新工科創(chuàng)新理念的計算機(jī)基礎(chǔ)實訓(xùn)案例設(shè)計

崔舒寧，桂小林，吳 寧，薄鈞戈，齊 琪

（西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

2017年2月18日，高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會在復(fù)旦大學(xué)召開，“新工科”的研究與實踐被正式提上了章程[1]。新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)背景下，對工科人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有了更高的要求。教育部高等教育司張大良司長提出了急需新型工科人才支撐的要求。2017年4月8日，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，60余所高校共商新工科建設(shè)的愿景與行動。 2017年6月9日，教育部在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動、系統(tǒng)部署新工科建設(shè)。30余位來自高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的專家深入研討新工業(yè)革命帶來的時代新機(jī)遇，聚焦國家新需求，謀劃工程教育新發(fā)展，審議通過《新工科研究與實踐項目指南》，提出新工科建設(shè)指導(dǎo)意見。

“新工科”人才的特點是學(xué)科交叉與綜合?！靶鹿た啤笔窃谛聲r期全面創(chuàng)新我國高等工程教育，以適應(yīng)引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略視角出發(fā)提出的新觀點?！靶鹿た啤保‥merging Engineering Education，3E）是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向?！靶鹿た啤钡膬?nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才?！靶隆钡膬?nèi)涵表現(xiàn)在人才具有新素養(yǎng)，教育需要新結(jié)構(gòu)，教學(xué)要有新方法。

1 新工科理念下的實踐案例設(shè)計

1.1 物聯(lián)網(wǎng)與Arduino創(chuàng)客設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段，它將改變?nèi)祟惖奈磥砑吧罘绞?。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺；大量涌現(xiàn)的創(chuàng)客項目，包括機(jī)器人、無人機(jī)、智能家居控制、3d打印等主要以Arduino為原型或基礎(chǔ)研發(fā)[2]。

實驗項目的設(shè)計以目前大眾關(guān)心的PM2.5環(huán)境問題為主題，打造一個簡單環(huán)境數(shù)據(jù)采集、顯示和傳輸系統(tǒng)，并借助Wi-Fi和HTTP協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)上瀏覽，該實訓(xùn)包含3個方面的內(nèi)容。

（1）硬件的連接。需要按照硬件接線圖連接各個傳感器和開發(fā)板，同時了解每個引腳的含義，正確接線。

（2）代碼編寫。實訓(xùn)項目采用Arduino的IDE作為開發(fā)環(huán)境，C/C++為開發(fā)語言。編寫的程序被編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。為了直觀地看到效果，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，通過控制燈光、聲音等其他裝置反饋。

（3）如何通信。通過串口通信，將收集到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)器上進(jìn)一步分析。通過Wi-Fi，將收集到的數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)，實現(xiàn)移動端瀏覽。

在實際的項目實訓(xùn)中，主開發(fā)板可以選用NodeMCU(ESP 8266)，NodeMCU帶有的Wi-Fi具有接入點（AP）模式，通過它可以創(chuàng)建無線LAN，任何支持Wi-Fi的設(shè)備都可以連接，見圖1。

圖1 以 NodeMCU作為接入點連接其他設(shè)備

可以將NodeMCU當(dāng)成一個HTTP服務(wù)器，讓所有與之連接的Wi-Fi設(shè)備獲取相應(yīng)的信息。同時注意，這樣的通訊是雙向的，也可以通過連接NodeMCU設(shè)備，向它發(fā)出控制信號，使NodeMCU按照控制信號，對連接在其上的傳感器產(chǎn)生作用。在這個案例的最后，將通過在NodeMCU上安裝MQTT客戶端完成與IoT（物聯(lián)網(wǎng)）的互聯(lián)。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是IBM開發(fā)的輕量級的基于發(fā)布—訂閱消息傳遞協(xié)議[3]。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當(dāng)做傳感器和制動器（比如通過Twitter讓房屋聯(lián)網(wǎng)）的通信協(xié)議。例如，如果溫度傳感器發(fā)布“溫度”主題的溫度數(shù)據(jù)（消息），那么訂閱了“溫度”主題的客戶就可以獲得如上所示的溫度數(shù)據(jù)。MQTT廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用，每個傳感器都連接到服務(wù)器，并可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制。NodeMCU是一個開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺，這是一個運(yùn)行在Espressif Systems的ESP8266 Wi-Fi SoC上的固件，具有可用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序易于構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)。

