计算机科学与技术专业综合实践课程教学模式探索

1、 计算机科学与技术专业综合实践课程教学模式探索 ：1672-5913(2014)01-0060-04 G642周晓聪，衣杨，赖剑煌 （中山大学 信息科学与技术学院，广东 广州510275）Reference：结合CDIO工程教育理念，提出一种基于项目的教学模式，讨论该教学模式的操作流程，并借鉴实证软件工程研究手段与方法，研究探讨可以在该课程实施的项目类型。Keys：专业综合实践；教学模式；CDIO第一作者简介：周晓聪，男，副教授，研究方向为软件工程，。1 背景计算机科学与技术专业综合实践是中山大学信息科学与技术学院为强化该专业学生的工程实践能力而在夏季小学期开设的专业选修课程。课程面向计算机科

2、学与技术专业大三年级本科生，在小学期分4周开设，共36学时。课程以多个不同层次难度的软件项目驱动，锻炼培养学生的实践动手能力和团队合作意识、帮助学生积累基本的工程项目经验、提升学生全面运用其大学所学理论知识以及技术解决实际问题的能力。随着计算机专业教育的发展，实践教学的重要性得到越来越多的大学、专家和学者的重视。教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会2008年出版了高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范（下面简称规范），对计算机科学与技术专业的实践教学体系给出了指导性意见1。中山大学信息科学与技术学院结合自身特点，以及学校3学期制度的优势，面向计算机科学与技术专业大三年级本科生，

3、率先在夏季小学期开设综合实践课程是我们实施规范的重要步骤。规范给出了一些实践课程的参考教学大纲，但是对实践课程的教学模式，特别是以整合整个专业的软硬件知识为目的的专业综合实践课程的教学模式，目前仍处于探索阶段。2 CDIO工程教育理念CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，是由麻省理工学院等4所世界著名大学经几年研究、探索和实践建立的一种先进的工程教育模式2。CDIO的工程教育理念体现在其大纲和标准中。CDIO大纲给出了现代工程师应具有的科学和技术知识、能力和素质，包括：技术知识和推理能力；个人能力、职业能力和态度；人际交

4、往能力，团队工作和交流能力；在企业和社会环境下构思设计实现运行系统方面的能力。CDIO模式给出了12条标准，这些标准要求将产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的基本环境；要求学生个人基本能力、人际能力以及对产品、过程和系统的构建能力满足专业目标并经过用人单位的检验；要求学校提供一体化的教学计划，将个人能力、人际能力以及对产品、过程和系统的构建能力反映在培养计划中；要求在培养计划中至少包含2个完整的构思、设计和实现经历；要求提供良好的工程实践场所和相应的学习环境；要求学生主动学习，获取综合性学习经验等。3 项目驱动式教学模式计算机科学与技术专业综合实践课程是该专业工程教育的核心课

5、程之一，因此将CDIO工程教育理念应用于该课程非常自然。根据我们的理解，CDIO工程教育理念的核心是让学生在体验工程产品的构思、设计、实现以及运行的全生命周期过程中强化学生的专业基础知识、个人工程能力以及团队合作的人际能力。其关键在于两点：一要学生体验工程产品构建的全过程；二要培养学生个人与团队合作等方面的综合能力。从CDIO工程教育基本理念出发，我们考察了各种教学模式，如概念获得模式、探究式教学模式、自主学习模式等3，并对一些专家学者所提出的相关课程，特别是软件工程课程和软件工程专业的实践教学模式与体系进行借鉴与研究4-7，我们认为探究式教学模式最适合用于专业综合实践课程的教学。结合中山大学

6、信息科学与技术学院设定的教学目标，我们探索在课程中使用项目驱动式探究教学模式，或简称基于项目的教学模式。基于项目的教学模式是以学习/研究某种或多种学科的概念和原理为中心，以制作作品并将作品推销给客户为目的，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联问题的教学/学习模式 。作为一种探究式教学模式，基于项目的教学模式依据皮亚杰和布鲁纳的建构主义理论，注重学生的前认知，注重体验式教学，培养学生的探究和思维能力。基于项目的教学模式主要由内容、活动、情景和结果4大要素构成，主要学习内容是在现实生活和真实情景中表现出来的各种复杂的、非预测性、多学科知识交叉的问题。其活动主要是指

