竞争性项目实践教学方法在计算机类课程中的应用

刘鹏　傅婷婷

摘要：项目实践是提高学生动手和创新能力的重要手段，但目前存在重验证轻创新、学生能动性不高、考核机制不完善等问题。文章以物联网技术概论课程为例，提出一种基于竞争的项目实践教学方法。通过竞争提高学生的积极性，通过引入项目组加强交流，通过项目报告引导学生互相学习，最后从多个方面进行考核。

关键词：物联网工程；项目教学；竞争

0 引言

高校计算机相关本科专业（如计算机科学与技术、软件工程、网络工程、物联网工程等）都非常强调培养学生的动手实践能力，重要的专业课程都设置有专门的实验环节。欧美国家（如英国、美国）很注重学生实际动手能力的培养，例如计算机专业，每门课程的实验学时都不少于课程总学时的一半，而且实验、平时作业和测试要占课程成绩的70%，期末考试成绩只占总成绩的30%，甚至更少，这充分说明了他们的教学理念是面向过程的重能力教育。一般课堂授课的要求较松，而实验课程则严格得多，直接关系到本门课程的最终成绩。

要提高学生的能力，并不仅仅是设置实践环节那么简单。目前，国内很多课程的实践环节都是验证型的，即根据实验步骤进行，最后比较试验结果和理论预期。或者虽然有一定的独立思考和开发要求，实际还是模仿教师上课的例子完成，存在很多问题。

物联网工程是近几年才兴起的新专业，其显著特点是以实际应用为驱动、多学科交叉、关联领域广、知识更新快、社会需求量大。办学指导思想定位于“宽口径、厚基础、高素质、强能力、有特色”。针对培养实践和创新能力的基本要求，以及多学科交叉所带来的实践难度，以物联网技术概论课程为依托，我们提出并设计了竞争性项目实践教学方法，选取物联网的几个关键领域的实际问题，通过分组的形式，组内分工合作，组间竞争，最终完成项目并进行报告，取得了非常理想的效果。该方法可以推广到其他含有实践环节的计算机课程中。

1 项目教学现状

项目教学在文科课程也可称为案例教学，有着悠久历史。以讲授课本知识为主的课堂授课形式要求学生在45分钟内被动地接受知识，除非语言表达相当精彩，否则很难保证学生精力的集中。学生被动地跟从，一旦在某个地方开了小差，思路就无法再跟上了。项目教学不是要替代课堂理论教学，而是充分给予学生思考的时间，调动学生分析问题的积极性。它以学生为中心，教师作为辅助，针对不同知识点选择典型的项目，采用螺旋记忆方法，帮助学生把知识和解决问题的能力印在脑海中。

1.1 项目教学特点

根据课程的内容，总结出一些经典的项口或案例。学生通过学习和实践这些项目，可以了解项目的标准开发过程，分析方法，解决问题的思路，实现的工具及手段。项目教学有如下优势：

1）学生为中心，教师为辅助。

项目教学中，学生以个体或者分组为单位，分析问题、讨论问题、解决问题。分组合作还可锻炼学生的团队分工合作能力以及项目的管理能力；教师则只是作为辅助，回答学生的问题，给予必要的指导并监督学生的进度。跟被动听讲不同，学生可以根据自身情况掌握各阶段的投入时间。

2）任务驱动教学。

项目教学是一种典型的任务驱动教学法，基本过程为提出任务、分析任务、学生操作、交流讨论、巩固创新、总结等。在任务的驱动下，促使学生自主思考，并通过自主学习、协作学习等方法，探求解决问题的途径。合作学习教学法即结构式分组教学模式，和任务驱动教学法相结合，对学生进行合理分组，使之相互合作和激励，主动积极地参与学习，培养学生探索创新能力和团结协作的精神。

3）团队合作与领导力。

计算机课程的一些综合项目，往往需要若干学生合作完成。文献检索、方案制订、代码编写、硬件制作、测试、成果报告等都需要不同的学生做好自己的分内工作。对于大型项目，还需设置一名项目经理，由其统一分配任务，组织讨论和协调任务，因此，使学生成为不同层次的决策者，运用所学的基本方法和技巧，建立模型，用量化的、科学决策的方法解决实际的问题。

