新工科背景下“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐教學(xué)改革研究

羅愛民 張萌萌 劉俊先

摘? ? 要：實(shí)踐是“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程的重要環(huán)節(jié)。文章根據(jù)新工科人才培養(yǎng)的要求，分析現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，基于CDIO方法，開展課程實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，提出實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的考核方式，形成“以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、學(xué)生為主體、創(chuàng)新為核心、平臺(tái)為依托”的四維一體實(shí)踐教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：新工科;CDIO方法;實(shí)踐教學(xué);信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2022）01-0001-03

一、引言

2017年以來，高等教育改革與發(fā)展的新工科教育研究與實(shí)踐成為工程新熱點(diǎn)^[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，新工科建設(shè)以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，注重學(xué)科交叉融合，注重實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，目標(biāo)是培養(yǎng)具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才^[2]。新工科人才培養(yǎng)對(duì)教師提出新的要求，廣大教師要積極探索面向新工科人才的教學(xué)改革方法和培養(yǎng)新工科人才的新模式，力爭(zhēng)培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、具有較高創(chuàng)新能力的復(fù)合型新工科人才^[3]。

“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”是國(guó)防科技大學(xué)管理科學(xué)與工程和信息管理等專業(yè)的核心課程。該課程具有系統(tǒng)工程、軟件工程、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，課程的教學(xué)內(nèi)容覆蓋面廣，對(duì)于系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)較少，甚至沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，常常會(huì)缺乏學(xué)習(xí)興趣，存在對(duì)教學(xué)內(nèi)容難以理解的情況。因此，實(shí)踐教學(xué)一直是“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)行教學(xué)模式下，“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”實(shí)踐教學(xué)主要存在以下問題。

（一）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺乏規(guī)劃和設(shè)計(jì)

目前，各學(xué)校開設(shè)的“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程幾乎都安排了實(shí)踐環(huán)節(jié)，有些學(xué)校甚至還有專門的實(shí)踐課。但是由于缺乏先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)和科學(xué)規(guī)劃，部分高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)常流于形式，選擇的設(shè)計(jì)內(nèi)容或設(shè)計(jì)過程以及最終實(shí)踐效果都暫未達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的要求，未起到鞏固知識(shí)、加深理解和提高學(xué)生能力的作用。對(duì)于國(guó)防科技大學(xué)學(xué)生來說，由于選用的軍事信息系統(tǒng)實(shí)踐項(xiàng)目離學(xué)生生活較遠(yuǎn)，學(xué)生往往無從下手。

（二）考核形式比較單一，缺少科學(xué)的評(píng)價(jià)機(jī)制

現(xiàn)有教學(xué)模式比較關(guān)注最終考試成績(jī)，忽視對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)與管理，對(duì)課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐這類創(chuàng)造性工作、開放式問題缺乏合理的評(píng)價(jià)手段，主要依靠教師給出成績(jī)，學(xué)生往往只提交實(shí)踐報(bào)告，不關(guān)注實(shí)踐報(bào)告的優(yōu)化以及其他項(xiàng)目組的設(shè)計(jì)方案，這種評(píng)價(jià)機(jī)制難以科學(xué)、公正地評(píng)價(jià)學(xué)生的成績(jī)，也不利于學(xué)生在相互比較和相互交流中加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

（三）缺少成體系的實(shí)踐環(huán)境支持

現(xiàn)行的實(shí)踐教學(xué)缺乏完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。目前實(shí)驗(yàn)環(huán)境多依賴商用軟件，如UML建模軟件、DOORS、EA、VISIO等。這些軟件主要是支持各種建模技術(shù)，大多缺乏對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、優(yōu)化的功能，單一軟件無法支撐實(shí)驗(yàn)，各軟件之間的數(shù)據(jù)無法有效調(diào)用。

