基于项目任务的信息系统课程设计与实践研究

杜娟

关键词：项目驱动；任务驱动；混合教学；信息系统；课程设计

0 引言

2017年，从“复旦共识”“天大行动”到“北京指南”，教育部提出了新工科理念，对工科生的工程实践能力提出了新的要求[1]。工程教育专业认证的理念也体现了培养学生解决复杂工程问题能力的重要性。复杂工程问题的本质是运用工程原理分析解决问题。工程原理是对数学、自然科学、工程知识、工程技术和技能的有目的性的应用[2]。信息系统综合课程设计是信息工程专业的一门重要的专业实践课。该综合设计围绕信息获取及其应用过程所涉及的专业知识和能力，对于培养学生的创新精神和工程实践能力具有不可替代的作用。然而，传统的综合课程设计存在一些问题，如教学内容较单一、教学设计脱离实际和教学方法落后等。这些问题限制了综合课程设计的有效实施。

基于项目的教学法（Project-based Learning， PBL） 是指以一个项目为教学内容驱动学生学习的一种教学方式[3]。项目驱动教学能更好地帮助学生掌握完整的项目流程，从整体上培养学生的工程能力。任务驱动教学法以每一个任务去驱动学生学习对应的知识点，更牢固地掌握基础知识。项目-任务驱动混合教学模式结合了项目教学法和任务驱动教学法的优势，让学生在掌握丰富的基础知识的前提下，更切实地融入实际工程问题中去，在一步一步完成任务的过程中锻炼工程实践能力。在已有的项目-任务混合教学研究当中，针对教学法的研究较多，对于课程的研究较少[3]。因此将项目-任务驱动混合教学模式应用到信息系统综合课程设计课程中是一个有益的探索。

1 课程教学中存在的不足

1.1 教学内容较单一

传统的信息系统综合课程设计的教学内容主要是基于“EDA技术”这门专业课的，侧重利用硬件描述语言建模、设计和仿真。覆盖面较窄，难以满足培养学生解决复杂工程问题能力的需求。

1.2 教学设计脱离实际

综合设计的课题偏理论化，缺乏与实际应用的结合。这导致学生难以理解课程内容，也无法将所学知识应用到实际工作中。另外，课题较为陈旧，缺少与社会发展需求密切相关的新技术[4]。

1.3 教学方法落后

传统的信息系统综合课程设计教学方法基本还是验证性的，主要采取教师主导讲授，学生被动接受的方式，学生只要按照指引进行就可以完成任务，缺乏创新性，无法激发学生的学习兴趣和创造力。课程设计进行过程中缺乏有效的反馈机制，学生无法及时了解自己的学习进度和成绩。这使得学生难以对自己的学习进行评估和调整，也无法及时向老师请教问题。大多数学生在结束综合课程设计之后并不能独立完成一个工程项目，不具备相应的工程实践能力。

2 基于项目-任务驱动的课程方案设计

2.1 明确课程目标

根据工程教育认证中信息工程专业的毕业要求，明确信息系统综合课程设的课程目标如下：

课程目标1：能够理解综合设计的内容和要求，针对综合设计题目所涉及的内容，结合传感器技术和电子电路与系统的相关原理和知识进行文献检索，归纳总结综合设计题目所涉及的信息获取、传输等工程问题，并针对题目的要求做出项目功能分析与可行性分析。

课程目标2：理解与分析设计题目，根据题目中的特定应用需求与指标，提出并比较分析较为可行的解决方案，包括CPU与传感器类型的选型、性能参数的选择、电路设计与制作、软硬件联合调试方案等，设计出可行的实验系统。

课程目标3：根据所制定的技术方案与实验方案进行测试，并对实验结果进行分析与解释，总结实验效果，分析实验不足之处并提出改正措施。

课程目标4：能够使用现代化的工具软件对具体的工程问题进行设计、调试、仿真及数据分析。

新的课程目标详细具体地指出了对学生能力培养的要求，强调知识的应用和独立思考能力，为课程实施提供了方向指引。

2.2 整合教学内容

根据课程目标，结合电子信息技术发展的新趋势和新方向，将多门专业课的内容进行整合，选取无人机软硬件系统设计与实现作为载体，培养学生解决复杂工程问题的能力和理论联系实际的能力。

信息系统综合课程设计在大三下学期开设，学生已经完成了高级语言程序设计、模拟电子技术、数字电子技术、通信原理、微处理器与接口技术、EDA技术和传感器技术及应用等专业课程的学习，具备了设计和实现小型电路系统的理论知识。学生在综合课程设计过程中将对应的理论知识应用于实际当中，融会贯通，并为后续课程如毕业设计等提供必要的支撑。

