計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程教學(xué)模式探索

1、 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程教學(xué)模式探索 ：1672-5913(2014)01-0060-04 G642周曉聰，衣楊，賴劍煌 （中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510275）Reference：結(jié)合CDIO工程教育理念，提出一種基于項(xiàng)目的教學(xué)模式，討論該教學(xué)模式的操作流程，并借鑒實(shí)證軟件工程研究手段與方法，研究探討可以在該課程實(shí)施的項(xiàng)目類型。Keys：專業(yè)綜合實(shí)踐；教學(xué)模式；CDIO第一作者簡(jiǎn)介：周曉聰，男，副教授，研究方向?yàn)檐浖こ?，? 背景計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐是中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為強(qiáng)化該專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力而在夏季小學(xué)期開設(shè)的專業(yè)選修課程。課程面向計(jì)算機(jī)科

2、學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三年級(jí)本科生，在小學(xué)期分4周開設(shè)，共36學(xué)時(shí)。課程以多個(gè)不同層次難度的軟件項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、幫助學(xué)生積累基本的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、提升學(xué)生全面運(yùn)用其大學(xué)所學(xué)理論知識(shí)以及技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。隨著計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的發(fā)展，實(shí)踐教學(xué)的重要性得到越來越多的大學(xué)、專家和學(xué)者的重視。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2008年出版了高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范（下面簡(jiǎn)稱規(guī)范），對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)體系給出了指導(dǎo)性意見1。中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院結(jié)合自身特點(diǎn)，以及學(xué)校3學(xué)期制度的優(yōu)勢(shì)，面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三年級(jí)本科生，

3、率先在夏季小學(xué)期開設(shè)綜合實(shí)踐課程是我們實(shí)施規(guī)范的重要步驟。規(guī)范給出了一些實(shí)踐課程的參考教學(xué)大綱，但是對(duì)實(shí)踐課程的教學(xué)模式，特別是以整合整個(gè)專業(yè)的軟硬件知識(shí)為目的的專業(yè)綜合實(shí)踐課程的教學(xué)模式，目前仍處于探索階段。2 CDIO工程教育理念CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，是由麻省理工學(xué)院等4所世界著名大學(xué)經(jīng)幾年研究、探索和實(shí)踐建立的一種先進(jìn)的工程教育模式2。CDIO的工程教育理念體現(xiàn)在其大綱和標(biāo)準(zhǔn)中。CDIO大綱給出了現(xiàn)代工程師應(yīng)具有的科學(xué)和技術(shù)知識(shí)、能力和素質(zhì)，包括：技術(shù)知識(shí)和推理能力；個(gè)人能力、職業(yè)能力和態(tài)度；人際交

4、往能力，團(tuán)隊(duì)工作和交流能力；在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)方面的能力。CDIO模式給出了12條標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)要求將產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行作為工程教育的基本環(huán)境；要求學(xué)生個(gè)人基本能力、人際能力以及對(duì)產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力滿足專業(yè)目標(biāo)并經(jīng)過用人單位的檢驗(yàn)；要求學(xué)校提供一體化的教學(xué)計(jì)劃，將個(gè)人能力、人際能力以及對(duì)產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力反映在培養(yǎng)計(jì)劃中；要求在培養(yǎng)計(jì)劃中至少包含2個(gè)完整的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷；要求提供良好的工程實(shí)踐場(chǎng)所和相應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境；要求學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，獲取綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)等。3 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程是該專業(yè)工程教育的核心課

5、程之一，因此將CDIO工程教育理念應(yīng)用于該課程非常自然。根據(jù)我們的理解，CDIO工程教育理念的核心是讓學(xué)生在體驗(yàn)工程產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及運(yùn)行的全生命周期過程中強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人工程能力以及團(tuán)隊(duì)合作的人際能力。其關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：一要學(xué)生體驗(yàn)工程產(chǎn)品構(gòu)建的全過程；二要培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人與團(tuán)隊(duì)合作等方面的綜合能力。從CDIO工程教育基本理念出發(fā)，我們考察了各種教學(xué)模式，如概念獲得模式、探究式教學(xué)模式、自主學(xué)習(xí)模式等3，并對(duì)一些專家學(xué)者所提出的相關(guān)課程，特別是軟件工程課程和軟件工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)模式與體系進(jìn)行借鑒與研究4-7，我們認(rèn)為探究式教學(xué)模式最適合用于專業(yè)綜合實(shí)踐課程的教學(xué)。結(jié)合中山大學(xué)

