面向新工科信創(chuàng)化的系統(tǒng)分析與設計課程改革

劉 波，TYSZBEROWICZ Shmuel，羅 欣

（1.西南大學 計算機與信息科學學院，重慶 400715；2.阿菲卡工程學院 軟件工程系，以色列 特拉維夫 6 998812；3.重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，重慶 400016）

0 引言

大力發(fā)展信息技術應用創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)（“信創(chuàng)”）是當前的國家戰(zhàn)略［1］。該戰(zhàn)略的核心在于針對當下信息通信技術（Information and Communications Technologies，ICT）產(chǎn)業(yè)底層、架構、產(chǎn)品、生態(tài)等要素均由國外制定和控制的整體態(tài)勢，致力于發(fā)展自主可控、安全可信的新型信息基礎設施；培育我國ICT 產(chǎn)業(yè)的自有開放生態(tài)，從而化解當前我國ICT 領域所面臨的“卡脖子”及數(shù)字安全等風險［1］。2018年，基于國家相關發(fā)展戰(zhàn)略及新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢，教育部等三部委聯(lián)合發(fā)文提出了“加快建設發(fā)展新工科、實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0”的意見，旨在以加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織為契機，以新工科建設為重要抓手，持續(xù)深化工程教育改革；加快培養(yǎng)適應與引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的工程科技人才；打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地，提升國家硬實力和國際競爭力［2］。顯然，國家的“信創(chuàng)”戰(zhàn)略和新工科建設對于ICT領域的卓越工程人才培育提出了更高要求。

新工科信創(chuàng)化，即新工科建設與信創(chuàng)戰(zhàn)略相結合。一方面，意味著統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，即發(fā)展新興工科專業(yè)、改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，為面向未來爭奪科技與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略新高地而培育人才；另一方面，在人才培養(yǎng)過程中，更加注重培養(yǎng)適應與引領國家自主可控、安全可信的底層架構構建及標準制定的“新基建”人才，以及有利于自有開放生態(tài)發(fā)展的新型復合型工程人才?；诖吮尘?，西南大學提出了“軟件工程專業(yè)與特色學科相融合、中外合作辦學與新工科信創(chuàng)化建設相融合、高校培育與企業(yè)實訓實踐相融合”的“3+”創(chuàng)新融合培養(yǎng)架構，打造了軟件工程專業(yè)“中外合作、校企共建、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、新工科信創(chuàng)化”4 個課程群（“4C”），構成了西南大學軟件工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的“3+4C”體系。其中，系統(tǒng)分析與設計是“新工科信創(chuàng)化”課程群的核心示范性課程。如何針對系統(tǒng)分析與設計課程實施“新工科信創(chuàng)化”改造，以提升教學成效，本文開展了一系列探索與實踐。

1 課程改革面臨的問題

軟件是定義計算的邏輯制品，是面向抽象且復雜的物理世界實現(xiàn)數(shù)字化、自動化、智能化的邏輯載體［3］。軟件生產(chǎn)是一項極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，需求分析與系統(tǒng)設計則是軟件生產(chǎn)這一系統(tǒng)工程中最具挑戰(zhàn)性和最需創(chuàng)造力的兩個階段［12］。系統(tǒng)分析與設計課程主要圍繞軟件需求分析與系統(tǒng)設計相關理論、技術、過程及工具展開探討，其改革育人成效對于培養(yǎng)高素質、復合型、創(chuàng)新型軟件生產(chǎn)者，以及構建自主可控、安全可信的軟件系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)尤為重要。

從本質上講，系統(tǒng)分析與設計課程是一門系統(tǒng)研究如何通過邏輯分析與邏輯設計構造邏輯制品的課程，具備知識抽象性、問題復雜性、領域相關性、工程實踐性等特點。故軟件工程領域幾代人艱難探索與實踐所凝結出的諸多方法與啟發(fā)規(guī)則，對于幾乎不具備軟件系統(tǒng)分析與設計實踐經(jīng)驗的本科生而言，等同于生澀、枯燥的教條，因而決定了這是一門難教、難學、難上手的課程。不僅如此，在“信創(chuàng)”及新工科背景下，課程還肩負著圍繞自主可控、安全可信、自有生態(tài)等視角樹立正確價值觀的任務。這也決定了本課程的育人目標除知識傳授和能力培養(yǎng)外，還包含價值塑造的功能，即需要在“知識—能力—價值”三位一體的維度上構筑并達成課程育人目標。

