计算机专业高年级本科生工程素质培养方法研究

欧阳元新 李超 刘睿 熊璋

学科建设与教学改革

文章编号：1672-5913（2015）11-0050-04

中图分类号：G642

摘要：分析计算机专业工程本科生素质培养需求和方法，提出结合学生专业课程学习的实际进展，以虚拟课题实践为主线，在加强学生团队意识和集体精神培养的同时，加强创新意识的贯入，在高年级物联网引论课程教学中进行教改实践。

关键词：本科生；工程素质培养；物联网

0 引言

作为重点院校的工科学生，只有理论知识还不够，需要通过实践来验证知识是否正确可行；如果把理论应用到实践当中，发现二者相违背或者不相关，就需要再次验证，是知识掌握得不好还是应用不当，这就要求学生具有按实际要求把理论知识合理融合到工作中的能力，也就是我们常说的工作经验。随着科学技术的飞速发展，计算机已经深度融人到社会的各行各业，因此要求计算机专业的毕业生具有更强的动手能力和工程实践能力。

1 计算机专业工程素质培养方法研究

高等工程教育的基本要求是培养学生在相应工程专业领域中从业的基本能力。自2008年开始，北航计算机学院工程研究中心受邀作为中国代表，参与美国国家科学基金委支持的国际本科计算机教育研究计划-CPath。该计划旨在推动国际计算机院系间的本科生联合培养，以及与跨国、跨地区高科技企业的密切合作，以适应计算机产业的国际化发展趋势。

在CPath计划2009年的专题讨论会上，来自企业的代表（如IBM、Google等知名跨国企业）在报告中提到，虽然他们接收的毕业生在专业基础知识和编程能力方面平均水平都很高，但是他们在团队协作、人际交流、工作思路和稳定性、忠诚度等方面与企业的要求还存在很大距离。可见，本科生教育在工程实践方面的缺乏可以说是一个全球范围内存在的问题。根据我们在CPath计划高校代表中的调查发现，对于学生在工作思路和团队训练方面的培养，大都仅限于软件工程课的课程实践和最终的本科毕业设计，且亚洲高校在本科毕设时更倾向于突出个人所需具备的科研能力，因此更强调独立完成；部分欧美高校（如法国通用工程师培养模式）则鼓励以小组或者合作的方式完成一个相对完整的课题。由此可以看出，我国的毕业生在本科学习阶段所能得到的工程实践机会非常有限。

2013年6月，我国正式成为《华盛顿协议》组织成员国。《华盛顿协议》是世界上最具影响力的国际本科工程学位互认协议，该协议主要针对国际上本科工程学历（一般为4年）资格互认，确认由签约成员认证的工程学历实质等效，并建议毕业于任一签约成员认证课程的人员均应被其他签约国（地区）视为已获得从事初级工程工作的学术资格。我国能顺利加入《华盛顿协议》，与教育部于2006年正式启动的工程教育专业认证试点工作密不可分。在《全国工程教育专业认证标准》中，与本专业工程素质培养密切相关的要求包括如下。

（1）具有综合运用所学科学理论和技术手段分析并解决工程问题的基本能力。掌握必要的工程基础知识以及本专业的基本理论、基本知识；受到本专业实验技能、工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本训练，具有创新意识和对新产品、新工艺、新技术和新设备进行研究、开发和设计的初步能力。

（2）了解与本专业相关的职业和行业的生产、设计、研究与开发的法律、法规，熟悉环境保护和可持续发展等方面的方针、政策和法律、法规，能正确认识工程对于客观世界和社会的影响。

（3）具有一定的组织管理能力、较强的表达能力和较强的人际交往能力，以及在团队中发挥作用的能力。

针对上述要求，经过与在读本科学生、已走上工作岗位的毕业生和部分计算机相关用人单位的座谈和讨论，我们认为，计算机专业高年级本科生工程素质培养当前需要重点解决以下问题：①毕业学生存在专业理论知识掌握有余而适应未来实际工作岗位需求变化能力不足，独立解决问题自信心不足；②从侧重于专业理论知识体系学习能力提高转变到全面提升专业综合实践能力过程中缺乏足够指导环节；③缺少多学科专业理论知识融会贯通的实践环境，学生在校内从事创新活动动力不足。

