系統(tǒng)工程原理課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

李明輝，霍慧芝，雷濤

（1.貴州大學(xué) 省部共建公共大數(shù)據(jù)國家重點實驗室，貴州貴陽 550025；2.貴州師范大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；3.貴州師范大學(xué) 大數(shù)據(jù)與計算機科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025）

系統(tǒng)工程原理是一門系統(tǒng)科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)等學(xué)科相結(jié)合的組織管理技術(shù)，是一門綜合性較強的課程[1-2]。學(xué)生要掌握這門科學(xué)，需要具備跨學(xué)科思維和多學(xué)科的知識儲備。但部分剛?cè)雽W(xué)的研究生基礎(chǔ)知識不扎實，不具有思維拓展和全面認(rèn)識問題的能力。且部分學(xué)生在入學(xué)之前，并沒有接觸過工程類課程，不具備工程實踐經(jīng)驗，這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)工程原理課程的授課效果欠佳。系統(tǒng)工程原理是二級學(xué)科工程管理下設(shè)的一門具有交叉學(xué)科性質(zhì)的研究生課程，需要學(xué)生有數(shù)學(xué)、管理學(xué)和系統(tǒng)技術(shù)的知識儲備。系統(tǒng)工程原理的主要任務(wù)是根據(jù)總體目標(biāo)的需要，把自然科學(xué)和社會科學(xué)中的基礎(chǔ)思想、理論、策略和方法等橫向聯(lián)系起來[3]，應(yīng)用到實際系統(tǒng)工程中，這就需要學(xué)生具有全面認(rèn)識問題和思維拓展的能力。本文針對教學(xué)中學(xué)生現(xiàn)有能力與課程教學(xué)需求不匹配問題開展研究，提出以現(xiàn)有知識儲備為起點、結(jié)合信息時代發(fā)展需要、與大科學(xué)工程有機結(jié)合的“三位一體”課程優(yōu)化方法，以提高課程教學(xué)質(zhì)量。

1 課程架構(gòu)介紹

按照“以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的現(xiàn)代教育理念，以“思想、理論、方法和能力”（“思想”是指系統(tǒng)思想和觀點；“理念”是指系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)理論；“方法”是指建模、仿真、分析、優(yōu)化方法；“能力”是指應(yīng)用系統(tǒng)思想、理論和方法解決實際問題的能力）有機結(jié)合的思路為指導(dǎo)，以系統(tǒng)工程目標(biāo)問題為導(dǎo)向，將理論與實踐相結(jié)合，形成有機的整體，建立適用于系統(tǒng)工程原理的實踐教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究、解決實際系統(tǒng)工程問題的思維方式和能力。

系統(tǒng)工程原理課程由緒論、系統(tǒng)工程方法論、系統(tǒng)建模方法、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)預(yù)測、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)決策8個模塊組成[4]。課程的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)工程方法論和系統(tǒng)預(yù)測兩個模塊進(jìn)行課程設(shè)計優(yōu)化。系統(tǒng)工程方法論是對系統(tǒng)工程進(jìn)行研究和探索的一般途徑，指導(dǎo)使用系統(tǒng)工程所涉及的各種方法，對學(xué)生學(xué)習(xí)其他6個模塊有協(xié)助作用，所以學(xué)生必須掌握系統(tǒng)工程方法論的內(nèi)容[5-6]。系統(tǒng)預(yù)測的實質(zhì)是充分分析系統(tǒng)發(fā)展變化的規(guī)律，根據(jù)系統(tǒng)的過去和現(xiàn)在估計未來，從而減少不確定性和風(fēng)險性，減少系統(tǒng)決策的盲目性。隨著信息時代的發(fā)展，系統(tǒng)預(yù)測有了更專業(yè)、更高效的預(yù)測方法，例如大數(shù)據(jù)預(yù)測，因此優(yōu)化系統(tǒng)預(yù)測模塊的教學(xué)內(nèi)容，緊跟時代發(fā)展需求，進(jìn)行大數(shù)據(jù)預(yù)測教學(xué)[7-9]。

圖1 課程整體結(jié)構(gòu)

2 課程設(shè)計與優(yōu)化

2.1 以學(xué)生現(xiàn)有知識儲備為起點

本優(yōu)化方法的主旨是以學(xué)生已有知識儲備為基礎(chǔ)，運用“系統(tǒng)工程方法論”。以前，系統(tǒng)工程方法論模塊的授課內(nèi)容為概念辨析和實例分析，概念辨析部分是對霍爾三維結(jié)構(gòu)方法論和切克蘭德調(diào)查方法論的辨析，區(qū)分它們的應(yīng)用場景、分析步驟和重難點。霍爾三維結(jié)構(gòu)方法論將系統(tǒng)的整個管理過程分為時間維、邏輯維和知識維[10-11]。切克蘭德調(diào)查學(xué)習(xí)方法論適用于較難用數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)[12-13]。在講授書中實例時，用霍爾三維結(jié)構(gòu)模型分析三峽工程。但是面對晦澀的概念和陌生的實際工程案例，學(xué)生對課程內(nèi)容接受和掌握的程度不高。為了解決這個問題，對此模塊的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，新的教學(xué)內(nèi)容包括概念辨析、實例分析、運用系統(tǒng)工程方法論分析自己本科畢業(yè)論文、報告展示講述分析過程四個部分，將教師教學(xué)和學(xué)生展示結(jié)合起來。在報告展示過程中，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生聽課過程中沒有掌握的知識點和理解錯誤的地方，點評其報告在整體邏輯性和方法論實際應(yīng)用方面的不足，通過如圖2所示的閉環(huán)教學(xué)模式，使學(xué)生完全掌握系統(tǒng)工程方法論的內(nèi)容，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

