基于項目任務的信息系統課程設計與實踐研究

杜娟

關鍵詞：項目驅動；任務驅動；混合教學；信息系統；課程設計

0 引言

2017年，從“復旦共識”“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]。工程教育專業認證的理念也體現了培養學生解決復雜工程問題能力的重要性。復雜工程問題的本質是運用工程原理分析解決問題。工程原理是對數學、自然科學、工程知識、工程技術和技能的有目的性的應用[2]。信息系統綜合課程設計是信息工程專業的一門重要的專業實踐課。該綜合設計圍繞信息獲取及其應用過程所涉及的專業知識和能力，對于培養學生的創新精神和工程實踐能力具有不可替代的作用。然而，傳統的綜合課程設計存在一些問題，如教學內容較單一、教學設計脫離實際和教學方法落后等。這些問題限制了綜合課程設計的有效實施。

基于項目的教學法（Project-based Learning， PBL） 是指以一個項目為教學內容驅動學生學習的一種教學方式[3]。項目驅動教學能更好地幫助學生掌握完整的項目流程，從整體上培養學生的工程能力。任務驅動教學法以每一個任務去驅動學生學習對應的知識點，更牢固地掌握基礎知識。項目-任務驅動混合教學模式結合了項目教學法和任務驅動教學法的優勢，讓學生在掌握豐富的基礎知識的前提下，更切實地融入實際工程問題中去，在一步一步完成任務的過程中鍛煉工程實踐能力。在已有的項目-任務混合教學研究當中，針對教學法的研究較多，對于課程的研究較少[3]。因此將項目-任務驅動混合教學模式應用到信息系統綜合課程設計課程中是一個有益的探索。

1 課程教學中存在的不足

1.1 教學內容較單一

傳統的信息系統綜合課程設計的教學內容主要是基于“EDA技術”這門專業課的，側重利用硬件描述語言建模、設計和仿真。覆蓋面較窄，難以滿足培養學生解決復雜工程問題能力的需求。

1.2 教學設計脫離實際

綜合設計的課題偏理論化，缺乏與實際應用的結合。這導致學生難以理解課程內容，也無法將所學知識應用到實際工作中。另外，課題較為陳舊，缺少與社會發展需求密切相關的新技術[4]。

1.3 教學方法落后

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

2 基于項目-任務驅動的課程方案設計

2.1 明確課程目標

根據工程教育認證中信息工程專業的畢業要求，明確信息系統綜合課程設的課程目標如下：

課程目標1：能夠理解綜合設計的內容和要求，針對綜合設計題目所涉及的內容，結合傳感器技術和電子電路與系統的相關原理和知識進行文獻檢索，歸納總結綜合設計題目所涉及的信息獲取、傳輸等工程問題，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2：理解與分析設計題目，根據題目中的特定應用需求與指標，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、性能參數的選擇、電路設計與制作、軟硬件聯合調試方案等，設計出可行的實驗系統。

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

課程目標4：能夠使用現代化的工具軟件對具體的工程問題進行設計、調試、仿真及數據分析。

新的課程目標詳細具體地指出了對學生能力培養的要求，強調知識的應用和獨立思考能力，為課程實施提供了方向指引。

2.2 整合教學內容

根據課程目標，結合電子信息技術發展的新趨勢和新方向，將多門專業課的內容進行整合，選取無人機軟硬件系統設計與實現作為載體，培養學生解決復雜工程問題的能力和理論聯系實際的能力。

信息系統綜合課程設計在大三下學期開設，學生已經完成了高級語言程序設計、模擬電子技術、數字電子技術、通信原理、微處理器與接口技術、EDA技術和傳感器技術及應用等專業課程的學習，具備了設計和實現小型電路系統的理論知識。學生在綜合課程設計過程中將對應的理論知識應用于實際當中，融會貫通，并為后續課程如畢業設計等提供必要的支撐。

2.3 確定項目-任務

項目的選擇對實訓教學的順利實施至關重要。項目應具有實際意義，同時具有一定的復雜性和綜合性，實操難度要適中[5]。當前，無人機在生產生活各個領域都有廣泛的應用，無人機技術是一項涉及傳感器技術、通信技術、人工智能技術、圖像處理技術、模式識別和控制理論等多個技術領域的綜合技術，在硬件和軟件方面都有一定的復雜性，非常適合作為信息系統綜合課程設計的項目。

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

2.4 注重過程考核

學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，在指導老師協助下提出解決的方法。指導老師指明下周任務的關鍵技術問題并對每位學生本周表現進行評價。學生和教師可以根據反饋和總結情況對后續的方案和計劃進行進一步的改進和完善。

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

3 課程設計的實施

3.1 課程結構與教學方法

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

為了幫助沒有實際編程經驗的學生更快上手，針對每個子任務提供了相應例程。學生通過讀懂例程和修改例程獲取完成任務所需的理論知識和編程技巧，在此基礎上進行相關練習以及完成任務設計。以無人機項目為課程的主線，將課程知識點與系統代碼實例一一對應起來，使教學內容前后銜接更加融洽，讓學生學習起來更有連續性，在實踐編程中有整體性。

例如，對于遙控器按鍵控制程序，學生先學習已實現左右兩個方向微調功能的例程，然后自己修改例程，實現通過按鍵對前后左右4個方向進行微調的功能。學生在此過程中需要熟悉編程環境和編程語言，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議。出現錯誤時，能夠對錯誤進行分析和解釋，理解方案的局限性，并通過信息綜合得到合理有效的結論，進而培養解決復雜工程問題的能力。

3.2 課程的反饋與成果

信息系統綜合課程設計已在信息工程學院2019 級和2020級信息工程專業5個班共450名學生中開展。雖然學生之前有相關課程的知識儲備，但有一部分學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了基本的軟硬件功能，完成了項目任務。一個由學生設計實現的遙控器電路板如圖1 所示。

2020級電子信息工程3班和4班學生共89人在課程結束后填寫了調查問卷。認為“該課程對理解之前學習的理論知識非常有幫助”的占比80.9%。認為“任課教師的指導非常有效”和“比較有效”的共有70.8%。認為“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”的學生均超過90%。近80%的學生認為程度“非常大”或“比較大”地激發了學習積極性。將近一半的學生在學完該課程后，有信心獨立設計、實現和測試單片機電路系統。當然，也有22.5%的學生認為項目難度非常大，12.3%的學生覺得任務工作量非常大。其根本原因在于這部分學生實際項目經驗較少，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計、微處理器與接口技術和EDA技術中加入相關實踐內容來使學生提早得到適應。

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

4 結束語

本文對基于項目-任務驅動的信息系統綜合課程設計的教學進行了研究，并在信息工程專業的學生中實踐了相應的教學設計。通過整合多學科教學內容、選擇合適的項目并將之分解為多個子任務，將理論教學與實際工程項目相結合，本課程建立了一個新的實踐教學模式，強調以項目為基礎的實踐與理論知識相協調。課程參與者能夠獲得在電路、數據采集和處理系統以及電子學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生的主動學習意識、團隊協作能力和工程實踐能力，同時提高教學質量和學生學習效果。在信息工程專業教學中，具有較大的應用價值和推廣意義。