面向工程智能化的軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)課程教學(xué)實踐探索

邢 雪，鄭力軍

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知中指出：深化工程教育改革、建設(shè)工程教育強國，對服務(wù)和支撐我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級具有重要意義[1]。當前，國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新[2]。與此同時，提高人工智能領(lǐng)域科技創(chuàng)新，通過“人工智能+X”復(fù)合交叉型人才的培養(yǎng)可以對現(xiàn)有的專業(yè)課程進行調(diào)整和優(yōu)化，重新構(gòu)建人才培養(yǎng)模式，以適應(yīng)并引領(lǐng)未來工程人才發(fā)展[3]。因此，本研究為深化工程教育改革，推進新工科的建設(shè)與發(fā)展，從實踐課程改革著手，探索軟件設(shè)計類課程的教學(xué)實踐實施方法。新的教學(xué)思路使學(xué)生具備貼近創(chuàng)業(yè)需求的軟件項目開發(fā)能力，為社會發(fā)展不斷探索新工科人才的培養(yǎng)模式。

一、基于工程智能化的高等教育發(fā)展趨勢

智能化是國務(wù)院提出的新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的主要內(nèi)容，教育部于2018年4月印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》指出，要加強專業(yè)建設(shè)、加快實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，同時，由于人工智能理論和技術(shù)具有普適性、遷移性和滲透性的特點，要主動結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和社會需求，積極開展新工科研究與實踐，在高等教育階段對智能化創(chuàng)新教學(xué)培養(yǎng)模式進行研究和探索具有重要的現(xiàn)實意義。

據(jù)教育部最新公布的2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果顯示，180所高校新增人工智能專業(yè)，80所高校新增智能制造工程專業(yè)，具體專業(yè)比例分布如圖1所示，人工智能及其相關(guān)專業(yè)占比高達37%，新增專業(yè)的占比情況充分說明智能學(xué)科在高等教育中的發(fā)展趨勢，也充分體現(xiàn)了智能科學(xué)的發(fā)展地位。

隨著人工智能在各行業(yè)中的服務(wù)范圍不斷擴大，軟件項目已成為這個過程中的必然載體。在國家經(jīng)濟轉(zhuǎn)型過程中，創(chuàng)業(yè)逐漸成為在校大學(xué)生和畢業(yè)大學(xué)生的一種職業(yè)選擇方式。大學(xué)生群體普遍欠缺社會實踐經(jīng)驗與動手能力，在創(chuàng)業(yè)初期夭折比例相對較高。實踐課程的教學(xué)目標就是使學(xué)生在校期間就去掌握適應(yīng)就業(yè)的專業(yè)技能。具體的實踐環(huán)境和實驗項目越貼近真實，對學(xué)生能力的提升越明顯。教學(xué)實踐改革選擇的具體課程為軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)，該課程為筆者所在學(xué)院的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)工程實踐專業(yè)必修課程。

圖1 2019年度普通高等學(xué)校本科存案和審批專業(yè)統(tǒng)計圖

二、實踐教學(xué)探索方向

(一) 工程智能化創(chuàng)新

高等教育階段的人才培養(yǎng)需要符合國家發(fā)展趨勢，為進一步提升新工科人才的智能化創(chuàng)新能力，教學(xué)研究提出以人工智能為核心的知識傳授、以智能制造為重點的實踐能力培養(yǎng)、以大數(shù)據(jù)智能化為創(chuàng)業(yè)驅(qū)動力的培養(yǎng)導(dǎo)向。

文獻[4]提出借鑒歐美高校把創(chuàng)業(yè)教育融入工程教育的實踐經(jīng)驗和研究成果，分析在建設(shè)中融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的路徑、方式及其重要性,提出應(yīng)把發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)造能力作為人才培養(yǎng)的標準和尺度。文獻[5]分析了我國新工科建設(shè)背景和國內(nèi)外人工智能專業(yè)教育基本現(xiàn)狀，提出了新工科背景下人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)的認識與思考。在人才培養(yǎng)中需要把握新工科內(nèi)涵，重點關(guān)注專業(yè)能力目標達成、教育教學(xué)各要素重構(gòu)與多元化革新等關(guān)鍵內(nèi)容。文獻[6]分析了重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院13 年來在大數(shù)據(jù)與智能化領(lǐng)域的人才培養(yǎng)模式改革實踐，探討了地方高校培養(yǎng)新工科創(chuàng)新人才中課程知識體系重構(gòu)、教育教學(xué)方法、工程教育鏈條和師資隊伍強化等方面。文獻[7]對人工智能技術(shù)在高等教育中人才培養(yǎng)的重要作用進行了探討。

