上科大精品课程探秘| 信息科学与技术导论

上海市精品课程《信息科学与技术导论》（简称《信导课》）是上海科技大学创校时即布局的、全体大一学生必修的信息科技类通识课。校内一直流传有很多关于《信导课》的神秘传说。对于刚刚踏入大学校园、又缺乏编程基础的同学们来说， 能从中收获哪些硬核知识与技能，这些知识对于专业学习会有什么帮助？要想学好《信导课》，需要为它做哪些准备呢？本期，我们将带你深入了解这门课程的设计理念，揭开它的神秘面纱。

《信导课》的核心理念是世界一流大学普遍推行的“Make Course”，用中文解释就是“从做中学”。通过做课程项目激发学生的好奇心，将课程中习得的理论知识应用到实践，也反过来强化学生对知识的理解。

该课程以导论的形式将整个信息学科的全貌展现在学生面前，帮助学生建立信息科技的基本知识框架，为学生后续专业课程的学习和科研工作的开展打下基础。课程共计 64 学时，包括理论课和项目实践两大部分。其中，理论课48学时，项目实践16个学时。

图|信导课的理论课框架

上科大的信息学科包括计算机科学与技术、信息工程、电子科学与技术三大方向。相应地，在设计《信导课》时，授课老师们根据三个学科方向的最基础元素，布局了Python编程、信号处理、电气与电子工程三大版块。

这三个版块具体都讲些什么呢？让我们听听授课老师的介绍。

信息学院  邱越教授

随着社会向数字化、信息化转型，人们被信息海洋所包围，如何快速有效地获取与处理数据占据着生活的方方面面。Python作为当今最流行的编程语言，以可用性强、易入门、开源项目多等特点在各领域内获得了广泛应用。而学习（编程）语言最好的方式就是使用它，本着从做中学的原则，Python编程部分强调动手操作能力。课堂讲授基础原理，作业部分强调以练代学，作业难度设计呈阶梯状。通过课堂讲授与作业训练，培养学生对使用Python完成基本的数据获取、分析、处理的能力。最后通过课程设计系统地训练与提高学生们的实际动手操作水平，为将来使用Python在自身所处的专业领域内的应用打下基础。

信息学院  郑锐教授

数字化信息技术的发展日新月异，已经进入到我们生活的方方面面，其核心内容无疑是数字信号与数字图像，对这些内容的学习也是未来进一步了解和掌握信息科学研究方法的基础。这一部分的教学内容通过介绍数字信号和图像的基本概念以及相关方法，令同学们能够初步了解什么是数字信号和图像，以及如何对它们进行处理和应用，以达到最终的需求。其教学过程是遵照“基本概念-处理技术和方法-实际应用”的顺序分三步完成学习过程：首先，通过课堂讲授，学习抽象的概念和理论；其次，在习题课上编程练习，边用边思考，巩固对知识的理解；最后，通过作业继续自主学习，摸索如何根据实际需求进行应用，将理论和实践真正结合在一起。通过课程训练，不仅初步学习了相关的基础知识和基本方法，还可以了解和掌握如何应用这些知识解决实际问题，为未来应用信息科学打下良好的基础。

信息学院  王浩宇教授

能源与信息是贯穿人类文明发展的两条主线，二者在信息领域中分别对应电气工程与电子工程两门学科。电子设备是信息时代最重要的基础设施，而晶体管 (Transistor)则是电子设备的最核心的元件。电气与电子工程版块紧紧围绕晶体管这个概念展开。首先从宏观的角度讲解电气与电子工程学科在人类文明进步中做出的贡献，随后分别从器件、电路、系统三个方面抽丝剥茧，深入浅出地为同学们解答三个核心问题:如何利用沙子制造晶体管？如何使用晶体管搭建数字、模拟、功率电路？如何利用功能电路搭建一个实际系统？

图|电气与电子工程版块的设计逻辑

此外，针对生命学院学生的学习和科研特点，授课团队对《信导课》理论课调整为Python编程、信号处理、生物应用三个部分。其中，生物应用部分介绍了生物信息学、药物设计、生物图像处理、人工智能等交叉学科的相关内容，由信息学院郑杰、高盛华和生命学院白芳、张力烨、李晓明等老师合作讲授。

以上主要介绍了理论课程的设计逻辑和课程要点，而课程的核心，也是占比最高（40%）的项目实践环节。2022年春季，为了照顾同学们的个体差异，授课团队精心设计了6项并行项目选题，均为团队项目，同学们可以根据自己的专业背景和兴趣爱好组建三人团队，选择题目，通过动手实践完成各具特色的课程项目。

接下来，我们来看看授课团队为大家提供了哪些项目吧！

该项目由邱越教授指导，需要同学们使用python来完成“基于数据处理的社会探索”。在大的框架下学生们可以自主选题发挥，充分锻炼了同学们使用Python工具提取关键信息，进行数据处理与分析的能力。为了巩固教学内容，兼顾实践性和开放性，项目任务采用了独特的“练习”和“做任务”并行模式。在练习环节，同学们将会阅读具体的问题并使用Python得出具体的结果，熟悉数据科学中编程的应用方式，以便在project中举一反三地应用。做任务的环节则需要同学们从社会现象中提取数据，从数据中提取信息指引方向，鼓励开放探索，自由发挥，做出独一无二的project。