1.2 项目教学的现状

不少学校在实践教学中引入了改革和创新，宁波大学提出了一种基于项目的技术类课程的学习方法，并就其优势、局限性以及改进措施进行了探讨，具有很好的借鉴意义。文献[5]针对应用型先进制造技术卓越工程师的培养标准和知识能力的具体要求，采用专业能力进阶培养和项目教学法的先进理念，构建出核心专业知识模块、理论教学课程体系、实践教学体系、人文与职业素质培养体系、整个课程体系鱼骨图以及相应的学分要求。新加坡理工学院基于CDIO模式的专业课程体系是以项目为主线，把应达到的知识目标、能力目标和素质目标融入到项目教学中。项目教学的实施需提供项目制作室，还要提供学生讨论、研讨的空间，教给学生学习和思考的方法。总的来看，目前基于项目的实践教学还存在以下主要问题：

1）项目及案例老化。

计算机类专业的知识和技术的更新往往很快。十年前的经典项目，放到当前可能就不再具备代表性。而年轻人往往热衷于追寻新鲜事物，因此，拿以前的项目来训练学生，常会使他们失去新鲜感，难以投入百分之百的精力。

2）项目及案例缺乏代表性。

技术的发展使得在完成一个项目时，往往具有多种选择，因此，采用何种方式才能最大程度地给予学生最基本的知识是一个见仁见智的问题。一些项目学生在教师的引导下能够完成，但是换一个领域，可能就失去主张。一个好的项目或者案例，并不一定是最新的，但必须具有举一反三的潜力，使学生即使面临新问题也可以用老方法来解决。

3）场地和设备条件的限制。

一般来讲，学生人数和场地、设备的矛盾总是普遍存在的，因此，在具体实践中，往往将若干学生分为一组，而对各个学生的分工，却没有具体规定，这样就会出现一个学生做，其他学生看的情况。教师在考核的时候，难免出现分数不客观、不公正的现象。endprint

4）项目间缺乏交流。

学生开始实践项目后，要么自己做自己的，要么就可能抄袭其他学生的方案，所以有的学生很忙，有的学生却显得很空，只等别人做好就直接“拿来主义”。最后一个班中的项目方案、代码、硬件、结果等都高度同质化。学生在做项目的时候，教师未能协调交流和提供便利。

5）考核方法不全面。

目前对于实践环节的考核，主要是从出勤率、实验报告、项目结果几个方面来完成。其他研究往往只是对这几项所占比例的探讨。其实后两者很难避免学生的抄袭行为，教师往往通过询问每个学生一些问题加以甄别，这样会耗费大量精力。学生对于自己项目的表达，以及对他人项目的质疑能力都没有被列入考核中。

6）项目间缺乏竞争。

从根本上讲，激发学生对知识的渴望应该是他们认真学习的原动力。然而目前，少部分学生的动力来自对分数的追求，大部分学生其实对自己并没有太高的要求，抱着及格万岁心态的学生也不在少数。因此，对于缺乏竞争的、独立完成的项目实践，很难真正调动学生的主观能动性。

1.3 项目教学的基本要求

为了使实践教学成为和理论教学具有相同重要性的教学手段，并充分发挥作用，对其进行改革是必要的，且要满足以下基本要求：

1）培养学生实际动手解决问题的能力。

重理论、轻实践的问题在很多高校依然存在，寄希望于通过最后的毕业设计，来大幅提高学生的实践能力。实际上，实践能力是需要通过4年的学习逐步积累的，绝不可能一蹴而就。高分低能和企业对学生项目经验的看重，已经为毕业即失业埋下伏笔。一方面，学生可以从网络中找到千篇一律的毕设课题的所有资源；另一方面，因为工作难找所消耗在找工作的时间进一步压缩了毕业设计的时间，两者陷入了恶性循环。因此，培养学生实际动手解决问题的能力必须从设计好每一门重要课程的项目实践开始。

2）激发学生的学习兴趣。

项目实践是以学生为中心的，调动学生积极性的重要性不言而喻。枯燥的、或过于简单的案例和项目会使学生缺乏足够的动力去尝试如何更好地解决问题，而是安于现状或者等待教师帮忙。好的项目教学方法，必须能够激发学生的学习兴趣。