(二) OBE理念

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-based Education，OBE)主要為成果導(dǎo)向教育，即在實際教學(xué)中體現(xiàn)國家建設(shè)導(dǎo)向和社會就業(yè)需求。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，成果導(dǎo)向教育成為近階段主要教育實踐的發(fā)展趨勢。文獻[7-9]的教學(xué)研究者分別對高等教育中多個工程專業(yè)實踐課程(包括機械設(shè)計實踐、電氣工程及自動化和數(shù)字化實驗)的成果導(dǎo)向教育型教學(xué)模式和方法進行研究。文獻[10-11] 結(jié)合工程教育認證標準,提出將實驗內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)資源和數(shù)值仿真結(jié)果融入課堂教學(xué)當中，將課程內(nèi)容與工程實踐對應(yīng)起來,培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng),提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。文獻[12-13]提出在工程教育認證的專業(yè)課程體系設(shè)計中，基于OBE理念反向設(shè)計原則支撐畢業(yè)要求達成的專業(yè)課程體系。文獻[14-15]針對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)程序開發(fā)課程進行OBE導(dǎo)向教學(xué)嘗試，已取得一定研究進展。綜合上述研究趨勢和研究具體實踐成果，基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式適應(yīng)新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的總體目標。

為貫徹《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》(國辦發(fā)〔2015〕36號)和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》(國辦發(fā)〔2017〕95號)精神，深化產(chǎn)教融合、校企合作，結(jié)合產(chǎn)學(xué)合作中企業(yè)提供的實際項目案例基礎(chǔ)上，研究確立以企業(yè)智能化需求項目為課程的規(guī)定內(nèi)容，以實際項目執(zhí)行流程實現(xiàn)項目實訓(xùn)過程。研究旨在通過工程實踐的成果導(dǎo)向教學(xué)，使得學(xué)生完整體驗和實踐項目開發(fā)中的軟件開發(fā)技術(shù)。

三、課程教學(xué)研究主要框架及方法

(一) 課程教學(xué)研究內(nèi)容

通過對《軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式的探索，從把握課程的應(yīng)用性和指導(dǎo)性的關(guān)鍵導(dǎo)向出發(fā)，在企業(yè)化項目開發(fā)流程中培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、動手操作、團隊溝通能力，培養(yǎng)學(xué)生寫作、分析和解決問題及智能化創(chuàng)新能力。教學(xué)研究通過具體的課程實踐過程，形成以項目成果為起點，以市場需求為導(dǎo)向，以“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)為培養(yǎng)目的，以智能化服務(wù)為理念的高等教育“新工科”實踐教學(xué)的新模式。

按照“成果導(dǎo)向教育”的設(shè)計構(gòu)思，為實現(xiàn)上述新工科計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標，研究通過針對《軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)》課程實踐教學(xué)模式的探索，具體分析研究的框架如圖2所示，主要從理論探索和應(yīng)用實踐方面展開。

圖2 研究分析框架

(二) 具體的研究方法

學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-based Education，OBE)可以實現(xiàn)融合成果導(dǎo)向教育理念，理念為工程教學(xué)改革的主導(dǎo)。以教育過程取得學(xué)習(xí)成果為教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標，按反向設(shè)計原則設(shè)計課程，并分階段對成果進行評價，總設(shè)計可以從專業(yè)課程體系入手，細化到每門課程具體課程安排。研究應(yīng)用學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式實踐教學(xué)，結(jié)合申請產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目完善計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)軟件項目實訓(xùn)課程的課程設(shè)計，主動結(jié)合企業(yè)提供的有益經(jīng)驗輔助實訓(xùn)。

首先，為課程確立學(xué)習(xí)成果目標，在軟件項目實訓(xùn)中利用企業(yè)提供實際案例為課程成果目標，通過實踐過程使得學(xué)生完整體驗和實踐實際智能化培訓(xùn)項目開發(fā)中的軟件開發(fā)技術(shù)，同時通過工程師和教師逐一指點，達到實際問題具體分析的實踐效果。之后，針對實訓(xùn)任務(wù)和成果目標確定項目過程化流程，著重體現(xiàn)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的過程化思維和團隊執(zhí)行過程。

