計算機(jī)專業(yè)綜合課程設(shè)計的探索與實踐

摘要:本文介紹了綜合課程設(shè)計的目的和當(dāng)前存在的問題，并結(jié)合作者多年的探索與實踐，指出解決問題的途徑和方法，實踐證明，上述措施提高了綜合課程設(shè)計的質(zhì)量，改善了研究性教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞:計算機(jī)專業(yè);綜合課程設(shè)計;研究性教學(xué)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，科技進(jìn)步和創(chuàng)新已經(jīng)作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的首要推動力量。社會對人才的要求也越來越高，培養(yǎng)懂技術(shù)、會思考、善于解決問題、勇于創(chuàng)新的本科生成為大學(xué)教育的重要目標(biāo)。而作為計算機(jī)專業(yè)重要的實踐性環(huán)節(jié)之一的綜合課程設(shè)計，對于學(xué)生完成從學(xué)習(xí)到靈活應(yīng)用知識，完成分析問題、解決問題和創(chuàng)新的飛躍，以及大四畢業(yè)設(shè)計高質(zhì)量的順利完成，都起著承上啟下的重要作用。

1計算機(jī)專業(yè)綜合課程設(shè)計的目的

計算機(jī)專業(yè)的本科生，通常在二年級和三年級開始綜合課程設(shè)計。綜合課程設(shè)計與傳統(tǒng)的課程實驗或課程設(shè)計培養(yǎng)目標(biāo)不盡相同[1-3]，通過綜合課程設(shè)計需要達(dá)到以下目標(biāo)。

首先，采用綜合課程設(shè)計來鞏固和加深學(xué)生對相關(guān)課程的基本知識理解和掌握，并拓展知識面，加強工程素質(zhì)培養(yǎng)。雖然很多計算機(jī)專業(yè)的課程在開設(shè)過程中，有配套的實驗或課程設(shè)計環(huán)節(jié)，但大部分實驗都針對課程較具體的某個環(huán)節(jié)或算法，課程設(shè)計也主要完成本課程的配套綜合實驗[2-3]。而綜合課程設(shè)計，一般是具有一定綜合性的題目，以提高學(xué)生綜合應(yīng)用和獨立設(shè)計能力為目的，所以它會涉及到多個知識點、多門課程或多個領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，需要學(xué)生對相關(guān)課程內(nèi)容靈活掌握，并拓展現(xiàn)有的知識面，才能較好解決實際問題。

其次，綜合課程設(shè)計能夠培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想與方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的工作作風(fēng)，也在一步步解決問題的過程中，樹立了學(xué)生解決問題的自信心。由于課程設(shè)計的綜合性，學(xué)生需要針對問題，仔細(xì)考慮解決問題的思路和過程，有計劃地實現(xiàn)每一個細(xì)節(jié)，從而逐步驗證所提出方法的可行性。同時，在實現(xiàn)的每個細(xì)節(jié)過程中，會涉及各種解決問題的工具和算法，而工具的應(yīng)用和算法的實現(xiàn)，可以提高學(xué)生的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力和基本工程素質(zhì)。

而且，綜合課程設(shè)計的實現(xiàn)過程，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和綜合處理信息的能力。這是因為很多問題的復(fù)雜性要求學(xué)生查閱大量資料，進(jìn)一步鍛煉他們從這些資料中獲取有用信息的能力。同時，在思考和解決問題的過程中，也會涌現(xiàn)很多創(chuàng)新性的想法，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

最后，在學(xué)生實現(xiàn)了既定的綜合課程設(shè)計題目后，課程設(shè)計報告也幫助學(xué)生掌握書寫綜合性文檔的能力。這些為學(xué)生高水平的完成大四畢業(yè)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

從以上分析可以看出，綜合課程設(shè)計環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)現(xiàn)代的、綜合能力強的、具有創(chuàng)新能力的大學(xué)生非常重要。然而，在實際的大學(xué)綜合課程設(shè)計中，也出現(xiàn)了一些問題。

