面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)改革

呂友波，蘇曉東，秦相林，王華兵

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150028)

0 引言

工程教育認(rèn)證要求通過認(rèn)證的工程專業(yè)不僅要深入理解和把握復(fù)雜工程問題，更要按照國際實(shí)質(zhì)等效原則培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力[1]。目前，針對計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的研究還處于探索階段。許智宏等人認(rèn)為可采用半開放式項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法達(dá)成目標(biāo)[2]；尚鳳軍提出課程群建設(shè)面向復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的方案[3]；黃永紅等人認(rèn)為可增設(shè)綜合訓(xùn)練項(xiàng)目來達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)[4]。劉秀平等人提出了分層實(shí)施方案，從知識(shí)、實(shí)踐、設(shè)計(jì)的維度支撐了解決復(fù)雜工程問題的能力[5]。王宏宇等人提出了以學(xué)科競賽主題為對象，遵循工程邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)過程的課程建設(shè)改革方法[6]。許多研究成果對于分解落實(shí)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)缺乏深入探索，對于如何優(yōu)化課程設(shè)計(jì)體系和內(nèi)容來提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力方面也缺乏深入研究。

1 課程設(shè)計(jì)改革的意義

完備的實(shí)踐教學(xué)體系主要包括課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等。通常，國內(nèi)高校都將畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)環(huán)節(jié)作為實(shí)現(xiàn)解決復(fù)雜工程問題的重要載體。但近年來，畢業(yè)設(shè)計(jì)期間應(yīng)聘、考研等擠占了學(xué)生很多時(shí)間和精力，設(shè)計(jì)內(nèi)容往往弱化甚至忽略難以處理的學(xué)科交叉問題和非技術(shù)因素，且畢業(yè)設(shè)計(jì)往往采取一人一題，很難達(dá)到個(gè)人與團(tuán)隊(duì)的教學(xué)指標(biāo)。課程實(shí)驗(yàn)往往隨理論授課逐周分散進(jìn)行，受學(xué)時(shí)限制以及學(xué)生知識(shí)掌握處于積累階段等因素，一些深度型、探究型、綜合型的實(shí)驗(yàn)往往很難開展。實(shí)習(xí)由于受到場地、經(jīng)費(fèi)、管理難度、企業(yè)技術(shù)保密等限制，往往缺乏理論指導(dǎo)下的實(shí)踐。一些計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生到實(shí)習(xí)單位后，只能接觸一些前端頁面或模塊代碼的機(jī)械性編寫，無法接觸軟件或硬件的具體設(shè)計(jì)過程，有些專業(yè)實(shí)習(xí)甚至畸變?yōu)槠髽I(yè)參觀?！队?jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》要求計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生4年的實(shí)驗(yàn)當(dāng)量應(yīng)不少于2萬行代碼。在課程設(shè)計(jì)方面，要求至少完成兩個(gè)有一定規(guī)模和復(fù)雜度的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)踐教學(xué)體系中提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的環(huán)節(jié)應(yīng)保證時(shí)間的集中性，內(nèi)容的規(guī)模和復(fù)雜度要達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中的要求，且應(yīng)在理論的指導(dǎo)下開展，課程設(shè)計(jì)比較符合這一要求，應(yīng)作為提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的關(guān)鍵突破口。

2 課程設(shè)計(jì)改革宗旨和研究方法

2.1 課程設(shè)計(jì)改革宗旨

第一，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為主線，突出工程技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識(shí)培養(yǎng)，全面提升學(xué)生的能力和素質(zhì)。第二，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)針對復(fù)雜工程問題的解決方案，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)多方案分析與評價(jià)，從而全面提升實(shí)踐教學(xué)效果。第三，使學(xué)生深入掌握工程原理，結(jié)合工程實(shí)踐，體現(xiàn)綜合運(yùn)用，提升解決復(fù)雜工程問題的能力。第四，分解落實(shí)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，課程設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)逆向推進(jìn)課程體系的整體優(yōu)化。第五，構(gòu)建計(jì)算機(jī)專業(yè)完善的實(shí)踐教學(xué)體系和課程群體系，建立各項(xiàng)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

2.2 基本研究方法

第一，調(diào)研法。采取調(diào)研問卷調(diào)查和訪談的方式，對目前已畢業(yè)學(xué)生、在校生(包括計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科生、研究生)、教師(包括教學(xué)管理、教學(xué)一線、教輔等多層面)開展調(diào)研。同時(shí)走訪和調(diào)研部分高校、IT企業(yè)和專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等。第二，逆向研究法。從實(shí)踐入手，逆向優(yōu)化專業(yè)類知識(shí)體系教學(xué)。第三，分析建模法。對調(diào)研數(shù)據(jù)、教學(xué)環(huán)節(jié)統(tǒng)計(jì)與考核數(shù)據(jù)、質(zhì)量保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，借助人工智能手段進(jìn)行建模優(yōu)化。第四，螺旋優(yōu)化、研以致用法。杜絕紙上談兵，形成的專業(yè)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置實(shí)施方案(含教改方案、教學(xué)大綱、課程標(biāo)準(zhǔn)、考核標(biāo)準(zhǔn)等)，直接實(shí)施于一線教學(xué)活動(dòng)，并通過實(shí)施效果的反饋螺旋優(yōu)化后續(xù)方案。

