新工科创新理念的计算机基础实训案例设计

崔舒宁，桂小林，吴 宁，薄钧戈，齐 琪

（西安交通大学 电子与信息工程学院，陕西 西安 710049）

0 引言

2017年2月18日，高校工程教育发展战略研讨会在复旦大学召开，“新工科”的研究与实践被正式提上了章程[1]。新技术、新业态、新产业背景下，对工科人才创新创业能力有了更高的要求。教育部高等教育司张大良司长提出了急需新型工科人才支撑的要求。2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，60余所高校共商新工科建设的愿景与行动。 2017年6月9日，教育部在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议，全面启动、系统部署新工科建设。30余位来自高校、企业和研究机构的专家深入研讨新工业革命带来的时代新机遇，聚焦国家新需求，谋划工程教育新发展，审议通过《新工科研究与实践项目指南》，提出新工科建设指导意见。

“新工科”人才的特点是学科交叉与综合。“新工科”是在新时期全面创新我国高等工程教育，以适应引领新经济发展战略视角出发提出的新观点。“新工科”（Emerging Engineering Education，3E）是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向。“新工科”的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才。“新”的内涵表现在人才具有新素养，教育需要新结构，教学要有新方法。

1 新工科理念下的实践案例设计

1.1 物联网与Arduino创客设计

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段，它将改变人类的未来及生活方式。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台；大量涌现的创客项目，包括机器人、无人机、智能家居控制、3d打印等主要以Arduino为原型或基础研发[2]。

实验项目的设计以目前大众关心的PM2.5环境问题为主题，打造一个简单环境数据采集、显示和传输系统，并借助Wi-Fi和HTTP协议，将数据上传到手机上浏览，该实训包含3个方面的内容。

（1）硬件的连接。需要按照硬件接线图连接各个传感器和开发板，同时了解每个引脚的含义，正确接线。

（2）代码编写。实训项目采用Arduino的IDE作为开发环境，C/C++为开发语言。编写的程序被编译成二进制文件，烧录进微控制器。为了直观地看到效果，根据收集到的数据，通过控制灯光、声音等其他装置反馈。

（3）如何通信。通过串口通信，将收集到的数据上传到PC机器上进一步分析。通过Wi-Fi，将收集到的数据传送到手机，实现移动端浏览。

在实际的项目实训中，主开发板可以选用NodeMCU(ESP 8266)，NodeMCU带有的Wi-Fi具有接入点（AP）模式，通过它可以创建无线LAN，任何支持Wi-Fi的设备都可以连接，见图1。

图1 以 NodeMCU作为接入点连接其他设备

可以将NodeMCU当成一个HTTP服务器，让所有与之连接的Wi-Fi设备获取相应的信息。同时注意，这样的通讯是双向的，也可以通过连接NodeMCU设备，向它发出控制信号，使NodeMCU按照控制信号，对连接在其上的传感器产生作用。在这个案例的最后，将通过在NodeMCU上安装MQTT客户端完成与IoT（物联网）的互联。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的轻量级的基于发布—订阅消息传递协议[3]。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器（比如通过Twitter让房屋联网）的通信协议。例如，如果温度传感器发布“温度”主题的温度数据（消息），那么订阅了“温度”主题的客户就可以获得如上所示的温度数据。MQTT广泛应用于物联网嵌入式应用，每个传感器都连接到服务器，并可以通过互联网控制。NodeMCU是一个开源的物联网平台，这是一个运行在Espressif Systems的ESP8266 Wi-Fi SoC上的固件，具有可用的物联网应用程序易于构建的无线网络。

最终，该项目通过学习不同感应器采集数据、发布数据以及远程控制设备等完成实训，所需知识涉及计算机硬件及计算机软件等方面，将软件知识与硬件知识相结合，培养学生的思维与动手能力。通过项目学生可以学到以下几点：①物联网和Arduino行业相关知识，Arduino在创客世界的应用；②C语言在Arduino上的应用；③物联网采集数据的方法和原理，各种传感器的连接和使用。