最終，該項目通過學(xué)習(xí)不同感應(yīng)器采集數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程控制設(shè)備等完成實訓(xùn)，所需知識涉及計算機(jī)硬件及計算機(jī)軟件等方面，將軟件知識與硬件知識相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的思維與動手能力。通過項目學(xué)生可以學(xué)到以下幾點：①物聯(lián)網(wǎng)和Arduino行業(yè)相關(guān)知識，Arduino在創(chuàng)客世界的應(yīng)用；②C語言在Arduino上的應(yīng)用；③物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的方法和原理，各種傳感器的連接和使用。

1.2 游戲編程與人工智能（AI）

本案例給定學(xué)生一個迷宮類游戲，其中涉及矩陣的相關(guān)知識以及最短路徑的尋路算法，本案例用到了A*算法[4]，該算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)求解最短路徑最有效的直接搜索方法，被廣泛應(yīng)用于游戲AI的開發(fā)與人工智能領(lǐng)域。

學(xué)生以此游戲為模板，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，在訓(xùn)練學(xué)生開發(fā)小游戲基本能力的同時，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)習(xí)編程興趣。游戲主界面見圖2，主角是一只羊駝，羊駝從屏幕左邊某一位置出發(fā)，一路經(jīng)過各種障礙物，在限定的步數(shù)內(nèi)到達(dá)終點（圖中房子），即為游戲的勝利，最終游戲的評分會根據(jù)游戲的時間與所剩步數(shù)計算得出。在游戲中可以設(shè)置多種障礙物，羊駝只能有上下左右4個方向的操作。每關(guān)限定的步數(shù)是根據(jù)計算機(jī)自動尋路得到的最少步數(shù)加上關(guān)卡難度相應(yīng)的步數(shù)得到的，這樣確保游戲能夠順利進(jìn)行。例如游戲初始設(shè)定難度系數(shù)為10，A*算法算出起點到終點的最少步數(shù)為20，那么在游戲界面上顯示的剩余步數(shù)就是30。游戲開發(fā)的編程語言采用C++語言，圖形界面繪制用到了EasyX庫函數(shù)。

學(xué)生以團(tuán)隊的形式進(jìn)行開發(fā)，通過完成該案例，熟悉整個軟件開發(fā)流程。開發(fā)平臺為Windows7或Windows10系統(tǒng)，使用Visual Studio 2013及以上版本，要求有需求分析報告、軟件設(shè)計報告、測試報告、總結(jié)報告。最后進(jìn)行驗收答辯。

圖2 游戲界面示意圖

程序要求完成如下基本功能：繪制地圖，設(shè)置障礙物，移動迷宮里的“小人”，實現(xiàn)路徑提示（顯示通道）功能，實現(xiàn)計時功能，實現(xiàn)計步、計分功能，實現(xiàn)播放背景音樂功能。進(jìn)一步，可以完成如下較高要求的功能：添加“多重障礙”功能，添加“錘子”敲擊障礙物功能，添加“暢通無阻”功能，添加“排行榜”功能，添加“自選模式”生成地圖功能。

本案例針對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生，結(jié)合新工科背景設(shè)計，通過讓學(xué)生完成一個小游戲的開發(fā)，引入AI概念，其內(nèi)容還涉及圖像的處理、游戲動畫的方法及游戲常用算法等方面。該游戲還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，主要培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)解決問題的能力。

1.3 互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)分析

互聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)并分析，即數(shù)據(jù)（或大數(shù)據(jù)）的采集、整理、分析和呈現(xiàn)也是新工科的熱點之一。本項目設(shè)計了一個問卷調(diào)查系統(tǒng)，項目的任務(wù)是基于ASP.Net框架開發(fā)在線問卷調(diào)查分析系統(tǒng)。在滿足傳統(tǒng)系統(tǒng)的問卷管理、問卷發(fā)布、問卷結(jié)果統(tǒng)計功能基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法和可視化技術(shù)，分析收集的問卷數(shù)據(jù)，并通過可視化方法給予個性化的預(yù)測和反饋。