2.3 确定项目-任务

项目的选择对实训教学的顺利实施至关重要。项目应具有实际意义，同时具有一定的复杂性和综合性，实操难度要适中[5]。当前，无人机在生产生活各个领域都有广泛的应用，无人机技术是一项涉及传感器技术、通信技术、人工智能技术、图像处理技术、模式识别和控制理论等多个技术领域的综合技术，在硬件和软件方面都有一定的复杂性，非常适合作为信息系统综合课程设计的项目。

将无人机项目分解为飞行控制器设计、遥控器设计和地面站设计三个子任务，每个子任务都具有明确的目标和要求。学生可以根据自己的兴趣和能力选择一个或多个子任务进行研究和实践。学生根据子任务的要求，组成相应的团队，进行协作研究和实践。团队成员之间相互支持、交流和合作，共同完成任务。

2.4 注重过程考核

学生课程考核成绩由小组讨论（30%） 、课程报告（50%） 和最终答辩（20%） 共同组成。

课程设计期间每周固定时间进行小组讨论，汇报本周工作进展，分析遇到的问题，在指导老师协助下提出解决的方法。指导老师指明下周任务的关键技术问题并对每位学生本周表现进行评价。学生和教师可以根据反馈和总结情况对后续的方案和计划进行进一步的改进和完善。

学生完成项目后，进行公开的实物成果展示，并回答指导老师提出的问题。同时提交课程报告。

3 课程设计的实施

3.1 课程结构与教学方法

课程包括每周的集中讲解、实操课程和小组讨论。集中讲解由指导老师讲解无人机软硬件的基本概念和理论，并发布每周任务进度。每周的实操课程为学生提供实践学习机会，在三人小组中工作，应用在课堂上学到的课程知识解决实际问题，完成任务目标。每个子任务分为6个相互关联的学习模块，按时间顺序如表1所示。每周一次的小组讨论在组内成员间进行，每个成员汇报任务进展，讨论工作配合情况，针对出现的问题在指导老师引导下提出解决方案。

为了帮助没有实际编程经验的学生更快上手，针对每个子任务提供了相应例程。学生通过读懂例程和修改例程获取完成任务所需的理论知识和编程技巧，在此基础上进行相关练习以及完成任务设计。以无人机项目为课程的主线，将课程知识点与系统代码实例一一对应起来，使教学内容前后衔接更加融洽，让学生学习起来更有连续性，在实践编程中有整体性。

例如，对于遥控器按键控制程序，学生先学习已实现左右两个方向微调功能的例程，然后自己修改例程，实现通过按键对前后左右4个方向进行微调的功能。学生在此过程中需要熟悉编程环境和编程语言，理解按键工作原理，掌握遥控器和飞行控制器之间的通信协议。出现错误时，能够对错误进行分析和解释，理解方案的局限性，并通过信息综合得到合理有效的结论，进而培养解决复杂工程问题的能力。

3.2 课程的反馈与成果

信息系统综合课程设计已在信息工程学院2019 级和2020级信息工程专业5个班共450名学生中开展。虽然学生之前有相关课程的知识储备，但有一部分学生的实际操作技能仍显不足。尽管如此，所有小组都成功地实现了基本的软硬件功能，完成了项目任务。一个由学生设计实现的遥控器电路板如图1 所示。

2020级电子信息工程3班和4班学生共89人在课程结束后填写了调查问卷。认为“该课程对理解之前学习的理论知识非常有帮助”的占比80.9%。认为“任课教师的指导非常有效”和“比较有效”的共有70.8%。认为“课程的项目非常贴近实际”和“比较贴近实际”的共占89.9%。认为“对提高软件编程能力非常有帮助”和“对提高文献检索能力非常有帮助”的学生均超过90%。近80%的学生认为程度“非常大”或“比较大”地激发了学习积极性。将近一半的学生在学完该课程后，有信心独立设计、实现和测试单片机电路系统。当然，也有22.5%的学生认为项目难度非常大，12.3%的学生觉得任务工作量非常大。其根本原因在于这部分学生实际项目经验较少，面对实际的工程问题一时难以找到有效的解决办法。可以通过在前面的课程如高级语言程序设计、微处理器与接口技术和EDA技术中加入相关实践内容来使学生提早得到适应。

部分2020级学生还在学院组织下参加了2023年全国大学生电子设计竞赛，有课程设计项目无人机软硬件设计作为基础，取得了一个国家一等奖、三个省二等奖的好成绩。

4 结束语

本文对基于项目-任务驱动的信息系统综合课程设计的教学进行了研究，并在信息工程专业的学生中实践了相应的教学设计。通过整合多学科教学内容、选择合适的项目并将之分解为多个子任务，将理论教学与实际工程项目相结合，本课程建立了一个新的实践教学模式，强调以项目为基础的实践与理论知识相协调。课程参与者能够获得在电路、数据采集和处理系统以及电子学方面的理论知识和实践能力。客观评价和主观评价两方面都表明该模式能够提高学生的主动学习意识、团队协作能力和工程实践能力，同时提高教学质量和学生学习效果。在信息工程专业教学中，具有较大的应用价值和推广意义。