項目驅(qū)動的計算機專業(yè)實踐教學體系初探

摘 要：基于項目的教學與學習方式已經(jīng)被國內(nèi)外多所大學證明是提高大學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的有效途徑 文章介紹哈爾濱工業(yè)大學計算機科學與技術(shù)學院本科生培養(yǎng)中的專業(yè)實踐教學體系，闡釋其創(chuàng)新機制，提出將課內(nèi)學習與課外學習相結(jié)合，將軟硬件實踐課程相結(jié)合，形成貫穿4年本科教育的項目學習實踐教學體系和較為完善的過程管理方法，為高水平計算機專業(yè)人才培養(yǎng)作出有益嘗試；指出基于項目的學習對培養(yǎng)學生的主動學習意識、問題分析、問題求解以及綜合創(chuàng)新能力有重要意義

關(guān)鍵詞：項目學習；實踐課程體系；年度創(chuàng)新項目；創(chuàng)新實驗課；設(shè)計與實踐課

1 背 景

項目學習（PjBL，project based learning）的基本形式是以項目（組）形式完成一項或多項任務，設(shè)計并實現(xiàn)一個具體的作品，如計算機專業(yè)中的硬件設(shè)備或軟件系統(tǒng)等，并以書面或口頭的形式總結(jié)表達完成任務的過程及產(chǎn)出物。其主旨是讓學牛積極主動學習，完成知識體系的構(gòu)建，強調(diào)了教學過程中“做”的重要意義；既增強了學生的動手能力，又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識、項目設(shè)計的能力和團隊協(xié)作的精神。

國外一流大學非常強調(diào)基于項目的學習，如美國大學的“Gordon-MIT工程領(lǐng)導力培養(yǎng)計劃”、英國大學“基于項目的學習方式”、澳大利亞大學的“無邊界工程師培養(yǎng)計劃”等。以MIT為例，MIT所有工科專業(yè)的培養(yǎng)方案都包括以項目為基礎(chǔ)的學習課程，讓學生親自動手參與工程項口：大一學生不分專業(yè)，完成基礎(chǔ)課程，在這些課程中，有一部分工學院開設(shè)的項目課程，學生需要組成團隊，完成老師指定或者自選的項日，其目的主要是為了讓學生親自動手參與一些簡單的項目，培養(yǎng)他們對工程學科的興趣；大二到大四的學生每年至少有一門圍繞本專業(yè)基礎(chǔ)知識的項目課程，訓練學牛解決專業(yè)相關(guān)問題的能力。有的課程跨度為2-3個學期，學牛有充分的時間完成相對較大的工程項目。學生在完成本科四年的課程和實踐項目后，才能獲得工學學士學位。

2 計算機專業(yè)項目學習體系的創(chuàng)新機制

2008年，哈爾濱工業(yè)大學計算機科學與技術(shù)學院（以下簡稱計算機學院）開展了項目學習方而的研究、規(guī)劃、實施等工作。經(jīng)過多年的建設(shè)，學院已形成一個立體化、個方位的項目學習體系。它包括大一年度創(chuàng)新項同，大二、大三年級的專業(yè)設(shè)計項目課程，大四年級的畢業(yè)設(shè)計項目，再配合大學生創(chuàng)新科技項目、課程大作業(yè)練習、創(chuàng)新實驗課、研究實驗室科研項目、企業(yè)實習項目等，如圖1所示。

2.1 大一年度創(chuàng)新項目

大一年級的學生在知識儲備和實踐能力訓練上存在較大的欠缺，所以設(shè)置大一年度創(chuàng)新項目的日標并不是讓大一學生做出一個大型的完整項目，而是讓學生在具體的項目實踐中走一遍，提升興趣、積累經(jīng)驗、形成認識。具體來說，人一年度創(chuàng)新項曰的目標是：提升學生求知、探索新事物和從事科學研究的興趣；讓學生學會自主學習和問題求解，能夠觀察、思考和發(fā)現(xiàn)問題；培養(yǎng)學生搜集資料、查閱文獻的基本能力；引導學生進行團隊協(xié)作，培養(yǎng)其溝通交流及與人協(xié)作的能力。

在這樣的日標下，大一年度創(chuàng)新項目具有嚴格的、與科研項目類似的工作流程：申報立題一開題答辯一過程監(jiān)控和管理一中期檢查一驗收答辯。學生認真走完全過程就能熟悉和了解科研的基本方法。同時以項目為驅(qū)動可以培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣。在開題環(huán)節(jié)，學生自立題目、自由申報、自主選擇導師，培養(yǎng)自身觀察和發(fā)現(xiàn)問題的能力；開題答辯采取poster方式，張貼海報、茶話交流，師生共同評審投票，培養(yǎng)學生表達與自我推銷的能力；在項目工作過程中，依靠項目管理網(wǎng)站記錄項目進展和師生交流情況，讓學生體會工程實踐中的過程控制；中檢和驗收答辯采用的形式是檢查項目組進展和結(jié)果，要求書面和口頭報告，完成對學生自我總結(jié)和表達能力的訓練。

2.2 創(chuàng)新實驗課

設(shè)置創(chuàng)新實驗課的目的是將教師的科研、教學的最新成果，業(yè)界的前沿內(nèi)容（如移動計算、云操作系統(tǒng)等），引入到本科生課堂中，讓學生盡早接觸學科前沿。表1給出了計算機學院目前已經(jīng)開設(shè)的創(chuàng)新實驗課，從課程名稱可以看出，低功耗嵌入式系統(tǒng)、高級網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件、腦機接口等內(nèi)容都是目前業(yè)界的熱點領(lǐng)域。

