姜瑛 丁家滿 賈連印 江虹滿 賈連印 江虹

摘 要：工程教育認證標準中對“復雜工程問題解決能力”提出了明確要求。以培養(yǎng)復雜工程問題解決能力為目的，分析了昆明理工大學計算機類專業(yè)綜合課程設計面臨的挑戰(zhàn)。依據(jù)工程教育認證標準，開展計算機類專業(yè)綜合課程設計的教學模式與考核評價工作。教學實踐表明，學生學習的主動性和積極性有所提高，動手和實踐能力得到加強，解決復雜工程問題的能力得到提升。分析了存在的問題，提出了相關改進措施。

關鍵詞：計算機類專業(yè);綜合課程設計;復雜工程能力;教學模式;工程教育

DOI：10. 11907/rjdk. 191980 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0244-05

英標：Teaching Mode Research of Comprehensive Course Design Oriented to the Ability Training to Solve Complex Engineering Problems

英作：JIANG Ying， DING Jia-man， JIA Lian-yin， JIANG Hong

英單：（Faculty of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： In the standard of engineering education certification， the requirements are proposed for the ability to solve complex engineering problems. Aiming at training the ability to solve complex engineering problems， this paper analyses the challenges faced by the comprehensive course design of computer specialties in Kunming University of Science and Technology. Based on the standard of engineering education certification， the teaching mode and assessment of the comprehensive course design for computer specialties are discussed. The teaching practice shows that students learning initiative and enthusiasm have been improved， their practical skills have been honed， and their ability to solve complex engineering problems has also been improved. Finally， the existing problems are analyzed and the relevant improvements are presented.

Key Words： computer specialties; comprehensive course design; complex engineering ability; teaching mode; engineering education

0 引言

工程教育認證的實施，極大推動了本科生教育質量的提高。工程教育認證是一項復雜的系統(tǒng)工程，涵蓋內容非常廣，核心是提高學生“復雜工程問題解決能力”。學生要能夠靈活、綜合、創(chuàng)造性地運用所學，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力 [1]。

針對復雜工程能力培養(yǎng)問題，學者進行了相應的教學方法研究：文獻[2]提出在復雜工程問題能力培養(yǎng)課程目標基礎上，采用半開放式項目驅動教學方法設計軟件與編程實踐課程，重點解決復雜問題分析、設計/開發(fā)方案評價、現(xiàn)代工具使用、工程與社會、個人與團隊、溝通與表達、創(chuàng)新意識和能力欠缺等問題;文獻[3]面向復雜工程和系統(tǒng)編譯原理課程改革，探討教學方法、教學內容、考核模式等的適用條件和有效性，提出提高人才培養(yǎng)質量的思路和建議，對具體實施情況和效果進行了討論和分析;文獻[4]從系統(tǒng)設計類課程層面培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力，并在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計課程中進行了教學實踐，在借鑒開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件功能基礎上，以小組和團隊協(xié)作方式，分析、設計與實現(xiàn)一個原型軟件;文獻[5]將工程教育專業(yè)認證中的畢業(yè)要求、關注點與“計算機科學導論”課程的基礎概念和案例綁定在一起，從控制復雜問題的角度探討學生應掌握的課程內容，針對不同計算思維能力采用“低地板，高天花板”原則進行教學;文獻[6]針對當前計算機實驗室普遍存在的資源共享和開放性不足問題，提出通過“云+端”方式及多層遞進思想構建計算機實踐教學平臺，提供開放式實踐教學環(huán)境，更好地培養(yǎng)具有解決復雜工程問題能力的創(chuàng)新型計算機人才。

