“项目式”实验法培养计算机系统能力

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摘要：为培养学生计算机系统能力，探索一种有效的实验教学方法。通过运用心理学“模拟情景”理论，结合计算机专业的课程特点，对计算机专业的实验课程进行分类比较，得出“项目式”教学法适用于综合设计类实验，有助于提高学生的系统能力。而后以“网络工程”课程的“组建小型局域网”项目为例，阐述该教学方法的形式、内容、要点，实施过程和注意事项，对教师的要求及未来的发展方向。“项目式”实验对学生计算机系统能力的提高有明显作用。

关键词：计算机专业；网络工程；系统能力；项目式；实验教学方法

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）36-8337-03

1 概述

根据“高等学校计算机本科专业发展战略研究报告”[1]，企业对需要毕业生改进之处集中在“较强的责任心”、“独立解决问题的能力”、“较好的动手实践能力”，“扎实的理论基础和理论结合实际的能力”四个方面。换言之，希望毕业生更有责任感、独立担当、身体力行完成具体的任务。那么，高校究竟如何在教学中培养学生的专业能力，满足社会需要？

意大利帕尔玛大学的早期研究发现，人脑中的“镜像神经元”在“做着某事，以及观察他人做同样事情时，发生相似的作用”，比如看体育比赛的兴奋感像自己参加比赛一样。这表明人们通过观察获得知识，通过模仿养成习惯，具有科学依据。而培养学生的专业技术能力同样可以通过将其置于工程项目的实践环境中，随着实践活动深入，学习工程技术的方法，养成良好的专业习惯，从而获得责任感、合作精神和动手实践等能力。“项目式”实验教学法，正是基于上述理论提出的。

知识培养可以通过课堂教学，或者资料阅读，而能力培养则需通过实验教学和实践训练，这早已是教育界的基本共识。因此，实验教学方法的选择对培养学生的专业能力起到重要作用。

2 计算机实验方法

2.1计算机实验的类别

计算机课程分为“软件、硬件、系统、理论”四大部分，所开设的实验课程也划分为四种类型[3]：

基础验证型实验：巩固对知识点的理解，培养基本动手能力。

课内综合性实验：加强对单一课程内相关知识点的融会贯通。

综合课程设计：锻炼学生综合运用相关的几门系列课程知识，来解决实际问题的能力；

自主创新实验：发挥学生的主观能动性，启发提高实验研究能力，培养学员的创新实践能力。

其中，前两类是课程内实验，第三类是面向几门课程的综合性试验。前三类种均面向所有学生，第四种仅面向少数优秀学生。

以“组建小型局域网”为例，说明“项目式”实验教学规划和实施方法。

由于网络类课程不像“编程”软件“所见即所得”，没有精美画面，显得“冷”和“硬”。如何吸引学生，提高学习兴趣？通过不断地尝试和实践发现，“项目式”教学法，在角色分工合作中形成竞争、激励，激发同学的兴趣，行之有效。

2.2 专业能力与计算机专业能力

专业能力是指一个人在解决实际问题时能够自如地应用某些专业知识或技术，是指完成某项任务的综合本领。史蒂夫.乔布斯说“能力是逼出来的”，无疑能力需要在完成任务的过程中锻炼、提高。

计算机专业基本能力可以分为四种[1]，计算思维能力CTK（Computational Thinking），即利用计算机作为工具工作的能力；算法设计与分析能力ADA（Algorithm Design and Analysis）：建立问题求解的算法意识；程序设计与实现能力PDI（Program Design and Implementation）：掌握适当的语言和程序设计思想与方法；系统能力：是指全局地掌控一定规模的系统，树立系统的观点，考虑和把握全局。系统能力包括：系统认知、系统设计、系统开发和系统应用的能力。

前三种，可以通过理论学习和一定数量（如1.0至1.5万条）[2]程序代码编写训练获得，而计算机系统能力需要整体的观念和系统的视角，需要通过多门课程群之间的综合实验的锻炼才能习得。在教学中，借鉴管理类学科的“实战沙盘”方式设计实验，设定情景，让学生分别扮演不同角色，设计出“项目式”实验教学法，来培养学生的工程实践能力。

3 “项目式”实验教学法

3.1何为“项目式” 实验教学法？

“项目式”实验教学法，以项目驱动，将综合实验放在一个模拟的工程项目中完成。调动学生的非智力因素，加深知识理解，提高专业能力。主要分为：

“明确目标，设计项目”，在这里主要做设定情景、准备素材；

“组织团队，分工协作”，分组讨论，协作完成；

“控制过程”，可以根据需要引入“求助”来“稍加点拨”；

“激励性评估”，肯定成绩，学生间相互质疑、改进，鼓励探索[7]。

3.2 实验目标

在一般教学中关注学生“学会了什么”，在 “项目式”实践中，重视学生“能做到什么”，激发其学习积极性和成就感。不视重“顺利完成”，而更重视遇到问题时如何分析，如何解决，从中培养工程技术能力、协作能力、团队精神以及获得资源能力，提高学生综合素质。

3.3 适用条件

“项目式”适用于“综合课程设计”类，应设置在相关专业课程验证实验和课内设计实验之后。因综合两门以上的专业课知识，可选择面向应用的中小型项目，比如：计算机组网，开发游戏软件，设计商务网站等，培养学生的综合系统能力。