3）促进学生间的交流。

学生进入社会工作后，总是处于某个团队中，因此从大学阶段就需要培养这些能力。交流可以是组内的，也可以是组间的。交流的形式可以是协作，也可以是竞争。总而言之，要避免“你做你的，我做我的”和“你做你的，我抄你的”两种倾向。

4）充分利用现代教育技术。

21世纪的高等教育已经不局限于教师和实验室。教师在设计项目时，因充分利川现代教育技术。例如，利用网络来组织学习，利用网络来共享资源，利用网络来组织开发团队，用视频来展示作品等。

5）允许失败。

挫折和失败是人生的必经阶段，如何引导学生在失败中学习并能正确地面对失败，非常重要，这是在许多课程中都是被忽视的问题。评价一个学生在本门课程的成绩，容易只关注最终的结果成功与否，然而，在实践中，对教师失败的评价也是非常难以把握和应对的。

2 物联网技术概论课程项目教学难点

物联网工程专业是研究信息感知、传输、处理和应用的基础理论与关键共性技术的综合性的、跨学科、跨领域的新型学科。专业知识涉及计算机、通信、控制、电工与电子、信息安全、工程管理等多个专业，旨在培养系统地掌握相关学科基础知识和物联网基本理论、技术和应用知识，能够胜任物联网研究、开发、应用、管理等方面工作的高级复合型人才。物联网专业的显著特点是以实际应用为驱动，多学科交叉，关联领域广、知识更新快、社会需求量大。而物联网技术概论则是该专业的核心基础课程，几乎是整个专业知识的缩影。该门课程基础打得是否扎实，直接关系到后续两年的专业学习。除了和其他工程类课程的共性问题，南于该课程每章的知识跨度很大、综合性高，给项目的设计和教学带来了极大的挑战，主要难点如下：

1）项目综合性强。

作为对低年级本科生的锻炼，并取得良好的教学成效，项目的选择就必须在本科教学的控制难度之内，然而，物联网工程作为新兴专业，有许多知识和技能是学生缺乏或者要在将来学习的。我们在设计项目时，不仅要依托学生已学到的技能，还要具有一定的探索，避免过于霋也本科生的理解和认知范围。依据目前的情况，靠单个学生是很难完成的，因此，一方面需要教师花费大量的时间和精力来编写和筛选合适的项目，另一方面又必须采用组队的方式来完成。

2）项目有一定难度。

物联网技术概论的项目，可能涉及射频识别、传感器网络、定位、手机应用、智能决策等不同方面，每个章节都对应将来一门课程所要展开的内容，任何项目的开发都需要若干学时，因此在短短一学期的一门课中，要求学生掌握多样新技术并能具体开发项目几乎是不可能的。如何使学生能够在有限的时间得到更充分的锻炼是极大的挑战。

3）项目考核有难度。

对于综合性项目，需要多名学生参与，分工各异，因此，怎么评价一个项目组的成绩和项目组中各学生的成绩是一个较难解决的问题；另一方面，对于项目实践，还应考察学生的组织决策能力、演说表达能力和考察评判他人项目的能力。

4）实验场地和设备的问题。

在物联网技术概论课程中，每个项目要求的场地和设备都不一样。例如，传感网要求使用多个传感器节点，并在一定区域部署，采集一些有意义的数据；射频识别项目要求使用阅读器和若干标签来组成一个可用的系统；定位系统要求在手机上编程并在数百平米的场地内实现定位。因此，这些项目同期开展时，设备的提供、场地的选择和教师的指导都会成为一个挑战。

5）项目竞争和演示困难。

各个项目的成果形式具有很大的差异性，这就给项目的成果演示带来了困难。大部分项目都不能通过输入几个数据或者点几下鼠标就能看到实际结果，而是要通过实际、在线数据的读取。成果的多样性，也给如何判定竞争组的成绩带来困难。endprint

