面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)案例設(shè)計與實施

席景科 王志曉 卞建玲 趙瑩 劉佰龍

[摘要]解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是我國工程教育專業(yè)面臨的核心任務(wù)之一，其不僅是工程專業(yè)認證的需要，更是提升畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量的要求。實踐教學(xué)案例作為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一種重要載體，存在缺乏工程背景支撐、設(shè)計任務(wù)簡單重復(fù)等問題。以通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，從工程背景支撐、技術(shù)方案設(shè)計、教師指導(dǎo)等幾個方面闡述了如何設(shè)計實踐教學(xué)案例培養(yǎng)學(xué)生解決計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)復(fù)雜工程問題能力的難題，具有較強的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]復(fù)雜工程問題;教學(xué)案例;能力培養(yǎng);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

[中圖分類號]G642.0

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0056-03

按照《華盛頓協(xié)議》的要求，通過工程教育認證的工程專業(yè)不僅要深入理解和把握復(fù)雜工程問題，更要按照國際實質(zhì)等效原則培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力。深刻理解和把握復(fù)雜工程問題并培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問題能力的畢業(yè)生，將是我國高等教育所有本科工程專業(yè)當前和今后必須重視和做好的工作。

計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是2006年我國首批開展工程教育專業(yè)認證的試點專業(yè)之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，工程專業(yè)認證中所倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)產(chǎn)出（即OBE）的教育理念，特別是以解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為核心的教育模式得到了越來越多高校的認可，達成的一個普遍共識是：以理論教學(xué)為核心的傳統(tǒng)教學(xué)模式不足以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)必須通過精心設(shè)計的、具有復(fù)雜工程問題特征的實踐教學(xué)案例來實現(xiàn)，而目前多數(shù)高校在這方面的工作還做得不夠深入和充分，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)案例缺乏工程背景支撐，且設(shè)計任務(wù)簡單重復(fù)，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。針對上述問題，本文在對復(fù)雜工程問題內(nèi)涵進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的畢業(yè)要求，設(shè)計了一套用于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)案例，對如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的實踐教學(xué)模式進行了探討。

一、復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵

《華盛頓協(xié)議》中界定的復(fù)雜工程問題必須具有特征WP1和特征WP2到WP7的一些或全部。與此類似，中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會界定的復(fù)雜工程問題也必須具備特征CP1.同時具備特征CP2到CP7的部分或全部。

從中外對復(fù)雜工程問題的表述中可以看出：1.中外機構(gòu)對復(fù)雜工程問題的理解基本是一致的;2.要求學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力，其實質(zhì)就是要求學(xué)生能夠在面對復(fù)雜性、全局性的問題時，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運用基礎(chǔ)知識和基本理論，并綜合考慮在多因素的場景下通過分析、研究、評估、設(shè)計、實施等活動帶領(lǐng)多學(xué)科背景團隊高效完成工程目標;3.中國工程教育認證通用標準中的工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案等8條畢業(yè)要求中也涉及了解決復(fù)雜工程問題的要求，可見培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的要求是工程教育專業(yè)認證的核心問題。

培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力不僅是高校工程教育專業(yè)認證工作的需要，更是提高畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量的有效抓手。這種能力的培養(yǎng)不是一朝一夕就能實現(xiàn)的，必須通過完整的課程教學(xué)體系實施，為了實現(xiàn)這樣的目標，工程認證專業(yè)畢業(yè)生至少要掌握兩方面的知識或技能。1.掌握解決復(fù)雜工程問題能力的基礎(chǔ)知識和基本理論。這種知識可以通過理論教學(xué)掌握，國內(nèi)多數(shù)高校在這方面擁有行之有效的工作方法和措施，本文不再展開論述。2.具有解決帶有工程背景的復(fù)雜工程問題的經(jīng)歷和能力。受限于現(xiàn)實條件，全日制在校大學(xué)生獲取這種工程實踐經(jīng)歷的渠道有限，多數(shù)在校大學(xué)生僅能通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)積累這方面的經(jīng)驗，因此實踐教學(xué)環(huán)節(jié)就顯得尤為重要。為達到上述目標，必須精心設(shè)計滿足工程認證要求且具有工程背景的實踐教學(xué)案例，設(shè)計內(nèi)容包括：實踐教學(xué)案例的工程背景描述;實踐教學(xué)案例的設(shè)計任務(wù)要求;實踐教學(xué)案例的教學(xué)組織與管理。

