信息化技術(shù)在軟科學課程中的應用與實踐研究

王廣彥　胡起偉　李經(jīng)中

[摘 要]信息化技術(shù)在軟科學課程中教學內(nèi)容實證難度大、模型算法求解難度大、學習效果考核難度大?？梢圆捎煤谙浞绞酱_定教學重點，用人機結(jié)合方式理順教學流程，用知識模塊復用方式強化課程重心，用知識管理平臺組織管理模型算法四個角度，設計信息化技術(shù)在軟科學課程中的應用策略。針對“改進的損傷樹分析”教學內(nèi)容，開展信息化技術(shù)在軟科學課程中應用的實踐研究。

[關(guān)鍵詞]信息化；軟科學；黑箱；人機結(jié)合；知識模塊；知識管理

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）03-0046-03

軟科學是一門新的綜合性的科學，其目的是闡明現(xiàn)代社會各種復雜的問題，并實現(xiàn)決策的科學化，對包括人和社會現(xiàn)象在內(nèi)的廣泛范圍的對象進行跨學科的研究工作。[1]而以科學決策和科學管理為主要教學內(nèi)容的軟科學課程，也具有典型的跨學科性。相對于傳統(tǒng)的自然科學類別課程，其在教學工作開展過程中不可避免地存在教學內(nèi)容實證難度大、模型算法求解難度大、學習效果考核難度大等問題，而廣泛引入相關(guān)信息化技術(shù)是破解上述問題的有效途徑。

一、在軟科學課程中采用信息化技術(shù)的必要性分析

軟科學概念的產(chǎn)生，有著深刻的歷史背景。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，和平的國際環(huán)境為各國的發(fā)展提供了有利的機會和條件，各主要交戰(zhàn)國紛紛改革戰(zhàn)時體制，實現(xiàn)了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，推動了科技、經(jīng)濟和社會的發(fā)展。隨之，全世界進入了創(chuàng)造知識和應用知識的新時期。同時，國際市場日益激烈的競爭更促進了科學技術(shù)的發(fā)展，科學研究的問題層出不窮，涉及的因素急劇增多，研究對象日趨復雜化。對各種現(xiàn)實問題必須運用多種學科的知識進行綜合研究，這樣才有可能取得比較好的效果。尤其是那些涉及與決策科學化有關(guān)的政策問題更是如此。這類研究不僅涉及自然科學和社會科學本身的理論和方法，而且觸及他們的社會功能。因此，難于達到嚴格定量化的程度，多處于定性研究和半定量化研究的水平[2]，于是人們把這種科學稱為軟科學。

根據(jù)以上分析可以看出，軟科學課程主要以科學決策和科學管理作為教學內(nèi)容。相對于傳統(tǒng)的自然科學類課程，其本身不可避免地會存在教學內(nèi)容實證難度大、模型算法求解難度大、學習效果考核難度大等問題。而隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟及其在教學工作中的深入應用，上述問題將會迎刃而解。

1.信息化技術(shù)是解決軟科學課程教學內(nèi)容實證難度大問題的有效途徑。軟科學課程重點講授科學決策和科學管理的相關(guān)內(nèi)容，主要涉及分析流程、方案設計、模型算法等知識點，教學內(nèi)容的時間維度和空間維度跨度非常大，教學內(nèi)容難以實證，很多教學內(nèi)容難以在課堂上完整地展現(xiàn)。由于缺乏教學內(nèi)容實證化手段，學生對教學內(nèi)容的理解不深刻，這在一定程度上影響了教學目的的實現(xiàn)。而信息化技術(shù)能夠有效解決軟科學課程教學內(nèi)容實證難度大的問題。信息化技術(shù)主要體現(xiàn)在以計算機技術(shù)為核心的軟件系統(tǒng)應用方面，各種建模仿真軟件的出現(xiàn)為我們在計算機中搭建起了一個虛擬的數(shù)字化實驗室。在這個虛擬實驗室中，學生能夠建立起針對各種場景的仿真模型，并分析各決策變量對系統(tǒng)運行效果的影響途徑與程度。這解決了軟科學課程教學內(nèi)容實證難度大的問題，使學生能深度融入教學過程中，切實體會到復雜抽象事物的內(nèi)部工作機理，并進行一定程度的探索分析。