该小组的研究课题为“The employment situation of WOMEN in STEM industry in China”。通过从现有网络数据入手，分析了女性科技人才在STEM中的占比，最后作了我国科技女性未来就业趋势的预测。

Type-C充电已经入千家万户，使用type -C充电器，可以方便地给我们的手机、PAD、笔记本、耳机等多种电子设备供电。在王浩宇教授的指导下，同学们需要使用晶体管、二极管、电容、电感等元器件亲手搭建一个车载Type -C充电器。

在该项目中，学生需要完成电子系统设计、系统参数优选、电路仿真、系统组装与交付等工作。通过该流程，可以帮助同学们学习基础嵌入式编程，读取电路图纸，掌握焊接技能，熟悉电子仪器的使用方法，更重要的是锻炼同学们解决问题的能力。该项目的基本元素与电气与电子工程版块中的理论知识密切契合，引导同学们在工程实践中，强化对理论知识的掌握。

手写数字识别使用树莓派加摄像头模组作为硬件平台，python为编程语言，通过对图像进行预处理后，结合kNN、神经网络等算法，最终完成对所拍摄手写数字图片中数字的识别。该项目由陆林燕老师负责实验教学，旨在带领同学们简单认识人工智能中的智能识别领域，并激发他们的研究兴趣。

伴随物联网技术的飞速发展，世界进入万物互联时代。物联网是把生活中各种物品通过嵌入式系统、网络、传感器等连接在一起，使得每一个物品在物联网中具备观察性和可控性，同学们通过物联网可以得知其中各个物品的状态，并能够控制物品的状态。

在刘闯老师的指导下，小组结合Arduino + ESP8266模组，在OneNet物联网平台实现了远程数据传输与监控，未来也可以应用于火灾报警器、宿舍遥控门锁、遥控小车等场景。该项目使学生学习了嵌入式微系统、各类型传感器、WIFI联网、物联网控制终端等软硬件，并且通过编写代码调试硬件提升了学生软硬结合的能力。

高内涵成像技术实现了高速显微成像、海量图像信息快速解析，使得以前耗费大量时间和精力的工作得以瞬间完成，因此也广泛应用于靶向药物的筛选和药理毒性分析等方面，项目由郑锐教授指导完成。

该小组的课题项目为“Bio-image processing”。他们使用高内涵成像平台完成了单个细胞的细胞质和细胞核部分图像拆分，并分析分布于细胞核和细胞质的特征结构数量和面积。

计算机辅助药物设计模块的项目旨在培养与提升同学们在生物医学大数据挖掘与药物设计基础方法的应用能力。项目由白芳教授指导完成。

该小组以癌症靶标MCL-1为研究对象，对报道的1000余条数据质量迥异的活性化合物及活性数据进行数据挖掘，获取高质量化合物及药效数据，建立药效-结构关系模型，总结靶向MCL-1的关键药效特征，并进一步采用分子对接等计算机辅助药物设计方法，对活性化合物与MCL-1靶标的结合分子作用力进行直观分析，以提出药物优化策略，培养药物设计理念与逻辑思路。

对于新生来说，最大的挑战便是需要同学们完成从高中到大学的学习范式转变。相较于高中的填鸭式学习，大学的学习更加强调同学们的自主性。此外，在项目实践中，我们还格外强调学生的团队合作能力与动手解决问题的能力。

相应地，《信导课》的课程设计也更为注重全过程考核。课程不设置期末考试，成绩均摊在学期中。Python 编程(20%)+信号处理(20%)+电气与电子工程(20%)+Project (40%)。其中，理论课成绩由随堂测验、课后作业等环节决定。

与一考定终身的传统模式相比，过程化考核会让同学们感觉学起来更累，但是不用“考前突击”，知识的掌握也更加牢固和持久。对于学有余力的同学，我们也准备了附加分(bonus credit)，供同学们施展才华。

为了帮助同学们适应学习方式的转变，除了理论课外，我们跟随理论课和作业的进程，设计了助教讨论课(tutorial)、开放办公室(office hours)等环节，为同学们答疑解惑。通过大量的课后指导和答疑，不仅能够及时解决在课上没有消化的难点知识，也可以将课程学习心得反馈给助教、老师，方便授课老师实时调整授课计划和内容。

从选题入手，经过策划、分工、实践、纠错，最后形成一份完整的课程项目，小组内的同学在不断应用课程知识的同时，也锻炼了分工协作的能力，收获颇丰。

物质学院的2021级本科生卓普说：“这学期的信导实验课让我对Arduino产生了浓厚的兴趣。在课上，我通过按钮控制LED灯和蜂鸣器，使用温感和光感传感器配合其它硬件实现了很多有趣的功能。在最终的课程项目中完成了温湿度检测的物联网功能。在实验的调试过程中，虽然老师给了我们部分代码，但实际操作中依旧会发生很多难以预料的问题。‘纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行’，我觉得这次的实验课让我对这句话有了更深刻的体验。”