1.2 游戏编程与人工智能（AI）

本案例给定学生一个迷宫类游戏，其中涉及矩阵的相关知识以及最短路径的寻路算法，本案例用到了A*算法[4]，该算法是一种静态路网求解最短路径最有效的直接搜索方法，被广泛应用于游戏AI的开发与人工智能领域。

学生以此游戏为模板，在此基础上进行创新，在训练学生开发小游戏基本能力的同时，培养学生的创新思维能力，提高学习编程兴趣。游戏主界面见图2，主角是一只羊驼，羊驼从屏幕左边某一位置出发，一路经过各种障碍物，在限定的步数内到达终点（图中房子），即为游戏的胜利，最终游戏的评分会根据游戏的时间与所剩步数计算得出。在游戏中可以设置多种障碍物，羊驼只能有上下左右4个方向的操作。每关限定的步数是根据计算机自动寻路得到的最少步数加上关卡难度相应的步数得到的，这样确保游戏能够顺利进行。例如游戏初始设定难度系数为10，A*算法算出起点到终点的最少步数为20，那么在游戏界面上显示的剩余步数就是30。游戏开发的编程语言采用C++语言，图形界面绘制用到了EasyX库函数。

学生以团队的形式进行开发，通过完成该案例，熟悉整个软件开发流程。开发平台为Windows7或Windows10系统，使用Visual Studio 2013及以上版本，要求有需求分析报告、软件设计报告、测试报告、总结报告。最后进行验收答辩。

图2 游戏界面示意图

程序要求完成如下基本功能：绘制地图，设置障碍物，移动迷宫里的“小人”，实现路径提示（显示通道）功能，实现计时功能，实现计步、计分功能，实现播放背景音乐功能。进一步，可以完成如下较高要求的功能：添加“多重障碍”功能，添加“锤子”敲击障碍物功能，添加“畅通无阻”功能，添加“排行榜”功能，添加“自选模式”生成地图功能。

本案例针对非计算机专业学生，结合新工科背景设计，通过让学生完成一个小游戏的开发，引入AI概念，其内容还涉及图像的处理、游戏动画的方法及游戏常用算法等方面。该游戏还可以进一步扩展，培养学生的创新思维能力，主要培养学生使用计算机解决问题的能力。

1.3 互联网与数据分析

互联网收集数据并分析，即数据（或大数据）的采集、整理、分析和呈现也是新工科的热点之一。本项目设计了一个问卷调查系统，项目的任务是基于ASP.Net框架开发在线问卷调查分析系统。在满足传统系统的问卷管理、问卷发布、问卷结果统计功能基础上，结合数据分析方法和可视化技术，分析收集的问卷数据，并通过可视化方法给予个性化的预测和反馈。

首先本系统支持多种类型的问卷调查，单选题目是基础题型。管理员用户对系统有全权限，即能够管理用户，包括用户的创建和删除、用户权限管理；管理所有问卷，包括问卷/题目的增、删、改。普通用户只能进行问卷选择、问卷作答和问卷预览，并在提交后得到系统的可视化反馈。反馈的内容包括3方面：①能够查看该问卷每道题目答案的整体统计分布；②获得针对当前答卷对某主题的预测结果，例如对就业取向预测等；③支持普通用户通过主动反馈机制重新获得预测结果。例如，根据调查问卷获取某用户的个人信息和行为习惯、预测该用户的毕业起薪等级。用户可以通过重新答题，改变某些问卷题目的选项并提交，查看能否提升预测等级。根据预测结果的主动性探索，启发调整自身状态的思考。

项目使用ASP.Net技术和C#语言实现一个B/S框架的动态网站，开发模式要求使用传统的事件驱动开发模式Web Forms。以图3为例，系统功能应包含但不限于以下几种（+较高层次的功能）。