3 課程設(shè)計(jì)改革實(shí)踐

課程設(shè)計(jì)計(jì)劃的實(shí)施要求指導(dǎo)教師明確課程設(shè)計(jì)對應(yīng)于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)具體的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，并要在課程設(shè)計(jì)過程中堅(jiān)持實(shí)施。明晰課程設(shè)計(jì)對畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐作用，為合理安排課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容明確了指導(dǎo)思想。

本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案以工程教育專業(yè)認(rèn)證為背景，共設(shè)置11門課程設(shè)計(jì)。一類課程設(shè)計(jì)在前5學(xué)期開設(shè)，涉及專業(yè)類知識(shí)課程門數(shù)相對較少，具體包括以下7門課程設(shè)計(jì)：C語言程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、Java程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫原理課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)、C++程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、Java EE編程技術(shù)課程設(shè)計(jì)。以上課程設(shè)計(jì)以語言開發(fā)為主，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、軟件工程設(shè)計(jì)規(guī)范、計(jì)算機(jī)語言開發(fā)能力的基礎(chǔ)。指導(dǎo)教師面向解決復(fù)雜工程問題培養(yǎng)，認(rèn)真設(shè)定課程設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容。以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性、技能性、應(yīng)用性、工程性和創(chuàng)新性，采用問題驅(qū)動(dòng)和求解漸進(jìn)化方式不斷提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。每門課程設(shè)計(jì)在具體實(shí)施中，指導(dǎo)教師始終探索課程設(shè)計(jì)如何解決承上(課程實(shí)驗(yàn))啟下(畢業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí))，并不斷思考和探索課程設(shè)計(jì)如何逆向優(yōu)化專業(yè)類知識(shí)課程的教學(xué)活動(dòng)。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)另一類課程設(shè)計(jì)在第6和第7學(xué)期設(shè)置，綜合性較強(qiáng)(在某些高?；?qū)I(yè)有時(shí)被稱為“綜合開發(fā)實(shí)訓(xùn)”或“綜合訓(xùn)練項(xiàng)目”等，但通常拘泥于一種開發(fā)語言或技術(shù))。綜合類課程設(shè)計(jì)有4門：A.體系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)。專業(yè)類知識(shí)課程涉及體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理、匯編與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等硬件類和系統(tǒng)類課程。B.操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)。專業(yè)類知識(shí)課程涉及操作系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件類課程和部分高級(jí)語言類課程。C.軟件開發(fā)綜合課程設(shè)計(jì)。專業(yè)類知識(shí)課程涉及各種高級(jí)語言類課程(如Java、C、C++)、軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫原理等軟件開發(fā)類課程。D.Python與人工智能課程設(shè)計(jì)。專業(yè)類知識(shí)課程涉及各種高級(jí)語言類課程(如Python、Java、C、C++)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、人工智能導(dǎo)論等課程。

綜合類課程設(shè)計(jì)涉及大量通識(shí)類知識(shí)和學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題，體現(xiàn)問題和系統(tǒng)的規(guī)模、難度、復(fù)雜度、綜合性。課程設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀，使學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度，以系統(tǒng)的視角去看問題，去適應(yīng)錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)用場景，最終實(shí)現(xiàn)問題的系統(tǒng)化、科學(xué)化求解?！败浖_發(fā)綜合課程設(shè)計(jì)”綜合了之前的.NET綜合課程設(shè)計(jì)、Java綜合課程設(shè)計(jì)等軟件開發(fā)類課程設(shè)計(jì)。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，這門課程設(shè)計(jì)并不拘泥于某一種語言或技術(shù)要求，要求學(xué)生能夠針對復(fù)雜工程問題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具等設(shè)計(jì)開發(fā)一套軟件系統(tǒng)，并通過對比得到有效結(jié)論?！癙ython與人工智能課程設(shè)計(jì)”以解決復(fù)雜工程問題入手，學(xué)生首先分析問題建立模型，然后給出解決方案和算法設(shè)計(jì)，通過Python語言及其擴(kuò)展庫編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，最后通過設(shè)計(jì)方案、模型、算法、開發(fā)語言等多個(gè)角度對比分析給出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的客觀性評價(jià)。在2017版培養(yǎng)方案中該課程設(shè)計(jì)為“Python程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)內(nèi)容包含了軟件開發(fā)、大數(shù)據(jù)、人工智能、深度學(xué)習(xí)等。2019版培養(yǎng)方案中，專業(yè)增設(shè)了1門48學(xué)時(shí)的人工智能導(dǎo)論理論課，Python程序設(shè)計(jì)和人工智能導(dǎo)論合并為1門2周的“Python與人工智能課程設(shè)計(jì)”?！绑w系結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”和“操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”是專業(yè)認(rèn)真研究工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)后于2019版人才培養(yǎng)方案中新設(shè)置的2門課程設(shè)計(jì)。在學(xué)時(shí)緊張的情況下，專業(yè)仍增設(shè)了這2門綜合類課程設(shè)計(jì)，力圖保證學(xué)生硬件系統(tǒng)、組成原理、體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)方面的綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)質(zhì)量，保證人才培養(yǎng)的系統(tǒng)性和專業(yè)性。

