計算機專業綜合課程設計的探索與實踐

摘要:本文介紹了綜合課程設計的目的和當前存在的問題，并結合作者多年的探索與實踐，指出解決問題的途徑和方法，實踐證明，上述措施提高了綜合課程設計的質量，改善了研究性教學方法。

關鍵詞:計算機專業;綜合課程設計;研究性教學

隨著中國經濟的高速發展，科技進步和創新已經作為經濟社會發展的首要推動力量。社會對人才的要求也越來越高，培養懂技術、會思考、善于解決問題、勇于創新的本科生成為大學教育的重要目標。而作為計算機專業重要的實踐性環節之一的綜合課程設計，對于學生完成從學習到靈活應用知識，完成分析問題、解決問題和創新的飛躍，以及大四畢業設計高質量的順利完成，都起著承上啟下的重要作用。

1計算機專業綜合課程設計的目的

計算機專業的本科生，通常在二年級和三年級開始綜合課程設計。綜合課程設計與傳統的課程實驗或課程設計培養目標不盡相同[1-3]，通過綜合課程設計需要達到以下目標。

首先，采用綜合課程設計來鞏固和加深學生對相關課程的基本知識理解和掌握，并拓展知識面，加強工程素質培養。雖然很多計算機專業的課程在開設過程中，有配套的實驗或課程設計環節，但大部分實驗都針對課程較具體的某個環節或算法，課程設計也主要完成本課程的配套綜合實驗[2-3]。而綜合課程設計，一般是具有一定綜合性的題目，以提高學生綜合應用和獨立設計能力為目的，所以它會涉及到多個知識點、多門課程或多個領域的綜合應用，需要學生對相關課程內容靈活掌握，并拓展現有的知識面，才能較好解決實際問題。

其次，綜合課程設計能夠培養學生正確的設計思想與方法、嚴謹的科學態度和良好的工作作風，也在一步步解決問題的過程中，樹立了學生解決問題的自信心。由于課程設計的綜合性，學生需要針對問題，仔細考慮解決問題的思路和過程，有計劃地實現每一個細節，從而逐步驗證所提出方法的可行性。同時，在實現的每個細節過程中，會涉及各種解決問題的工具和算法，而工具的應用和算法的實現，可以提高學生的基本技能，培養學生綜合運用所學知識的能力和基本工程素質。

而且，綜合課程設計的實現過程，可以很好地培養學生獲取信息和綜合處理信息的能力。這是因為很多問題的復雜性要求學生查閱大量資料，進一步鍛煉他們從這些資料中獲取有用信息的能力。同時，在思考和解決問題的過程中，也會涌現很多創新性的想法，提高學生的創新能力。

最后，在學生實現了既定的綜合課程設計題目后，課程設計報告也幫助學生掌握書寫綜合性文檔的能力。這些為學生高水平的完成大四畢業設計奠定了堅實的基礎。

從以上分析可以看出，綜合課程設計環節對于培養現代的、綜合能力強的、具有創新能力的大學生非常重要。然而，在實際的大學綜合課程設計中，也出現了一些問題。

2計算機專業課程設計的幾個問題

當前的綜合課程設計一般由教師提出課程設計題目，然后學生被動接受教師的課程設計題目，并和教師進行簡單的幾次溝通后就開始了課程設計。目前的課程設計很多是在課后完成，由于各種原因，教師和學生的交流時間和次數很有限。在這一過程中所反映出的問題如下:

首先，教師在課程設計中要為學生考慮綜合課程的題目，而這類題目的完成需要學生經過一定的努力才能實現。通常每個教師一次要輔導幾個學生，每個學生的題目都不相同，所以教師每年都需花較多時間考慮綜合課程設計題目。學生被動接受這些題目，并不一定是他們的興趣和強項。同時，綜合課程設計題目往往有一定的實用背景，學生往往缺乏對題目背景的理解，而導致研究方向偏離。

其次，在綜合課程設計的過程中，學生所面對的指導教師經常都是博士、教授，甚至是博導。很多學生擔心教師很忙，或自己問的問題過于簡單，受到教師的批評等，從而缺乏和教師交流的主動性。由于沒有解決問題的正確有效渠道，導致課程設計的質量不高，或根本達不到預期的目標。