為滿足“解決復雜工程問題的能力”要求，應該以工程技術為主線，持續(xù)提高學生的實踐能力，要求學生從學習書本知識轉變?yōu)榻鉀Q實際問題[7]。作為計算機類專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，綜合課程設計是提升本科生綜合能力的重要環(huán)節(jié)。因此，提高綜合課程設計質量，將綜合課程設計題目瞄準復雜工程問題，實施全過程監(jiān)控，能在一定程度上提高學生解決復雜工程問題的能力。本文基于現(xiàn)有研究，針對昆明理工大學計算機類專業(yè)綜合課程設計面臨的挑戰(zhàn)，依據(jù)工程教育認證標準，重新修訂了綜合課程設計的教學大綱，建立了明確系統(tǒng)目標、設計系統(tǒng)方案、論證及優(yōu)化系統(tǒng)方案、選用工具及搭建環(huán)境、依據(jù)設計方案實現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測試及結果分析、系統(tǒng)優(yōu)化與改進在內的完整實踐環(huán)節(jié)，并在過程管理基礎上構建多維度的考核評價。

1 綜合課程設計能力培養(yǎng)要求

昆明理工大學信息工程與自動化學院計算機系自1985年開始招收四年制本科生，有計算機科學與技術、物聯(lián)網工程、軟件工程、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術等計算機類專業(yè)。計算機類專業(yè)均有綜合課程設計，共60學時，屬于應用實踐訓練課程，是對學生專業(yè)素養(yǎng)和技能進行培養(yǎng)與訓練的必要實踐環(huán)節(jié)。目的是將相關課程知識應用、技能掌握、系統(tǒng)體驗、經驗積累等方面有機結合，獲得系統(tǒng)化、科學化、工程化的開發(fā)體驗，培養(yǎng)和提高學生團隊協(xié)作能力、工程實踐能力。

在計算機科學與技術專業(yè)綜合課程設計教學過程中發(fā)現(xiàn)，大部分學生雖然掌握了相關基本理論知識，但未能很好地進行綜合課程實踐，表現(xiàn)出來的問題主要包括：①在實踐環(huán)節(jié)動手能力差，面對實踐要求不知道該如何入手;②無法較好地將理論聯(lián)系實際。針對以上問題，提出基于軟件復用的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學方式，并進行了相關實踐[8]。

2017年昆明理工大學計算機科學與技術專業(yè)通過工程教育專業(yè)認證。按照工程教育認證要求重新修訂了綜合課程設計的教學大綱，將課程設計主要目標設定為：通過解決具有復雜程度的實際問題，鞏固和加深軟件工程、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理、面向對象建模技術等課程的理論知識和實際應用能力;通過課程設計訓練，基本掌握系統(tǒng)定義、技術路線與工具選擇、需求分析建模、軟件體系結構設計、界面設計、數(shù)據(jù)庫設計、編碼實現(xiàn)、系統(tǒng)測試、運行維護等基本技能和技巧;熟悉系統(tǒng)開發(fā)規(guī)范，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，為以后從事生產和科研工作打下基礎。

綜合課程設計對專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的支撐如表1所示。

2 教學模式

根據(jù)計算機類專業(yè)課程設計教學實踐及工程教育認證相關要求，筆者學校對綜合課程設計的教學方式進行了完善，逐步構建起面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式，從理論、實踐等方面加強對學生的指導。形成包含明確系統(tǒng)目標、設計系統(tǒng)方案、論證及優(yōu)化系統(tǒng)方案、選用工具及搭建環(huán)境、依據(jù)設計方案實現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測試及結果分析、系統(tǒng)優(yōu)化與改進在內的實踐環(huán)節(jié)，對所有環(huán)節(jié)的內容、目標及教學方式均給出了具體說明。

面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式如圖1所示。

2.1 培養(yǎng)內容

在計算機類專業(yè)綜合課程設計中，為避免學生的畏難情緒，以及考慮部分學生協(xié)作能力差等問題，建議學生自由分組，大于2人的項目組在選題后對每個成員的工作量進行考核。此外，在系統(tǒng)實現(xiàn)方式上未作限制，鼓勵學生根據(jù)自己的特長選擇熟練的開發(fā)平臺和感興趣的內容，但對系統(tǒng)難度有要求，不建議開發(fā)簡單系統(tǒng)。學生可任意選擇一種適宜的開發(fā)模型，例如快速原型模型、敏捷模型等，完成項目開發(fā)。

