運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力

劉鑫 鄧巧玲 李紅梅 楊柳

摘 要：解決復(fù)雜工程問(wèn)題是我國(guó)高校認(rèn)證工程畢業(yè)生必須具備的核心能力之一，運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)手段是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的有效方法和途徑，本文運(yùn)用課程實(shí)驗(yàn)、小班討論、教師科研項(xiàng)目、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（SIT）等多種研究性學(xué)習(xí)方法結(jié)合網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信自身知識(shí)體系，針對(duì)不同知識(shí)內(nèi)容運(yùn)用不同的研究性學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證;網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信;復(fù)雜工程問(wèn)題;研究性學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.012

本文著錄格式：劉鑫，鄧巧玲，李紅梅，等.運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力——以網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信課程為例[J].軟件，2021，42（03）：043-045

Cultivating the Ability of Complex Engineering Problems by Research Learning： Taking the Course of Network and Multimedia Communication as an Example

LIU Xin， DENG Qiaoling， LI Hongmei， YANG Liu

（Hunan Applied Technology University， Changde? Hunan? 415010）

【Abstract】：To solve complex engineering problems is one of the core abilities that university certified engineering graduates must possess. The use of research-based learning is an effective way to train students to solve complex engineering problems Students' innovation project （SIT） and other research-based learning methods are combined with their own knowledge system of network and multimedia communication， and different research-based learning methods are used for different knowledge contents to cultivate students' ability to solve complex engineering problems.

【Key words】：engineering education certification;network and multimedia communication;complex engineering problems;research learning

0引言

2016年6月2日我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》正式締約成員，標(biāo)志著我國(guó)的工程人才培養(yǎng)納入了國(guó)際通用的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。工程教育認(rèn)證的核心理論是以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)。其中“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力不僅是我國(guó)高校認(rèn)證工程畢業(yè)生必備的核心能力之一也是我國(guó)高等教育所有本科工程專業(yè)當(dāng)前和今后必須重視和做好的重要工作[1]。怎樣提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力？運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)方法是最適合培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的有效途徑[2]。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信的教學(xué)大綱要求，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信中的數(shù)學(xué)知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信中的3個(gè)核心內(nèi)容（信息熵、圖像聲音壓縮技術(shù)、多媒體通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）、3個(gè)編碼定理及典型的編碼方法等知識(shí)，設(shè)計(jì)問(wèn)題情境、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)習(xí)環(huán)境等，運(yùn)用課堂小班討論、培育學(xué)生創(chuàng)新（SIT）項(xiàng)目、教師科研項(xiàng)目進(jìn)課程等多種研究性學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。

1如何理解復(fù)雜工程問(wèn)題

隨著工程學(xué)科間的交叉與融合日益明顯，復(fù)雜工程是一個(gè)多學(xué)科的交叉與融合體。復(fù)雜性是現(xiàn)代工程問(wèn)題的本質(zhì)。主要表現(xiàn)在如下7點(diǎn)：（1）復(fù)雜性體現(xiàn)在現(xiàn)代工程問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng);（2）現(xiàn)代工程問(wèn)題已經(jīng)不是單純的工程問(wèn)題;（3）需要綜合考慮并協(xié)調(diào)多種非工程問(wèn)題，現(xiàn)代復(fù)雜工程問(wèn)題往往超越了現(xiàn)有的工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;（4）更多的復(fù)雜工程問(wèn)題不能直接用現(xiàn)有的方法和技術(shù)去解決;（5）現(xiàn)代工程問(wèn)題的解決需要傳統(tǒng)工程領(lǐng)域之外的其他學(xué)科專業(yè)的介入與支持;（6）工程問(wèn)題更多的復(fù)雜工程問(wèn)題需要建模解決，但模型需要有創(chuàng)造性;（7）集成和創(chuàng)新是解決復(fù)雜工程主要思路。其中（6）（7）是現(xiàn)在工程教育中重視并必須培養(yǎng)的能力。

2研究性學(xué)習(xí)是培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的有效途徑

研究性學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，在預(yù)先設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過(guò)采取各種靈活和個(gè)性的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，以期在知識(shí)學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)、素質(zhì)形成、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展等方面達(dá)到課程或教學(xué)環(huán)境既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)的過(guò)程。[2]研究性學(xué)習(xí)核心理念是從問(wèn)題出發(fā)，讓學(xué)生有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的思維動(dòng)力，通過(guò)自主研學(xué)、師生討論、團(tuán)隊(duì)合作等形式，將理論知識(shí)與研究問(wèn)題相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。研究性學(xué)習(xí)符合解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的規(guī)律和途徑。