3.4实验设计

划分阶段：根据工程项目内容，划分为几个阶段，在各阶段结束时有明确标志，比如提交文档、完成配置等方便审核[6]。

工程实践：项目最好以真实案例为依托，由高校与企业共同开发。项目真实、数据真实，学生态度和工作作风“专业”，学生不仅做出来，还要在结题答辩时讲出来，锻炼学生书面和语言表达能力。

集体讨论：讨论是项目的重要内容，贯穿始终。集体讨论促使学生对某一内容发表自己的见解，通过同学之间的激励引发连锁反应。同一项目划分多组，由同学提出问题，解决问题，通过反诘和质疑来获取大量信息，经过小组归纳形成解决方案。深度参与使得成员对项目内容印象深刻，对过程把握充分。

团队协作：小组内讨论方案，分工、协作完成项目；小组之间竞争，教师从旁引导，这种方式在培养学生管理能力、团队协作能力方面作用明显。

4 “项目式”实验实施

4.1 项目选择

根据课程目标设计实验项目。计算机行业中真实案例较多，但因项目规模、复杂性，以及涉及知识领域范围广，需要甄选甚至重新构造。使项目所涵盖知识点与课程目标更契合，完成时间的可控。比如网络工程，是做一个小区网？还是企业网？

4.2 实验准备

根据综合试验的需要，教师须做好实验前的准备：背景资料，数据和文档，软件（服务器、开发平台）和硬件环境等等，并了解学生的特点、能力等情况。

4.2.1 资料文档

根据项目需要准备文档，筛选整合资料。如：用户企业背景说明；用户企业布局图；分析结果用表：用于规范化用户信息的分析；网络设备市场报价表：优选产品报价清单；绘制拓扑图的工具文件或模拟器；

学生需提交文档：拓扑图；设计技术要点说明；项目设备报价单；网络建设施工单（设备配置清单）；实验报告。

4.2.2 硬件环境

配备实验环境，即实验设备等基础设施。如：每一组设备：试计算机6台；路由器 3台，交换机2台，防火墙1台，无线AP一台，双绞线和V.35线缆若干，以及基本通信和网络环境。

4.3 角色与分工

教师承担客户角色，陈述项目描述信息，担任项目招投标乙方。

学生各组分别扮演投标公司，彼此竞争，作为项目招投标的甲方。

学生小组成员数一般3至5人，参照实验设备而定，教师分组要考虑到组内和组间力量的均衡。若成绩优秀、个性强的同学过于集中，容易资源内耗；如果各组之间水平相差悬殊，难以形成良性竞争，需“不经意”地调整“优秀生”分散到不同组，“势均力敌”。

4.4 过程控制

教师介绍项目流程，明确各个时间段的任务和要求，在各组讨论时巡视。在项目各阶段中点评。其过程如下：

小组分析需求。共同阅读材料，找出需求信息，填写分析结果表。

设计并讲解拓扑图。小组讨论绘制拓扑图，选派代表讲解设计思路，各组评价。

讲解项目技术点。各组轮流介绍为解决用户需求所用到的网络技术，如：VLAN、单臂路由、访问控制等，并回答其他组的提问。

设备选型和报价。根据市场主流产品，遵循一定准则进行设备选型，填写报价清单，并选代表讲解展示。

讲解方案。小组将讨论内容整合，用规范的模板和图标编写示方案。每组讲解展示，其他小组质疑，本组答辩。

编写施工单。小组内讨论详细实施流程，形成“施工单”。

完成实验。实验操作，连接和配置实施，并提交实验报告。

实验过程由学生自己把控，教师作为引导者。每个阶段学生展示讲解之后，教师进行点评，并与真实的项目方案进行比较，指出不足，肯定成绩，鼓励创新。

学生通过分析需求、设计方案、述标和竞标来完成项目，参与实施工程项目的全过程，体会技术工作复杂、琐碎、规范和严谨，加深对工程项目管理的理解，培养其工程能力[8]。

5 结论

从2007年起，6年来，通过对“项目式”实验教学法的不懈探索和实践，“项目式”实验法对提高学生的系统能力、工程实践能力有较大帮助，对程序设计、网络工程、嵌入式系统、物联网应用开发等类较适用，对单门课程的实验不太适用。

同时它也对教师提出了高要求，教师不再是一言堂的演讲者，而是过程的引导者，实验准备工作量增大，对教师的专业能力、统筹协调能力提出了新的挑战。

“面向工业界、面向未来、面向世界”[9]的“卓越工程师”计划正在实施，大学教育将向培养应用型和工程型人才侧重。而“项目式”实验教学方法很适合在校园内开展，行之有效。但模拟项目终究存在局限性，如果高校能够与企业深度合作，让学生参与到企业的在线项目中，将对培养学生专业能力、创新精神，提高学生综合素质等方面产生更大影响。

参考文献：

[1] 曹日昌.普通心理学[M].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会主编.高等学校计算机本科专业发展战略研究报告及专业规范（试行）[S].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 白中英，杨春武.计算机硬件基础实验教程[M]. 2版.北京：清华大学出版社，2011.

[4] Pink D H.全新思维——决胜未来的六大能力[M] 高芳，译.北京：北京师范大学出版社，2013.

[5] 罗英伟 汪小妹 李文新.计算机科学技术实验教学内容体系[M].北京：清华大学出版社，2012.

[6] 吴功宜，胡晓英，张仁，何云，王宁.计算机网络课程设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7] 查有梁.新教学模式之建构[M].南宁：广西教育出版社，2003.

[8] 张师林.计算机网络实训教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[9] 徐明，曹戒南.网络工程专业培养方案[M].北京：清华大学出版社，2011.