培養(yǎng)復(fù)雜工程能力的綜合課程教學(xué)模式設(shè)計(jì)

姜瑛 丁家滿 賈連印 江虹滿 賈連印 江虹

摘 要：工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對“復(fù)雜工程問題解決能力”提出了明確要求。以培養(yǎng)復(fù)雜工程問題解決能力為目的，分析了昆明理工大學(xué)計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。依據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，開展計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式與考核評價(jià)工作。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性有所提高，動手和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)，解決復(fù)雜工程問題的能力得到提升。分析了存在的問題，提出了相關(guān)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)類專業(yè);綜合課程設(shè)計(jì);復(fù)雜工程能力;教學(xué)模式;工程教育

DOI：10. 11907/rjdk. 191980 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0244-05

英標(biāo)：Teaching Mode Research of Comprehensive Course Design Oriented to the Ability Training to Solve Complex Engineering Problems

英作：JIANG Ying， DING Jia-man， JIA Lian-yin， JIANG Hong

英單：（Faculty of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： In the standard of engineering education certification， the requirements are proposed for the ability to solve complex engineering problems. Aiming at training the ability to solve complex engineering problems， this paper analyses the challenges faced by the comprehensive course design of computer specialties in Kunming University of Science and Technology. Based on the standard of engineering education certification， the teaching mode and assessment of the comprehensive course design for computer specialties are discussed. The teaching practice shows that students learning initiative and enthusiasm have been improved， their practical skills have been honed， and their ability to solve complex engineering problems has also been improved. Finally， the existing problems are analyzed and the relevant improvements are presented.

Key Words： computer specialties; comprehensive course design; complex engineering ability; teaching mode; engineering education

0 引言

工程教育認(rèn)證的實(shí)施，極大推動了本科生教育質(zhì)量的提高。工程教育認(rèn)證是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋內(nèi)容非常廣，核心是提高學(xué)生“復(fù)雜工程問題解決能力”。學(xué)生要能夠靈活、綜合、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力 [1]。

針對復(fù)雜工程能力培養(yǎng)問題，學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)方法研究：文獻(xiàn)[2]提出在復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)課程目標(biāo)基礎(chǔ)上，采用半開放式項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)方法設(shè)計(jì)軟件與編程實(shí)踐課程，重點(diǎn)解決復(fù)雜問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)方案評價(jià)、現(xiàn)代工具使用、工程與社會、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、溝通與表達(dá)、創(chuàng)新意識和能力欠缺等問題;文獻(xiàn)[3]面向復(fù)雜工程和系統(tǒng)編譯原理課程改革，探討教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、考核模式等的適用條件和有效性，提出提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的思路和建議，對具體實(shí)施情況和效果進(jìn)行了討論和分析;文獻(xiàn)[4]從系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程層面培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，并在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，在借鑒開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件功能基礎(chǔ)上，以小組和團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式，分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)原型軟件;文獻(xiàn)[5]將工程教育專業(yè)認(rèn)證中的畢業(yè)要求、關(guān)注點(diǎn)與“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”課程的基礎(chǔ)概念和案例綁定在一起，從控制復(fù)雜問題的角度探討學(xué)生應(yīng)掌握的課程內(nèi)容，針對不同計(jì)算思維能力采用“低地板，高天花板”原則進(jìn)行教學(xué);文獻(xiàn)[6]針對當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室普遍存在的資源共享和開放性不足問題，提出通過“云+端”方式及多層遞進(jìn)思想構(gòu)建計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺，提供開放式實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，更好地培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才。

為滿足“解決復(fù)雜工程問題的能力”要求，應(yīng)該以工程技術(shù)為主線，持續(xù)提高學(xué)生的實(shí)踐能力，要求學(xué)生從學(xué)習(xí)書本知識轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q實(shí)際問題[7]。作為計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，綜合課程設(shè)計(jì)是提升本科生綜合能力的重要環(huán)節(jié)。因此，提高綜合課程設(shè)計(jì)質(zhì)量，將綜合課程設(shè)計(jì)題目瞄準(zhǔn)復(fù)雜工程問題，實(shí)施全過程監(jiān)控，能在一定程度上提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。本文基于現(xiàn)有研究，針對昆明理工大學(xué)計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，依據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，重新修訂了綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱，建立了明確系統(tǒng)目標(biāo)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案、論證及優(yōu)化系統(tǒng)方案、選用工具及搭建環(huán)境、依據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析、系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)在內(nèi)的完整實(shí)踐環(huán)節(jié)，并在過程管理基礎(chǔ)上構(gòu)建多維度的考核評價(jià)。

