面向復雜工程問題的系統(tǒng)設計類課程體系

戴牡紅

（湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

十幾年前，中國開始工程教育的專業(yè)認證工作，在工程教育領域與國際標準接軌，對教育理念的更新和教育質(zhì)量標準的建立起到了很大的推動作用[1]。工程教育認證強調(diào)要培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，工程認證標準中有多條提到“復雜工程問題”?！皬碗s工程問題”必須通過運用深入的工程原理才能得到解決，一般而言，沒有固定、簡單的方法[2]。培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力應貫穿于四年本科教育中，基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課均應對解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)承擔責任。工科類本科教學中，復雜工程問題在各個教學環(huán)節(jié)中都存在。在課程設計、課程作業(yè)、綜合練習、綜合實驗、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)中，應主動將工程問題的復雜性融入教學內(nèi)容，對解決復雜工程問題進行教學設計、組織實施和能力達成評價[3]。

1 系統(tǒng)設計類課程能力培養(yǎng)

學生解決復雜工程問題的能力可以從課程層面、設計層面和畢業(yè)設計（論文）3個層面培養(yǎng)：①課程層面，每門核心課程須有“課程實驗”，必有“綜合設計”；②設計層面，在第3個夏季學期設4個學分的系統(tǒng)設計課程，類似國際上的Capstone課程，重在“綜合、設計”；③畢業(yè)設計（論文）層面，在第八學期進行畢業(yè)設計（論文），整合專業(yè)課程學習，通過項目（具備復雜工程特征）實作（研究），培養(yǎng)創(chuàng)新與研究能力，重在創(chuàng)新、研究[4]。系統(tǒng)設計類課程培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力[5]。工程設計的基本流程見圖1。

圖1 工程設計的基本流程

系統(tǒng)設計類課程整合畢業(yè)要求，從專業(yè)性方面，解決復雜工程問題，設計實現(xiàn)一個系統(tǒng)。從通用性方面，培養(yǎng)學生團隊合作、領域整合、有效溝通、項目管理、主動學習和終身學習的能力。系統(tǒng)設計課程要培養(yǎng)學生具備通用性能力，見圖2。

圖2 通用性能力培養(yǎng)

2 設計類課程的管理方法

夏季學期共4周，是正常教學時間，不是暑假實習。按照培養(yǎng)計劃規(guī)定，學生需要取得4個必修學分。依據(jù)國際工程教育專業(yè)認證標準，夏季學期課程教學的核心目標是復雜系統(tǒng)分析與設計訓練。夏季學期是教學的重要組成部分，以基本能力訓練和養(yǎng)成、復雜系統(tǒng)分析與設計能力提升為教學的主要目標。根據(jù)已定教學計劃要求，應切實加強夏季學期教學，取得真正實效，達到教學計劃目標，這是每位夏季課程設計類教師的本職工作，也是每位學生應完成的必修學分。三年級學生夏季學期教學項目基本目標是復雜系統(tǒng)設計訓練。

各系系統(tǒng)設計類課程的開設情況如下：①計算機科學系，負責開設編譯器設計、操作系統(tǒng)設計兩門課程；②通信工程系，負責開設交換機與路由器設計課程；③軟件工程系，負責開設數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計、軟件測試工具設計兩門課程；④計算機工程系，負責開設智能機器人系統(tǒng)設計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計、CPU設計3門課程；⑤信息工程系，負責開設三維渲染系統(tǒng)的設計與開發(fā)課程；⑥網(wǎng)絡空間安全系，負責開設安全網(wǎng)絡協(xié)議棧的設計、涉密信息系統(tǒng)設計兩門課程。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計夏季學期課程體系