二、基于復(fù)雜工程問題的實踐教學(xué)案例設(shè)計與實施

（一）教學(xué)案例設(shè)計

1.工程背景

近年來煤炭企業(yè)為了減員增效，紛紛投入巨資建設(shè)了如提升機集控系統(tǒng)、皮帶機集控系統(tǒng)等信息化項目，這些項目的實施為企業(yè)發(fā)展注入了新的活力，但同時也帶來了一些問題。

（1）各個集控子系統(tǒng)的設(shè)計廠商、開發(fā)標準不盡相同，導(dǎo)致相互之間無法進行有效集成，形成多個“信息孤島”，處于只見樹木、不見森林的狀態(tài)，無法為管理人員提供全局的、有效的數(shù)據(jù)決策支持。

（2）單個集控子系統(tǒng)基本具有對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行Web發(fā)布的功能，但多個集控子系統(tǒng)間互不兼容，無法進行有效管理，導(dǎo)致管理人員只能逐個登錄子系統(tǒng)查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工作效率極其低下。

（3）集控子系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)不能通過智能終端進行訪問，無法做到隨時隨地掌握生產(chǎn)情況。

針對上述問題，擬設(shè)計開發(fā)一套數(shù)據(jù)集成與發(fā)布系統(tǒng)，解決以下問題。①設(shè)計開發(fā)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決多個集控子系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成問題。②設(shè)計開發(fā)Web應(yīng)用程序，解決生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、實時訪問問題。③設(shè)計開發(fā)智能終端APP程序，解決隨時隨地訪問生產(chǎn)數(shù)據(jù)的問題。

2.設(shè)計目標

通過分析討論，確定設(shè)計目標為開發(fā)一套通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)不同信息子系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成，同時開發(fā)Web應(yīng)用程序和智能終端APP程序?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、實時訪問，設(shè)計內(nèi)容包括：（1）設(shè)計開發(fā)通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)不同集控子系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集與集成;（2）設(shè)計開發(fā)Web應(yīng)用程序，實現(xiàn)基于Web的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時、統(tǒng)一訪問;（3）設(shè)計開發(fā)智能終端APP程序，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的隨時隨地訪問。

3.設(shè)計任務(wù)

根據(jù)設(shè)計目標的要求，確定設(shè)計任務(wù)如下。

（1）通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。使用Java、C#、Python或其他程序設(shè)計語言，采用OPC UA協(xié)議，訪問并讀取各個集控子系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進行集中存儲。

（2）Web應(yīng)用程序設(shè)計與開發(fā)。使用JSP、ASP.NET或其他技術(shù)，設(shè)計開發(fā)通用生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)基于Web的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)布與管理。

（3）智能終端APP程序設(shè)計與開發(fā)。設(shè)計開發(fā)基于Android智能終端的APP程序，實現(xiàn)隨時隨地訪問生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（二）教學(xué)案例的組織與實施

為確保教學(xué)案例達到設(shè)計目標，使學(xué)生充分得到解決復(fù)雜工程問題經(jīng)歷的鍛煉，必須制定嚴密的實施措施，這些措施要從組織實施方式和指導(dǎo)教師要求兩方面著手。

1.學(xué)生實施要求

（1）案例設(shè)計的功能較為復(fù)雜，采用項目小組的形式進行，每個小組3～4個成員，每個成員要有明確的分工，各司其職。

（2）案例設(shè)計不提供詳細設(shè)計說明書，每個項目小組獨立進行設(shè)計與開發(fā)。

（3）案例設(shè)計最終提交的資料包括供設(shè)計文檔和程序代碼。

2.教師指導(dǎo)要求

案例設(shè)計實施效果的好壞，很大程度上取決于指導(dǎo)教師的指導(dǎo)方法和策略。為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，指導(dǎo)教師不能進行面面俱到的保姆式指導(dǎo)，也不能采用放任自流的方式，任由學(xué)生自由發(fā)揮。指導(dǎo)教師應(yīng)采用靈活有效的方式，一方面，要充分激發(fā)學(xué)生自身的潛力，引導(dǎo)學(xué)生不斷地進行探索與嘗試，設(shè)計切實可行的技術(shù)方案;另一方面，也要結(jié)合自身的工程設(shè)計經(jīng)驗，對學(xué)生給出的技術(shù)方案進行指導(dǎo)，指出其存在的不足和欠缺，從而使學(xué)生通過切身的體會從工程項目的鍛煉中獲取寶貴的經(jīng)驗。