最后，在課程設計完成后，由于每個學生的研究題目都不相同，學生之間的工作無法做客觀比較，其工作量和工作完成情況都由指導教師評價，沒有統一的評價指標，造成學生最終課程設計評分不盡客觀。而且每年學生課程設計的工作沒有延續性，后一屆學生和上一屆學生課程設計題目完全不同，即使相同也無法參考上一屆學生成功或失敗的經驗。

針對綜合課程設計在實踐過程中的這些問題，我們提出基于網絡技術構成的綜合課程設計新型探究型學習環境，并以教師引導為輔和學生探究學習為主的新型教學活動。

3計算機專業課程設計的探索和實踐

根據上述綜合課程設計中的各類問題，結合作者的研究方向和教學實際情況，以實例說明綜合課程設計的新思路。

首先，教師選擇的綜合課程設計題目應具有典型性、代表性，能夠涵蓋相關課程的眾多知識點，并且代表指導教師的專業方向，以及反映課程的重要內容和學科方向。由于教師所帶課程一般和自己的專業方向對口，這條一般可以做到。建議一位教師的綜合課程題目選擇3-6個，這些題目在一定時期內基本不改變，并發布在WEB網頁上。所有學生可以在這些題目中選擇自己感興趣的方向，規避不同學生不同題目的傳統方法。例如，指導教師的研究方向為增強現實、計算機視覺和多媒體通訊，主要所帶課程為數字圖像處理。那么綜合課程設計題目選擇為:特征檢測和匹配、圖像壓縮算法研究和視頻壓縮算法研究等。這些題目都是數字圖像處理領域很經典的一些研究方向，同時也處在不斷發展的過程中，因此，這類題目的研究既有針對性和挑戰性，又有很好的延續性。

其次，綜合課程設計題目發布在網上的同時，指導教師需要對每個題目任務有一個概要描述，并且給出這項工作的工程意義，以及當前這項工作所能達到的效果，從而使學生從總體上把握題目方向以及實現目標。如針對特征檢測和匹配課程設計題目，需要學生編寫代碼檢測圖像中的顯著特征，并且完成與其他圖像的特征匹配。同時，這些特征需要是平移、旋轉、尺度和亮度不變量。教師提供測試圖像集，學生實現自己的算法，通過ROC曲線和AUC指標評價算法性能，并根據不同圖像測試結果對學生排名。且進一步給出該題目的研究和實現意義，即特征檢測和匹配結果可以幫助實現圖像拼接、計算基礎矩陣和場景重建等。

第三，指導教師前期對學生綜合課程設計的輔導，不僅僅是給出題目和題目內容概要，更重要的是需給出解決問題的主要思路和方法。這樣使學生有的放矢，在統一的框架內，驗證和開發各種算法。如針對上述特征檢測和匹配綜合課程設計題目一般需要三個步驟解決問題:(1)特征檢測。通過一定算法的實現能夠識別圖像中顯著的特征點，如利用Harris算法檢測角點。(2)特征描述。有了這些特征點后，需要定義以特征點為中心的局部描述子，這個描述子對平移、旋轉、尺度和亮度為不變量，從而可以比較不同圖像之間的描述子，實現特征的匹配。如通過一個小的窗口，利用差的絕對值比較，簡單實現此描述子，能夠檢測平移下的不變量。為了實現更一般情況的不變量描述子，需要定義更完善的描述子，如SIFT。(3)特征匹配。有了每幀圖像的特征描述子，就可以通過它匹配特征點。對于一幀圖像的每個特征，可以在其它圖像中找到對應的匹配特征。這一部分主要設計如何測試不同圖像間的描述子。最簡單的辦法是通過計算描述子之間的距離，最小的距離則為匹配特征點。也可通過距離比方法，使用門限判斷匹配特征點。通過(1)～(3)步，基本給出了解決問題的總體思路框架，學生可以在這個框架下，使用各種現有的或創新的算法實現特征檢測和匹配。

第四，基于上述解決問題的整體思路框架，為了進一步規范學生在大框架下的代碼開發，可以給出整體的代碼框架。指導教師定義框架下的大模塊，規范調用接口，并給出類或函數實現的功能。學生基于接口和功能要求，提出每個功能模塊的解決思路，甚至一些開創性的算法，并加以實現。這種規范的代碼框架提高了代碼的可讀性，為其他學生學習不同算法和代碼提供了方便，使整體綜合課程設計有好的延續性。