2計算機(jī)專業(yè)課程設(shè)計的幾個問題

當(dāng)前的綜合課程設(shè)計一般由教師提出課程設(shè)計題目，然后學(xué)生被動接受教師的課程設(shè)計題目，并和教師進(jìn)行簡單的幾次溝通后就開始了課程設(shè)計。目前的課程設(shè)計很多是在課后完成，由于各種原因，教師和學(xué)生的交流時間和次數(shù)很有限。在這一過程中所反映出的問題如下:

首先，教師在課程設(shè)計中要為學(xué)生考慮綜合課程的題目，而這類題目的完成需要學(xué)生經(jīng)過一定的努力才能實現(xiàn)。通常每個教師一次要輔導(dǎo)幾個學(xué)生，每個學(xué)生的題目都不相同，所以教師每年都需花較多時間考慮綜合課程設(shè)計題目。學(xué)生被動接受這些題目，并不一定是他們的興趣和強項。同時，綜合課程設(shè)計題目往往有一定的實用背景，學(xué)生往往缺乏對題目背景的理解，而導(dǎo)致研究方向偏離。

其次，在綜合課程設(shè)計的過程中，學(xué)生所面對的指導(dǎo)教師經(jīng)常都是博士、教授，甚至是博導(dǎo)。很多學(xué)生擔(dān)心教師很忙，或自己問的問題過于簡單，受到教師的批評等，從而缺乏和教師交流的主動性。由于沒有解決問題的正確有效渠道，導(dǎo)致課程設(shè)計的質(zhì)量不高，或根本達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。

最后，在課程設(shè)計完成后，由于每個學(xué)生的研究題目都不相同，學(xué)生之間的工作無法做客觀比較，其工作量和工作完成情況都由指導(dǎo)教師評價，沒有統(tǒng)一的評價指標(biāo)，造成學(xué)生最終課程設(shè)計評分不盡客觀。而且每年學(xué)生課程設(shè)計的工作沒有延續(xù)性，后一屆學(xué)生和上一屆學(xué)生課程設(shè)計題目完全不同，即使相同也無法參考上一屆學(xué)生成功或失敗的經(jīng)驗。

針對綜合課程設(shè)計在實踐過程中的這些問題，我們提出基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成的綜合課程設(shè)計新型探究型學(xué)習(xí)環(huán)境，并以教師引導(dǎo)為輔和學(xué)生探究學(xué)習(xí)為主的新型教學(xué)活動。

3計算機(jī)專業(yè)課程設(shè)計的探索和實踐

根據(jù)上述綜合課程設(shè)計中的各類問題，結(jié)合作者的研究方向和教學(xué)實際情況，以實例說明綜合課程設(shè)計的新思路。

首先，教師選擇的綜合課程設(shè)計題目應(yīng)具有典型性、代表性，能夠涵蓋相關(guān)課程的眾多知識點，并且代表指導(dǎo)教師的專業(yè)方向，以及反映課程的重要內(nèi)容和學(xué)科方向。由于教師所帶課程一般和自己的專業(yè)方向?qū)?，這條一般可以做到。建議一位教師的綜合課程題目選擇3-6個，這些題目在一定時期內(nèi)基本不改變，并發(fā)布在WEB網(wǎng)頁上。所有學(xué)生可以在這些題目中選擇自己感興趣的方向，規(guī)避不同學(xué)生不同題目的傳統(tǒng)方法。例如，指導(dǎo)教師的研究方向為增強現(xiàn)實、計算機(jī)視覺和多媒體通訊，主要所帶課程為數(shù)字圖像處理。那么綜合課程設(shè)計題目選擇為:特征檢測和匹配、圖像壓縮算法研究和視頻壓縮算法研究等。這些題目都是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域很經(jīng)典的一些研究方向，同時也處在不斷發(fā)展的過程中，因此，這類題目的研究既有針對性和挑戰(zhàn)性，又有很好的延續(xù)性。