生命学院的2021级本科生徐云飞、卢加立、谭英婕表示，“通过这次作业，我们了解到，图像处理在生物图像特征的提取和统计中的作用无疑是巨大的。由于一定的条件限制，我们得到的生物图像中存在图像不清晰、细胞边缘不清等各种情况。但在经过图像处理后，图像变得更加清晰，可以通过处理将细胞膜边缘以及大分子物质画出，同时还能得到细胞的面积以便于之后的操作等，受益匪浅。”

生命学院2021级本科生范忧乐说：“在新接触不久的领域‘摸着石头过河’完成项目实践是一场注定充满挫折与挑战的历练。再回首，小组三人从最初的懵懂无措到逐渐学会分工，发挥专长，在这三周的时间里我们不仅掌握了筛选抑制剂和分析互作模式的基本方法，更在这个过程中收获了宝贵的友谊！”

创艺学院的2021级本科生史文佳说，“这次python 项目实践不仅让我们学到了许多理论知识，包括如何搜集数据、处理数据、分析数据从而得到我们想要的结果，更让我们通过切身体会感受到了合理分工、积极合作的小组行动可以带来远超想象的成果。而我们相信这些收获，也将对我们未来的学习生涯乃至职业生涯有所帮助。”

创管学院的2021级本科生史睿天在完成项目后说：“通过一个月的课程学习，激发了我对树莓派的研究兴趣。首先，学习内容丰富有趣。老师的讲解由浅入深，在助教的帮助下学习到了扎实的基础知识。其次，课程设计充分考虑了本科生的知识储备，并且和未来的实际应用进行了结合，锻炼了我编程能力的同时也让我对数学有了新的认识。通过这门课程我慢慢了解到学习不单单是公式的推导和代码的复现，而是在实际场景中也有着非常广泛且至关重要的应用，让我受益匪浅。”

经过8年的打磨和完善，《信导课》已经成为历届毕业生屡屡提到的最难忘的课程之一。

《信导课》不仅教会了大家硬核的知识与技能，而且磨练了的意志，教会同学们不畏困难，勇敢向前。

“目标就在那里，用尽你们的浑身解数去到那里吧！教授们不断把我们赶出舒适圈。”信息学院2022届校友谢志强（将赴斯坦福大学攻读博士学位）曾在2019届毕业典礼上讲到信导课对自己的影响，他说，“虽然由此比别人经历了更多的手足无措，艰难困苦，但也因此被释放了更多潜能，学会了在举目茫然中无所畏惧、寻找前进的方向，学会了从团队合作中取长补短，领悟了在挑战中生存下来的诀窍。”

2018级生命学院的陈子苓也表示，“信导课在刚入学的时候让学生充分理解了自学成才的必要性，掌握了如何在高压下通过作业和考试，充分发掘了学生的抗压潜能。对程序性思维的形成有一定帮助。”

《信导课》传递了交叉学科的理念，鼓励非专业的学生去学习信息科技的基础技能，进一步扩展本专业的研究手段和研究思路。

生命学院2020届毕业生，现在约翰斯霍普金斯大学攻读博士学位的校友陈相凝回忆起曾经在本科期间赴哈佛大学参加“3+1”交流的经历时写道：“我在哈佛的工作重点是行为学实验和侧壁投影技术，因此在研究过程中，大量用到了编程和数学知识。不得不提，我非常庆幸上科大的信导课让我提前掌握了编程技能，虽然学习的时候非常艰难，几乎是零基础一夜入门，每天抱着电脑拖着老师请教，但是在关键时候真的可以派上用场，甚至成为我的优势。”

《信导课》为同学们打开了扇窗，让更多的非专业学子领域到了信息科学的独特魅力。

生命学院2018届校友陈益帆，目前在美国Oracle工作，他在回忆本科时的学习时表示，信导课对他的学习奠定了基础，也正是因为信导课上接触了python，才发现了自己对于信息科学的浓厚兴趣，进而在研究生阶段选择了计算机科学相关的课题研究。

2017级物质学院曲欣玥也表示，“现在回过头来看，信导课其实给了我一个接触计算机语言的窗口，带着我走了一遍从Python安装、VS Code配置，到写很简单但是能运行的小程序的过程。这使得我在之后的科研工作中也更愿意使用Matlab、LaTex等途径去辅助工作，知道需要实现一个功能应该去哪找教程和各种资源......当然除了Python，信导课也带我们接触了很多其他内容，比如传感、CV、芯片等等，提供了之后持续了解这方面前沿动向的知识基础。”

介绍到此，相信大家对这门课程已经有了一个初步的认识，期待各位同学未来能享受《信导课》的学习过程，学有所成，学以致用。