面向復雜工程問題的系統設計類課程體系

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，設計實現一個系統。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、復雜系統分析與設計能力提升為教學的主要目標。根據已定教學計劃要求，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設計訓練。

各系系統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，負責開設數據庫系統設計、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設計、物聯網系統設計、CPU設計3門課程；⑤信息工程系，負責開設三維渲染系統的設計與開發(fā)課程；⑥網絡空間安全系，負責開設安全網絡協議棧的設計、涉密信息系統設計兩門課程。

3 數據庫系統設計夏季學期課程體系

數據庫系統設計課程的核心內容為如何分析、設計、存儲、使用和管理數據，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，使學生在掌握數據模型、數據庫管理系統、數據庫語言及數據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據庫的設計、開發(fā)和維護管理等工作。數據庫系統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)基礎課和數據庫系統課程的基礎上，要設計一個具有基本功能的數據庫原型系統，其目標旨在加深對計算機硬件結構和系統軟件的認識，初步掌握數據庫管理系統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。數據庫系統設計的原型系統HnuSQL主要的設計目標和任務包括：①支持數據庫的基本功能，包括表管理操作，數據的存儲、更新和刪除操作，基于索引的查詢，批處理及對表結構更改等操作；②支持可擴展性。

3.1 擬設計的原型系統

擬設計的數據庫管理原型系統HnuSQL（Hunan University SQL）采用客戶機/服務器體系結構，系統的體系結構見圖3。

系統由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 擬實現系統的主要功能

設計與實現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，選定一個項目經理，項目經理確定該組的數據庫設計工具、編程語言和開發(fā)工具，組內各成員不可以選擇其他的設計與實現環(huán)境。HnuSQL由以下八大模塊（子系統）組成：

（1）HnuSQL存儲引擎，存儲引擎提供了數據庫訪問接口的具體實現方法。

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

（3）數據庫備份子系統，設計與實現HnuSQLdump數據庫備份工具，實現全備份與增量備份功能。

圖3 HnuSQL體系結構

（4）HnuSQL日志子系統，日志文件幫助查找服務器內部發(fā)生的事務。日志文件包含Error日志與查詢日志等。

（5）HnuSQL網絡連接和網絡通信協議子系統，HnuSQL的協議建立在TCP/IP協議棧之上。該子系統為上層其他子系統提供數據包的讀、寫、解析和發(fā)送。

（6）線程和內存分配子系統，HnuSQL服務器啟動過程中，需要經歷一個自啟動準備過程，服務器正常啟動后，線程子系統跟蹤各類線程，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。

（8）HnuSQL安全管理子系統，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理、小組長、助教、程序員、測試員，項目經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織結構見圖4。

圖4 項目組織結構

各角色的職責和分工如下：

（1）項目經理(PM)：由學生推薦產生，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，組織協調本小組模塊的開發(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，積極協助本組成員開展代碼評審，共同協作開發(fā)高質量的軟件。

（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，協助開發(fā)人員充分測試及管理軟件Bug，以實現高質量軟件的開發(fā)。

3.4 課程提交的技術文檔

數據庫系統設計課程需要填寫、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、系統設計報告、設計總結報告等過程文檔。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，根據學生任務完成的情況，設計報告的質量，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，與數據庫系統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、組件或軟件；④GA4研究，設計并進行實驗、分析與解釋數據的能力；⑤GA5使用現代工具，運用專業(yè)技能和現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據結構設計是否合理、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，系統運行效果見圖5。完成的HnuSQL具備數據庫管理系統的基本功能。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 語

數據庫系統設計課程在借鑒開源數據庫管理系統軟件的基本功能，剖析DBMS內部主要構件的基礎上，以小組和團隊協作的方式，分析、設計與實現一個原型DBMS系統類軟件，培養(yǎng)了學生認真負責、積極協作的精神，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。