1 綜合課程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)要求

昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院計(jì)算機(jī)系自1985年開始招收四年制本科生，有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、軟件工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等計(jì)算機(jī)類專業(yè)。計(jì)算機(jī)類專業(yè)均有綜合課程設(shè)計(jì)，共60學(xué)時(shí)，屬于應(yīng)用實(shí)踐訓(xùn)練課程，是對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和技能進(jìn)行培養(yǎng)與訓(xùn)練的必要實(shí)踐環(huán)節(jié)。目的是將相關(guān)課程知識應(yīng)用、技能掌握、系統(tǒng)體驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)積累等方面有機(jī)結(jié)合，獲得系統(tǒng)化、科學(xué)化、工程化的開發(fā)體驗(yàn)，培養(yǎng)和提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、工程實(shí)踐能力。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生雖然掌握了相關(guān)基本理論知識，但未能很好地進(jìn)行綜合課程實(shí)踐，表現(xiàn)出來的問題主要包括：①在實(shí)踐環(huán)節(jié)動手能力差，面對實(shí)踐要求不知道該如何入手;②無法較好地將理論聯(lián)系實(shí)際。針對以上問題，提出基于軟件復(fù)用的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)方式，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐[8]。

2017年昆明理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。按照工程教育認(rèn)證要求重新修訂了綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱，將課程設(shè)計(jì)主要目標(biāo)設(shè)定為：通過解決具有復(fù)雜程度的實(shí)際問題，鞏固和加深軟件工程、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)等課程的理論知識和實(shí)際應(yīng)用能力;通過課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，基本掌握系統(tǒng)定義、技術(shù)路線與工具選擇、需求分析建模、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)測試、運(yùn)行維護(hù)等基本技能和技巧;熟悉系統(tǒng)開發(fā)規(guī)范，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下基礎(chǔ)。

綜合課程設(shè)計(jì)對專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的支撐如表1所示。

2 教學(xué)模式

根據(jù)計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐及工程教育認(rèn)證相關(guān)要求，筆者學(xué)校對綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方式進(jìn)行了完善，逐步構(gòu)建起面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，從理論、實(shí)踐等方面加強(qiáng)對學(xué)生的指導(dǎo)。形成包含明確系統(tǒng)目標(biāo)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案、論證及優(yōu)化系統(tǒng)方案、選用工具及搭建環(huán)境、依據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析、系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)在內(nèi)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對所有環(huán)節(jié)的內(nèi)容、目標(biāo)及教學(xué)方式均給出了具體說明。

面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式如圖1所示。

2.1 培養(yǎng)內(nèi)容

在計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)中，為避免學(xué)生的畏難情緒，以及考慮部分學(xué)生協(xié)作能力差等問題，建議學(xué)生自由分組，大于2人的項(xiàng)目組在選題后對每個(gè)成員的工作量進(jìn)行考核。此外，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式上未作限制，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的特長選擇熟練的開發(fā)平臺和感興趣的內(nèi)容，但對系統(tǒng)難度有要求，不建議開發(fā)簡單系統(tǒng)。學(xué)生可任意選擇一種適宜的開發(fā)模型，例如快速原型模型、敏捷模型等，完成項(xiàng)目開發(fā)。

在面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式中，針對復(fù)雜工程問題的主要特征，除完成系統(tǒng)開發(fā)外，還需重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

（1）查閱文獻(xiàn)，綜合運(yùn)用各類知識?；趯W(xué)生在軟件工程課程的理論學(xué)習(xí)中學(xué)過軟件復(fù)用、軟件協(xié)同開發(fā)、增量開發(fā)的思想及途徑，在綜合課程設(shè)計(jì)的第1節(jié)課上說明課程設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)，介紹系統(tǒng)需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測試各階段可能產(chǎn)生的成果，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，綜合運(yùn)用各類知識開展課程設(shè)計(jì)。