在面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式中，針對復雜工程問題的主要特征，除完成系統(tǒng)開發(fā)外，還需重點關注以下內容：

（1）查閱文獻，綜合運用各類知識?；趯W生在軟件工程課程的理論學習中學過軟件復用、軟件協(xié)同開發(fā)、增量開發(fā)的思想及途徑，在綜合課程設計的第1節(jié)課上說明課程設計要達到的目標，介紹系統(tǒng)需求分析、設計、實現(xiàn)及測試各階段可能產生的成果，引導學生查閱文獻，綜合運用各類知識開展課程設計。

（2）對各方利益不完全一致問題進行協(xié)商。在設計系統(tǒng)方案時，可能涉及多方面的技術、工程和其它因素，并可能相互間有沖突。組織學生討論方案中的相關因素，讓學生學會選擇、折中、借鑒和綜合，學習從全局考慮問題。

（3）深入運用工程原理，經過分析找到問題解決方案。在系統(tǒng)分析和設計中，引導學生積極思考，在實踐中加強對相關知識的理解，更好地掌握相關思想和方法。通過深入運用工程原理，分析找到復雜問題的解決方案，將理論較好地應用于實踐。

（4）建立模型，體現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新意識。啟發(fā)學生應用數(shù)學和自然科學、專業(yè)基礎學科、專業(yè)課程學到的基礎知識、核心思想、相關技術和方法，在系統(tǒng)開發(fā)中靈活、綜合、創(chuàng)造性地運用所學知識，通過抽象選擇或建立相應模型，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。

（5）與同行進行有效的溝通交流。為提高溝通和交流能力，要求學生能夠分析并處理教師、項目組成員、組外同學對系統(tǒng)的建議，在階段檢查中匯報課程設計工作并撰寫規(guī)范報告。

2.2 培養(yǎng)環(huán)節(jié)

（1）文檔撰寫。文檔是系統(tǒng)工程實踐的重要內容。通過在綜合課程設計中的示例講解，讓學生理解需求分析、設計、實現(xiàn)、測試各階段文檔撰寫的規(guī)范和要求，并將文檔質量作為綜合課程設計成績評價的內容之一。

（2）過程管理。在分析、設計、實現(xiàn)、測試等階段結束時進行項目檢查和匯報，項目組需要說明系統(tǒng)開發(fā)情況，實現(xiàn)“班級項目管理”，即任課教師作為班級中各項目組的負責人，參與到項目管理過程中，確保項目組成員各司其職、項目順利進行。針對階段檢查中發(fā)現(xiàn)的問題，通過問題跟蹤及解決環(huán)節(jié)，訓練學生解決問題及協(xié)作交流能力。課程設計結束時由各項目組演示系統(tǒng)，總結、交流開發(fā)中存在的問題及相關收獲。通過以上措施，帶動項目組內及組間討論與交流，通過交流強化學生的團隊精神和協(xié)作能力。

（3）多維度評價。為有針對性地教學，避免學習效果出現(xiàn)兩極分化，使每個學生都能投入到綜合課程設計中并有所收獲，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性，使用多維度評價方法對綜合課程設計進行評價。

3 多維度評價方法

計算機類專業(yè)綜合課程設計的實踐過程以學生為主、教師為輔。作為檢驗學習效果的重要環(huán)節(jié)，綜合課程設計考核與評價體現(xiàn)了學生對相關專業(yè)知識的理解、掌握與運用程度。通過對綜合課程設計進行評價，了解學生實踐進度，有助于調整綜合課程設計內容和過程，提高實踐效果。

為了讓綜合課程設計評價能夠有效支撐教學，提出有針對性的分級評價、過程評價與結果評價相結合的多維度評價方法。

（1）分級評價。針對系統(tǒng)選題的復雜程度，按照正常、復雜、較復雜、相當復雜4個層次對學生的項目完成情況進行評價，對應及格、中、良、優(yōu)4類成績，如表2所示。