2.信息化技術(shù)是解決軟科學課程模型算法求解難度大問題的有效途徑。當前軟科學研究呈現(xiàn)出明顯的跨學科特性，為了提高決策和管理研究的精確化和定量化程度，人們開始有意識地采用多種模型算法對軟科學問題進行描述并求解。注重定量化手段的應用已成為當前軟科學研究的典型特征，各種模型算法也成為軟科學課程中的重要教學內(nèi)容。模型算法理論性強，學習難度大，是軟科學課程中的學習難點，但并不是學習重點。模型算法講授過多會沖淡核心教學內(nèi)容，講授不足又會影響學生對于模型算法的理解。因此，如何根據(jù)軟課程的核心教學需求，恰當?shù)刂v授并使用這些模型算法是當前軟科學課程教學過程中亟待解決的問題。信息化技術(shù)是解決上述問題的有效途徑。信息化技術(shù)將復雜的數(shù)據(jù)分析處理過程轉(zhuǎn)化為自動化的程序運行過程，學生只需掌握軟件系統(tǒng)的輸入條件和輸出參數(shù)即可，可無視其內(nèi)部工作機理的存在。這可以將學生從繁瑣的模型解算工作中解脫出來，使學生能將更多的精力集中在如何應用理論知識方面，有效解決了模型算法與軟科學教學內(nèi)容之間學習比重協(xié)調(diào)難度大的問題。

3.信息化技術(shù)是解決軟科學課程學習效果考核難度大問題的有效途徑。軟科學課程中的預測和決策理論學習難度大，不但要求學生能夠理解相關(guān)工作實施流程，還要求學生能夠針對具體問題構(gòu)建相應的分析模型，并進行求解。相對于傳統(tǒng)的自然科學課程，這種考核要求實現(xiàn)難度更大，只憑卷面考試無法深入考核學生對于教學內(nèi)容的掌握程度，而信息化技術(shù)能夠在一定程度上有效解決上述問題?？梢孕畔⒒夹g(shù)為依托，將教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為相應的程序模塊，通過程序運行的方式對學生學習效果進行考核。這就要求學生必須深入骨髓地掌握公式模型中的每個字符、每個序號，來不得半點含糊；同時要求學生采用數(shù)據(jù)的方式對相關(guān)問題做出解答，這避免了試題答案空洞無物、流于表面的現(xiàn)象?？梢?，這是一種更加徹底、更加全面的考核方式。

二、信息化技術(shù)在軟科學課程中的應用策略設計

采用信息化技術(shù)實施教學活動，應立足于原有教學體系，深入分析信息化技術(shù)特點，合理設計信息化技術(shù)應用策略，對傳統(tǒng)教學體系進行改造。

1.采用“黑箱”方式確定教學重點，突出應用型人才培養(yǎng)導向。學生在課程學習階段，會接觸到各種理論、方法與技術(shù)，要想把每一項內(nèi)容都學精、學透是不現(xiàn)實的，在這種情況下，可采用“黑箱”教學應用策略。對于理論難度大、短期內(nèi)難以深入掌握的教學內(nèi)容，可將其封裝為黑箱，學生只需要深入了解教學內(nèi)容的輸入條件與輸出參數(shù)即可，而對于黑箱內(nèi)部復雜的數(shù)據(jù)處理過程可“點到為止”。這樣學生能夠快速掌握相關(guān)技術(shù)的應用流程。而采用信息化技術(shù)是支持黑箱教學應用策略的最佳途徑?？筛鶕?jù)教學需求將相關(guān)信息化技術(shù)引入教學工作，利用其自動解算功能將模型求解方法封裝為黑箱。這樣在信息化技術(shù)的支持下，學生在學習過程中可“觀其大略”，只需深入掌握其輸入條件和輸出參數(shù)即可，復雜的解算過程交由計算機自動完成，并且在信息化技術(shù)支持下，學生能夠采用工程化的信息化技術(shù)自行解決相關(guān)問題，這更加突出了應用型人才培養(yǎng)的導向。[3]