（2）對各方利益不完全一致問題進(jìn)行協(xié)商。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)，可能涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互間有沖突。組織學(xué)生討論方案中的相關(guān)因素，讓學(xué)生學(xué)會選擇、折中、借鑒和綜合，學(xué)習(xí)從全局考慮問題。

（3）深入運(yùn)用工程原理，經(jīng)過分析找到問題解決方案。在系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，在實(shí)踐中加強(qiáng)對相關(guān)知識的理解，更好地掌握相關(guān)思想和方法。通過深入運(yùn)用工程原理，分析找到復(fù)雜問題的解決方案，將理論較好地應(yīng)用于實(shí)踐。

（4）建立模型，體現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新意識。啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)和自然科學(xué)、專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科、專業(yè)課程學(xué)到的基礎(chǔ)知識、核心思想、相關(guān)技術(shù)和方法，在系統(tǒng)開發(fā)中靈活、綜合、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)知識，通過抽象選擇或建立相應(yīng)模型，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。

（5）與同行進(jìn)行有效的溝通交流。為提高溝通和交流能力，要求學(xué)生能夠分析并處理教師、項(xiàng)目組成員、組外同學(xué)對系統(tǒng)的建議，在階段檢查中匯報(bào)課程設(shè)計(jì)工作并撰寫規(guī)范報(bào)告。

2.2 培養(yǎng)環(huán)節(jié)

（1）文檔撰寫。文檔是系統(tǒng)工程實(shí)踐的重要內(nèi)容。通過在綜合課程設(shè)計(jì)中的示例講解，讓學(xué)生理解需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試各階段文檔撰寫的規(guī)范和要求，并將文檔質(zhì)量作為綜合課程設(shè)計(jì)成績評價(jià)的內(nèi)容之一。

（2）過程管理。在分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試等階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目檢查和匯報(bào)，項(xiàng)目組需要說明系統(tǒng)開發(fā)情況，實(shí)現(xiàn)“班級項(xiàng)目管理”，即任課教師作為班級中各項(xiàng)目組的負(fù)責(zé)人，參與到項(xiàng)目管理過程中，確保項(xiàng)目組成員各司其職、項(xiàng)目順利進(jìn)行。針對階段檢查中發(fā)現(xiàn)的問題，通過問題跟蹤及解決環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生解決問題及協(xié)作交流能力。課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)由各項(xiàng)目組演示系統(tǒng)，總結(jié)、交流開發(fā)中存在的問題及相關(guān)收獲。通過以上措施，帶動項(xiàng)目組內(nèi)及組間討論與交流，通過交流強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力。

（3）多維度評價(jià)。為有針對性地教學(xué)，避免學(xué)習(xí)效果出現(xiàn)兩極分化，使每個(gè)學(xué)生都能投入到綜合課程設(shè)計(jì)中并有所收獲，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，使用多維度評價(jià)方法對綜合課程設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。

3 多維度評價(jià)方法

計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程以學(xué)生為主、教師為輔。作為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)，綜合課程設(shè)計(jì)考核與評價(jià)體現(xiàn)了學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識的理解、掌握與運(yùn)用程度。通過對綜合課程設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，了解學(xué)生實(shí)踐進(jìn)度，有助于調(diào)整綜合課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和過程，提高實(shí)踐效果。

為了讓綜合課程設(shè)計(jì)評價(jià)能夠有效支撐教學(xué)，提出有針對性的分級評價(jià)、過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)相結(jié)合的多維度評價(jià)方法。

（1）分級評價(jià)。針對系統(tǒng)選題的復(fù)雜程度，按照正常、復(fù)雜、較復(fù)雜、相當(dāng)復(fù)雜4個(gè)層次對學(xué)生的項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評價(jià)，對應(yīng)及格、中、良、優(yōu)4類成績，如表2所示。

表2中“正?！敝笇W(xué)生可以直接運(yùn)用現(xiàn)有方法或模型完成一個(gè)工作量適中的系統(tǒng)。

分級評價(jià)可以區(qū)分不同能力的學(xué)生在綜合課程設(shè)計(jì)中的成績等級。要求能力弱的學(xué)生必須運(yùn)用所學(xué)知識完成系統(tǒng)實(shí)踐，鼓勵(lì)有能力的學(xué)生選擇有難度、工作量大的系統(tǒng)實(shí)踐，并盡可能創(chuàng)新，以便達(dá)到讓所有學(xué)生都能提高實(shí)踐能力的目的。