表2中“正?！敝笇W生可以直接運用現(xiàn)有方法或模型完成一個工作量適中的系統(tǒng)。

分級評價可以區(qū)分不同能力的學生在綜合課程設計中的成績等級。要求能力弱的學生必須運用所學知識完成系統(tǒng)實踐，鼓勵有能力的學生選擇有難度、工作量大的系統(tǒng)實踐，并盡可能創(chuàng)新，以便達到讓所有學生都能提高實踐能力的目的。

（2）綜合過程評價與結果評價。面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式針對課程設計過程中的關鍵階段和環(huán)節(jié)制定過程評價與結果評價內容，包括出勤、階段檢查、系統(tǒng)選題復雜程度、其他人員評價、課程設計報告等，并根據(jù)教學實踐定義相關評價指標和子指標比例。計算機類專業(yè)綜合課程設計評價指標體系如表3所示。

通過將分級評價、過程評價與結果評價相結合，可以了解學生的學習實踐情況和知識掌握程度，按需調整綜合課程設計的進度和形式。

4 教學實踐及效果

采用面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式，在2012級物聯(lián)網工程專業(yè)、2013級計算機科學與技術專業(yè)、2015級軟件工程專業(yè)進行實踐和應用。針對78名學生、75個項目組的實踐結果，從系統(tǒng)選題、開發(fā)方式、開發(fā)結果等方面進行總結。

（1）系統(tǒng)選題。各項目組選題來源主要是自行選題和從教師提供的題目列表中選題。其中，系統(tǒng)選題復雜程度統(tǒng)計如表4所示。

從表4可以看出，大多數(shù)項目組選擇復雜問題進行課程設計，少數(shù)能力較弱的項目組選擇正常難度題目完成系統(tǒng)實踐。每次綜合課程設計的選題會出現(xiàn)一定共性，例如APP游戲、信息管理類項目等。在匯報需求后，教師根據(jù)系統(tǒng)選題復雜程度要求各組明確區(qū)分系統(tǒng)范圍。

（2）開發(fā)方式。60學時的綜合課程設計要求在3周內完成，各項目組采用的開發(fā)方式如表5所示。

從表5可以看出，項目組愿意采用能夠快速迭代的軟件開發(fā)模型，遵循從簡單到復雜、從小規(guī)模到大規(guī)模的循序遞進原則，不斷完善系統(tǒng)功能。

（3）開發(fā)結果。系統(tǒng)開發(fā)結果統(tǒng)計如表6所示。

統(tǒng)計開發(fā)結果顯示，5%左右的項目組沒有完全實現(xiàn)系統(tǒng)，不能正常運行，但項目組成員能解釋核心代碼的含義及作用，未實現(xiàn)的主要原因是學生前期基礎較差，對程序調試中遇到的問題需要花費大量時間去解決，導致完整系統(tǒng)無法正常運行，只實現(xiàn)了核心功能。

在應用面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式后，學生學習的主動性和積極性有所提高，動手和實踐能力得到一定加強，解決復雜工程問題的能力也得到提升。通過多維度評價方法對學生進行跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，學生的學習能力在完成綜合課程設計后都有一定提升，大部分學生可以應用已學的相關理論和知識開發(fā)有一定難度的系統(tǒng)，部分學生在知識綜合運用和解決復雜工程問題方面表現(xiàn)出色。

5 結語

面向復雜工程能力培養(yǎng)的計算機類專業(yè)綜合課程設計教學模式雖在一定程度上改進了教學效果，但仍然存在一些問題，如課程前期基礎較差的學生，在綜合課程設計選題時仍偏向簡單的題目，在實踐過程中較容易遇到難以解決的問題。后續(xù)將從培養(yǎng)體系入手，將綜合課程設計中解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)與其它環(huán)節(jié)關聯(lián)起來，結合理論教學和工程實際，借助慕課等教學方式，進一步提升學生各方面的能力。

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（責任編輯：杜能鋼）