6、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，我們探索在課程中使用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式探究教學(xué)模式，或簡(jiǎn)稱基于項(xiàng)目的教學(xué)模式?；陧?xiàng)目的教學(xué)模式是以學(xué)習(xí)/研究某種或多種學(xué)科的概念和原理為中心，以制作作品并將作品推銷給客戶為目的，在真實(shí)世界中借助多種資源開展探究活動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)問題的教學(xué)/學(xué)習(xí)模式 。作為一種探究式教學(xué)模式，基于項(xiàng)目的教學(xué)模式依據(jù)皮亞杰和布魯納的建構(gòu)主義理論，注重學(xué)生的前認(rèn)知，注重體驗(yàn)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的探究和思維能力?；陧?xiàng)目的教學(xué)模式主要由內(nèi)容、活動(dòng)、情景和結(jié)果4大要素構(gòu)成，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容是在現(xiàn)實(shí)生活和真實(shí)情景中表現(xiàn)出來的各種復(fù)雜的、非預(yù)測(cè)性、多學(xué)科知識(shí)交叉的問題。其活動(dòng)主要是指

7、學(xué)生采用一定的工具和一定的研究方法對(duì)問題求解所采取的探究活動(dòng)?；陧?xiàng)目的教學(xué)模式注重促進(jìn)學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí)，同時(shí)也支持學(xué)生的個(gè)別化學(xué)習(xí)。該教學(xué)模式中的情景作用定位主要表現(xiàn)在：促進(jìn)個(gè)人與個(gè)人以及個(gè)人與社會(huì)團(tuán)體之間的合作；鼓勵(lì)學(xué)生使用并掌握技術(shù)工具。該模式強(qiáng)調(diào)促進(jìn)學(xué)生掌握豐富的工作技能并將這些技能運(yùn)用到終身學(xué)習(xí)中。其主要成果包括：運(yùn)用知識(shí)的技能和策略；特定的技能、計(jì)劃/部署、態(tài)度以及成功開展工作的信念等8。從上面的論述可見，基于項(xiàng)目的教學(xué)模式非常適合專業(yè)綜合實(shí)踐這類課程的教學(xué)。該模式的操作程序主要分為選定項(xiàng)目、制訂計(jì)劃、活動(dòng)探索、作品制作、成果交流和活動(dòng)評(píng)價(jià)6個(gè)步驟，不難看出，這些步驟與CDIO工

8、程教育理念非常吻合。圖1給出了基于CDIO工程教育理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的基本過程?；陧?xiàng)目的教學(xué)模式選定項(xiàng)目階段主要根據(jù)學(xué)生的興趣確定要進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)的項(xiàng)目，這個(gè)階段相當(dāng)于CDIO工程教育理念中的構(gòu)思階段。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程的實(shí)踐項(xiàng)目，設(shè)計(jì)如下思路。（1）項(xiàng)目?jī)?nèi)容不局限于軟件開發(fā)類項(xiàng)目。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程不是軟件工程實(shí)踐課程，因此不能簡(jiǎn)單給出一個(gè)項(xiàng)目題目讓學(xué)生按照軟件開發(fā)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，寫出文檔及源代碼作為實(shí)踐的主要內(nèi)容。只要能夠讓學(xué)生在項(xiàng)目活動(dòng)過程綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)，獨(dú)立思考，提出問題并解決問題，完成某種軟硬件作品或報(bào)告都可作為課程的項(xiàng)目。例如，可

9、以將C+與Java語言的比較作為項(xiàng)目，也可將調(diào)查軟件開源項(xiàng)目的現(xiàn)狀，或市面上不同品牌、不同配置的筆記本電腦在某個(gè)區(qū)域的銷售情況調(diào)查作為課程項(xiàng)目。我們根據(jù)中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院師資力量特點(diǎn)，將課程定位在偏軟件類課程知識(shí)的綜合運(yùn)用與實(shí)踐上，因此主要是給出一些偏軟件類項(xiàng)目。其他院?？筛鶕?jù)自身情況，將一些與硬件、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的項(xiàng)目作為課程的實(shí)踐內(nèi)容。（2）項(xiàng)目目的應(yīng)明確，項(xiàng)目過程與任務(wù)能夠進(jìn)行細(xì)分，并具有較好的可操作性。項(xiàng)目所要解決的問題和達(dá)到的目標(biāo)一定要清晰，不能太泛，而且要兼顧整個(gè)課程教學(xué)時(shí)間安排，在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)能夠完成。（3）項(xiàng)目?jī)?nèi)容應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用，不能只是純理論或純技術(shù)的研究，將理論或技術(shù)應(yīng)用

