計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生工程素質(zhì)培養(yǎng)方法研究

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(hào)：1672-5913（2015）11-0050-04

中圖分類號(hào)：G642

摘要：分析計(jì)算機(jī)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(shí)際進(jìn)展，以虛擬課題實(shí)踐為主線，在加強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)和集體精神培養(yǎng)的同時(shí)，加強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)的貫入，在高年級(jí)物聯(lián)網(wǎng)引論課程教學(xué)中進(jìn)行教改實(shí)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(diǎn)院校的工科學(xué)生，只有理論知識(shí)還不夠，需要通過實(shí)踐來驗(yàn)證知識(shí)是否正確可行；如果把理論應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)二者相違背或者不相關(guān)，就需要再次驗(yàn)證，是知識(shí)掌握得不好還是應(yīng)用不當(dāng)，這就要求學(xué)生具有按實(shí)際要求把理論知識(shí)合理融合到工作中的能力，也就是我們常說的工作經(jīng)驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)深度融人到社會(huì)的各行各業(yè)，因此要求計(jì)算機(jī)專業(yè)的畢業(yè)生具有更強(qiáng)的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力。

1 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)學(xué)院工程研究中心受邀作為中國(guó)代表，參與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委支持的國(guó)際本科計(jì)算機(jī)教育研究計(jì)劃-CPath。該計(jì)劃旨在推動(dòng)國(guó)際計(jì)算機(jī)院系間的本科生聯(lián)合培養(yǎng)，以及與跨國(guó)、跨地區(qū)高科技企業(yè)的密切合作，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化發(fā)展趨勢(shì)。

在CPath計(jì)劃2009年的專題討論會(huì)上，來自企業(yè)的代表（如IBM、Google等知名跨國(guó)企業(yè)）在報(bào)告中提到，雖然他們接收的畢業(yè)生在專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和編程能力方面平均水平都很高，但是他們?cè)趫F(tuán)隊(duì)協(xié)作、人際交流、工作思路和穩(wěn)定性、忠誠(chéng)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(shí)踐方面的缺乏可以說是一個(gè)全球范圍內(nèi)存在的問題。根據(jù)我們?cè)贑Path計(jì)劃高校代表中的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于學(xué)生在工作思路和團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練方面的培養(yǎng)，大都僅限于軟件工程課的課程實(shí)踐和最終的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，且亞洲高校在本科畢設(shè)時(shí)更傾向于突出個(gè)人所需具備的科研能力，因此更強(qiáng)調(diào)獨(dú)立完成；部分歐美高校（如法國(guó)通用工程師培養(yǎng)模式）則鼓勵(lì)以小組或者合作的方式完成一個(gè)相對(duì)完整的課題。由此可以看出，我國(guó)的畢業(yè)生在本科學(xué)習(xí)階段所能得到的工程實(shí)踐機(jī)會(huì)非常有限。

2013年6月，我國(guó)正式成為《華盛頓協(xié)議》組織成員國(guó)?！度A盛頓協(xié)議》是世界上最具影響力的國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議，該協(xié)議主要針對(duì)國(guó)際上本科工程學(xué)歷（一般為4年）資格互認(rèn)，確認(rèn)由簽約成員認(rèn)證的工程學(xué)歷實(shí)質(zhì)等效，并建議畢業(yè)于任一簽約成員認(rèn)證課程的人員均應(yīng)被其他簽約國(guó)（地區(qū)）視為已獲得從事初級(jí)工程工作的學(xué)術(shù)資格。我國(guó)能順利加入《華盛頓協(xié)議》，與教育部于2006年正式啟動(dòng)的工程教育專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)工作密不可分。在《全國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》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(yùn)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(shí)以及本專業(yè)的基本理論、基本知識(shí)；受到本專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能、工程實(shí)踐、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法的基本訓(xùn)練，具有創(chuàng)新意識(shí)和對(duì)新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)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(jì)、研究與開發(fā)的法律、法規(guī)，熟悉環(huán)境保護(hù)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(rèn)識(shí)工程對(duì)于客觀世界和社會(huì)的影響。

（3）具有一定的組織管理能力、較強(qiáng)的表達(dá)能力和較強(qiáng)的人際交往能力，以及在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力。