(三) 教學(xué)實踐實施路徑

教學(xué)實施過程包括確立成果目標、制定教學(xué)策略、成果導(dǎo)向的教學(xué)實施和課程階段性評價。成果導(dǎo)向的教學(xué)實施路徑涉及實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的安排、實訓(xùn)教學(xué)大綱、實訓(xùn)案例設(shè)計執(zhí)行步驟和實訓(xùn)總結(jié)等方面，具體如圖3所示。

圖3 教學(xué)實踐實施路徑

四、實踐教學(xué)的案例分析

面向工程認證的專業(yè)建設(shè)需求，多方向工科專業(yè)的教學(xué)探索不斷向?qū)嵺`課程中學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)方向傾斜[16-17]。為將理論與實際相關(guān)聯(lián)，將軟件設(shè)計類型的實踐課程作為實踐專業(yè)知識理論的“試煉場”，將綜合工程化項目或創(chuàng)新設(shè)計項目選為訓(xùn)練項目，以達到教學(xué)探索和不斷優(yōu)化教學(xué)創(chuàng)新的目的。本文以筆者所在學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)課程中學(xué)生自主設(shè)計的案例為例，具體說明工程智能化導(dǎo)向的教學(xué)實踐對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性。

(一) 符合智能化創(chuàng)新目標和市場目標用戶需求的實訓(xùn)選題

具體貫穿以“工程化”和“智能化”的開發(fā)技術(shù)為核心的軟件系統(tǒng)項目，有特色的結(jié)合Web前端、大數(shù)據(jù)分析和與Android相關(guān)的移動應(yīng)用開發(fā)等技術(shù)。以訓(xùn)練面向“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)項目為開發(fā)載體，以培養(yǎng)智能服務(wù)為創(chuàng)業(yè)理念，綜合利用Python、大數(shù)據(jù)分析、Android相關(guān)的移動應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)集成，構(gòu)建具有創(chuàng)新性功能的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，通過智能化服務(wù)提升生活或生產(chǎn)的安全性、便利性和舒適性。

通過學(xué)生分組完成實際設(shè)計項目，提升學(xué)生對工程化的應(yīng)用設(shè)計理解，同時在實踐中有意識引導(dǎo)學(xué)生自主選擇設(shè)計項目，提升學(xué)生對智能化的創(chuàng)新設(shè)計理解。基于上述教學(xué)理念指導(dǎo)下，學(xué)生創(chuàng)新實踐不斷涌現(xiàn)，本文選擇以2016級某學(xué)生小組的實訓(xùn)過程為例，分析面向工程智能化的軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)課程的教學(xué)探索。

實訓(xùn)過程開始之前，首先依據(jù)企業(yè)提供的實際需求指導(dǎo)，在指導(dǎo)教師對創(chuàng)新項目理念分析引導(dǎo)下，指導(dǎo)學(xué)生小組調(diào)查實際選題問題。文中案例學(xué)生小組從日常生活中挖掘出有創(chuàng)新意義和可提供創(chuàng)業(yè)可能的實際工程問題，即機動車駕駛培訓(xùn)管理中缺乏微服務(wù)的靈活性。因此，在充分調(diào)研所在城市范圍內(nèi)機動車培訓(xùn)管理的實際情況和實際需求基礎(chǔ)上，面對工程需求提出設(shè)計題目“機動車駕駛技術(shù)培訓(xùn)管理系統(tǒng)”，并根據(jù)調(diào)研的目標用戶需求確定擬完成設(shè)計系統(tǒng)界面和功能的具體達成效果。設(shè)計使用Google推出的gRPC框架，加上服務(wù)端應(yīng)用的SpringBoot框架，使用戶可以通過手機、平板和臺式計算機隨時隨地管理、查詢駕駛員培訓(xùn)管理信息，并可能學(xué)員用戶模擬訓(xùn)練結(jié)果智能化推送培訓(xùn)提醒。

(二) 保持原有專業(yè)能力培養(yǎng)中軟件開發(fā)類項目實訓(xùn)的基本流程

研究選擇的實踐課程主要為培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素質(zhì)，訓(xùn)練學(xué)生項目環(huán)境搭建、項目開發(fā)計劃、需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼實現(xiàn)、系統(tǒng)測試、項目總結(jié)等一系列實際軟件開發(fā)工作的能力。以《軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)》課程的項目開發(fā)流程為例，如圖4所示。實訓(xùn)過程指導(dǎo)老師根據(jù)軟件項目開發(fā)流程，層次化解構(gòu)設(shè)計過程，指導(dǎo)學(xué)生熟悉工程設(shè)計具體環(huán)節(jié)。