在新工科背景下，教學(xué)團(tuán)隊(duì)期望通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)與項(xiàng)目實(shí)踐，幫助其消化、理解與掌握系統(tǒng)建模、設(shè)計(jì)與分析的基本方法，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、批判思維、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。CDIO創(chuàng)新工程教育模式的最大特點(diǎn)是倡導(dǎo)以問題為驅(qū)動(dòng)，注重實(shí)踐性教學(xué)和實(shí)際動(dòng)手能力^[4]。針對(duì)“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，基于CDIO方法，探索采用“以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、學(xué)生為主體、創(chuàng)新為核心、平臺(tái)為依托”的四維一體實(shí)踐教學(xué)模式，形成對(duì)學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)作用的有效范式。

二、實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前課程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)課程實(shí)踐開展教學(xué)設(shè)計(jì)。在案例主導(dǎo)教學(xué)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，建立包括單項(xiàng)項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目的漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系，確保實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和連貫性。

（一）實(shí)踐目的與分類

根據(jù)提高學(xué)生實(shí)踐能力的要求，明確課程實(shí)踐的基本目的和目標(biāo)，分析實(shí)踐教學(xué)的基本分類。實(shí)踐教學(xué)在理論方法教學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)建模、分析與評(píng)估三個(gè)方面能力的訓(xùn)練，通過動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)，使得學(xué)生熟練掌握建模、分析和評(píng)估的基本方法，具備承擔(dān)信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工作的能力。通過項(xiàng)目實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，提升學(xué)生獨(dú)立分析和思考的能力，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)，并且使學(xué)生積累一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐教學(xué)以項(xiàng)目形式開展。實(shí)踐項(xiàng)目分為兩類：?jiǎn)雾?xiàng)項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目。其中單項(xiàng)項(xiàng)目主要對(duì)特定的教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)開展實(shí)踐，綜合項(xiàng)目則在單項(xiàng)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案綜合分析與評(píng)判。

（二）實(shí)踐內(nèi)容與要求

在實(shí)踐教學(xué)中，明確各環(huán)節(jié)的內(nèi)容組成以及各實(shí)踐內(nèi)容的基本要求。

單項(xiàng)項(xiàng)目主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：建模、分析和優(yōu)化。其中建模環(huán)節(jié)主要針對(duì)不同的內(nèi)容（流程、功能、結(jié)構(gòu)、組織和數(shù)據(jù)）建立相關(guān)的模型;分析環(huán)節(jié)主要針對(duì)建立的各類模型進(jìn)行性能分析，判斷建立模型的優(yōu)劣;優(yōu)化環(huán)節(jié)根據(jù)模型分析的結(jié)構(gòu)，修改相關(guān)模型，再進(jìn)行模型分析，直至各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求。例如流程設(shè)計(jì)主要針對(duì)信息系統(tǒng)支持下的應(yīng)用，分析該系統(tǒng)的應(yīng)用模式，并利用IDEF0建模工具或活動(dòng)圖建模工具設(shè)計(jì)應(yīng)用流程。分析環(huán)節(jié)中對(duì)建立的流程模型進(jìn)行時(shí)間、負(fù)載、信息流等性能分析。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在問題，則要分析設(shè)計(jì)缺陷并修改模型中的相關(guān)內(nèi)容。

綜合項(xiàng)目需要結(jié)合具體背景，針對(duì)具體背景設(shè)計(jì)完整的信息系統(tǒng)開發(fā)方案。綜合性項(xiàng)目主要包括需求、體系結(jié)構(gòu)、解決方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容。按照需求、體系結(jié)構(gòu)和方案三個(gè)環(huán)節(jié)綜合運(yùn)用流程、組織、功能、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行典型背景下信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。需求、體系結(jié)構(gòu)和方案三個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)果須進(jìn)行分析與評(píng)估，并對(duì)最終得到的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，包括性能、效能、結(jié)構(gòu)、韌性等內(nèi)容。