針對(duì)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(jì)算機(jī)相關(guān)用人單位的座談和討論，我們認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生工程素質(zhì)培養(yǎng)當(dāng)前需要重點(diǎn)解決以下問題：①畢業(yè)學(xué)生存在專業(yè)理論知識(shí)掌握有余而適應(yīng)未來實(shí)際工作崗位需求變化能力不足，獨(dú)立解決問題自信心不足；②從側(cè)重于專業(yè)理論知識(shí)體系學(xué)習(xí)能力提高轉(zhuǎn)變到全面提升專業(yè)綜合實(shí)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(shí)融會(huì)貫通的實(shí)踐環(huán)境，學(xué)生在校內(nèi)從事創(chuàng)新活動(dòng)動(dòng)力不足。

我們從下列3個(gè)方面人手開展教改實(shí)踐：①結(jié)合學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的實(shí)際進(jìn)展，打造多學(xué)科綜合課程知識(shí)實(shí)踐環(huán)境，并探索可行的實(shí)踐方法；②加強(qiáng)基于虛擬課題的工程實(shí)踐團(tuán)隊(duì)意識(shí)和集體精神培養(yǎng)，有針對(duì)性地進(jìn)行個(gè)性化能力的發(fā)現(xiàn)和保護(hù)；③在實(shí)踐中加強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)精英式發(fā)展，提高學(xué)生的自信心和榮譽(yù)感。

2 培養(yǎng)方法實(shí)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(shí)，課外實(shí)踐8學(xué)時(shí)，自2011年至今已開設(shè)4輪次，選課學(xué)生累計(jì)近300人。前修課程為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)、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。《國(guó)家中長(zhǎng)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(diǎn)開發(fā)多種新型傳感器及先進(jìn)條碼自動(dòng)識(shí)別、射頻標(biāo)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(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)，提供更方便、功能更強(qiáng)大的信息服務(wù)平臺(tái)和環(huán)境”。這是國(guó)家從戰(zhàn)略高度對(duì)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(gè)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(duì)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(shí)施以及開發(fā)實(shí)例的介紹，開闊學(xué)生的視野，促進(jìn)他們從設(shè)計(jì)者的角度思索如何使用先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)各種生活中的需求進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)希望他們能夠借此了解信息系統(tǒng)工程化實(shí)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(shí)應(yīng)用到具體的工程實(shí)踐過程中去。

2.2 以虛擬課題為主線的課程實(shí)踐方案

由于物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)與應(yīng)用緊密結(jié)合的領(lǐng)域，我們對(duì)學(xué)生提出能夠切實(shí)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(xiàng)目（即虛擬課題）選題、需求分析、概要設(shè)計(jì)（含界面設(shè)計(jì)）等應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)基本步驟，讓他們對(duì)工程實(shí)踐的全過程有一個(gè)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(diǎn)，相同或相似選題方向的小組之間將進(jìn)行“PK”，由其他小組的同學(xué)擔(dān)任評(píng)委，選出有亮點(diǎn)的小組，給予適當(dāng)加分。

大作業(yè)選題來自當(dāng)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(shí)用到無線射頻識(shí)別和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)，每個(gè)小方向不超過3個(gè)小組。選題結(jié)束后，仿照實(shí)際工程實(shí)施方式，每個(gè)小組每周需提交進(jìn)展周報(bào)。課堂展示（相當(dāng)于工程實(shí)施中的需求評(píng)審）之前要求完成90%的“需求規(guī)格書”和50%的“概要設(shè)計(jì)報(bào)告”，期末結(jié)束前提交上述兩個(gè)文檔的修訂版以及對(duì)應(yīng)的“界面規(guī)格書”。

幫助學(xué)生理解文檔撰寫和維護(hù)是軟件研發(fā)過程管理中的重要部分，同時(shí)與軟件工程課程的教學(xué)重點(diǎn)形成互補(bǔ)，本課程實(shí)踐提供的大作業(yè)文檔模板是在參考了國(guó)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(duì)三年級(jí)本科生已掌握的課程內(nèi)容和自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)定制的。在文檔撰寫和維護(hù)過程中，強(qiáng)調(diào)“文實(shí)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(shí)踐特色的部分，相對(duì)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(jìn)他們思考得更深入、更細(xì)致。

2.3 教改實(shí)踐特色

2.3.1 走出課堂——換個(gè)視角看物聯(lián)網(wǎng)

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)（特別是高年級(jí)）的學(xué)生，面對(duì)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(shí)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(zhēng)通過對(duì)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(shí)應(yīng)用系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

在課上互動(dòng)的過程中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工程實(shí)施方面的嚴(yán)謹(jǐn)要求和復(fù)雜挑戰(zhàn)缺少切身體會(huì)。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(jìn)行技術(shù)總結(jié)和展望介紹時(shí)，我們安排對(duì)華為北京研究所等研發(fā)企業(yè)的參觀活動(dòng)和科學(xué)技術(shù)部主辦跨國(guó)技術(shù)轉(zhuǎn)移大會(huì)等專場(chǎng)報(bào)告/討論會(huì)，大約有三分之二的學(xué)生參加了校外參觀/討論活動(dòng)。