图3 问卷调查系统示例

（1）用户管理：用户角色分配，权限管理，用户登录；用户注册，用户注销，修改密码。

（2）问卷管理：问卷的创建、编辑、发布、删除、预览，自动组卷，问卷导出。

（3）结果可视化：问卷结果统计，图形展示，可视化工具库(echarts) ，解释分析结果。

（4）调查问卷分析：通过RestAPI调用指定数据分析模型接口实现。

（5）前端页面设计：登录页面、功能页面、模板设计、样式设计、导航设计。

最后，系统应功能稳定、界面美观、用户体验友好。

具体开发时，操作系统要求Windows 7或Windows 10，使用Visual Studio 2013或以上版本、使用SQL Server 2012 或以上版本以及网页制作工具Hbuilder。调查问卷分析系统要求学生以团队形式完成，每个团队参与人数不超过3人。团队成员在项目开发过程中必须有明确的角色和任务，要求学生通过完成本项目，了解Web应用软件的架构和开发流程，设计并撰写需求分析文档、详细设计说明书、数据库设计文档、产品测试报告。需要掌握的基础技能有：①学习了解Web应用程序基础及动态网页的基本开发流程，熟练使用项目开发环境Visual Studio，掌握Web程序调试方法，运用ASP.Net控件应用技巧和事件处理编程，实现动态网页的功能；②掌握SQL Server数据库的配置及常规操作，学习设计思路和方法，设计数据表；③掌握ASP.net的数据库连接及调用方法，将调查问卷与数据库连接，掌握ASP.net的数据库访问技术，针对调查问卷网站对数据库进行增、删、改、查、统计操作；④了解当今主流的数据可视化方法，在传统电子表格显示的基础上，尽可能使统计、分析结果图形化。

本案例首先是核心能力培养，即工科类学生的计算机问题求解能力，要求具有编写千行以上代码的能力，具有团队合作意识，具有自主分析问题和分解问题的能力；其次是提升能力培养，即新工科背景下的以信息技术和计算机应用融合带来的问题求解能力；从信息技术的角度，调查问卷系统是获取数据的手段，当数据以一定目标被分析、被挖掘后就能变成有价值的信息，从而启发探索式的分析。

2 实施与效果

由于课程是面向全校的计算机实训，因此授课的专业非常宽泛。就工科而言，从大类上讲，包含机类和电类；从传统的专业分类上看，包含机械、能动、电气、电子、通信、计算机等多个专业。这3个案例在实际实施的时候都是按40～60个学时设计，其中包括讲述基础知识和背景知识的时间。参与1.1和1.2的学生具有C语言的基本知识，参与1.3的学生学习过基本的C#程序设计[5]。整个项目可以用10天时间（2周）连续完成；每天需要花费3～6学时，其中前5天学习相关的基础知识，如果学生已经具备，则项目时间可以缩短至1周。以1.3 的案例为例，2周的安排见表1。

表1 实训方案详细计划

利用暑期小学期的时间，我们对全校大学一年级的工科学生约1 200名展开了上述案例的实训工作。根据学生前期的先修课情况，我们将学生分为了3类：①前期学习过C语言；②学习过C++；③学习过C#。最后的实习答辩以及发放的调查问卷显示：①近83%的学生认为自己通过本次实训提高了自己的计算机能力；②92%的学生认为项目设计非常有吸引力；③84%的学生认为通过这些项目真正了解了计算机在现实生活中的作用。

3 结语

面向非计算机专业的工科领域，计算机基础实践教学面临2个问题：①课堂和实际脱节，课堂上讲述的内容和实际生活中的应用无法联系起来；②如何开展新工科的教学。西安交通大学自2015年起，所有工科学生利用暑期小学期进行计算机实训，至今已经是第4年了。每年大约有一千余名工科学生参与为期10天、每天6个小时的实训。在2015和2016年的实训中，围绕计算思维和计算机能力培养，侧重了对学生编程能力的提高。在新工科的战略提出后，笔者迅速和企业合作，重新制定和规划了实训内容。通过这3个案例的实践，学生初步明白了生活用的智能开关、自动驾驶等是怎么实现的，在此基础上创作了许多创新的作品，在课堂的学习内容和计算机在实际生活中的应用之间搭起了一座桥梁，做到了学以致用，取得了良好的实训效果。通过实训，激发了学生学习计算机的兴趣，将新工科的教育理念落到了实处。