3 竞争性项目实践教学在物联网技术概论课程中的应用

尽管目前物联网技术概论课程可供选择的教材较多，但是其核心内容一般包括自动识别技术（RFID）、传感器技术、定位系统、智能信息设备、混合网络（互联网、无线宽带网络、无线低速网络、移动通信网络等）、数据库管理系统、海量信息处理、智能决策、安全和隐私保护等。杭州电子科技大学在物联网方向的科学研究很好地为设计项目实践提供了理论和设备基础，使学生在低年级的时候就对物联网工程专业的培养方案和侧重点有所了解，并引导他们向不同的方向发展。我们利用三分之二的学期上完理论课，最后三分之一的时间设计了5个综合项目供学生实践，要求其能够运用所学物联网技术的知识，借助丰富的网络资源，合作完成一个综合的项目。我们针对项目实践教学，提出了具体的方案，也可以推广到其他课程，具体教学实践过程包括项目设计、合理分组、项目选定、计划制订、项目开发、成果展示、项目评价7个环节，如图1所示。

图1左边主干为项目实践模式的7个主要环节，右边则是对教师角色行为的描述。针对前述项目教学的现状以及物联网技术概论课程教学的难点，我们在该实践模式的各个环节提出了不同的改革和实施方案。

3.1 项目设计

在项目设计阶段，教师要充分考虑项目的代表性和难度。为使项目更具有对抗性，在设计的时候要依赖教师的经验，并把每个项目分成甲、乙两组，一般这个阶段要花费1～2个月左右的时间。笔者结合杭州电子科技大学物联网工程专业的培养目标，选取了5个主要项目，分别是：

1）基于手机的QR二维码识别。

该项目要求学生在手机上实现一个应用，能够根据输入的文字生成二维码，并能对手机摄像头所拍摄的二维码还原解析，该项目需要学生了解二维码的编码原理，手机摄像头图像的获取，图像分析和安卓平台的程序编写。甲、乙组的竞争性在于互相制订内容让对方生成二维码，互相解析对方提供的二维码。

2）基于RFID的超市结算。

该项目要求学生编写基于PC的超市结算系统，该系统通过RFID阅读器和标签可以实现快速自动结帐。该项目需要学生了解自动识别技术原理，PC端管理信息系统的实现和RFID硬件系统的驱动编写。甲、乙组竞争性在于互相结算对方隐藏的商品，看是否准确结算，是否重复计算等。

3）教室照明监测传感网。

该项目要求学生在指定场所部署传感器网络，并能把各传感器节点的光照数据在基站显示出来，通过检测光传感器数据，判断目标移动轨迹。该项目需要学生了解传感器网络原理，传感器节点的编程和传感器数据的处理与显示。甲、乙组竞争性在于互派学生乱序访问对方传感器节点，看对方是否能正确刻画出该学生的移动路径。

4）基于环境特征的逻辑定位。

该项目要求学生在手机上编制程序，利用声音、阁像、运动等传感器来判断手机携带者所处的逻辑环境。该项目要求学生掌握手机编程、手机传感器数据的获取和处理、逻辑定位方法。甲、乙组竞争性在于互派学生携带对方手机访问若干场所，看对方是否能正确判断该学生的逻辑位置。

5）手机定位及位置隐私保护。

该项目要求学生在手机和PC上编制程序，根据手机所出的位置提供虚拟的基于位置的服务。该项目要求学生掌握PC端服务器程序的编写，手机端程序的编写，以及双方的网络通信编写，隐私保护方法。甲、乙组竞争性在于一方学生携带手机进入另一方的服务提供场所，并利用隐私保护方法保护自己，而服务器方要尽量对手机方进行定位和识别。

3.2 合理分组

因为每一个项目都有很强的综合性，甚至涉及好几种编程语言及开发环境，因此每个队伍的分工就非常重要。我们在分组上引入了企业中项目组的概念，设置一个组长作为项目经理，负责总体制订方案和协调，在组里还需要英文较好的学生专门负责收集文献资料，需要编码的学生，需要对硬件有了解的学生，需要最后制作项目报告和PPT的学生，还需要能够演讲的学生。总之，要很好地完成一个项目，必须在各个位置上都有合理的人员配置。在分组前，教师要总体简述下人员的配置建议，然后由学生根据爱好自由进行分组。教师最后给予审查，若有不合理的地方，还需重新修正分组。