7、学生采用一定的工具和一定的研究方法对问题求解所采取的探究活动。基于项目的教学模式注重促进学生之间的合作学习，同时也支持学生的个别化学习。该教学模式中的情景作用定位主要表现在：促进个人与个人以及个人与社会团体之间的合作；鼓励学生使用并掌握技术工具。该模式强调促进学生掌握丰富的工作技能并将这些技能运用到终身学习中。其主要成果包括：运用知识的技能和策略；特定的技能、计划/部署、态度以及成功开展工作的信念等8。从上面的论述可见，基于项目的教学模式非常适合专业综合实践这类课程的教学。该模式的操作程序主要分为选定项目、制订计划、活动探索、作品制作、成果交流和活动评价6个步骤，不难看出，这些步骤与CDIO工

8、程教育理念非常吻合。图1给出了基于CDIO工程教育理念的项目驱动教学模式的基本过程。基于项目的教学模式选定项目阶段主要根据学生的兴趣确定要进行探究式学习的项目，这个阶段相当于CDIO工程教育理念中的构思阶段。对于计算机科学与技术专业综合实践课程的实践项目，设计如下思路。（1）项目内容不局限于软件开发类项目。计算机科学与技术专业综合实践课程不是软件工程实践课程，因此不能简单给出一个项目题目让学生按照软件开发过程进行设计与开发，写出文档及源代码作为实践的主要内容。只要能够让学生在项目活动过程综合运用计算机软硬件知识，独立思考，提出问题并解决问题，完成某种软硬件作品或报告都可作为课程的项目。例如，可

9、以将C+与Java语言的比较作为项目，也可将调查软件开源项目的现状，或市面上不同品牌、不同配置的笔记本电脑在某个区域的销售情况调查作为课程项目。我们根据中山大学信息科学与技术学院师资力量特点，将课程定位在偏软件类课程知识的综合运用与实践上，因此主要是给出一些偏软件类项目。其他院校可根据自身情况，将一些与硬件、网络相关的项目作为课程的实践内容。（2）项目目的应明确，项目过程与任务能够进行细分，并具有较好的可操作性。项目所要解决的问题和达到的目标一定要清晰，不能太泛，而且要兼顾整个课程教学时间安排，在相应的时间内能够完成。（3）项目内容应强调实践应用，不能只是纯理论或纯技术的研究，将理论或技术应用

10、到实践，以锻炼提高学生工程实践能力。例如，对于C+与Java语言比较项目，不仅通过查阅资料了解这两种语言的特点，更重要的是让学生通过分别使用两种语言编写具有相同功能的一定规模的程序，亲身感受它们之间的差别，并且还要在这种感受的基础上，定出一系列量化指标（例如比较两种程序中的错误数），运用一定的工具（程序静态分析工具或自动测试工具）完成这两种语言在某些方面的定量比较。这样不仅考查与培养学生的学习能力，而且考查学生的编程能力及对工具的运用和评价等综合能力。（4）借鉴实证软件工程中的研究内容与研究方法。实证软件工程(Empirical Software Engineering)是软件工程研究的一个分

11、支，研究将调查(survey)、案例研究(case study)，特别是实验(experiment)等实证研究方法如何用于对软件开发过程、工具以及产品的建模与评估9。例如，通过两组人分别使用C+与Java语言编写程序，并测试程序中的错误以比较这两种语言，这就是一种实验研究。实证研究，特别是实验研究强调整个过程的可控性，需要为所研究的软件过程、工具或产品建立详细的评价模型，给出相应的输入变量（又称自变量，independent variables）和输出变量（又称因变量，dependent variables）及其定量度量标准，并对实验结果进行统计假设检验(hypothesis testing)

12、。计算机科学与技术专业综合实践课程可引导学生进行实证研究，不仅可对软件开发过程、工具以及产品作调查和案例研究，还可进行实验研究。学生不仅可作为实证研究的设计者，而且可作为实证研究活动中的主体。教师不仅可借鉴实证研究中的一些研究内容，而且可借鉴实证研究中的一些评价模型来评价学生实践的结果。围绕软件生存周期中的需求分析、设计、实现、测试与维护等阶段，我们在计算机科学与技术专业综合实践课程中实施下面一些项目（类型）：（1）围绕软件需求分析阶段：传统地，给出一个系统的问题陈述，学生完成其需求分析；给出一个系统的需求分析说明书，让学生从中发现问题并改进；比较两种需求分析方法（例如结构化方法与面向对象方法

