新工科創新理念的計算機基礎實訓案例設計

崔舒寧，桂小林，吳 寧，薄鈞戈，齊 琪

（西安交通大學 電子與信息工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

2017年2月18日，高校工程教育發展戰略研討會在復旦大學召開，“新工科”的研究與實踐被正式提上了章程[1]。新技術、新業態、新產業背景下，對工科人才創新創業能力有了更高的要求。教育部高等教育司張大良司長提出了急需新型工科人才支撐的要求。2017年4月8日，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，60余所高校共商新工科建設的愿景與行動。 2017年6月9日，教育部在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動、系統部署新工科建設。30余位來自高校、企業和研究機構的專家深入研討新工業革命帶來的時代新機遇，聚焦國家新需求，謀劃工程教育新發展，審議通過《新工科研究與實踐項目指南》，提出新工科建設指導意見。

“新工科”人才的特點是學科交叉與綜合。“新工科”是在新時期全面創新我國高等工程教育，以適應引領新經濟發展戰略視角出發提出的新觀點?！靶鹿た啤保‥merging Engineering Education，3E）是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向?！靶鹿た啤钡膬群且粤⒌聵淙藶橐I，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養多元化、創新型卓越工程人才?！靶隆钡膬群憩F在人才具有新素養，教育需要新結構，教學要有新方法。

1 新工科理念下的實踐案例設計

1.1 物聯網與Arduino創客設計

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段，它將改變人類的未來及生活方式。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺；大量涌現的創客項目，包括機器人、無人機、智能家居控制、3d打印等主要以Arduino為原型或基礎研發[2]。

實驗項目的設計以目前大眾關心的PM2.5環境問題為主題，打造一個簡單環境數據采集、顯示和傳輸系統，并借助Wi-Fi和HTTP協議，將數據上傳到手機上瀏覽，該實訓包含3個方面的內容。

（1）硬件的連接。需要按照硬件接線圖連接各個傳感器和開發板，同時了解每個引腳的含義，正確接線。

（2）代碼編寫。實訓項目采用Arduino的IDE作為開發環境，C/C++為開發語言。編寫的程序被編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。為了直觀地看到效果，根據收集到的數據，通過控制燈光、聲音等其他裝置反饋。

（3）如何通信。通過串口通信，將收集到的數據上傳到PC機器上進一步分析。通過Wi-Fi，將收集到的數據傳送到手機，實現移動端瀏覽。

在實際的項目實訓中，主開發板可以選用NodeMCU(ESP 8266)，NodeMCU帶有的Wi-Fi具有接入點（AP）模式，通過它可以創建無線LAN，任何支持Wi-Fi的設備都可以連接，見圖1。

圖1 以 NodeMCU作為接入點連接其他設備

可以將NodeMCU當成一個HTTP服務器，讓所有與之連接的Wi-Fi設備獲取相應的信息。同時注意，這樣的通訊是雙向的，也可以通過連接NodeMCU設備，向它發出控制信號，使NodeMCU按照控制信號，對連接在其上的傳感器產生作用。在這個案例的最后，將通過在NodeMCU上安裝MQTT客戶端完成與IoT（物聯網）的互聯。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是IBM開發的輕量級的基于發布—訂閱消息傳遞協議[3]。該協議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯網物品和外部連接起來，被用來當做傳感器和制動器（比如通過Twitter讓房屋聯網）的通信協議。例如，如果溫度傳感器發布“溫度”主題的溫度數據（消息），那么訂閱了“溫度”主題的客戶就可以獲得如上所示的溫度數據。MQTT廣泛應用于物聯網嵌入式應用，每個傳感器都連接到服務器，并可以通過互聯網控制。NodeMCU是一個開源的物聯網平臺，這是一個運行在Espressif Systems的ESP8266 Wi-Fi SoC上的固件，具有可用的物聯網應用程序易于構建的無線網絡。

最終，該項目通過學習不同感應器采集數據、發布數據以及遠程控制設備等完成實訓，所需知識涉及計算機硬件及計算機軟件等方面，將軟件知識與硬件知識相結合，培養學生的思維與動手能力。通過項目學生可以學到以下幾點：①物聯網和Arduino行業相關知識，Arduino在創客世界的應用；②C語言在Arduino上的應用；③物聯網采集數據的方法和原理，各種傳感器的連接和使用。