10、到實(shí)踐，以鍛煉提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。例如，對(duì)于C+與Java語言比較項(xiàng)目，不僅通過查閱資料了解這兩種語言的特點(diǎn)，更重要的是讓學(xué)生通過分別使用兩種語言編寫具有相同功能的一定規(guī)模的程序，親身感受它們之間的差別，并且還要在這種感受的基礎(chǔ)上，定出一系列量化指標(biāo)（例如比較兩種程序中的錯(cuò)誤數(shù)），運(yùn)用一定的工具（程序靜態(tài)分析工具或自動(dòng)測(cè)試工具）完成這兩種語言在某些方面的定量比較。這樣不僅考查與培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，而且考查學(xué)生的編程能力及對(duì)工具的運(yùn)用和評(píng)價(jià)等綜合能力。（4）借鑒實(shí)證軟件工程中的研究?jī)?nèi)容與研究方法。實(shí)證軟件工程(Empirical Software Engineering)是軟件工程研究的一個(gè)分

11、支，研究將調(diào)查(survey)、案例研究(case study)，特別是實(shí)驗(yàn)(experiment)等實(shí)證研究方法如何用于對(duì)軟件開發(fā)過程、工具以及產(chǎn)品的建模與評(píng)估9。例如，通過兩組人分別使用C+與Java語言編寫程序，并測(cè)試程序中的錯(cuò)誤以比較這兩種語言，這就是一種實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)證研究，特別是實(shí)驗(yàn)研究強(qiáng)調(diào)整個(gè)過程的可控性，需要為所研究的軟件過程、工具或產(chǎn)品建立詳細(xì)的評(píng)價(jià)模型，給出相應(yīng)的輸入變量（又稱自變量，independent variables）和輸出變量（又稱因變量，dependent variables）及其定量度量標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)(hypothesis testing)

12、。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)證研究，不僅可對(duì)軟件開發(fā)過程、工具以及產(chǎn)品作調(diào)查和案例研究，還可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。學(xué)生不僅可作為實(shí)證研究的設(shè)計(jì)者，而且可作為實(shí)證研究活動(dòng)中的主體。教師不僅可借鑒實(shí)證研究中的一些研究?jī)?nèi)容，而且可借鑒實(shí)證研究中的一些評(píng)價(jià)模型來評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)踐的結(jié)果。圍繞軟件生存周期中的需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試與維護(hù)等階段，我們?cè)谟?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程中實(shí)施下面一些項(xiàng)目（類型）：（1）圍繞軟件需求分析階段：傳統(tǒng)地，給出一個(gè)系統(tǒng)的問題陳述，學(xué)生完成其需求分析；給出一個(gè)系統(tǒng)的需求分析說明書，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)；比較兩種需求分析方法（例如結(jié)構(gòu)化方法與面向?qū)ο蠓椒?/p>

13、）；調(diào)查并比較需求分析階段中可用的開源工具。（2）圍繞軟件設(shè)計(jì)階段：傳統(tǒng)地，給出一個(gè)系統(tǒng)的需求分析說明書，讓學(xué)生完成其系統(tǒng)設(shè)計(jì)；給出一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明書，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)；比較兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（例如結(jié)構(gòu)化方法與面向?qū)ο蠓椒ǎ?；探索軟件設(shè)計(jì)模式在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用；針對(duì)同一系統(tǒng)使用幾種不同的軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；調(diào)查并比較軟件設(shè)計(jì)階段中可用的開源工具。（3）圍繞軟件實(shí)現(xiàn)階段：給出一個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)說明書，讓學(xué)生完成它的編碼實(shí)現(xiàn)；給出一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生按照某種要求（例如使用或不使用軟件設(shè)計(jì)模式）對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)；比較兩種或多種不同的程序設(shè)計(jì)語言；比較兩種或多種不同的編程環(huán)境；探索代碼自動(dòng)

14、生成工具在軟件開發(fā)中的應(yīng)用。（4）圍繞軟件測(cè)試階段：傳統(tǒng)地，給出一個(gè)系統(tǒng)的源代碼，讓學(xué)生按照某種（某些）覆蓋要求完成其測(cè)試工作；探索自動(dòng)測(cè)試工具在軟件測(cè)試中的應(yīng)用；探索測(cè)試用例自動(dòng)生成技術(shù)的應(yīng)用；探索軟件自動(dòng)分析工具的應(yīng)用；探索軟件錯(cuò)誤定位工具的應(yīng)用。（5）圍繞軟件維護(hù)階段：給出一個(gè)系統(tǒng)的源代碼，讓學(xué)生完成逆向工程的任務(wù)（例如給出該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明書）；探索軟件版本管理工具的應(yīng)用；探索軟件自動(dòng)集成工具的應(yīng)用；探索軟件缺陷管理工具的應(yīng)用；探索某個(gè)開源軟件的可維護(hù)性。當(dāng)然，這里不可能列出所有可能的項(xiàng)目或項(xiàng)目類型，課程主講教師還可設(shè)想其他一些可能的項(xiàng)目類型。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程中不需要強(qiáng)

