歐陽元新 李超 劉睿 熊璋

學(xué)科建設(shè)與教學(xué)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(yè)工程本科生素質(zhì)培養(yǎng)需求和方法，提出結(jié)合學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)的實際進展，以虛擬課題實踐為主線，在加強學(xué)生團隊意識和集體精神培養(yǎng)的同時，加強創(chuàng)新意識的貫入，在高年級物聯(lián)網(wǎng)引論課程教學(xué)中進行教改實踐。

關(guān)鍵詞：本科生；工程素質(zhì)培養(yǎng)；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

作為重點院校的工科學(xué)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(yīng)用到實踐當中，發(fā)現(xiàn)二者相違背或者不相關(guān)，就需要再次驗證，是知識掌握得不好還是應(yīng)用不當，這就要求學(xué)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(jīng)驗。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機已經(jīng)深度融人到社會的各行各業(yè)，因此要求計算機專業(yè)的畢業(yè)生具有更強的動手能力和工程實踐能力。

1 計算機專業(yè)工程素質(zhì)培養(yǎng)方法研究

高等工程教育的基本要求是培養(yǎng)學(xué)生在相應(yīng)工程專業(yè)領(lǐng)域中從業(yè)的基本能力。自2008年開始，北航計算機學(xué)院工程研究中心受邀作為中國代表，參與美國國家科學(xué)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(lián)合培養(yǎng)，以及與跨國、跨地區(qū)高科技企業(yè)的密切合作，以適應(yīng)計算機產(chǎn)業(yè)的國際化發(fā)展趨勢。

在CPath計劃2009年的專題討論會上，來自企業(yè)的代表（如IBM、Google等知名跨國企業(yè)）在報告中提到，雖然他們接收的畢業(yè)生在專業(yè)基礎(chǔ)知識和編程能力方面平均水平都很高，但是他們在團隊協(xié)作、人際交流、工作思路和穩(wěn)定性、忠誠度等方面與企業(yè)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(nèi)存在的問題。根據(jù)我們在CPath計劃高校代表中的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于學(xué)生在工作思路和團隊訓(xùn)練方面的培養(yǎng)，大都僅限于軟件工程課的課程實踐和最終的本科畢業(yè)設(shè)計，且亞洲高校在本科畢設(shè)時更傾向于突出個人所需具備的科研能力，因此更強調(diào)獨立完成；部分歐美高校（如法國通用工程師培養(yǎng)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(yè)生在本科學(xué)習(xí)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(xié)議》組織成員國?！度A盛頓協(xié)議》是世界上最具影響力的國際本科工程學(xué)位互認協(xié)議，該協(xié)議主要針對國際上本科工程學(xué)歷（一般為4年）資格互認，確認由簽約成員認證的工程學(xué)歷實質(zhì)等效，并建議畢業(yè)于任一簽約成員認證課程的人員均應(yīng)被其他簽約國（地區(qū)）視為已獲得從事初級工程工作的學(xué)術(shù)資格。我國能順利加入《華盛頓協(xié)議》，與教育部于2006年正式啟動的工程教育專業(yè)認證試點工作密不可分。在《全國工程教育專業(yè)認證標準》中，與本專業(yè)工程素質(zhì)培養(yǎng)密切相關(guān)的要求包括如下。

（1）具有綜合運用所學(xué)科學(xué)理論和技術(shù)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(chǔ)知識以及本專業(yè)的基本理論、基本知識；受到本專業(yè)實驗技能、工程實踐、計算機應(yīng)用、科學(xué)研究與工程設(shè)計方法的基本訓(xùn)練，具有創(chuàng)新意識和對新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進行研究、開發(fā)和設(shè)計的初步能力。

（2）了解與本專業(yè)相關(guān)的職業(yè)和行業(yè)的生產(chǎn)、設(shè)計、研究與開發(fā)的法律、法規(guī)，熟悉環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等方面的方針、政策和法律、法規(guī)，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(fā)揮作用的能力。