2.采用人機結(jié)合的方式理順教學流程，降低復雜理論知識的學習門檻。采用信息化技術(shù)并不意味著降低理論知識學習的要求，相反，為了提高信息化技術(shù)的運用水平，學生也需要對相關(guān)理論知識有深入地了解。[4]為提高學生的學習效率，本文設計了人機結(jié)合的教學應用策略以理順教學流程，降低復雜理論知識的學習難度。“人”指的是采用手工方式解算相關(guān)問題；“機”指的是采用信息化工具解算相關(guān)問題。這兩種方式相互印證，既降低了復雜理論知識的學習難度，又提高了學生使用信息化工具的水平。人機結(jié)合的教學方式提高了相關(guān)理論知識學習的系統(tǒng)性，使學生在使用信息化工具時不但知其然，還知其所以然，使信息化工具真正轉(zhuǎn)化為學生知識體系結(jié)構(gòu)中的有機組成部分。

3.采用知識模塊復用方式強化課程重心，突出核心知識對課程整體的支持作用。任何一門課程，都有一定的核心方法和技術(shù)，這些核心方法和技術(shù)穿插在整個課程體系之中，起著基礎支撐的作用。在信息化技術(shù)深入發(fā)展的今天，相關(guān)信息化工具已成為支撐軟科學課程教學工作開展的重要基礎，掌握這些信息化工具的使用方法已成為課程學習的基本要求。在這種背景下，可將相關(guān)信息化教學內(nèi)容提煉成為相應的知識模塊，并將使用頻度較高的模塊確定為教學重點，然后根據(jù)教學需求，創(chuàng)造教學場景，多次引用這些教學模塊，突出學生核心技能的培養(yǎng)。

4.采用知識管理平臺組織管理模型算法，固化并活化教學試驗成果。軟科學課程重點講授相關(guān)學科領(lǐng)域的預測與決策問題，具有典型的軟科學特征，教學試驗成果主要體現(xiàn)為信息化的模型與算法。為了提高教學試驗成果的管理水平，突破傳統(tǒng)的紙質(zhì)試驗報告管理模式，本文設計開發(fā)了通用知識管理平臺，用于固化和活化教學試驗成果。所謂固化，是指學生根據(jù)教學要求，將相關(guān)試驗成果轉(zhuǎn)化為接口形式規(guī)范的程序模塊，并導入到該平臺中，以程序模塊形式固定試驗成果；所謂活化，是指入庫的程序模塊具有靈活的可用性，其既可以獨立運行，又可以與其他程序模塊進行組合，實現(xiàn)更為復雜的數(shù)據(jù)分析功能，使靜態(tài)的紙質(zhì)報告轉(zhuǎn)化為動態(tài)的“活”的可用程序。利用該平臺不但提升了以模型算法為核心的教學試驗科目管理水平，還有利于學生試驗成果的積累與使用。相對于傳統(tǒng)的紙質(zhì)試驗報告管理方式，這是一種創(chuàng)新。目前，該平臺開發(fā)了模型管理、算法建模、協(xié)同分析、響應分析、模型成熟度分析等功能。

三、信息化技術(shù)在軟科學課程中應用的實踐研究

本文針對裝備戰(zhàn)場搶修理論與技術(shù)課程中的“改進的損傷樹分析”教學內(nèi)容，采用信息化技術(shù)開展了教學工作，從實踐層面驗證了信息化技術(shù)對于改進軟科學課程教學效果的重要價值。該實踐研究立足于課程原有教學需求，合理設置信息化技術(shù)切入時機，以便實現(xiàn)良好的教學效果。

