计算机专业综合课程设计的探索与实践

摘要:本文介绍了综合课程设计的目的和当前存在的问题,并结合作者多年的探索与实践,指出解决问题的途径和方法,实践证明,上述措施提高了综合课程设计的质量,改善了研究性教学方法。

关键词:计算机专业;综合课程设计;研究性教学

随着中国经济的高速发展,科技进步和创新已经作为经济社会发展的首要推动力量。社会对人才的要求也越来越高,培养懂技术、会思考、善于解决问题、勇于创新的本科生成为大学教育的重要目标。而作为计算机专业重要的实践性环节之一的综合课程设计,对于学生完成从学习到灵活应用知识,完成分析问题、解决问题和创新的飞跃,以及大四毕业设计高质量的顺利完成,都起着承上启下的重要作用。

1计算机专业综合课程设计的目的

计算机专业的本科生,通常在二年级和三年级开始综合课程设计。综合课程设计与传统的课程实验或课程设计培养目标不尽相同[1-3],通过综合课程设计需要达到以下目标。

首先,采用综合课程设计来巩固和加深学生对相关课程的基本知识理解和掌握,并拓展知识面,加强工程素质培养。虽然很多计算机专业的课程在开设过程中,有配套的实验或课程设计环节,但大部分实验都针对课程较具体的某个环节或算法,课程设计也主要完成本课程的配套综合实验[2-3]。而综合课程设计,一般是具有一定综合性的题目,以提高学生综合应用和独立设计能力为目的,所以它会涉及到多个知识点、多门课程或多个领域的综合应用,需要学生对相关课程内容灵活掌握,并拓展现有的知识面,才能较好解决实际问题。

其次,综合课程设计能够培养学生正确的设计思想与方法、严谨的科学态度和良好的工作作风,也在一步步解决问题的过程中,树立了学生解决问题的自信心。由于课程设计的综合性,学生需要针对问题,仔细考虑解决问题的思路和过程,有计划地实现每一个细节,从而逐步验证所提出方法的可行性。同时,在实现的每个细节过程中,会涉及各种解决问题的工具和算法,而工具的应用和算法的实现,可以提高学生的基本技能,培养学生综合运用所学知识的能力和基本工程素质。

而且,综合课程设计的实现过程,可以很好地培养学生获取信息和综合处理信息的能力。这是因为很多问题的复杂性要求学生查阅大量资料,进一步锻炼他们从这些资料中获取有用信息的能力。同时,在思考和解决问题的过程中,也会涌现很多创新性的想法,提高学生的创新能力。

最后,在学生实现了既定的综合课程设计题目后,课程设计报告也帮助学生掌握书写综合性文档的能力。这些为学生高水平的完成大四毕业设计奠定了坚实的基础。

从以上分析可以看出,综合课程设计环节对于培养现代的、综合能力强的、具有创新能力的大学生非常重要。然而,在实际的大学综合课程设计中,也出现了一些问题。

2计算机专业课程设计的几个问题

当前的综合课程设计一般由教师提出课程设计题目,然后学生被动接受教师的课程设计题目,并和教师进行简单的几次沟通后就开始了课程设计。目前的课程设计很多是在课后完成,由于各种原因,教师和学生的交流时间和次数很有限。在这一过程中所反映出的问题如下:

首先,教师在课程设计中要为学生考虑综合课程的题目,而这类题目的完成需要学生经过一定的努力才能实现。通常每个教师一次要辅导几个学生,每个学生的题目都不相同,所以教师每年都需花较多时间考虑综合课程设计题目。学生被动接受这些题目,并不一定是他们的兴趣和强项。同时,综合课程设计题目往往有一定的实用背景,学生往往缺乏对题目背景的理解,而导致研究方向偏离。