其次，綜合課程設(shè)計題目發(fā)布在網(wǎng)上的同時，指導(dǎo)教師需要對每個題目任務(wù)有一個概要描述，并且給出這項工作的工程意義，以及當(dāng)前這項工作所能達(dá)到的效果，從而使學(xué)生從總體上把握題目方向以及實現(xiàn)目標(biāo)。如針對特征檢測和匹配課程設(shè)計題目，需要學(xué)生編寫代碼檢測圖像中的顯著特征，并且完成與其他圖像的特征匹配。同時，這些特征需要是平移、旋轉(zhuǎn)、尺度和亮度不變量。教師提供測試圖像集，學(xué)生實現(xiàn)自己的算法，通過ROC曲線和AUC指標(biāo)評價算法性能，并根據(jù)不同圖像測試結(jié)果對學(xué)生排名。且進(jìn)一步給出該題目的研究和實現(xiàn)意義，即特征檢測和匹配結(jié)果可以幫助實現(xiàn)圖像拼接、計算基礎(chǔ)矩陣和場景重建等。

第三，指導(dǎo)教師前期對學(xué)生綜合課程設(shè)計的輔導(dǎo)，不僅僅是給出題目和題目內(nèi)容概要，更重要的是需給出解決問題的主要思路和方法。這樣使學(xué)生有的放矢，在統(tǒng)一的框架內(nèi)，驗證和開發(fā)各種算法。如針對上述特征檢測和匹配綜合課程設(shè)計題目一般需要三個步驟解決問題:(1)特征檢測。通過一定算法的實現(xiàn)能夠識別圖像中顯著的特征點，如利用Harris算法檢測角點。(2)特征描述。有了這些特征點后，需要定義以特征點為中心的局部描述子，這個描述子對平移、旋轉(zhuǎn)、尺度和亮度為不變量，從而可以比較不同圖像之間的描述子，實現(xiàn)特征的匹配。如通過一個小的窗口，利用差的絕對值比較，簡單實現(xiàn)此描述子，能夠檢測平移下的不變量。為了實現(xiàn)更一般情況的不變量描述子，需要定義更完善的描述子，如SIFT。(3)特征匹配。有了每幀圖像的特征描述子，就可以通過它匹配特征點。對于一幀圖像的每個特征，可以在其它圖像中找到對應(yīng)的匹配特征。這一部分主要設(shè)計如何測試不同圖像間的描述子。最簡單的辦法是通過計算描述子之間的距離，最小的距離則為匹配特征點。也可通過距離比方法，使用門限判斷匹配特征點。通過(1)～(3)步，基本給出了解決問題的總體思路框架，學(xué)生可以在這個框架下，使用各種現(xiàn)有的或創(chuàng)新的算法實現(xiàn)特征檢測和匹配。

第四，基于上述解決問題的整體思路框架，為了進(jìn)一步規(guī)范學(xué)生在大框架下的代碼開發(fā)，可以給出整體的代碼框架。指導(dǎo)教師定義框架下的大模塊，規(guī)范調(diào)用接口，并給出類或函數(shù)實現(xiàn)的功能。學(xué)生基于接口和功能要求，提出每個功能模塊的解決思路，甚至一些開創(chuàng)性的算法，并加以實現(xiàn)。這種規(guī)范的代碼框架提高了代碼的可讀性，為其他學(xué)生學(xué)習(xí)不同算法和代碼提供了方便，使整體綜合課程設(shè)計有好的延續(xù)性。

第五，在學(xué)生實現(xiàn)了所有綜合課程設(shè)計題目的算法后，指導(dǎo)教師必須仔細(xì)而明確地給出學(xué)生測試結(jié)果的指標(biāo)和方法。這個環(huán)節(jié)對于客觀準(zhǔn)確評價學(xué)生工作，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新和探究都非常重要。如在特征檢測和匹配中，要求學(xué)生使用指導(dǎo)教師提供的測試圖像集合和測試方法，給出ROC曲線，并計算ROC曲線下的面積和特征的正確匹配率等參數(shù)，從而所有學(xué)生都在統(tǒng)一的測試平臺和標(biāo)準(zhǔn)下評價算法的優(yōu)缺點，激發(fā)了學(xué)生對新算法探究。同時，要使學(xué)生能夠從感性上觸摸到課題內(nèi)容實質(zhì)，有一個較高的研究開發(fā)起點，教師可以在代碼框架下給出最基本的算法實現(xiàn)，學(xué)生們學(xué)習(xí)基本的算法，并將開發(fā)出的新算法與最基本的算法比較。