圖4 《軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)》課程項目開發(fā)流程

學(xué)生小組按照項目設(shè)計流程，從項目開發(fā)計劃到需求分析，從概要設(shè)計到詳細設(shè)計，從編碼實現(xiàn)到系統(tǒng)測試，最終完成項目總結(jié)。設(shè)計系統(tǒng)主要實現(xiàn)機動車培訓(xùn)中考試練習(xí)、用戶報名、進度查詢、練車預(yù)約、考試預(yù)約、我的消息、我的賬單、個人設(shè)置、用戶反饋等功能，設(shè)計重點是通過手機動態(tài)查詢培訓(xùn)進程、培訓(xùn)中練車預(yù)約和駕駛知識在線練習(xí)。對于培訓(xùn)進程管理和查詢功能，學(xué)生小組結(jié)合移動端和Web端的特點分別進行基于Android技術(shù)和網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)的設(shè)計方案，形成培訓(xùn)單位和培訓(xùn)人員雙方靈活進行信息溝通的途徑。

在具體項目開發(fā)詳細設(shè)計環(huán)節(jié)，特色性結(jié)合企業(yè)提供智能化相干技術(shù)指導(dǎo)。在本文選擇的案例中為學(xué)習(xí)小組為方便用戶隨時隨地學(xué)習(xí)駕駛知識和交通法規(guī)，在移動端App的考試練習(xí)模塊中設(shè)計了順序練習(xí)和背題模式的在線學(xué)習(xí)功能。學(xué)習(xí)小組利用企業(yè)技術(shù)指導(dǎo)的智能算法，根據(jù)用戶練習(xí)的差異，設(shè)計適合本案例需求的易錯題推送功能。

(三) 實訓(xùn)設(shè)計過程落實工程素質(zhì)培養(yǎng)目的

經(jīng)過項目實訓(xùn)的鍛煉，學(xué)生小組在不同開發(fā)階段不斷變換各自的角色，不斷嘗試解決問題的途徑和方法，不僅從宏觀方面上深層地體會了工程任務(wù)的流程并體會到了從業(yè)的難度，也從具體設(shè)計方面，獲取到了設(shè)計經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)并解決了一系列實際問題，有了進一步設(shè)計構(gòu)想，為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下了基礎(chǔ)。本文選擇的案例中學(xué)生小組設(shè)計系統(tǒng)成果如圖5所示。

圖5 案例學(xué)生小組創(chuàng)新成果軟件展示圖

對實訓(xùn)課程進行過程化評價，突出強調(diào)教學(xué)過程的輸出而不是輸入。著重強調(diào)針對不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生不局限時間區(qū)間，通過不同途徑(設(shè)計軟件項目語言和技術(shù)框架)和方式(設(shè)計實現(xiàn)平臺)達到統(tǒng)一目標。

本課程的完成可以讓學(xué)生對軟件系統(tǒng)開發(fā)有一個整體認識，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和體會到“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)中人工智能技術(shù)開發(fā)的方法，掌握軟件開發(fā)核心和熱門的開發(fā)技術(shù)，便于學(xué)生把在學(xué)校學(xué)過的基礎(chǔ)知識，如高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、軟件項目管理、人工智能相關(guān)等課程知識進行融會貫通。

課程為實踐、理論與經(jīng)驗相結(jié)合，通過實踐去理解本專業(yè)創(chuàng)業(yè)中技術(shù)開發(fā)原理和過程，并能從思想上以及代碼上領(lǐng)悟IT軟件開發(fā)的精髓和軟件工程制作流程。同時通過企業(yè)項目實例化實訓(xùn)，達到實際問題具體分析的實踐效果。

五、結(jié) 語

(1) 研究結(jié)合工程智能化的高等教育發(fā)展趨勢，從工程智能化創(chuàng)新和OBE教學(xué)理念兩個角度展開對軟件項目實訓(xùn)基礎(chǔ)課程的實踐教學(xué)探索。研究提出實踐教學(xué)改革的研究框架和主要內(nèi)容，通過具體的實踐教學(xué)，形成符合“成果導(dǎo)向教育”理念的高等教育“新工科”實踐教學(xué)的新模式。

(2)研究結(jié)合實踐教學(xué)中具體的學(xué)生項目案例，分析了工程智能化導(dǎo)向的教學(xué)實踐對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性。結(jié)合實際項目的訓(xùn)練，提升學(xué)生對工程化應(yīng)用的設(shè)計理解，同時有意識引導(dǎo)學(xué)生自主選擇設(shè)計項目，提升學(xué)生對智能化創(chuàng)新理念的理解。