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計課程的核心內(nèi)容為如何分析、設計、存儲、使用和管理數(shù)據(jù)，這門課程的特點是理論性和實踐性都很強。本課程的任務是通過各個教學環(huán)節(jié)，運用各種教學手段和方法，使學生在掌握數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫語言及數(shù)據(jù)庫設計等基本理論知識的基礎上，熟練地掌握使用各種工具進行數(shù)據(jù)庫的設計、開發(fā)和維護管理等工作。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計夏季學期課程主要是實踐性教學環(huán)節(jié)。在進行專業(yè)基礎課和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程的基礎上，要設計一個具有基本功能的數(shù)據(jù)庫原型系統(tǒng)，其目標旨在加深對計算機硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的認識，初步掌握數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS組成模塊和應用接口的編程與使用方法，提高學生解決復雜工程問題的工程設計和系統(tǒng)軟件的分析與設計能力，培養(yǎng)學生組織管理能力、較強的語言文字表達能力和人際交往能力以及良好的團隊合作精神，培養(yǎng)學生技術文檔的寫作能力，培養(yǎng)學生的自主學習和終身學習意識，有不斷學習和適應發(fā)展的能力，為畢業(yè)設計和以后的工程實踐打下良好基礎。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計的原型系統(tǒng)HnuSQL主要的設計目標和任務包括：①支持數(shù)據(jù)庫的基本功能，包括表管理操作，數(shù)據(jù)的存儲、更新和刪除操作，基于索引的查詢，批處理及對表結(jié)構(gòu)更改等操作；②支持可擴展性。

3.1 擬設計的原型系統(tǒng)

擬設計的數(shù)據(jù)庫管理原型系統(tǒng)HnuSQL（Hunan University SQL）采用客戶機/服務器體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)見圖3。

系統(tǒng)由SQL接口、解析器、優(yōu)化器、緩存和存儲引擎等核心模塊組成。

3.2 擬實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能

設計與實現(xiàn)任務以項目組的形式完成，一個大項目組由16～20個學生組成，選定一個項目經(jīng)理，項目經(jīng)理確定該組的數(shù)據(jù)庫設計工具、編程語言和開發(fā)工具，組內(nèi)各成員不可以選擇其他的設計與實現(xiàn)環(huán)境。HnuSQL由以下八大模塊（子系統(tǒng)）組成：

（1）HnuSQL存儲引擎，存儲引擎提供了數(shù)據(jù)庫訪問接口的具體實現(xiàn)方法。

（2）HnuSQL數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，提供創(chuàng)建一個新數(shù)據(jù)庫、刪除一個數(shù)據(jù)庫及其所有表、給出服務器的一個擴展狀態(tài)消息。

（3）數(shù)據(jù)庫備份子系統(tǒng)，設計與實現(xiàn)HnuSQLdump數(shù)據(jù)庫備份工具，實現(xiàn)全備份與增量備份功能。

圖3 HnuSQL體系結(jié)構(gòu)

（4）HnuSQL日志子系統(tǒng)，日志文件幫助查找服務器內(nèi)部發(fā)生的事務。日志文件包含Error日志與查詢?nèi)罩镜取?/p>

（5）HnuSQL網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡通信協(xié)議子系統(tǒng)，HnuSQL的協(xié)議建立在TCP/IP協(xié)議棧之上。該子系統(tǒng)為上層其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)包的讀、寫、解析和發(fā)送。

（6）線程和內(nèi)存分配子系統(tǒng)，HnuSQL服務器啟動過程中，需要經(jīng)歷一個自啟動準備過程，服務器正常啟動后，線程子系統(tǒng)跟蹤各類線程，保證當客戶端發(fā)送請求時服務器擁有線程處理該請求。

（7）HnuSQL查詢解析與查詢優(yōu)化子系統(tǒng)。

（8）HnuSQL安全管理子系統(tǒng)，HnuSQL主要依賴用戶驗證和訪問控制等手段保護服務器，訪問控制確認用戶是否有足夠的權限訪問相關的庫、表。

3.3 課程過程組織與控制

教師、助教和學生按角色的不同分為項目經(jīng)理、小組長、助教、程序員、測試員，項目經(jīng)理對整個項目的開發(fā)負責，小組長負責具體模塊的開發(fā)，小組由程序員和測試員組成?；镜慕M織結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 項目組織結(jié)構(gòu)

各角色的職責和分工如下：

（1）項目經(jīng)理(PM)：由學生推薦產(chǎn)生，負責指導項目小組完成人員管理、任務分配等工作，承擔項目技術指導和答疑工作，對項目完成情況負責并給小組長評分，負責整體項目各模塊的集成測試和最后項目文檔的歸檔工作。

（2）助教(TA)：由研究生承擔，負責協(xié)助教師管理項目團隊，對項目開發(fā)提供技術支持，監(jiān)督學生的日常開發(fā)工作，負責組織學生討論并記錄。