我们从下列3个方面人手开展教改实践：①结合学生对于计算机专业课程学习的实际进展，打造多学科综合课程知识实践环境，并探索可行的实践方法；②加强基于虚拟课题的工程实践团队意识和集体精神培养，有针对性地进行个性化能力的发现和保护；③在实践中加强创新意识，鼓励精英式发展，提高学生的自信心和荣誉感。

2 培养方法实践

2.1 课程定位

物联网引论是在第6学期开设的专业方向课，课堂讲授24课时，课外实践8学时，自2011年至今已开设4轮次，选课学生累计近300人。前修课程为计算机组成原理和系统结构、软件工程基础。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，是全球范围内的重要发展方向。《国家中长期科学和技术规划发展纲要（2006-2020）》中曾明确指出：“重点开发多种新型传感器及先进条码自动识别、射频标签（RFID）、基于多种传感信息的智能化信息处理技术，发展低成本的传感器网络和实时信息处理系统，提供更方便、功能更强大的信息服务平台和环境”。这是国家从战略高度对物联网核心技术发展做出的部署。

物联网是一个集成创新和应用创新并举的领域，它将大量来自完全不同专业领域的技术综合在一起。本课程旨在通过对物联网发展历程、支撑技术、体系结构、规划与实施以及开发实例的介绍，开阔学生的视野，促进他们从设计者的角度思索如何使用先进的技术手段，对各种生活中的需求进行分析和设计实现；同时希望他们能够借此了解信息系统工程化实施过程中需要解决的问题和通常采取的方法，以及如何将理论知识应用到具体的工程实践过程中去。

2.2 以虚拟课题为主线的课程实践方案

由于物联网是一个与应用紧密结合的领域，我们对学生提出能够切实从生活中的需求出发，以小组的形式完成物联网应用项目（即虚拟课题）选题、需求分析、概要设计（含界面设计）等应用系统研发基本步骤，让他们对工程实践的全过程有一个初步的了解。我们要求4-5名学生组成小组，合作完成选题、课堂展示、文档撰写；在物联网应用案例介绍之后安排一次课堂展示，要求突出特色和关键点，相同或相似选题方向的小组之间将进行“PK”，由其他小组的同学担任评委，选出有亮点的小组，给予适当加分。

大作业选题来自当前主要物联网应用领域，包括园区（如校园）、图书馆、交通、物流等，要求必须同时用到无线射频识别和无线传感器网络两种技术，每个小方向不超过3个小组。选题结束后，仿照实际工程实施方式，每个小组每周需提交进展周报。课堂展示（相当于工程实施中的需求评审）之前要求完成90%的“需求规格书”和50%的“概要设计报告”，期末结束前提交上述两个文档的修订版以及对应的“界面规格书”。

帮助学生理解文档撰写和维护是软件研发过程管理中的重要部分，同时与软件工程课程的教学重点形成互补，本课程实践提供的大作业文档模板是在参考了国内外知名IT企业（如三星、中软、方正等）文档模板的基础上，针对三年级本科生已掌握的课程内容和自身特点设计定制的。在文档撰写和维护过程中，强调“文实一致”（文档与系统一致）、“文文相符”（文档之间自成体系，形成闭环）等更具有工程实践特色的部分，相对弱化与业务流程关系不是很密切的部分，帮助学生把注意力集中在需要解决的业务问题上，促进他们思考得更深入、更细致。

2.3 教改实践特色

2.3.1 走出课堂——换个视角看物联网

作为计算机专业（特别是高年级）的学生，面对已经到来的物联网产业革命，需要思考的更重要的问题已经不仅仅是如何将“物”联结到“网”上，而是所有的“物”都联网后，我们能够做什么以及如何付诸实现。工业和信息化部电信研究院2011年发布的物联网白皮书中提到，物联网的核心任务是信息和通信技术在各行各业的综合应用。因此，在课堂讲授方面，我们力争通过对物联网支撑技术的介绍和典型应用案例的分析，帮助学生建立起所学的专业课和现实应用系统之间的联系。

在课上互动的过程中我们发现，学生对计算机工程实施方面的严谨要求和复杂挑战缺少切身体会。为了让他们更直观地了解真正的物联网应用部署过程，在进行技术总结和展望介绍时，我们安排对华为北京研究所等研发企业的参观活动和科学技术部主办跨国技术转移大会等专场报告/讨论会，大约有三分之二的学生参加了校外参观/讨论活动。