13、）；调查并比较需求分析阶段中可用的开源工具。（2）围绕软件设计阶段：传统地，给出一个系统的需求分析说明书，让学生完成其系统设计；给出一个系统的设计说明书，让学生从中发现问题并改进；比较两种系统设计方法（例如结构化方法与面向对象方法）；探索软件设计模式在软件系统设计中的作用；针对同一系统使用几种不同的软件体系结构进行设计；调查并比较软件设计阶段中可用的开源工具。（3）围绕软件实现阶段：给出一个系统的软件设计说明书，让学生完成它的编码实现；给出一个系统的实现，让学生按照某种要求（例如使用或不使用软件设计模式）对其进行重构；比较两种或多种不同的程序设计语言；比较两种或多种不同的编程环境；探索代码自动

14、生成工具在软件开发中的应用。（4）围绕软件测试阶段：传统地，给出一个系统的源代码，让学生按照某种（某些）覆盖要求完成其测试工作；探索自动测试工具在软件测试中的应用；探索测试用例自动生成技术的应用；探索软件自动分析工具的应用；探索软件错误定位工具的应用。（5）围绕软件维护阶段：给出一个系统的源代码，让学生完成逆向工程的任务（例如给出该系统的设计说明书）；探索软件版本管理工具的应用；探索软件自动集成工具的应用；探索软件缺陷管理工具的应用；探索某个开源软件的可维护性。当然，这里不可能列出所有可能的项目或项目类型，课程主讲教师还可设想其他一些可能的项目类型。在计算机科学与技术专业综合实践课程中不需要强

15、调学生完成一个软件项目的整个过程的设计和开发，可以在软件生存期的不同阶段选取一些项目由不同的学生小组完成。在学生根据自己的兴趣进行分组并选定项目之后，基于项目的教学/学习就进入项目计划阶段。项目计划阶段可看作是CDIO教育理念中的设计阶段。学生必须针对项目目的拟订一份详细的项目计划，并把项目任务具体分配到小组中的每位学生。项目计划中要包括每个阶段的具体成果，以及评价这些成果的标准，使得项目每个阶段的任务是否完成有更为具体和清晰的目标。基于项目的教学/学习模式的活动探究与作品制作阶段相当于CDIO教育理念中的实现阶段。在这个阶段，学生必须根据项目计划完成各种探索活动，教师给予必要的指导。探索活动

16、通常包括在图书馆或网络上查找资料、实地考察、对工具进行应用体验、与相关人员以及学生小组内互相访谈交流等。在探索活动中，学生小组都必须指定人员撰写活动日志，整理相关资料，最后小组内的学生一起完成项目目标所规定的作品或报告。基于项目的教学/学习模式的成果交流阶段相当于CDIO教育理念中的运行阶段。在这个阶段，学生展示自己的作品或报告，并在课堂上进行答辩、交流，如果可能还可将作品或报告提交给相关部门或企业进行推广应用。基于项目的教学/学习模式的活动评价阶段对学生在整个项目探索活动中的表现进行评价，这与CDIO教育理念中在整个教育过程中注重工程能力的培养相一致。这种评价注重过程评价，对学生（小组）在整

17、个项目活动中的原始数据、活动记录与日志、学生在活动过程中撰写的调查表、访谈表、学习与应用体会、最终作品或报告等进行综合性评价，还可结合学生小组之间、学生小组之内相互评价、学生自评以及反思形成对学生的最终评价。4 结语计算机科学与技术专业综合实践已经以选修课的形式在中山大学开设了一次，撰写了基本的教材10，形成了一定的教学案例，并初步开发了一个教学网站，取得了一定的效果。我们将在下一步的课程实践中进一步探索如何在项目结合中与借鉴实证软件工程的内容，进一步完善项目案例。Reference：1教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范M. 北京:

18、清华大学出版社, 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.教学模式M. 7版. 荆建华, 宋富钢, 花清亮, 译. 北京: 中国轻工业出版社, 2009: 10-52.4李红梅, 张红延,陈旭东. 基于CDIO的软件工程实践教学探索J. 高等理工教育, 2011(3): 130-132.5刘京志, 李宁,胡景凡,等. 基于CDIO模式的软件项目综合实践课程教学改革研究与实践J. 计算机工程与科学, 2011, 33(A1): 34-37.6谭貌,李友芝,陈良军. 软件工程专业多课程协作项目驱动教学模式研究J. 计算机教育, 2011(4): 26-29.