（一）課程教學分析

本講教學內(nèi)容來自于48學時研究生學位課程裝備戰(zhàn)場搶修理論與技術(shù)。本課程是學習裝備戰(zhàn)場搶修基本理論、方法和技術(shù)的一門課程，圍繞裝備戰(zhàn)場搶修預測和決策問題，講授戰(zhàn)時裝備維修保障的基礎理論知識，具有典型的軟科學特征。

學生在前面的課程中已經(jīng)學習了傳統(tǒng)的損傷樹分析方法，但隨著研究生培養(yǎng)需求的不斷調(diào)整，以及裝備戰(zhàn)場損傷分析技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的損傷樹分析教學內(nèi)容面臨著擴充與改進的挑戰(zhàn)。首先，從研究生培養(yǎng)需求角度來看，我們更需要向?qū)W生講授面向裝備使用階段的教學內(nèi)容，以便滿足學生將來的部隊任職需求。但傳統(tǒng)的損傷樹分析方法側(cè)重于裝備研制設計階段，主要用于分析和評估裝備的可靠性與安全性水平，而對裝備使用階段的維修保障工作只有少量支持作用。為滿足研究生將來部隊的任職需求，迫切需要改進損傷樹分析教學內(nèi)容。其次，從裝備戰(zhàn)場損傷分析技術(shù)發(fā)展角度來看，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為改進損傷樹分析教學內(nèi)容提供了豐富的素材。結(jié)合本講教學需求，我們將貝葉斯網(wǎng)絡技術(shù)引入到損傷樹分析中，并將信息化工具Hugin（貝葉斯網(wǎng)絡建模軟件）引入到教學環(huán)節(jié)，這有效擴充了損傷樹分析的教學內(nèi)容。采用貝葉斯網(wǎng)絡技術(shù)，可定量衡量各部件的損傷概率，有助于提高損傷定位分析活動的精度和自動化程度。該教學內(nèi)容面向裝備使用階段，符合研究生的部隊任職培訓需求。

（二）教學基本過程

根據(jù)本文第2節(jié)提出的信息化技術(shù)應用策略，本次課設計了由問題剖析、技術(shù)破解、目標達成三個環(huán)節(jié)構(gòu)成的教學過程。

首先進行問題剖析。在上次課損傷樹學習的基礎上，分析其主要功能，包括全面分析導致系統(tǒng)損傷的各種原因、全面描述元部件損傷與系統(tǒng)損傷之間的邏輯關(guān)系、定量計算復雜系統(tǒng)的損傷概率，同時點出損傷定位分析也是損傷樹的功能之一，但不是關(guān)鍵功能。然后點出損傷樹存在的“教學危機”，即側(cè)重于裝備研制設計階段，對學生將來的部隊任職支持作用有限，從而進一步點明本次課的重點“改進的損傷樹分析”，從損傷定位分析角度入手，對傳統(tǒng)的損傷樹分析方法進行改進。這種改進是一種創(chuàng)新，而研究生將來的學位論文撰寫工作也強調(diào)創(chuàng)新。借此教學契機，可以向?qū)W員提示研究工作創(chuàng)新的兩條主要途徑，即需求推動（研究生培養(yǎng)需求調(diào)整）和技術(shù)拉動（戰(zhàn)場損傷技術(shù)發(fā)展），為研究生的學位論文撰寫工作提供指導。