（3）小組長(Team)：為具體模塊的負責人，制訂本小組的開發(fā)計劃，負責功能模塊的劃分，組織討論詳細設計，組織協(xié)調(diào)本小組模塊的開發(fā)工作，確保及時完成各個里程碑的任務并上交相關文檔。同時作為程序員參與開發(fā)，負責組織代碼評審，為項目經(jīng)理的工作提供輔助，負責模塊文檔管理和配置管理。

（4）程序員(DEV)：按時完成所分配的模塊開發(fā)任務，包括編寫詳細設計文檔、程序編碼、單元測試、Bug修復，積極協(xié)助本組成員開展代碼評審，共同協(xié)作開發(fā)高質(zhì)量的軟件。

（5）測試員(Tester)：按照測試計劃安排進行各項測試，提交測試用例和測試報告，協(xié)助開發(fā)人員充分測試及管理軟件Bug，以實現(xiàn)高質(zhì)量軟件的開發(fā)。

3.4 課程提交的技術文檔

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計課程需要填寫、檢查、整理和修改周計劃、周進度報告、周檢查與考核、需求分析報告、系統(tǒng)設計報告、設計總結(jié)報告等過程文檔。準確評定課程的成績也是該課程的重點。教師通過進度檢查、設計答辯和報告評審的形式了解學生的設計水平，根據(jù)學生任務完成的情況，設計報告的質(zhì)量，答辯水平及平時的學習態(tài)度、工作作風等全面評定成績。每個學生都要寫項目總結(jié)報告。

4 工程設計的能力達成評價

軟件工程專業(yè)畢業(yè)要求中，與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計課程相關的要求包括如下幾個方面：①GA1工程知識，應用數(shù)學、科學、工程和專業(yè)知識的能力；②GA2問題分析，分析、識別、表達和解決復雜工程問題的能力；③GA3設計/開發(fā)解決方案，能夠設計系統(tǒng)、組件或軟件；④GA4研究，設計并進行實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)的能力；⑤GA5使用現(xiàn)代工具，運用專業(yè)技能和現(xiàn)代工程工具解決復雜工程問題的能力；⑥GA9個人和團隊，能夠在團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色；⑦GA10溝通，能夠就復雜工程問題與同行進行有效交流和溝通，包括撰寫報告和設計文檔、陳述發(fā)言、清晰表達的能力；⑧GA12終身學習，具有終身學習和自主學習、適應發(fā)展的能力。

課程總評成績由4周的每周評分加權平均得出。每周評分由考勤 、過程檢查（分工情況、任務完成情況、問題解決情況）和每周匯報組成，各占15%、60%和25%，檢查和匯報檢查主要考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計是否合理、功能是否合理、程序界面是否美觀以及工作態(tài)度。

課程采用程序檢查、文檔審查、每周匯報等方式進行能力達成評價，評價方法為每周先自評、然后助教評價、最后教師評價等方式評定能力的達成情況，最后的評定以4周評分的加權平均得出。90分以上為達成度優(yōu)，80～89分為達成度良好，70～79分為達成度中等，60～69分為基本達成，60分以下為未達成。

歷經(jīng)4周、160個小時集中設計開發(fā)的HnuSQL達到了預期效果，各個模塊完成了集成測試，系統(tǒng)運行效果見圖5。完成的HnuSQL具備數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本功能。學生積極查閱相關資料，努力尋找問題的解決方法，很多問題都是學生獨立自主完成的，充分反映出學生發(fā)現(xiàn)問題與處理問題的能力得到了極大提高。

圖5 HnuSQL運行效果

5 結(jié) 語

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計課程在借鑒開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件的基本功能，剖析DBMS內(nèi)部主要構(gòu)件的基礎上，以小組和團隊協(xié)作的方式，分析、設計與實現(xiàn)一個原型DBMS系統(tǒng)類軟件，培養(yǎng)了學生認真負責、積極協(xié)作的精神，提高了學生對軟件開發(fā)平臺技術的掌握，增強了軟件分析、開發(fā)和測試方面的技能，強化了自主學生的能力，實實在在培養(yǎng)了學生解決復雜工程問題的能力，達到了預期的效果。