第六，為了鼓勵學(xué)生的探究學(xué)習(xí)，凡是提出更好的算法或?qū)崿F(xiàn)增強的功能，可以額外加分。如學(xué)生能夠證明自己的描述子是尺度或仿射不變量，通過統(tǒng)一測試平臺，測試的指標(biāo)好于教師所給出的指標(biāo);在不同圖像的特征匹配中實現(xiàn)了實時匹配等，那么學(xué)生都可以獲得額外的綜合課程設(shè)計加分。

最后，將每年學(xué)生的綜合課程設(shè)計結(jié)果、評測和得分全都發(fā)布在網(wǎng)上，并基于學(xué)生的測試結(jié)果給出綜合成績排名。該措施可以促使大家相互監(jiān)督，有效避免學(xué)生之間的抄襲，也保證了后續(xù)學(xué)生綜合課程設(shè)計的延續(xù)性，并在一定程度上提高了學(xué)生成績評定的客觀性和準(zhǔn)確性。

4結(jié)語

實踐證明，基于網(wǎng)絡(luò)的新型綜合課程設(shè)計環(huán)境，以及規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的綜合課程設(shè)計框架，可以避免學(xué)生在綜合課程設(shè)計中“孤身奮戰(zhàn)”，學(xué)生不但可以和教師交流，也可以和同項目組的學(xué)生做算法交流，還可以參閱以前學(xué)生的算法和實現(xiàn)結(jié)果，使學(xué)生們站在一個比較高的高度來分析問題和解決問題。這同傳統(tǒng)的被動接受指導(dǎo)教師的綜合課程設(shè)計題目并獨立完成完全不同，即學(xué)生往往因為對研究題目不感興趣，缺乏解決問題的渠道，或沒有一套客觀的結(jié)果評價指標(biāo)，從而降低對自己的要求，使總體綜合課程設(shè)計的質(zhì)量不高。

同時，在綜合課程設(shè)計中，教師給出項目的工程背景，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇適合自己的題目，并依據(jù)工程應(yīng)用背景衍生其它的研究和開發(fā)。比如很多學(xué)生選擇了特征檢測和匹配這個題目，在綜合課程設(shè)計完成后，又主動實現(xiàn)了和此題目相關(guān)的計算機(jī)視覺算法，并開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用程序如全景圖像拼接軟件等。這些不但提高了綜合課程設(shè)計水準(zhǔn)，也為畢業(yè)設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。

綜上，通過基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成開放的新型綜合課程設(shè)計探究學(xué)習(xí)環(huán)境，以及為綜合課程設(shè)計題目提供的解決問題框架、代碼框架和統(tǒng)一測試方法，學(xué)生們可以隨時借鑒、參閱已有成果，客觀評價自己算法。同時，也可以進(jìn)一步掌握科學(xué)分析問題、解決問題的方法和思路，提高自己的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的工作作風(fēng)。最后，此綜合課程設(shè)計的實施方案與當(dāng)前高等教育所提出的研究型教學(xué)思路相吻合，提高了教師的工作效率和學(xué)生綜合課程設(shè)計的質(zhì)量水平。

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Exploration and Practice on Integrative Course Design for Computer Science Major

SHEN Jie

(School of Computer Science and Engineering， University of Electronic Science and

Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract: In this paper， the purposes and problems of integrative course design are discussed. On the basis of exploration and practice， the methods for solving problems are put forward. Then the quality of integrative course design and the method of research-based teaching are improved.

Key words: computer science major; integrative course design; research-based teaching

(編輯:彭遠(yuǎn)紅)