然后進行技術(shù)破解，向?qū)W生講授支持損傷定位分析活動開展的貝葉斯網(wǎng)絡技術(shù)。這是本次課的難點，但不是重點。因此，如何向?qū)W生深入淺出地講明貝葉斯網(wǎng)絡技術(shù)要點，是確保授課任務完成的關(guān)鍵。首先，可以引入一個有趣的問題。有3個門，主持人將獎金藏在其中某1個門的后面，然后讓觀眾隨意選擇1扇門，若選中，獎金歸觀眾所有。假設觀眾選擇了1號門，然后主持人打開另外2扇門中沒有獎金的那扇門，假設打開2號門，問此時觀眾是否有必要改變選擇。學生通常會認為沒有必要，因為獎金藏在1號門和3號門后面，概率各為1/2。實際上，考慮到主持人因素后，改變選擇的獲獎概率將為上升為2/3，應當改變選擇。而后通過Hugin軟件分析這一問題，證實獲獎概率的確為2/3。通過這種直覺推測和理論分析的差異激起學生學習貝葉斯網(wǎng)絡的熱情，在此基礎上趁熱打鐵，向?qū)W生講授貝葉斯網(wǎng)絡的基礎知識。貝葉斯網(wǎng)絡理論體系龐大，在講授中不可能面面俱到，這里只講授最為關(guān)鍵的鏈路定理。盡管講授內(nèi)容不多，但能確保教學內(nèi)容的封閉性，即根據(jù)這些教學內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡建模、網(wǎng)絡解算、網(wǎng)絡應用一個較為完整的貝葉斯網(wǎng)絡使用流程，麻雀雖小，五臟俱全。而Hugin軟件正是構(gòu)建這一麻雀的關(guān)鍵，因為它有效降低了網(wǎng)絡解算難度。當然只依靠Hugin軟件進行計算，學生還會產(chǎn)生“霧里看花，水中望月”的模糊感覺，依然不解渴，此時趁勢而上向?qū)W生講授兩種解算方法，分別是理論分析和數(shù)值計算，以增強學生的學習滿足感。

通過技術(shù)破解環(huán)節(jié)，以Hugin軟件為支撐，學生初步掌握了貝葉斯網(wǎng)絡應用的基本流程，最后進入目標達成階段，即利用貝葉斯網(wǎng)絡如何進行損傷定位分析。首先對損傷樹與貝葉斯網(wǎng)絡從結(jié)構(gòu)上進行對比，說明二者都是知識的圖形方式描述方式。然后從二者的相同和不同角度入手展開教學工作。先分析相同點，這是本次課的重點內(nèi)容。損傷樹中的事件對應于貝葉斯網(wǎng)絡中的結(jié)點，損傷樹中的邏輯門對應于貝葉斯網(wǎng)絡中的聯(lián)接強度，并向?qū)W生講授二者之間的轉(zhuǎn)換方法。利用這些知識，學生能夠?qū)p傷樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡，并開展損傷定位分析，從而實現(xiàn)本次課的主要教學目的。接下來分析不同點。損傷樹中的事件只能描述二態(tài)性：要么正常，要么損傷，而貝葉斯網(wǎng)絡的結(jié)點可描述多態(tài)性：正常、輕損、重損等。損傷樹中的邏輯門只能描述確定性，肯定損傷或者肯定正常，而貝葉斯網(wǎng)絡的聯(lián)接強度能夠描述模糊性，即可能損傷、可能正常，從而證明損傷樹是貝葉斯網(wǎng)絡的一種特例。通過差異性對比進一步加深學生對于貝葉斯網(wǎng)絡特點的理解。

四、結(jié)束語

信息化技術(shù)已廣泛應用于軟科學研究領(lǐng)域，如何將信息化技術(shù)有效移植于軟科學課程教學工作，是每一名教師應當深入思考的問題。采用信息化技術(shù)開展教學工作，并不會從根本上改變原有教學目的。因此，應當合理設計教學應用策略，使信息化要素合理融入整個教學體系之中，避免“有了信息化技術(shù)就可以拋棄傳統(tǒng)教學模式”的錯誤認識，正確認識信息化技術(shù)在課程教學中的地位和作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王建國，李海波，丁其濤，等.中國軟科學研究機構(gòu)評估指標體系構(gòu)建探討[J].科技管理研究，2013（9）：71-75.

[2] 楊愛華.軟科學研究方法存在的問題與創(chuàng)新路徑[J].科技管理研究，2013（7）：243-246.

[3] 俞君寶，呼夢潔.高職院校信息化教學研究[J].職業(yè)教育，2015（12）：84-85.

[4] 許志勇.信息化教學對提高教學有效性的分析與思考[J].2015（18）：27-28.

[責任編輯：陳 明]