其次,在综合课程设计的过程中,学生所面对的指导教师经常都是博士、教授,甚至是博导。很多学生担心教师很忙,或自己问的问题过于简单,受到教师的批评等,从而缺乏和教师交流的主动性。由于没有解决问题的正确有效渠道,导致课程设计的质量不高,或根本达不到预期的目标。

最后,在课程设计完成后,由于每个学生的研究题目都不相同,学生之间的工作无法做客观比较,其工作量和工作完成情况都由指导教师评价,没有统一的评价指标,造成学生最终课程设计评分不尽客观。而且每年学生课程设计的工作没有延续性,后一届学生和上一届学生课程设计题目完全不同,即使相同也无法参考上一届学生成功或失败的经验。

针对综合课程设计在实践过程中的这些问题,我们提出基于网络技术构成的综合课程设计新型探究型学习环境,并以教师引导为辅和学生探究学习为主的新型教学活动。

3计算机专业课程设计的探索和实践

根据上述综合课程设计中的各类问题,结合作者的研究方向和教学实际情况,以实例说明综合课程设计的新思路。

首先,教师选择的综合课程设计题目应具有典型性、代表性,能够涵盖相关课程的众多知识点,并且代表指导教师的专业方向,以及反映课程的重要内容和学科方向。由于教师所带课程一般和自己的专业方向对口,这条一般可以做到。建议一位教师的综合课程题目选择3-6个,这些题目在一定时期内基本不改变,并在WEB网页上。所有学生可以在这些题目中选择自己感兴趣的方向,规避不同学生不同题目的传统方法。例如,指导教师的研究方向为增强现实、计算机视觉和多媒体通讯,主要所带课程为数字图像处理。那么综合课程设计题目选择为:特征检测和匹配、图像压缩算法研究和视频压缩算法研究等。这些题目都是数字图像处理领域很经典的一些研究方向,同时也处在不断发展的过程中,因此,这类题目的研究既有针对性和挑战性,又有很好的延续性。

其次,综合课程设计题目在网上的同时,指导教师需要对每个题目任务有一个概要描述,并且给出这项工作的工程意义,以及当前这项工作所能达到的效果,从而使学生从总体上把握题目方向以及实现目标。如针对特征检测和匹配课程设计题目,需要学生编写代码检测图像中的显著特征,并且完成与其他图像的特征匹配。同时,这些特征需要是平移、旋转、尺度和亮度不变量。教师提供测试图像集,学生实现自己的算法,通过ROC曲线和AUC指标评价算法性能,并根据不同图像测试结果对学生排名。且进一步给出该题目的研究和实现意义,即特征检测和匹配结果可以帮助实现图像拼接、计算基础矩阵和场景重建等。

第三,指导教师前期对学生综合课程设计的辅导,不仅仅是给出题目和题目内容概要,更重要的是需给出解决问题的主要思路和方法。这样使学生有的放矢,在统一的框架内,验证和开发各种算法。如针对上述特征检测和匹配综合课程设计题目一般需要三个步骤解决问题:(1)特征检测。通过一定算法的实现能够识别图像中显著的特征点,如利用Harris算法检测角点。(2)特征描述。有了这些特征点后,需要定义以特征点为中心的局部描述子,这个描述子对平移、旋转、尺度和亮度为不变量,从而可以比较不同图像之间的描述子,实现特征的匹配。如通过一个小的窗口,利用差的绝对值比较,简单实现此描述子,能够检测平移下的不变量。为了实现更一般情况的不变量描述子,需要定义更完善的描述子,如SIFT。(3)特征匹配。有了每帧图像的特征描述子,就可以通过它匹配特征点。对于一帧图像的每个特征,可以在其它图像中找到对应的匹配特征。这一部分主要设计如何测试不同图像间的描述子。最简单的办法是通过计算描述子之间的距离,最小的距离则为匹配特征点。也可通过距离比方法,使用门限判断匹配特征点。通过(1)～(3)步,基本给出了解决问题的总体思路框架,学生可以在这个框架下,使用各种现有的或创新的算法实现特征检测和匹配。