3.3 项目选定

分组完成后进入项目选择阶段。教师要对每个项目的内容、难度、所需要的技术做系统的介绍，然后由项目组内讨论决定要选的题目。在分组方面，教师首先要尊重学生的自由选择意愿，又要适时地给予建议。如若一个项目超过两组选择，可以通过抽签的方式决定。

3.4 计划制订

在确定项目后，需要由组长带头制订项目计划，确保项目实践的有序开展。计划内容主要包括目标、分工、进度、开发工具等。教师在该过程中需要给予必要的指导，保证计划合理并能最终完成项目。

3.5 项目开发

项目开发阶段和其他项目教学一样，主要是学生在组长的组织下收集材料、编写代码、制作硬件等。在这个阶段教师要做好指导工作，和学生时刻保持联系，以便即时帮助学生解决项目过程中遇到的不能解决的问题，从而维持学生的进度和兴趣。

3.6 成果竞争

为了激励学生的积极性，成果竞争是本项目实践教学引入的重要手段。成果竞争阶段分为PPT演讲和项目演示阶段。在PPT演讲阶段，各小组要充分介绍和推销项目的动机、内容和原理。而竞争小组在听取报告后，要提出各种疑问，找到对方弱点。在项目演示阶段则是直接竞争，要千方百计地找到对方的错误和最终效果。在竞争中获胜的学生能显著增加成就感。演讲阶段是非常重要的，因为一般一个学生在整个课程过程中只参与一个项目的开发，那对其他项目的学习则直接来自其他组的项目PPT演讲，并鼓励他们提出关心的问题，这在考核分数上也会加以体现。

3.7 项目评价

项目评价是非常重要的一环。在本方法中，考核分数由组分数加个人分数构成。组分数来自于对项目开发过程、项目完成情况、PPT报告情况、提问和回答问题情况、竞争时取得的加分等构成。个人分数包括平时的出勤，在项目组中承担的任务量，以及表现和贡献等。其中，个人分数要充分尊重组长给出的参考意见。通过以上考核，可以充分反映出学生在项目实践中的情况，调动他们的积极性。特别地，还要关注未完成项目和在竞争中失败的项目，在语言上要鼓励鞭策，在分数上要酌情给予。endprint

4 竞争性项目实践教学的实践效果及不足

竞争性项目在杭州电子科技大学物联网专业首批学生的教学实践中应用，受到学生的欢迎，取得了较好的教学效果。学生按照要求，很快分成了10组，并选出组长。在选择项目题目时，气氛热烈，有些题目不得不用抓阄的方式选出参与小组。在项目开发过程中，学生明显积极性增强，内部讨论交流频繁，且初步体现了一定的分工。在项目完成后的竞争演示阶段，可以看出双方都强烈渴望战胜对方。踊跃提问、质疑这些行为在平时上课时非常少见。有两组几乎争论到“兵戎相见”的地步，依靠教师才平息下来。纵观整个过程，基本上被选为组长的学生都体现了良好的素质，培养了开发和组织能力。

同时，通过和学生交流及反思，我们也发现了目前方法的一些不足。首先，选出的5个题目还不能完全代表物联网专业的主要专业知识，需要进一步提高；其次，每组的人数太多，依然存在部分得过且过的学生；第三，受到场地和设备的限制，主要还是选取了一些方便实施的项目，如手机程序开发等；最后，在一门课程中指导教师需要掌握如此多种不同种类的技术，对教师本身的业务素质也是前所未有的挑战。

5 结语

基于项目的实践教学在计算机类课程中越来越得到重视，因其能充分发挥学生的能动作用，从教师中心转变为学生中心。强调学生自主学习、自我决策，提高学生分析问题、解决问题的实际动手能力，真正培养具有创新能力的人才。

我们针对项目案例老化、学生交流不积极、重验证轻创新、考核不科学，以及竞争j生不强等主要问题，才用竞争性项目实践教学方法，受到了学生欢迎，提高了学生的积极性，基本达到了预期的效果。

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（见习编辑：刘丽丽；编辑：赵廓）endprint