首先本系統(tǒng)支持多種類型的問卷調(diào)查，單選題目是基礎(chǔ)題型。管理員用戶對系統(tǒng)有全權(quán)限，即能夠管理用戶，包括用戶的創(chuàng)建和刪除、用戶權(quán)限管理；管理所有問卷，包括問卷/題目的增、刪、改。普通用戶只能進(jìn)行問卷選擇、問卷作答和問卷預(yù)覽，并在提交后得到系統(tǒng)的可視化反饋。反饋的內(nèi)容包括3方面：①能夠查看該問卷每道題目答案的整體統(tǒng)計分布；②獲得針對當(dāng)前答卷對某主題的預(yù)測結(jié)果，例如對就業(yè)取向預(yù)測等；③支持普通用戶通過主動反饋機(jī)制重新獲得預(yù)測結(jié)果。例如，根據(jù)調(diào)查問卷獲取某用戶的個人信息和行為習(xí)慣、預(yù)測該用戶的畢業(yè)起薪等級。用戶可以通過重新答題，改變某些問卷題目的選項并提交，查看能否提升預(yù)測等級。根據(jù)預(yù)測結(jié)果的主動性探索，啟發(fā)調(diào)整自身狀態(tài)的思考。

項目使用ASP.Net技術(shù)和C#語言實現(xiàn)一個B/S框架的動態(tài)網(wǎng)站，開發(fā)模式要求使用傳統(tǒng)的事件驅(qū)動開發(fā)模式Web Forms。以圖3為例，系統(tǒng)功能應(yīng)包含但不限于以下幾種（+較高層次的功能）。

圖3 問卷調(diào)查系統(tǒng)示例

（1）用戶管理：用戶角色分配，權(quán)限管理，用戶登錄；用戶注冊，用戶注銷，修改密碼。

（2）問卷管理：問卷的創(chuàng)建、編輯、發(fā)布、刪除、預(yù)覽，自動組卷，問卷導(dǎo)出。

（3）結(jié)果可視化：問卷結(jié)果統(tǒng)計，圖形展示，可視化工具庫(echarts) ，解釋分析結(jié)果。

（4）調(diào)查問卷分析：通過RestAPI調(diào)用指定數(shù)據(jù)分析模型接口實現(xiàn)。

（5）前端頁面設(shè)計：登錄頁面、功能頁面、模板設(shè)計、樣式設(shè)計、導(dǎo)航設(shè)計。

最后，系統(tǒng)應(yīng)功能穩(wěn)定、界面美觀、用戶體驗友好。

具體開發(fā)時，操作系統(tǒng)要求Windows 7或Windows 10，使用Visual Studio 2013或以上版本、使用SQL Server 2012 或以上版本以及網(wǎng)頁制作工具Hbuilder。調(diào)查問卷分析系統(tǒng)要求學(xué)生以團(tuán)隊形式完成，每個團(tuán)隊參與人數(shù)不超過3人。團(tuán)隊成員在項目開發(fā)過程中必須有明確的角色和任務(wù)，要求學(xué)生通過完成本項目，了解Web應(yīng)用軟件的架構(gòu)和開發(fā)流程，設(shè)計并撰寫需求分析文檔、詳細(xì)設(shè)計說明書、數(shù)據(jù)庫設(shè)計文檔、產(chǎn)品測試報告。需要掌握的基礎(chǔ)技能有：①學(xué)習(xí)了解Web應(yīng)用程序基礎(chǔ)及動態(tài)網(wǎng)頁的基本開發(fā)流程，熟練使用項目開發(fā)環(huán)境Visual Studio，掌握Web程序調(diào)試方法，運(yùn)用ASP.Net控件應(yīng)用技巧和事件處理編程，實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的功能；②掌握SQL Server數(shù)據(jù)庫的配置及常規(guī)操作，學(xué)習(xí)設(shè)計思路和方法，設(shè)計數(shù)據(jù)表；③掌握ASP.net的數(shù)據(jù)庫連接及調(diào)用方法，將調(diào)查問卷與數(shù)據(jù)庫連接，掌握ASP.net的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，針對調(diào)查問卷網(wǎng)站對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增、刪、改、查、統(tǒng)計操作；④了解當(dāng)今主流的數(shù)據(jù)可視化方法，在傳統(tǒng)電子表格顯示的基礎(chǔ)上，盡可能使統(tǒng)計、分析結(jié)果圖形化。