圖2 閉環(huán)式教學(xué)模式

2.2 結(jié)合信息時代發(fā)展需要

本優(yōu)化方法的主旨是緊跟信息時代需求，借助學(xué)院算力優(yōu)勢，開展“大數(shù)據(jù)預(yù)測”教學(xué)。在以往的系統(tǒng)預(yù)測模塊教學(xué)中，由于受到計算設(shè)備的限制，只給學(xué)生講授線性回歸預(yù)測方法、最大似然估計預(yù)測法和馬爾可夫預(yù)測，且局限于小數(shù)據(jù)樣本演示等。這樣的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能和大數(shù)據(jù)時代的預(yù)測需求相匹配。充分利用學(xué)院超算中心12Petaflops算力的硬件設(shè)備，對“系統(tǒng)預(yù)測”模塊教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，采用從簡入深、理論與實際相結(jié)合的方式，保留線性回歸預(yù)測和最大似然估計預(yù)測教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生從簡單的預(yù)測方法入手，了解系統(tǒng)預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)思想，然后增加大數(shù)據(jù)預(yù)測算法內(nèi)容的講授。例如，K最近鄰算法、樸素貝葉斯算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法和隨機森林算法等[14]。課程實踐部分是以“中國天眼”饋源艙實時海量測量數(shù)據(jù)為樣本，訓(xùn)練分類預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而對任意時刻饋源艙的運動模式進(jìn)行分類預(yù)測。

2.3 與大科學(xué)工程有機結(jié)合

以“中國天眼”——FAST工程為實例進(jìn)行系統(tǒng)工程分析，培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識問題的能力。系統(tǒng)工程學(xué)科的發(fā)展依賴大科學(xué)工程，正是因為其在復(fù)雜工程上的突出貢獻(xiàn)，才使得系統(tǒng)工程學(xué)科被深度研究，得以完善。為了讓學(xué)生更深刻理解系統(tǒng)工程原理課程所教授內(nèi)容的本質(zhì)，需要將課程教學(xué)內(nèi)容與大科學(xué)工程有機結(jié)合。

位于貴州省黔南州平塘縣的500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡——FAST，被稱為“中國天眼”，它是我國“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，屬于大科學(xué)工程[15-16]。2021年，貴州大學(xué)與國家天文臺簽訂合作協(xié)議，以“中國天眼”為依托，在學(xué)校成立天文大數(shù)據(jù)實驗室，方便學(xué)生了解大科學(xué)工程。學(xué)生將系統(tǒng)工程原理的理論知識與大科學(xué)工程的預(yù)研、建設(shè)和維護(hù)相結(jié)合。教師為學(xué)生提供FAST預(yù)研期間的會議資料，通過分析資料，學(xué)生理解系統(tǒng)工程規(guī)劃階段中明確問題的重要性；教師通過講述望遠(yuǎn)鏡反射面和饋源艙同時進(jìn)行施工期間，二者交互作用、相互協(xié)調(diào)的流程，讓學(xué)生理解并行工程方法學(xué)的核心思想；帶領(lǐng)學(xué)生分析饋源艙海量測量數(shù)據(jù)，使其掌握用大數(shù)據(jù)方法進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)測的能力；教師展示望遠(yuǎn)鏡建設(shè)過程中各種問題的數(shù)學(xué)模型和物理模型，幫助學(xué)生理解系統(tǒng)模型的建模方法和主要因素確定方法，等等。通過以“中國天眼”大科學(xué)工程為教學(xué)實例，將其在前期預(yù)研和工程實施過程中的系統(tǒng)建模、系統(tǒng)預(yù)測、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)評價的工程實際案例貫穿在課程教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生通過了解實體大科學(xué)工程，理解并掌握系統(tǒng)工程的概念和方法。

3 結(jié)語

系統(tǒng)工程原理課程具有綜合性，它的理論、方法和體系都處在發(fā)展優(yōu)化階段，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一些新的系統(tǒng)工程技術(shù)方法也應(yīng)運而生。該課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生運用“整體”或者“系統(tǒng)”思維處理問題和科學(xué)分析復(fù)雜工程的能力。綜上所述，本文提出對系統(tǒng)工程原理課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)生通過學(xué)會運用系統(tǒng)工程方法論分析自己的本科畢業(yè)論文，達(dá)到從熟悉的內(nèi)容入手、掌握課程重點內(nèi)容的目的；通過用大數(shù)據(jù)預(yù)測技術(shù)開展系統(tǒng)預(yù)測，達(dá)到緊跟時代發(fā)展的目的；通過將“中國天眼”預(yù)研、建設(shè)、運行中所涉及的實際系統(tǒng)工程案例貫穿在課程每個章節(jié)的教學(xué)中，以達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的目的。按以上方法對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化后，學(xué)生上課互動性強，對知識點的掌握更加扎實，更好地培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)性思維模式。