第五，在學生實現了所有綜合課程設計題目的算法后，指導教師必須仔細而明確地給出學生測試結果的指標和方法。這個環節對于客觀準確評價學生工作，鼓勵學生創新和探究都非常重要。如在特征檢測和匹配中，要求學生使用指導教師提供的測試圖像集合和測試方法，給出ROC曲線，并計算ROC曲線下的面積和特征的正確匹配率等參數，從而所有學生都在統一的測試平臺和標準下評價算法的優缺點，激發了學生對新算法探究。同時，要使學生能夠從感性上觸摸到課題內容實質，有一個較高的研究開發起點，教師可以在代碼框架下給出最基本的算法實現，學生們學習基本的算法，并將開發出的新算法與最基本的算法比較。

第六，為了鼓勵學生的探究學習，凡是提出更好的算法或實現增強的功能，可以額外加分。如學生能夠證明自己的描述子是尺度或仿射不變量，通過統一測試平臺，測試的指標好于教師所給出的指標;在不同圖像的特征匹配中實現了實時匹配等，那么學生都可以獲得額外的綜合課程設計加分。

最后，將每年學生的綜合課程設計結果、評測和得分全都發布在網上，并基于學生的測試結果給出綜合成績排名。該措施可以促使大家相互監督，有效避免學生之間的抄襲，也保證了后續學生綜合課程設計的延續性，并在一定程度上提高了學生成績評定的客觀性和準確性。

4結語

實踐證明，基于網絡的新型綜合課程設計環境，以及規范化和標準化的綜合課程設計框架，可以避免學生在綜合課程設計中“孤身奮戰”，學生不但可以和教師交流，也可以和同項目組的學生做算法交流，還可以參閱以前學生的算法和實現結果，使學生們站在一個比較高的高度來分析問題和解決問題。這同傳統的被動接受指導教師的綜合課程設計題目并獨立完成完全不同，即學生往往因為對研究題目不感興趣，缺乏解決問題的渠道，或沒有一套客觀的結果評價指標，從而降低對自己的要求，使總體綜合課程設計的質量不高。

同時，在綜合課程設計中，教師給出項目的工程背景，學生可以根據自己的興趣選擇適合自己的題目，并依據工程應用背景衍生其它的研究和開發。比如很多學生選擇了特征檢測和匹配這個題目，在綜合課程設計完成后，又主動實現了和此題目相關的計算機視覺算法，并開發了相應的應用程序如全景圖像拼接軟件等。這些不但提高了綜合課程設計水準，也為畢業設計打下了堅實的基礎。

綜上，通過基于網絡技術構成開放的新型綜合課程設計探究學習環境，以及為綜合課程設計題目提供的解決問題框架、代碼框架和統一測試方法，學生們可以隨時借鑒、參閱已有成果，客觀評價自己算法。同時，也可以進一步掌握科學分析問題、解決問題的方法和思路，提高自己的創新能力，培養嚴謹的科學態度和良好的工作作風。最后，此綜合課程設計的實施方案與當前高等教育所提出的研究型教學思路相吻合，提高了教師的工作效率和學生綜合課程設計的質量水平。

參考文獻:

[1] 王艷紅，章小莉，姜湘崗. 在數據庫課程設計中培養學生項目開發能力[J]. 計算機教育，2009(13):91-94.

[2] 王培容，黃麗雯.《微機原理》課程設計的教學探討[J]. 計算機與信息技術，2009(3):109-110.

[3] 龐曉瓊. 案例驅動的數據結構課程設計教學改革實踐[J]. 計算機教育， 2009(1):53-56.

Exploration and Practice on Integrative Course Design for Computer Science Major

SHEN Jie

(School of Computer Science and Engineering， University of Electronic Science and

Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract: In this paper， the purposes and problems of integrative course design are discussed. On the basis of exploration and practice， the methods for solving problems are put forward. Then the quality of integrative course design and the method of research-based teaching are improved.

Key words: computer science major; integrative course design; research-based teaching

(編輯:彭遠紅)