15、調(diào)學(xué)生完成一個(gè)軟件項(xiàng)目的整個(gè)過程的設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以在軟件生存期的不同階段選取一些項(xiàng)目由不同的學(xué)生小組完成。在學(xué)生根據(jù)自己的興趣進(jìn)行分組并選定項(xiàng)目之后，基于項(xiàng)目的教學(xué)/學(xué)習(xí)就進(jìn)入項(xiàng)目計(jì)劃階段。項(xiàng)目計(jì)劃階段可看作是CDIO教育理念中的設(shè)計(jì)階段。學(xué)生必須針對(duì)項(xiàng)目目的擬訂一份詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃，并把項(xiàng)目任務(wù)具體分配到小組中的每位學(xué)生。項(xiàng)目計(jì)劃中要包括每個(gè)階段的具體成果，以及評(píng)價(jià)這些成果的標(biāo)準(zhǔn)，使得項(xiàng)目每個(gè)階段的任務(wù)是否完成有更為具體和清晰的目標(biāo)?；陧?xiàng)目的教學(xué)/學(xué)習(xí)模式的活動(dòng)探究與作品制作階段相當(dāng)于CDIO教育理念中的實(shí)現(xiàn)階段。在這個(gè)階段，學(xué)生必須根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃完成各種探索活動(dòng)，教師給予必要的指導(dǎo)。探索活動(dòng)

16、通常包括在圖書館或網(wǎng)絡(luò)上查找資料、實(shí)地考察、對(duì)工具進(jìn)行應(yīng)用體驗(yàn)、與相關(guān)人員以及學(xué)生小組內(nèi)互相訪談交流等。在探索活動(dòng)中，學(xué)生小組都必須指定人員撰寫活動(dòng)日志，整理相關(guān)資料，最后小組內(nèi)的學(xué)生一起完成項(xiàng)目目標(biāo)所規(guī)定的作品或報(bào)告。基于項(xiàng)目的教學(xué)/學(xué)習(xí)模式的成果交流階段相當(dāng)于CDIO教育理念中的運(yùn)行階段。在這個(gè)階段，學(xué)生展示自己的作品或報(bào)告，并在課堂上進(jìn)行答辯、交流，如果可能還可將作品或報(bào)告提交給相關(guān)部門或企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用?；陧?xiàng)目的教學(xué)/學(xué)習(xí)模式的活動(dòng)評(píng)價(jià)階段對(duì)學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目探索活動(dòng)中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這與CDIO教育理念中在整個(gè)教育過程中注重工程能力的培養(yǎng)相一致。這種評(píng)價(jià)注重過程評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生（小組）在整

17、個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)中的原始數(shù)據(jù)、活動(dòng)記錄與日志、學(xué)生在活動(dòng)過程中撰寫的調(diào)查表、訪談表、學(xué)習(xí)與應(yīng)用體會(huì)、最終作品或報(bào)告等進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，還可結(jié)合學(xué)生小組之間、學(xué)生小組之內(nèi)相互評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)以及反思形成對(duì)學(xué)生的最終評(píng)價(jià)。4 結(jié)語計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐已經(jīng)以選修課的形式在中山大學(xué)開設(shè)了一次，撰寫了基本的教材10，形成了一定的教學(xué)案例，并初步開發(fā)了一個(gè)教學(xué)網(wǎng)站，取得了一定的效果。我們將在下一步的課程實(shí)踐中進(jìn)一步探索如何在項(xiàng)目結(jié)合中與借鑒實(shí)證軟件工程的內(nèi)容，進(jìn)一步完善項(xiàng)目案例。Reference：1教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范M. 北京:

18、清華大學(xué)出版社, 2008: 39-72.2Crawley E, Malmqvist J, Ostlund S, et al.Rethinking engineering education: the CDIO approachM. Berlin: Springer, 2007: 1-2.3Joyce B, Well M, Calhoun E.教學(xué)模式M. 7版. 荊建華, 宋富鋼, 花清亮, 譯. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2009: 10-52.4李紅梅, 張紅延,陳旭東. 基于CDIO的軟件工程實(shí)踐教學(xué)探索J. 高等理工教育, 2011(3): 130-132.5劉京志, 李寧,胡景凡,等. 基于CDIO模式的軟件項(xiàng)目綜合實(shí)踐課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐J. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué), 2011, 33(A1): 34-37.6譚貌,李友芝,陳良軍. 軟件工程專業(yè)多課程協(xié)作項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式研究J. 計(jì)算機(jī)教育, 2011(4): 26-29.