研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：復(fù)雜工程問(wèn)題的情境設(shè)計(jì)、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)。復(fù)雜工程問(wèn)題主要有三種：已解決的復(fù)雜工程問(wèn)題、當(dāng)前需解決的復(fù)雜工程問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展面臨的問(wèn)題。針對(duì)這三種復(fù)雜工程問(wèn)題研究學(xué)習(xí)可以分為自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、師生互動(dòng)和課外活動(dòng)等多種研究性學(xué)習(xí)形式完成課程學(xué)習(xí)。（1）教師根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)給出本門課程的學(xué)習(xí)綱要，學(xué)生通過(guò)線上線下相結(jié)合的自主學(xué)習(xí)方式培養(yǎng)終身自學(xué)能力和實(shí)施個(gè)性化學(xué)習(xí)，了解并掌握已解決的復(fù)雜工程問(wèn)題。（2）以專業(yè)工作室為載體，學(xué)生由3-8人組成合作學(xué)習(xí)小組，小組成員打破年級(jí)、專業(yè)界線自愿組團(tuán)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系、能力維度互補(bǔ)，教師指導(dǎo)、學(xué)生分工合作解決當(dāng)前的復(fù)雜工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)1+1≥2的學(xué)習(xí)效果。（3）通過(guò)線上高年級(jí)學(xué)長(zhǎng)、學(xué)姐答疑解決、討論學(xué)生發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜工程問(wèn)題，線下教師參與學(xué)生的各種學(xué)習(xí)和研究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)復(fù)雜工程問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的思路、方法和途徑，將如何解決復(fù)雜工程問(wèn)題的空間留給學(xué)生。（4）課外活動(dòng)包括學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、申報(bào)創(chuàng)新項(xiàng)目（SIT）、參與教師科研項(xiàng)目和企業(yè)項(xiàng)崗實(shí)習(xí)、自主創(chuàng)業(yè)等活動(dòng)，這些研究性學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

3網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信課程的知識(shí)體系

網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信是絕大多數(shù)高校數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)的必修課。主要由信息壓縮和編碼技術(shù)和多媒體網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)組成，難點(diǎn)知識(shí)包涵香農(nóng)信息論的3個(gè)基本概念（信息熵、率失真函數(shù)和信道容量）對(duì)應(yīng)的3大編碼原理（無(wú)失真信源編碼定理、限失真信源編碼定理和信道編碼定理）[3]，還包括一些經(jīng)典的信源和信道編碼方法，甚至包括通信保密理論。這些知識(shí)體系中3個(gè)基本概念及對(duì)應(yīng)的3個(gè)編碼原理是已解決的復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)生需要了解這些工程原理、方法和各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)甚至是否有沖突或未解決未定義的工程標(biāo)準(zhǔn)和范疇。學(xué)生運(yùn)用信源和信道編碼方法理論等建立合適的抽象模型，爭(zhēng)取不同項(xiàng)目提出不同解決方案，分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題，并要處理好問(wèn)題相關(guān)各方面利益不完全一致、多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題等情況。

4多舉措培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的探索與實(shí)踐

培養(yǎng)復(fù)雜工程能力解決能力是一個(gè)逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的培養(yǎng)過(guò)程，可以從學(xué)生能力培養(yǎng)、人才培養(yǎng)過(guò)程和人才培養(yǎng)模式三個(gè)不同視角共同著力，以達(dá)到畢業(yè)要求規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[1，4]。

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)、線上線下師生互動(dòng)答疑等學(xué)習(xí)模式，學(xué)生了解知識(shí)原理，教師引導(dǎo)學(xué)生正確理解知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生能應(yīng)用知識(shí)原理分析的解決簡(jiǎn)單工程問(wèn)題的能力。比如學(xué)生能通過(guò)閱讀文獻(xiàn)了解利用熵模型，對(duì)圖像隱寫進(jìn)行盲解碼;利用最小交叉熵進(jìn)行圖像分割的閾值選取;利用空間熵，進(jìn)行圖像全局和局部對(duì)比度增加;利用多尺度空域和頻域熵，進(jìn)行小縮放因子圖像seam carving的盲檢測(cè)等。

設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程促進(jìn)學(xué)生了解封閉的工程問(wèn)題，尚未給出解決方案的簡(jiǎn)單工程問(wèn)題，培養(yǎng)應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)原理分析的解決工程問(wèn)題的能力。以圖像重定向（image retargeting）的質(zhì)量評(píng)價(jià)為例。為了適應(yīng)一幅數(shù)字圖像在不同分辨率終端上的顯示，需要依據(jù)顯示終端的目標(biāo)分辨率調(diào)整數(shù)字圖像的分辨率，以節(jié)省傳輸帶寬并且保證改善顯示效果。目前，已經(jīng)涌現(xiàn)了包括剪切、等比例縮放、變形（warping）和內(nèi)容感知的seam carving等方法，它們各有特點(diǎn)。圖像重定向質(zhì)量評(píng)價(jià)是結(jié)合輸入圖像的內(nèi)容和特點(diǎn)，選擇合適的圖像重定向方法的關(guān)鍵所在。為此，在有原始圖像作為參考的情況下，需要客觀地測(cè)量圖像重定向的失真和信息損失。