針對上述要求，經(jīng)過與在讀本科學(xué)生、已走上工作崗位的畢業(yè)生和部分計算機相關(guān)用人單位的座談和討論，我們認為，計算機專業(yè)高年級本科生工程素質(zhì)培養(yǎng)當前需要重點解決以下問題：①畢業(yè)學(xué)生存在專業(yè)理論知識掌握有余而適應(yīng)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(cè)重于專業(yè)理論知識體系學(xué)習(xí)能力提高轉(zhuǎn)變到全面提升專業(yè)綜合實踐能力過程中缺乏足夠指導(dǎo)環(huán)節(jié)；③缺少多學(xué)科專業(yè)理論知識融會貫通的實踐環(huán)境，學(xué)生在校內(nèi)從事創(chuàng)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(jié)合學(xué)生對于計算機專業(yè)課程學(xué)習(xí)的實際進展，打造多學(xué)科綜合課程知識實踐環(huán)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(yǎng)，有針對性地進行個性化能力的發(fā)現(xiàn)和保護；③在實踐中加強創(chuàng)新意識，鼓勵精英式發(fā)展，提高學(xué)生的自信心和榮譽感。

2 培養(yǎng)方法實踐

2.1 課程定位

物聯(lián)網(wǎng)引論是在第6學(xué)期開設(shè)的專業(yè)方向課，課堂講授24課時，課外實踐8學(xué)時，自2011年至今已開設(shè)4輪次，選課學(xué)生累計近300人。前修課程為計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件工程基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，是全球范圍內(nèi)的重要發(fā)展方向?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)規(guī)劃發(fā)展綱要（2006-2020）》中曾明確指出：“重點開發(fā)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(shù)，發(fā)展低成本的傳感器網(wǎng)絡(luò)和實時信息處理系統(tǒng)，提供更方便、功能更強大的信息服務(wù)平臺和環(huán)境”。這是國家從戰(zhàn)略高度對物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)發(fā)展做出的部署。

物聯(lián)網(wǎng)是一個集成創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新并舉的領(lǐng)域，它將大量來自完全不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合在一起。本課程旨在通過對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程、支撐技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、規(guī)劃與實施以及開發(fā)實例的介紹，開闊學(xué)生的視野，促進他們從設(shè)計者的角度思索如何使用先進的技術(shù)手段，對各種生活中的需求進行分析和設(shè)計實現(xiàn)；同時希望他們能夠借此了解信息系統(tǒng)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(yīng)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(lián)網(wǎng)是一個與應(yīng)用緊密結(jié)合的領(lǐng)域，我們對學(xué)生提出能夠切實從生活中的需求出發(fā)，以小組的形式完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項目（即虛擬課題）選題、需求分析、概要設(shè)計（含界面設(shè)計）等應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)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(xué)生組成小組，合作完成選題、課堂展示、文檔撰寫；在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例介紹之后安排一次課堂展示，要求突出特色和關(guān)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(xué)擔任評委，選出有亮點的小組，給予適當加分。

大作業(yè)選題來自當前主要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，包括園區(qū)（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(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)，每個小方向不超過3個小組。選題結(jié)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(guī)格書”和50%的“概要設(shè)計報告”，期末結(jié)束前提交上述兩個文檔的修訂版以及對應(yīng)的“界面規(guī)格書”。

幫助學(xué)生理解文檔撰寫和維護是軟件研發(fā)過程管理中的重要部分，同時與軟件工程課程的教學(xué)重點形成互補，本課程實踐提供的大作業(yè)文檔模板是在參考了國內(nèi)外知名IT企業(yè)（如三星、中軟、方正等）文檔模板的基礎(chǔ)上，針對三年級本科生已掌握的課程內(nèi)容和自身特點設(shè)計定制的。在文檔撰寫和維護過程中，強調(diào)“文實一致”（文檔與系統(tǒng)一致）、“文文相符”（文檔之間自成體系，形成閉環(huán)）等更具有工程實踐特色的部分，相對弱化與業(yè)務(wù)流程關(guān)系不是很密切的部分，幫助學(xué)生把注意力集中在需要解決的業(yè)務(wù)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(lián)網(wǎng)

作為計算機專業(yè)（特別是高年級）的學(xué)生，面對已經(jīng)到來的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)革命，需要思考的更重要的問題已經(jīng)不僅僅是如何將“物”聯(lián)結(jié)到“網(wǎng)”上，而是所有的“物”都聯(lián)網(wǎng)后，我們能夠做什么以及如何付諸實現(xiàn)。工業(yè)和信息化部電信研究院2011年發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)白皮書中提到，物聯(lián)網(wǎng)的核心任務(wù)是信息和通信技術(shù)在各行各業(yè)的綜合應(yīng)用。因此，在課堂講授方面，我們力爭通過對物聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)的介紹和典型應(yīng)用案例的分析，幫助學(xué)生建立起所學(xué)的專業(yè)課和現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