（2）綜合過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)。面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式針對課程設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵階段和環(huán)節(jié)制定過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)內(nèi)容，包括出勤、階段檢查、系統(tǒng)選題復(fù)雜程度、其他人員評價(jià)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告等，并根據(jù)教學(xué)實(shí)踐定義相關(guān)評價(jià)指標(biāo)和子指標(biāo)比例。計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)體系如表3所示。

通過將分級評價(jià)、過程評價(jià)與結(jié)果評價(jià)相結(jié)合，可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐情況和知識掌握程度，按需調(diào)整綜合課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度和形式。

4 教學(xué)實(shí)踐及效果

采用面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，在2012級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)、2013級計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、2015級軟件工程專業(yè)進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用。針對78名學(xué)生、75個(gè)項(xiàng)目組的實(shí)踐結(jié)果，從系統(tǒng)選題、開發(fā)方式、開發(fā)結(jié)果等方面進(jìn)行總結(jié)。

（1）系統(tǒng)選題。各項(xiàng)目組選題來源主要是自行選題和從教師提供的題目列表中選題。其中，系統(tǒng)選題復(fù)雜程度統(tǒng)計(jì)如表4所示。

從表4可以看出，大多數(shù)項(xiàng)目組選擇復(fù)雜問題進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，少數(shù)能力較弱的項(xiàng)目組選擇正常難度題目完成系統(tǒng)實(shí)踐。每次綜合課程設(shè)計(jì)的選題會出現(xiàn)一定共性，例如APP游戲、信息管理類項(xiàng)目等。在匯報(bào)需求后，教師根據(jù)系統(tǒng)選題復(fù)雜程度要求各組明確區(qū)分系統(tǒng)范圍。

（2）開發(fā)方式。60學(xué)時(shí)的綜合課程設(shè)計(jì)要求在3周內(nèi)完成，各項(xiàng)目組采用的開發(fā)方式如表5所示。

從表5可以看出，項(xiàng)目組愿意采用能夠快速迭代的軟件開發(fā)模型，遵循從簡單到復(fù)雜、從小規(guī)模到大規(guī)模的循序遞進(jìn)原則，不斷完善系統(tǒng)功能。

（3）開發(fā)結(jié)果。系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表6所示。

統(tǒng)計(jì)開發(fā)結(jié)果顯示，5%左右的項(xiàng)目組沒有完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，不能正常運(yùn)行，但項(xiàng)目組成員能解釋核心代碼的含義及作用，未實(shí)現(xiàn)的主要原因是學(xué)生前期基礎(chǔ)較差，對程序調(diào)試中遇到的問題需要花費(fèi)大量時(shí)間去解決，導(dǎo)致完整系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，只實(shí)現(xiàn)了核心功能。

在應(yīng)用面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式后，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性有所提高，動手和實(shí)踐能力得到一定加強(qiáng)，解決復(fù)雜工程問題的能力也得到提升。通過多維度評價(jià)方法對學(xué)生進(jìn)行跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力在完成綜合課程設(shè)計(jì)后都有一定提升，大部分學(xué)生可以應(yīng)用已學(xué)的相關(guān)理論和知識開發(fā)有一定難度的系統(tǒng)，部分學(xué)生在知識綜合運(yùn)用和解決復(fù)雜工程問題方面表現(xiàn)出色。

5 結(jié)語

面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式雖在一定程度上改進(jìn)了教學(xué)效果，但仍然存在一些問題，如課程前期基礎(chǔ)較差的學(xué)生，在綜合課程設(shè)計(jì)選題時(shí)仍偏向簡單的題目，在實(shí)踐過程中較容易遇到難以解決的問題。后續(xù)將從培養(yǎng)體系入手，將綜合課程設(shè)計(jì)中解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)與其它環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)起來，結(jié)合理論教學(xué)和工程實(shí)際，借助慕課等教學(xué)方式，進(jìn)一步提升學(xué)生各方面的能力。

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