)計的教學(xué)進行了研究，并在信息工程專業(yè)的學(xué)生中實踐了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計。通過整合多學(xué)科教學(xué)內(nèi)容、選擇合適的項目并將之分解為多個子任務(wù)，將理論教學(xué)與實際工程項目相結(jié)合，本課程建立了一個新的實踐教學(xué)模式，強調(diào)以項目為基礎(chǔ)的實踐與理論知識相協(xié)調(diào)。課程參與者能夠獲得在電路、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及電子學(xué)方面的理論知識和實踐能力。客觀評價和主觀評價兩方面都表明該模式能夠提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識、團隊協(xié)作能力和工程實踐能力，同時提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。在信息工程專業(yè)教學(xué)中，具有較大的應(yīng)用價值和推廣意義。