以“低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”為例，教師首先需要明確給出設(shè)計項目的要求，如要實現(xiàn)如圖2所示的嵌入式板子；或者是由學生自主選題，實現(xiàn)一款自行設(shè)計的低功耗產(chǎn)品。教師可根據(jù)現(xiàn)實世界中常使用的設(shè)備，如iPad、MP3播放器等進行啟發(fā)設(shè)計，但必須要有明確的目標

在這個課程中，學生需要完成一個完整的系統(tǒng)，包括項目設(shè)想、方案設(shè)計（包括電路沒汁和軟件設(shè)計）、安裝和調(diào)試（包括制作電路板、焊接器件和調(diào)試電路）、測試和驗收等環(huán)節(jié)。

創(chuàng)新課程可以調(diào)動學生的興趣。學生通過選擇元器件，設(shè)計原理圖和制版圖，參與焊接、州試、組裝、生產(chǎn)工藝等，實現(xiàn)一款融入自己設(shè)計思想的低功耗產(chǎn)品，培養(yǎng)自身的動手能力和系統(tǒng)觀，將所學的多個知識點應用于一個實際的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中，實現(xiàn)了知識的有機融合。

2.3 設(shè)計與實踐類課程

計算機學院的設(shè)計與實踐課程主要包括硬件設(shè)計實踐和軟件設(shè)計實踐兩個部分，其中硬件設(shè)計實踐對應的課程是計算機設(shè)汁與實踐，在這個課程中，學生要設(shè)計計算機系統(tǒng)的主要部件（狀態(tài)機、元件例化、I/O接口與簡單的CPU設(shè)計，最基本支持LDA、STA、MOV、MVI、ADD、SUB、JZ、JMP、IN、OUT 10條指令），要培養(yǎng)學生的硬件系統(tǒng)設(shè)計能力以及硬件實現(xiàn)能力

軟件設(shè)計與實踐對應的課程有兩門，其中軟件設(shè)計與實踐I是針對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等應用級軟件的設(shè)計與實踐。在這個實踐課程中，要讓學生完成如“社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的建模、分析與信息擴散模擬”等大型的軟件類項目，項目實踐過程中涉及問題的抽象、綜合知識的應用、軟件實現(xiàn)等內(nèi)容。以社交網(wǎng)絡(luò)模擬為例，其涉及的問題抽象是如何將社交網(wǎng)絡(luò)抽象為圖，將社交網(wǎng)上的相關(guān)應用抽象為圖上的算法；這涉及圖論、大圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、擴散算法等相關(guān)知識的應用和實踐。軟件設(shè)計與實踐II是針對操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)級軟件的設(shè)計與實踐，如“小Linux上的鼠標驅(qū)動與圖形界面開發(fā)”項目涉及設(shè)備驅(qū)動、鼠標硬件、事件處理框架、圖形模式等，學生需要在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)中增加大型模塊。

設(shè)計與實踐類課程采取的教學管理方式也是項目式管理，即由“開題一平時討論一中期檢查一結(jié)題驗收一答辯”構(gòu)成，其中開題的核心是要明確方案和結(jié)題的目標；平時討論的核心是技術(shù)難點和下一步的工作計劃；結(jié)題驗收答辯的核心是驗收開題時的結(jié)題目標以及團隊合作情況。表2是軟件設(shè)計與實踐II課程的一個小組在課程教學過程中產(chǎn)生的一些中間結(jié)果，其中結(jié)題目標取自其開題報告；討論記錄記錄了該小組平時討論的主題和達成的共識；組員分工取自課程的結(jié)題驗收報告。

3 計算機專業(yè)項目學習體系的支撐平臺建設(shè)

為了支持高水平的項目式學習，計算機學院在實踐平臺建設(shè)等方面做了大量工作，取得了一定的成果。目前已經(jīng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)平臺、小區(qū)智能交通管理系統(tǒng)、類人形機器人等多個硬件嵌入式實踐平臺。同時在教學輔助軟件系統(tǒng)建設(shè)上實現(xiàn)了基于C/S結(jié)構(gòu)的“C語言編程題考試自動評分系統(tǒng)”，該系統(tǒng)獲得國家自然科學基金項目資助，目前已經(jīng)有包括國防科學技術(shù)大學、北京工業(yè)大學、北京郵電大學等在內(nèi)的119所院校免費申請試用；同時也實現(xiàn)了面向?qū)W生自主學習的作業(yè)在線測試系統(tǒng)，正在學校內(nèi)部使用。另外，計算機學院基于云計算理念，采用虛擬化與SDN等技術(shù)構(gòu)建了一個虛擬仿真實驗教學平臺，供學生以虛擬化的方式完成信息安全相關(guān)的課程實驗和自主實驗。

4 結(jié)語

計算機學院在項目學習的課程體系、教育管理體系、具體課程的實施過程管理與學生學習情況考核等方面邊實施邊探索，形成具有科學性、系統(tǒng)性、可實施性的、較為完整的人才培養(yǎng)體系。項目學習實施7年來，學院共畢業(yè)約1500名本科畢業(yè)生，以2012年為例，畢業(yè)本科生217人，其中出國深造16人，讀研84人（占總?cè)藬?shù)38.7%）。應就業(yè)人數(shù)117人，實際就業(yè)人數(shù)113人，一次就業(yè)率達到96.58%。在北京就業(yè)的39人，深圳21人，就業(yè)主要集中于大型企事業(yè)單位。畢業(yè)2-3年后，部分學生自主創(chuàng)業(yè)。多年的畢業(yè)生跟蹤調(diào)查表明，這些畢業(yè)生的專業(yè)能力和創(chuàng)新意識深受用人單位好評。筆者在此撰文分享哈工大計算機學院在人才培養(yǎng)方面所做的一些工作，希望能為本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系的設(shè)計者和實現(xiàn)者提供參考。