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(shí)際，能夠更直觀地體會(huì)到如何將技術(shù)與實(shí)踐相結(jié)合，同時(shí)了解更多的企業(yè)文化和運(yùn)作模式。以華為北研所參觀為例，返校后，學(xué)生普遍反映對(duì)大型企業(yè)從研發(fā)到測(cè)試所有環(huán)節(jié)的一絲不茍留下了深刻的印象，此外對(duì)課堂上所學(xué)知識(shí)如何演變成工業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)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(rèn)為，能夠從相關(guān)活動(dòng)中獲得更多的前沿知識(shí)。

2.3.2 課堂展示——模擬工程實(shí)施中的需求評(píng)審

為了增強(qiáng)真實(shí)感，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)大作業(yè)的過程管理，本課程參照信息系統(tǒng)工程實(shí)施過程，由任課教師擔(dān)任大作業(yè)“監(jiān)理”的角色。在完成選題之后，每個(gè)小組需要按時(shí)提交周報(bào)，其中包括整體開發(fā)進(jìn)度安排、本周主要工作、下周工作重點(diǎn)、未按計(jì)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(dāng)于工程實(shí)施過程中的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)和專家需求評(píng)審。課堂展示時(shí)，除了要準(zhǔn)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(jì)報(bào)告0.1版。展示過程中要求突出特色和關(guān)鍵點(diǎn)，相同或相似選題方向的小組之間將進(jìn)行“PK”，由其他小組的同學(xué)擔(dān)任評(píng)委，選出有亮點(diǎn)的小組，給予適當(dāng)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(píng)審?fù)ㄟ^稿），概要設(shè)計(jì)報(bào)告和界面規(guī)格書在學(xué)期末統(tǒng)一提交。

根據(jù)期末對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，35.2g%的同學(xué)認(rèn)為周報(bào)是最難完成的部分，另有26.8g%的同學(xué)認(rèn)為界面規(guī)格書最不容易，前者是最需要嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)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(shí)踐效果

本課程在考核方面，以小組大作業(yè)作為課程成績(jī)的主要評(píng)判依據(jù)，占總成績(jī)的40%；平時(shí)成績(jī)、綜述論文（或課外活動(dòng)感想）和期末考試各占20%。

客觀分析、自行組隊(duì)、自主選題、小組PK的大作業(yè)方式對(duì)不主動(dòng)的學(xué)生而言，可能會(huì)比較容易鉆空子，但還是很好地調(diào)動(dòng)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(zhǎng)，并且著實(shí)下了一番功夫。很多小組對(duì)敘述過程的掌控已經(jīng)具備了一定的專業(yè)水準(zhǔn)，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(shí)踐環(huán)節(jié)，有兩個(gè)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(chǎng)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(gè)可視化的停車場(chǎng)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(jìn)行需求分析時(shí)，向周圍的同學(xué)發(fā)放了上百份調(diào)查問卷并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，如圖l（b）（c）所示，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了事實(shí)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(huì)對(duì)每個(gè)學(xué)生針對(duì)系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)甚至市場(chǎng)應(yīng)用前景等提出形形色色的問題，督促他們更主動(dòng)地參與到小組實(shí)踐作業(yè)中；另一方面，在期末考題中設(shè)計(jì)與大作業(yè)相關(guān)的題目，如“請(qǐng)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(qǐng)結(jié)合大作業(yè)應(yīng)用背景，簡(jiǎn)述可能存在的安全問題和相應(yīng)的對(duì)策”，因考試時(shí)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(jì)，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)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(duì)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(shí)能夠獲得更多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，他們?cè)谶M(jìn)行角色轉(zhuǎn)換的時(shí)候就可以更成熟、更理智；而對(duì)于選擇繼續(xù)深造的學(xué)生，則能幫助他們?cè)谶M(jìn)行碩士和博士科研活動(dòng)的時(shí)候更規(guī)范、更嚴(yán)謹(jǐn)。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(shí)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(jìn)一步深入到實(shí)踐的每個(gè)環(huán)節(jié)中。一方面為學(xué)生提供更直接的指導(dǎo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)他們?cè)趯?shí)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(shí)。此外，將授課教師與學(xué)生之間的面對(duì)面指導(dǎo)放到課堂上，可以發(fā)動(dòng)更多的學(xué)生參與討論，激發(fā)他們的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，更好地調(diào)動(dòng)其積極性。