開(kāi)設(shè)小班討論課提出半開(kāi)放的工程問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及多方面因素或因素有沖突或者有幾種可能的解決方案。討論課教師示范多學(xué)科知識(shí)原理的應(yīng)用，學(xué)生嘗試應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)原理，并獲得工程問(wèn)題被證實(shí)的結(jié)論。小班討論結(jié)合開(kāi)源社區(qū)的代碼和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論如何從信息損失和感知幾何失真的角度進(jìn)行圖像重定向的客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。特別是，觀察從信息熵角度定義的信息損失對(duì)于整個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)以及它彌補(bǔ)幾何失真不足的獨(dú)特作用。顯然，這是一個(gè)與工程實(shí)踐很貼近，同時(shí)又與網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信課題內(nèi)容密切相關(guān)的討論內(nèi)容。為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)無(wú)失真編碼的理解，列舉Huffman編碼的編碼過(guò)程，通過(guò)實(shí)例加深信息熵、碼長(zhǎng)、編碼效率的理解。式（1）為信息熵計(jì)算公式，式（2）計(jì)算信源的平均碼長(zhǎng)，式（3）分析無(wú)失真編碼的平均碼長(zhǎng)需滿足的條件，式（4）定義了編碼效率η。

（1）

（2）

（3）

（4）

根據(jù)上述公式，大量舉例訓(xùn)練Huffma編碼過(guò)程中，信息熵、平均碼長(zhǎng)、編碼效率的計(jì)算方法。并計(jì)算Huffma編碼合并概率前置與合并概率不前置得到的碼長(zhǎng)方差，比較兩種不同Huffman編碼方法的緩沖器容量，得出合并概率前置的方法更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)），提出開(kāi)放的工程問(wèn)題，無(wú)明顯解決方案，需抽象思維及原創(chuàng)性分析建模來(lái)解決。教學(xué)過(guò)程中要求學(xué)生用Huffman設(shè)計(jì)某商場(chǎng)抽獎(jiǎng)的獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)商場(chǎng)給出的獎(jiǎng)品總額，設(shè)計(jì)一、二、三、優(yōu)秀獎(jiǎng)的概率，更一步鞏固 Huffman編碼的設(shè)計(jì)技巧。

學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新（SIT）項(xiàng)目，解決僅靠常用方法不能解決、無(wú)明顯解決方案的復(fù)雜工程問(wèn)題。教師引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，學(xué)生綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)原理、各種研究方法等集中解決復(fù)雜工程問(wèn)題。

教師科研項(xiàng)目進(jìn)課堂，解決不常見(jiàn)，不易獲得解決方案以及涉及因素超越現(xiàn)行工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范涵蓋的范圍的工程問(wèn)題。隨著人工智能技術(shù)不斷在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，課堂中引入科研團(tuán)隊(duì)為某工廠的流水線設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量的工程，學(xué)生開(kāi)發(fā)智能檢測(cè)的程序，了解工程在圖像識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)布線、硬件調(diào)試，甚至硬件產(chǎn)品的選擇與購(gòu)買等過(guò)程，讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的工程過(guò)程，提升學(xué)生的工程能力素養(yǎng)。

組織學(xué)生到企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)，參與企業(yè)實(shí)際工程項(xiàng)目，學(xué)習(xí)不易獲得解決方案，涉及多種不同利益相關(guān)群體的不同需求的解決方案。

為學(xué)生搭建自主創(chuàng)業(yè)平臺(tái)和環(huán)境，創(chuàng)業(yè)工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部因素復(fù)雜、外部諸多限制，一般難以獲得解決方案。在此過(guò)程中教師指導(dǎo)、評(píng)論、批評(píng)工程問(wèn)題，提出解決思路和方案，學(xué)生作為項(xiàng)目主導(dǎo)者需要溝通協(xié)調(diào)不同利益相關(guān)者，要體現(xiàn)社會(huì)責(zé)任與可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，并要求獲得高水平復(fù)雜工程問(wèn)題有效解決方案。

5結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信是通信工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)效果的好壞直接影響本專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。本文剖析復(fù)雜工程問(wèn)題的本質(zhì)，分析研究性學(xué)習(xí)方法是培養(yǎng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的有效途徑，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信課程的教學(xué)內(nèi)容主線，運(yùn)用小班討論、發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、制度激勵(lì)學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新（SIT）項(xiàng)目、教師科研進(jìn)課堂等多舉措研究性學(xué)習(xí)性方法，考核方案由傳統(tǒng)的試卷考核改革為以上8項(xiàng)研究性學(xué)習(xí)成果為考核標(biāo)準(zhǔn)，從制度上促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，開(kāi)拓學(xué)生的學(xué)習(xí)深度、維度，以提出學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

通過(guò)實(shí)踐，近三年通信工程專業(yè)的創(chuàng)新（SIT）項(xiàng)目增加了23項(xiàng)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目增加了12項(xiàng)，工作室的團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)氛圍明顯增強(qiáng)，學(xué)生參加教師的科研項(xiàng)目顯著提高。在今后的教學(xué)過(guò)程中還需進(jìn)一點(diǎn)細(xì)化研究性學(xué)習(xí)的考評(píng)方案?？荚u(píng)方案更嚴(yán)謹(jǐn)，研究性學(xué)習(xí)方法更多樣，教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)更科學(xué)，以更好的提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

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