3.案例實施

下面以通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計方案為例說明實施過程。

首先，通過查閱設(shè)計資料，項目小組了解到軟件系統(tǒng)主要包括通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Web應(yīng)用程序、安卓APP程序三個部分。

然后，項目小組經(jīng)過討論與分析，給出的技術(shù)方案1，如圖1所示。

技術(shù)方案1中以數(shù)據(jù)庫為中心，通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)向數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)，Web應(yīng)用程序和安卓APP程序則從數(shù)據(jù)庫中讀取并把結(jié)果展示給用戶。設(shè)計看似合理，但實際上存在比較大的隱患。這是因為數(shù)據(jù)庫是三個子系統(tǒng)的中心，不僅負責(zé)實時存儲數(shù)據(jù)，還要負責(zé)響應(yīng)Web應(yīng)用程序和安卓APP程序的數(shù)據(jù)請求，這會對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)造成非常大的壓力，輕則致使數(shù)據(jù)存儲和響應(yīng)緩慢，重則導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因此技術(shù)方案1存在較大的局限性。

針對上述問題，具有工程實施經(jīng)驗的指導(dǎo)教師會根據(jù)自己的經(jīng)驗，指出技術(shù)方案1中存在的不足，學(xué)生在參考指導(dǎo)教師意見的基礎(chǔ)上，給出優(yōu)化后的技術(shù)方案2，如圖2所示。針對技術(shù)方案1中存在的不足，在技術(shù)方案2中，增加了消息隊列服務(wù)，把消息隊列服務(wù)作為數(shù)據(jù)存儲和讀取的緩沖池，通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不再直接讀寫數(shù)據(jù)庫，而是把采集到的數(shù)據(jù)寫入到消息隊列中;Web應(yīng)用程序和安卓APP程序也不再直接讀寫數(shù)據(jù)庫，而是從消息隊列中讀取數(shù)據(jù)，展示給用戶。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，技術(shù)方案2充分利用了消息隊列服務(wù)良好的消息持久化與容災(zāi)能力，很好地解決了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能瓶頸問題，使得技術(shù)方案2更具實施價值，這也鍛煉了學(xué)生解決具有工程背景的復(fù)雜工程問題的能力。

（三）教學(xué)案例的實施分析

1.通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布等，涉及的基礎(chǔ)知識包括計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫原理、Web技術(shù)等，需要深入理解并運用計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識才能完成，具備復(fù)雜工程問題特征WP1或CP1。

2.通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的速率與數(shù)據(jù)庫存儲的性能以及數(shù)據(jù)發(fā)布的時效性之間存在沖突，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作運行，需要兼顧不同的需求，達到系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性的平衡，具備復(fù)雜工程問題特征WP2或CP2。

3.通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部署在服務(wù)器上，要求7×24不間斷運行，不僅要求有較高的數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)布效率，還要具備很高的穩(wěn)定性。因此不能采用常規(guī)的技術(shù)方案，需要引進如消息隊列服務(wù)等新技術(shù)，保證系統(tǒng)設(shè)計目標的實現(xiàn)，具備復(fù)雜工程問題特征WP4或CP4。

通過上述分析可知，該案例具備復(fù)雜工程問題的核心特征及兩個選擇性特征，屬于典型的復(fù)雜工程問題，通過該案例的實施，不僅能使學(xué)生掌握使用軟件工程方法設(shè)計應(yīng)用軟件的基本方法，還能夠使學(xué)生得到寶貴的工程經(jīng)歷鍛煉，增加其解決復(fù)雜工程問題的能力。

三、結(jié)束語

解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是工程教育專業(yè)面臨的核心任務(wù)之一，其不僅是工程認證的需要，更是提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的要求。本文以通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，從工程背景支撐、技術(shù)方案設(shè)計、教師指導(dǎo)等幾個方面闡述了如何設(shè)計實踐教學(xué)案例培養(yǎng)學(xué)生解決計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)復(fù)雜工程問題能力的難題，具有較強的借鑒意義。

[責(zé)任編輯：陳明]