本案例首先是核心能力培養(yǎng)，即工科類學(xué)生的計算機(jī)問題求解能力，要求具有編寫千行以上代碼的能力，具有團(tuán)隊合作意識，具有自主分析問題和分解問題的能力；其次是提升能力培養(yǎng)，即新工科背景下的以信息技術(shù)和計算機(jī)應(yīng)用融合帶來的問題求解能力；從信息技術(shù)的角度，調(diào)查問卷系統(tǒng)是獲取數(shù)據(jù)的手段，當(dāng)數(shù)據(jù)以一定目標(biāo)被分析、被挖掘后就能變成有價值的信息，從而啟發(fā)探索式的分析。

2 實施與效果

由于課程是面向全校的計算機(jī)實訓(xùn)，因此授課的專業(yè)非常寬泛。就工科而言，從大類上講，包含機(jī)類和電類；從傳統(tǒng)的專業(yè)分類上看，包含機(jī)械、能動、電氣、電子、通信、計算機(jī)等多個專業(yè)。這3個案例在實際實施的時候都是按40～60個學(xué)時設(shè)計，其中包括講述基礎(chǔ)知識和背景知識的時間。參與1.1和1.2的學(xué)生具有C語言的基本知識，參與1.3的學(xué)生學(xué)習(xí)過基本的C#程序設(shè)計[5]。整個項目可以用10天時間（2周）連續(xù)完成；每天需要花費3～6學(xué)時，其中前5天學(xué)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)知識，如果學(xué)生已經(jīng)具備，則項目時間可以縮短至1周。以1.3 的案例為例，2周的安排見表1。

表1 實訓(xùn)方案詳細(xì)計劃

利用暑期小學(xué)期的時間，我們對全校大學(xué)一年級的工科學(xué)生約1 200名展開了上述案例的實訓(xùn)工作。根據(jù)學(xué)生前期的先修課情況，我們將學(xué)生分為了3類：①前期學(xué)習(xí)過C語言；②學(xué)習(xí)過C++；③學(xué)習(xí)過C#。最后的實習(xí)答辯以及發(fā)放的調(diào)查問卷顯示：①近83%的學(xué)生認(rèn)為自己通過本次實訓(xùn)提高了自己的計算機(jī)能力；②92%的學(xué)生認(rèn)為項目設(shè)計非常有吸引力；③84%的學(xué)生認(rèn)為通過這些項目真正了解了計算機(jī)在現(xiàn)實生活中的作用。

3 結(jié)語

面向非計算機(jī)專業(yè)的工科領(lǐng)域，計算機(jī)基礎(chǔ)實踐教學(xué)面臨2個問題：①課堂和實際脫節(jié)，課堂上講述的內(nèi)容和實際生活中的應(yīng)用無法聯(lián)系起來；②如何開展新工科的教學(xué)。西安交通大學(xué)自2015年起，所有工科學(xué)生利用暑期小學(xué)期進(jìn)行計算機(jī)實訓(xùn)，至今已經(jīng)是第4年了。每年大約有一千余名工科學(xué)生參與為期10天、每天6個小時的實訓(xùn)。在2015和2016年的實訓(xùn)中，圍繞計算思維和計算機(jī)能力培養(yǎng)，側(cè)重了對學(xué)生編程能力的提高。在新工科的戰(zhàn)略提出后，筆者迅速和企業(yè)合作，重新制定和規(guī)劃了實訓(xùn)內(nèi)容。通過這3個案例的實踐，學(xué)生初步明白了生活用的智能開關(guān)、自動駕駛等是怎么實現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)作了許多創(chuàng)新的作品，在課堂的學(xué)習(xí)內(nèi)容和計算機(jī)在實際生活中的應(yīng)用之間搭起了一座橋梁，做到了學(xué)以致用，取得了良好的實訓(xùn)效果。通過實訓(xùn)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)的興趣，將新工科的教育理念落到了實處。