（三）實(shí)踐教學(xué)組織與實(shí)施方法

針對(duì)實(shí)踐教學(xué)的分類，研究各類實(shí)踐教學(xué)的組織、管理方式以及具體實(shí)施要求。實(shí)踐教學(xué)組織以學(xué)生為中心，單項(xiàng)項(xiàng)目主要由學(xué)生獨(dú)立完成，并提交設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)報(bào)告。綜合項(xiàng)目以小組形式完成，每組選擇一個(gè)背景開展信息系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，按照需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)過程進(jìn)行。綜合實(shí)驗(yàn)需要提交的成果包括設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)報(bào)告并進(jìn)行PPT匯報(bào)。在每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目開始前，教師將結(jié)合案例講解實(shí)踐內(nèi)容和工具的基本使用方法。為加深學(xué)生對(duì)實(shí)踐任務(wù)的理解，選擇國(guó)防動(dòng)員為背景，針對(duì)設(shè)定的單項(xiàng)項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目開發(fā)相關(guān)案例。

三、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在分析優(yōu)化后教學(xué)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求基礎(chǔ)上，利用科研成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境方案設(shè)計(jì)，并集成各功能軟件形成敏捷系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境組成如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為三個(gè)部分：基礎(chǔ)環(huán)境、單項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和綜合分析與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。基礎(chǔ)環(huán)境主要是提供基礎(chǔ)的建模功能、仿真功能以及系統(tǒng)管理等。單項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要支持功能、結(jié)構(gòu)、流程、數(shù)據(jù)等內(nèi)容開展設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化，主要配合各知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)活動(dòng)，同時(shí)為綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供支撐。綜合分析與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要支持課程綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)，支持學(xué)生完成項(xiàng)目綜合設(shè)計(jì)與分析。該實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有以下特點(diǎn)：支持基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)過程;涵蓋服務(wù)化建模手段;支持教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的多種建模分析與評(píng)估方法;應(yīng)用智能和優(yōu)化技術(shù)支持系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì);構(gòu)建敏捷分析環(huán)境，支持敏捷開發(fā);支持單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐和課程設(shè)計(jì)實(shí)踐等。

與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比，該環(huán)境增加分析、優(yōu)化和仿真評(píng)估等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的實(shí)時(shí)分析、及時(shí)優(yōu)化、綜合評(píng)估等，支持系統(tǒng)的敏捷開發(fā)。例如在功能設(shè)計(jì)中，通過功能建模形成功能設(shè)計(jì)方案，方案的好壞、是否滿足約束條件和要求則可以通過功能分析模塊進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果學(xué)生可以自主優(yōu)化方案。同時(shí)利用智能優(yōu)化方法自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)能力的目的。同時(shí)，單項(xiàng)項(xiàng)目的成果可以靈活運(yùn)用到綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，提高實(shí)驗(yàn)效率，并通過從單項(xiàng)設(shè)計(jì)到綜合方案設(shè)計(jì)鍛煉學(xué)生整體分析與設(shè)計(jì)能力。

四、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)考核方法

實(shí)踐課程選擇開放式問題，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力為目標(biāo)。公正、科學(xué)地評(píng)估學(xué)生的成績(jī)是提高教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。

（一）考核內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)所建立的教學(xué)內(nèi)容體系，確定考核和評(píng)價(jià)的知識(shí)點(diǎn)，明確各知識(shí)點(diǎn)考核的具體內(nèi)容和要求。教學(xué)考核內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題。

1.開放式問題的考核內(nèi)容。針對(duì)建立的教學(xué)內(nèi)容，分析并明確哪些內(nèi)容屬于開放式考核內(nèi)容與該考核內(nèi)容的具體要求。以往這類考核的對(duì)象主要是學(xué)生提交的課程設(shè)計(jì)報(bào)告，教師根據(jù)提交的課程報(bào)告評(píng)分。因此，開放式問題考核內(nèi)容也要注重和加強(qiáng)過程的考核，不斷豐富考核內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)踐過程中的工程能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等都應(yīng)該是考核內(nèi)容。