在課上互動的過程中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對計算機工程實施方面的嚴謹要求和復(fù)雜挑戰(zhàn)缺少切身體會。為了讓他們更直觀地了解真正的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署過程，在進行技術(shù)總結(jié)和展望介紹時，我們安排對華為北京研究所等研發(fā)企業(yè)的參觀活動和科學(xué)技術(shù)部主辦跨國技術(shù)轉(zhuǎn)移大會等專場報告/討論會，大約有三分之二的學(xué)生參加了校外參觀/討論活動。

期末調(diào)查問卷數(shù)據(jù)顯示，85.48%的學(xué)生在企業(yè)參觀和學(xué)術(shù)討論之間，更傾向于選擇前者，主要原因是企業(yè)應(yīng)用更貼近實際，能夠更直觀地體會到如何將技術(shù)與實踐相結(jié)合，同時了解更多的企業(yè)文化和運作模式。以華為北研所參觀為例，返校后，學(xué)生普遍反映對大型企業(yè)從研發(fā)到測試所有環(huán)節(jié)的一絲不茍留下了深刻的印象，此外對課堂上所學(xué)知識如何演變成工業(yè)經(jīng)濟價值的過程有了更多的了解；而優(yōu)先選擇學(xué)術(shù)討論的學(xué)生則認為，能夠從相關(guān)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(yè)的過程管理，本課程參照信息系統(tǒng)工程實施過程，由任課教師擔任大作業(yè)“監(jiān)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(fā)進度安排、本周主要工作、下周工作重點、未按計劃執(zhí)行或變更原因等內(nèi)容。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)計聯(lián)絡(luò)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(shè)計報告0.1版。展示過程中要求突出特色和關(guān)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(xué)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(jīng)過修訂可以形成1.0版（即專家評審?fù)ㄟ^稿），概要設(shè)計報告和界面規(guī)格書在學(xué)期末統(tǒng)一提交。

根據(jù)期末對學(xué)生的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，35.2g%的同學(xué)認為周報是最難完成的部分，另有26.8g%的同學(xué)認為界面規(guī)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(yīng)用系統(tǒng)模塊間邏輯關(guān)系的。

3 實踐效果

本課程在考核方面，以小組大作業(yè)作為課程成績的主要評判依據(jù)，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(yè)方式對不主動的學(xué)生而言，可能會比較容易鉆空子，但還是很好地調(diào)動了大多數(shù)學(xué)生的積極性。在課堂展示環(huán)節(jié)中，能明顯感覺到很多學(xué)生在小組合作中充分發(fā)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(jīng)具備了一定的專業(yè)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(huán)節(jié)，有兩個小組的展示內(nèi)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(tǒng)”，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(huán)境，更形象地完成了系統(tǒng)展示說明；另一組選擇“快遞自助提取系統(tǒng)”的學(xué)生在進行需求分析時，向周圍的同學(xué)發(fā)放了上百份調(diào)查問卷并進行了數(shù)據(jù)分析，如圖l（b）（c）所示，為系統(tǒng)設(shè)計提供了事實依據(jù)。

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(huán)節(jié)會對每個學(xué)生針對系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計甚至市場應(yīng)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(yè)中；另一方面，在期末考題中設(shè)計與大作業(yè)相關(guān)的題目，如“請給出小組大作業(yè)中使用到的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及具體應(yīng)用方法”和“請結(jié)合大作業(yè)應(yīng)用背景，簡述可能存在的安全問題和相應(yīng)的對策”，因考試時間有限，沒有努力參與大作業(yè)的學(xué)生往往不能很好地回答。

4 結(jié)語

根據(jù)統(tǒng)計，北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院近年約40%的畢業(yè)生直接走上了工作崗位，約60%選擇繼續(xù)深造。對于畢業(yè)后直接參加工作的學(xué)生，如果在學(xué)校課程學(xué)習(xí)的同時能夠獲得更多的工程實踐經(jīng)驗，他們在進行角色轉(zhuǎn)換的時候就可以更成熟、更理智；而對于選擇繼續(xù)深造的學(xué)生，則能幫助他們在進行碩士和博士科研活動的時候更規(guī)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(nèi)容保留大班授課不變，將實踐部分的內(nèi)容以小班課的形式由課外轉(zhuǎn)到課內(nèi)，便于授課教師進一步深入到實踐的每個環(huán)節(jié)中。一方面為學(xué)生提供更直接的指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)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(xué)生之間的面對面指導(dǎo)放到課堂上，可以發(fā)動更多的學(xué)生參與討論，激發(fā)他們的競爭意識，更好地調(diào)動其積極性。