課程設(shè)計(jì)具體實(shí)施過程中，指導(dǎo)教師以突破解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為核心安排課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，使學(xué)生的能力培養(yǎng)達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)要求，反復(fù)思考和嘗試解決以下關(guān)鍵問題：第一，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容重點(diǎn)覆蓋了《華盛頓協(xié)議》7個(gè)特征中的哪些特征？課程設(shè)計(jì)的規(guī)模、難度、復(fù)雜度、綜合性是否能滿足工程教育認(rèn)證背景下的解決復(fù)雜工程問題的要求？第二，課程設(shè)計(jì)中，如何運(yùn)用深入的而不是淺顯的工程原理，經(jīng)過什么樣的分析，而不是直接套用原理、公式來解決設(shè)計(jì)目標(biāo)？第三，課程設(shè)計(jì)中學(xué)生在哪些理論指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐？加深對哪些原理的理解？第四，為了突出復(fù)雜工程問題的解決，與課程設(shè)計(jì)相關(guān)的一門或多門相關(guān)課程的講授環(huán)節(jié)中，將對傳統(tǒng)的授課方式、方法和內(nèi)容采取哪些變化？與課程設(shè)計(jì)相關(guān)的理論知識(shí)講授和基本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能否為學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)？第五，課程設(shè)計(jì)是否要引入混合式教學(xué)？如果引入，混合式教學(xué)將如何提高課程設(shè)計(jì)效果？第六，從以學(xué)生為中心的角度分析學(xué)生如何通過課程設(shè)計(jì)和相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)從“學(xué)了”到“學(xué)會(huì)”再到“會(huì)應(yīng)用”？第七，課程設(shè)計(jì)“能力培養(yǎng)”如何量化考核，“復(fù)雜度”如何評價(jià)？以產(chǎn)出為導(dǎo)向，如何建立持續(xù)的人才培養(yǎng)改進(jìn)機(jī)制？

通過指導(dǎo)教師的不斷思考和改革嘗試，使各門課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變、從簡單到綜合的轉(zhuǎn)變、從單一系統(tǒng)到增加對比分析、綜合評價(jià)等突破常規(guī)的轉(zhuǎn)變。

4 課程設(shè)計(jì)改革效果

課程設(shè)計(jì)改革使計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)逐步形成一套課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置實(shí)施方案(含教改方案、教學(xué)大綱、課程標(biāo)準(zhǔn)、形成性考核標(biāo)準(zhǔn)等)，并直接實(shí)施于現(xiàn)有教學(xué)活動(dòng)。通過培訓(xùn)和專家輔導(dǎo)講座等形式，指導(dǎo)教師深刻理解了工程教育認(rèn)證的本質(zhì)和內(nèi)涵，改變了傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)理念。以復(fù)雜工程問題的提出和解決為課程設(shè)計(jì)核心，突出產(chǎn)出導(dǎo)向，精心設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)考核指標(biāo)，建立了課程設(shè)計(jì)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

課程設(shè)計(jì)改革在人才培養(yǎng)方面取得了切實(shí)效果。第一，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為主線，突出工程技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識(shí)培養(yǎng)，設(shè)計(jì)理念更符合學(xué)科發(fā)展趨勢。第二，使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)針對復(fù)雜工程問題的解決方案，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，養(yǎng)成了多方案分析、對比和評價(jià)的設(shè)計(jì)習(xí)慣。第三，使學(xué)生逐步掌握深入的工程原理，結(jié)合工程實(shí)踐，綜合運(yùn)用，提升了解決復(fù)雜工程問題的能力。第四，以課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置為突破口，逆向推進(jìn)課程體系設(shè)置整體優(yōu)化，使學(xué)生通過實(shí)踐逆向推動(dòng)理論課學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，學(xué)生的理論素質(zhì)進(jìn)一步提升。

課程設(shè)計(jì)改革首先在省級(jí)一流本科專業(yè)“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)實(shí)施，并推廣至軟件工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程三個(gè)計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)。與信息技術(shù)密切且相關(guān)的電子商務(wù)、電子信息工程、機(jī)器人工程等專業(yè)也逐步開展了面向復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)改革，取得了切實(shí)有效的實(shí)施效果。

5 結(jié)語

截至2018年，計(jì)算機(jī)類專業(yè)已達(dá)3 349個(gè)專業(yè)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題的解決能力，是工程教育專業(yè)認(rèn)證對工程類專業(yè)人才培養(yǎng)的核心要求，也是一流本科專業(yè)建設(shè)的核心目標(biāo)之一。隨著工程教育認(rèn)證的普及開展，面向OBE理念，突出解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)改革越發(fā)迫切和必要。只有不斷改革，建立持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，才能不斷優(yōu)化計(jì)算機(jī)教育教學(xué)工作，為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才，推動(dòng)我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。