2.建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。與標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)點(diǎn)考核不同，信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身是創(chuàng)造性工作，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。因此，建立科學(xué)、公平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。通過分析教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的特點(diǎn)，針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)建立定量化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，特別是分組形式完成的綜合設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于綜合分析設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)一般采用分組形式，多人協(xié)作完成，教師難以掌握各組人員在項(xiàng)目中的作用與貢獻(xiàn)，因此需要制定量化的科學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

“信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐的最終成績(jī)由單項(xiàng)項(xiàng)目成績(jī)、綜合項(xiàng)目成績(jī)、成果匯報(bào)（報(bào)告、提問、回答）等組成，其中單項(xiàng)項(xiàng)目成績(jī)占30%，綜合項(xiàng)目成績(jī)占45%，成果匯報(bào)占25%。設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：第一，模型。從內(nèi)容和形式上考核，內(nèi)容主要考核是否詳細(xì)、合理;形式主要考核其規(guī)范性和完整性。第二，報(bào)告。主要考核報(bào)告的粒度、規(guī)范性、評(píng)估結(jié)果等。第三，匯報(bào)交流。主要考核報(bào)告水平、回答問題是否正確、提問數(shù)量等。

（二）考核方式與過程

現(xiàn)有考核組織方式主要是教師參與，以提交的報(bào)告為主。為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力，成績(jī)?cè)u(píng)定要求全員參與考核，打破傳統(tǒng)的考核方式，采取開放式問題的考核。全員參與考核方式體現(xiàn)在以下方面。

1.教師和學(xué)生共同參與考核?？己瞬扇〗處煷蚍?、學(xué)生互評(píng)的方式。除了教師給學(xué)生打分，各小組之間也要相互打分。小組間相互打分不采用絕對(duì)分?jǐn)?shù)，采用排序形式，最終成績(jī)綜合教師和各小組的打分。

2.考核對(duì)象和內(nèi)容隨機(jī)抽取。小組匯報(bào)人員隨機(jī)選擇，保證小組每個(gè)成員都積極參與實(shí)踐，杜絕少數(shù)人不參與的現(xiàn)象。各組回答問題的人員也不固定，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選擇，保證分組項(xiàng)目時(shí)每個(gè)成員都積極參與。

3.學(xué)生交流、相互提問。當(dāng)一個(gè)小組匯報(bào)完，其他小組依次提問，提問人員也采用隨機(jī)點(diǎn)名的方式，保證每個(gè)學(xué)生都認(rèn)真聽取其他小組的方案，并積極思考。在報(bào)告、提問和答問環(huán)節(jié)的成績(jī)代表小組成績(jī)。全員參與考核方式可以使得學(xué)生在參與考核過程中進(jìn)一步提高對(duì)知識(shí)的理解與認(rèn)識(shí)，積累知識(shí)的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提高創(chuàng)造力，培養(yǎng)協(xié)作和交流溝通能力。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，對(duì)于教師來說，指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)踐目標(biāo)更明確，對(duì)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)級(jí)更客觀和合理，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握以及實(shí)踐能力明顯提高，基本具備信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。通過改革后的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生投入實(shí)踐的精力更多，使其加深了對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，并在創(chuàng)新能力、分析能力、協(xié)作能力、動(dòng)手能力等方面得到明顯提高。在后期的教學(xué)過程中，還需要進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)環(huán)境中分析與評(píng)估的相關(guān)算法，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分。

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[責(zé)任編輯? 楊? ? 波]

收稿日期：2021-06-24

作者簡(jiǎn)介：羅愛民（1970—），女，湖南邵陽(yáng)人，國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士，主要從事復(fù)雜信息系統(tǒng)工程研究。

基金項(xiàng)目：2020年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科背景下基于CDIO的指揮信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐”（202009）