1.2 游戲編程與人工智能（AI）

本案例給定學生一個迷宮類游戲，其中涉及矩陣的相關知識以及最短路徑的尋路算法，本案例用到了A*算法[4]，該算法是一種靜態路網求解最短路徑最有效的直接搜索方法，被廣泛應用于游戲AI的開發與人工智能領域。

學生以此游戲為模板，在此基礎上進行創新，在訓練學生開發小游戲基本能力的同時，培養學生的創新思維能力，提高學習編程興趣。游戲主界面見圖2，主角是一只羊駝，羊駝從屏幕左邊某一位置出發，一路經過各種障礙物，在限定的步數內到達終點（圖中房子），即為游戲的勝利，最終游戲的評分會根據游戲的時間與所剩步數計算得出。在游戲中可以設置多種障礙物，羊駝只能有上下左右4個方向的操作。每關限定的步數是根據計算機自動尋路得到的最少步數加上關卡難度相應的步數得到的，這樣確保游戲能夠順利進行。例如游戲初始設定難度系數為10，A*算法算出起點到終點的最少步數為20，那么在游戲界面上顯示的剩余步數就是30。游戲開發的編程語言采用C++語言，圖形界面繪制用到了EasyX庫函數。

學生以團隊的形式進行開發，通過完成該案例，熟悉整個軟件開發流程。開發平臺為Windows7或Windows10系統，使用Visual Studio 2013及以上版本，要求有需求分析報告、軟件設計報告、測試報告、總結報告。最后進行驗收答辯。

圖2 游戲界面示意圖

程序要求完成如下基本功能：繪制地圖，設置障礙物，移動迷宮里的“小人”，實現路徑提示（顯示通道）功能，實現計時功能，實現計步、計分功能，實現播放背景音樂功能。進一步，可以完成如下較高要求的功能：添加“多重障礙”功能，添加“錘子”敲擊障礙物功能，添加“暢通無阻”功能，添加“排行榜”功能，添加“自選模式”生成地圖功能。

本案例針對非計算機專業學生，結合新工科背景設計，通過讓學生完成一個小游戲的開發，引入AI概念，其內容還涉及圖像的處理、游戲動畫的方法及游戲常用算法等方面。該游戲還可以進一步擴展，培養學生的創新思維能力，主要培養學生使用計算機解決問題的能力。

1.3 互聯網與數據分析

互聯網收集數據并分析，即數據（或大數據）的采集、整理、分析和呈現也是新工科的熱點之一。本項目設計了一個問卷調查系統，項目的任務是基于ASP.Net框架開發在線問卷調查分析系統。在滿足傳統系統的問卷管理、問卷發布、問卷結果統計功能基礎上，結合數據分析方法和可視化技術，分析收集的問卷數據，并通過可視化方法給予個性化的預測和反饋。

首先本系統支持多種類型的問卷調查，單選題目是基礎題型。管理員用戶對系統有全權限，即能夠管理用戶，包括用戶的創建和刪除、用戶權限管理；管理所有問卷，包括問卷/題目的增、刪、改。普通用戶只能進行問卷選擇、問卷作答和問卷預覽，并在提交后得到系統的可視化反饋。反饋的內容包括3方面：①能夠查看該問卷每道題目答案的整體統計分布；②獲得針對當前答卷對某主題的預測結果，例如對就業取向預測等；③支持普通用戶通過主動反饋機制重新獲得預測結果。例如，根據調查問卷獲取某用戶的個人信息和行為習慣、預測該用戶的畢業起薪等級。用戶可以通過重新答題，改變某些問卷題目的選項并提交，查看能否提升預測等級。根據預測結果的主動性探索，啟發調整自身狀態的思考。

項目使用ASP.Net技術和C#語言實現一個B/S框架的動態網站，開發模式要求使用傳統的事件驅動開發模式Web Forms。以圖3為例，系統功能應包含但不限于以下幾種（+較高層次的功能）。