期末调查问卷数据显示，85.48%的学生在企业参观和学术讨论之间，更倾向于选择前者，主要原因是企业应用更贴近实际，能够更直观地体会到如何将技术与实践相结合，同时了解更多的企业文化和运作模式。以华为北研所参观为例，返校后，学生普遍反映对大型企业从研发到测试所有环节的一丝不苟留下了深刻的印象，此外对课堂上所学知识如何演变成工业经济价值的过程有了更多的了解；而优先选择学术讨论的学生则认为，能够从相关活动中获得更多的前沿知识。

2.3.2 课堂展示——模拟工程实施中的需求评审

为了增强真实感，同时加强对大作业的过程管理，本课程参照信息系统工程实施过程，由任课教师担任大作业“监理”的角色。在完成选题之后，每个小组需要按时提交周报，其中包括整体开发进度安排、本周主要工作、下周工作重点、未按计划执行或变更原因等内容。在物联网应用案例介绍之后，我们安排一次课堂展示，相当于工程实施过程中的设计联络和专家需求评审。课堂展示时，除了要准备演示用PPT以外，还要提交需求说明书0.9版和概要设计报告0.1版。展示过程中要求突出特色和关键点，相同或相似选题方向的小组之间将进行“PK”，由其他小组的同学担任评委，选出有亮点的小组，给予适当加分。展示通过后，需求说明书经过修订可以形成1.0版（即专家评审通过稿），概要设计报告和界面规格书在学期末统一提交。

根据期末对学生的问卷调查数据显示，35.2g%的同学认为周报是最难完成的部分，另有26.8g%的同学认为界面规格书最不容易，前者是最需要严谨、细致的，而后者是最能够直观反映出应用系统模块间逻辑关系的。

3 实践效果

本课程在考核方面，以小组大作业作为课程成绩的主要评判依据，占总成绩的40%；平时成绩、综述论文（或课外活动感想）和期末考试各占20%。

客观分析、自行组队、自主选题、小组PK的大作业方式对不主动的学生而言，可能会比较容易钻空子，但还是很好地调动了大多数学生的积极性。在课堂展示环节中，能明显感觉到很多学生在小组合作中充分发挥了各自特长，并且着实下了一番功夫。很多小组对叙述过程的掌控已经具备了一定的专业水准，演示文稿中也不乏制作精美的作品。比如在2013年春季的课程实践环节，有两个小组的展示内容给大家留下了深刻的印象。一组的选题是“停车场管理系统”，如图l（a1所示，他们使用乐高（IEGO）积木组合软件搭建了一个可视化的停车场环境，更形象地完成了系统展示说明；另一组选择“快递自助提取系统”的学生在进行需求分析时，向周围的同学发放了上百份调查问卷并进行了数据分析，如图l（b）（c）所示，为系统设计提供了事实依据。

为了让所有小组成员都能够更积极用心，授课教师在课堂展示环节会对每个学生针对系统的需求分析、系统设计甚至市场应用前景等提出形形色色的问题，督促他们更主动地参与到小组实践作业中；另一方面，在期末考题中设计与大作业相关的题目，如“请给出小组大作业中使用到的物联网关键技术及具体应用方法”和“请结合大作业应用背景，简述可能存在的安全问题和相应的对策”，因考试时间有限，没有努力参与大作业的学生往往不能很好地回答。

4 结语

根据统计，北京航空航天大学计算机学院近年约40%的毕业生直接走上了工作岗位，约60%选择继续深造。对于毕业后直接参加工作的学生，如果在学校课程学习的同时能够获得更多的工程实践经验，他们在进行角色转换的时候就可以更成熟、更理智；而对于选择继续深造的学生，则能帮助他们在进行硕士和博士科研活动的时候更规范、更严谨。未来本课程将考虑尝试大班+小班的授课模式，原课程内容保留大班授课不变，将实践部分的内容以小班课的形式由课外转到课内，便于授课教师进一步深入到实践的每个环节中。一方面为学生提供更直接的指导，及时发现他们在实践中存在的问题，另一方面帮助他们更好地消化吸收课堂知识。此外，将授课教师与学生之间的面对面指导放到课堂上，可以发动更多的学生参与讨论，激发他们的竞争意识，更好地调动其积极性。