第四,基于上述解决问题的整体思路框架,为了进一步规范学生在大框架下的代码开发,可以给出整体的代码框架。指导教师定义框架下的大模块,规范调用接口,并给出类或函数实现的功能。学生基于接口和功能要求,提出每个功能模块的解决思路,甚至一些开创性的算法,并加以实现。这种规范的代码框架提高了代码的可读性,为其他学生学习不同算法和代码提供了方便,使整体综合课程设计有好的延续性。

第五,在学生实现了所有综合课程设计题目的算法后,指导教师必须仔细而明确地给出学生测试结果的指标和方法。这个环节对于客观准确评价学生工作,鼓励学生创新和探究都非常重要。如在特征检测和匹配中,要求学生使用指导教师提供的测试图像集合和测试方法,给出ROC曲线,并计算ROC曲线下的面积和特征的正确匹配率等参数,从而所有学生都在统一的测试平台和标准下评价算法的优缺点,激发了学生对新算法探究。同时,要使学生能够从感性上触摸到课题内容实质,有一个较高的研究开发起点,教师可以在代码框架下给出最基本的算法实现,学生们学习基本的算法,并将开发出的新算法与最基本的算法比较。

第六,为了鼓励学生的探究学习,凡是提出更好的算法或实现增强的功能,可以额外加分。如学生能够证明自己的描述子是尺度或仿射不变量,通过统一测试平台,测试的指标好于教师所给出的指标;在不同图像的特征匹配中实现了实时匹配等,那么学生都可以获得额外的综合课程设计加分。

最后,将每年学生的综合课程设计结果、评测和得分全都在网上,并基于学生的测试结果给出综合成绩排名。该措施可以促使大家相互监督,有效避免学生之间的抄袭,也保证了后续学生综合课程设计的延续性,并在一定程度上提高了学生成绩评定的客观性和准确性。

4结语

实践证明,基于网络的新型综合课程设计环境,以及规范化和标准化的综合课程设计框架,可以避免学生在综合课程设计中“孤身奋战”,学生不但可以和教师交流,也可以和同项目组的学生做算法交流,还可以参阅以前学生的算法和实现结果,使学生们站在一个比较高的高度来分析问题和解决问题。这同传统的被动接受指导教师的综合课程设计题目并独立完成完全不同,即学生往往因为对研究题目不感兴趣,缺乏解决问题的渠道,或没有一套客观的结果评价指标,从而降低对自己的要求,使总体综合课程设计的质量不高。

同时,在综合课程设计中,教师给出项目的工程背景,学生可以根据自己的兴趣选择适合自己的题目,并依据工程应用背景衍生其它的研究和开发。比如很多学生选择了特征检测和匹配这个题目,在综合课程设计完成后,又主动实现了和此题目相关的计算机视觉算法,并开发了相应的应用程序如全景图像拼接软件等。这些不但提高了综合课程设计水准,也为毕业设计打下了坚实的基础。

综上,通过基于网络技术构成开放的新型综合课程设计探究学习环境,以及为综合课程设计题目提供的解决问题框架、代码框架和统一测试方法,学生们可以随时借鉴、参阅已有成果,客观评价自己算法。同时,也可以进一步掌握科学分析问题、解决问题的方法和思路,提高自己的创新能力,培养严谨的科学态度和良好的工作作风。最后,此综合课程设计的实施方案与当前高等教育所提出的研究型教学思路相吻合,提高了教师的工作效率和学生综合课程设计的质量水平。

参考文献:

[1] 王艳红,章小莉,姜湘岗. 在数据库课程设计中培养学生项目开发能力[J]. 计算机教育,2009(13):91-94.

[2] 王培容,黄丽雯.《微机原理》课程设计的教学探讨[J]. 计算机与信息技术,2009(3):109-110.

[3] 庞晓琼. 案例驱动的数据结构课程设计教学改革实践[J]. 计算机教育, 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