圖3 問卷調查系統示例

（1）用戶管理：用戶角色分配，權限管理，用戶登錄；用戶注冊，用戶注銷，修改密碼。

（2）問卷管理：問卷的創建、編輯、發布、刪除、預覽，自動組卷，問卷導出。

（3）結果可視化：問卷結果統計，圖形展示，可視化工具庫(echarts) ，解釋分析結果。

（4）調查問卷分析：通過RestAPI調用指定數據分析模型接口實現。

（5）前端頁面設計：登錄頁面、功能頁面、模板設計、樣式設計、導航設計。

最后，系統應功能穩定、界面美觀、用戶體驗友好。

具體開發時，操作系統要求Windows 7或Windows 10，使用Visual Studio 2013或以上版本、使用SQL Server 2012 或以上版本以及網頁制作工具Hbuilder。調查問卷分析系統要求學生以團隊形式完成，每個團隊參與人數不超過3人。團隊成員在項目開發過程中必須有明確的角色和任務，要求學生通過完成本項目，了解Web應用軟件的架構和開發流程，設計并撰寫需求分析文檔、詳細設計說明書、數據庫設計文檔、產品測試報告。需要掌握的基礎技能有：①學習了解Web應用程序基礎及動態網頁的基本開發流程，熟練使用項目開發環境Visual Studio，掌握Web程序調試方法，運用ASP.Net控件應用技巧和事件處理編程，實現動態網頁的功能；②掌握SQL Server數據庫的配置及常規操作，學習設計思路和方法，設計數據表；③掌握ASP.net的數據庫連接及調用方法，將調查問卷與數據庫連接，掌握ASP.net的數據庫訪問技術，針對調查問卷網站對數據庫進行增、刪、改、查、統計操作；④了解當今主流的數據可視化方法，在傳統電子表格顯示的基礎上，盡可能使統計、分析結果圖形化。

本案例首先是核心能力培養，即工科類學生的計算機問題求解能力，要求具有編寫千行以上代碼的能力，具有團隊合作意識，具有自主分析問題和分解問題的能力；其次是提升能力培養，即新工科背景下的以信息技術和計算機應用融合帶來的問題求解能力；從信息技術的角度，調查問卷系統是獲取數據的手段，當數據以一定目標被分析、被挖掘后就能變成有價值的信息，從而啟發探索式的分析。

2 實施與效果

由于課程是面向全校的計算機實訓，因此授課的專業非常寬泛。就工科而言，從大類上講，包含機類和電類；從傳統的專業分類上看，包含機械、能動、電氣、電子、通信、計算機等多個專業。這3個案例在實際實施的時候都是按40～60個學時設計，其中包括講述基礎知識和背景知識的時間。參與1.1和1.2的學生具有C語言的基本知識，參與1.3的學生學習過基本的C#程序設計[5]。整個項目可以用10天時間（2周）連續完成；每天需要花費3～6學時，其中前5天學習相關的基礎知識，如果學生已經具備，則項目時間可以縮短至1周。以1.3 的案例為例，2周的安排見表1。

表1 實訓方案詳細計劃

利用暑期小學期的時間，我們對全校大學一年級的工科學生約1 200名展開了上述案例的實訓工作。根據學生前期的先修課情況，我們將學生分為了3類：①前期學習過C語言；②學習過C++；③學習過C#。最后的實習答辯以及發放的調查問卷顯示：①近83%的學生認為自己通過本次實訓提高了自己的計算機能力；②92%的學生認為項目設計非常有吸引力；③84%的學生認為通過這些項目真正了解了計算機在現實生活中的作用。

3 結語

面向非計算機專業的工科領域，計算機基礎實踐教學面臨2個問題：①課堂和實際脫節，課堂上講述的內容和實際生活中的應用無法聯系起來；②如何開展新工科的教學。西安交通大學自2015年起，所有工科學生利用暑期小學期進行計算機實訓，至今已經是第4年了。每年大約有一千余名工科學生參與為期10天、每天6個小時的實訓。在2015和2016年的實訓中，圍繞計算思維和計算機能力培養，側重了對學生編程能力的提高。在新工科的戰略提出后，筆者迅速和企業合作，重新制定和規劃了實訓內容。通過這3個案例的實踐，學生初步明白了生活用的智能開關、自動駕駛等是怎么實現的，在此基礎上創作了許多創新的作品，在課堂的學習內容和計算機在實際生活中的應用之間搭起了一座橋梁，做到了學以致用，取得了良好的實訓效果。通過實訓，激發了學生學習計算機的興趣，將新工科的教育理念落到了實處。