從學情上分析，系統(tǒng)分析與設計課程主要面向大二年級軟件工程專業(yè)的學生，其剛完成了一年的數(shù)學思維與計算思維訓練，以及軟件工程領域導論知識的學習與初級編程技能的培訓，因此對軟件工程相關知識、技術與技能體系等已具備了一定的自主判斷能力和自我偏好。故一旦課程讓學生認為“所學非所用”或“所學非所愛”，便極難使學生積極參與教學活動。另外，當代大學生伴隨著信息與通信和智能化技術發(fā)展而成長，傳統(tǒng)教學活動所產(chǎn)生的課堂吸引力，很難與無處不在的娛樂游戲及層出不窮的智能新奇事物相匹敵。一旦課堂乏味，學生便不再關注課堂教學內容，導致教學互動失效，難以達成教學目的。

如何借助“新工科信創(chuàng)化”契機，通過課程改革創(chuàng)新，使課程內容更加實用、豐富、生動，讓學生主動參與線上線下教學互動，達成“三位一體”的課程育人目標以助力實現(xiàn)軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，成為課程教學改革關注的焦點。其中面臨的關鍵挑戰(zhàn)包括：

（1）思政元素融入難。工科類課程普遍存在課程思政案例難尋、刻意融合效果不佳等共性問題。本課程作為一門圍繞“軟件邏輯制品”設計與構建的工科課程，抽象度極高，專業(yè)性極強，思政建設無處著手。

（2）理論實踐結合難。本課程需用基礎理論的“不動點”去對接“動態(tài)流轉”的軟件生產(chǎn)過程，尤其在新工科信創(chuàng)化背景下，需要學生能基于國產(chǎn)自主自有的技術體系完成相關實踐活動，并培育其創(chuàng)新和引領能力，產(chǎn)教脫節(jié)、理論實踐錯配的情形也在所難免。

（3）高階能力培養(yǎng)難。學生受被動教學范式長期浸染，缺乏主動學習思維；在傳統(tǒng)教學組織及評價機制下，學習動力難以激發(fā)；“內卷式”學習使學生團隊協(xié)作思維及能力缺乏，面向復雜問題求解時高階產(chǎn)出不足。

（4）學習過程監(jiān)管難。學生線上線下學習過程時空離散，監(jiān)管難以統(tǒng)一開展，數(shù)據(jù)難以系統(tǒng)采集；針對數(shù)據(jù)的智能分析與反饋手段缺乏實時性，教學現(xiàn)場應對與調整不及時，且事后缺乏針對性的反思與強化，教學成效不顯著。

2 相關研究

為破解系統(tǒng)分析與設計課程教學中所面臨的上述挑戰(zhàn)，教育界很多學者針對系統(tǒng)分析與設計以及其他軟件工程專業(yè)相關課程開展了教學改革研究與探索：

（1）系統(tǒng)分析與設計課程的教學改革研究。羅愛民等［4］針對新工科背景下信息系統(tǒng)分析與設計課程中的實踐教學問題，引入構思—設計—實現(xiàn)—運維（Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO）方法，構建了一體化實踐教學平臺，提出了實踐教學環(huán)節(jié)考核辦法，形成了項目驅動、學生為主、創(chuàng)新為核、依托平臺的思維一體實踐教學模式。該研究針對理論實踐結合難問題提供了方法參考。董悅麗等［5］在CDIO 方法基礎上引入成果導向教育（Outcome-based Education，OBE）理念，通過確定課程目標，關聯(lián)畢業(yè)要求，反向調整課程的教學內容、實施過程及考核辦法，并結合其自定義的TOPCARES-CDIO 能力指標體系對教學活動加以改進，獲得了較好的育人效果。該研究為應對高階能力培養(yǎng)難問題啟發(fā)了思路。馬瑞新等［6］圍繞系統(tǒng)分析與設計課程“價值—知識—能力”三大育人目標，采用項目導向與案例相結合的方式闡述系統(tǒng)建設的基本理論和方法，并基于華為軟件開發(fā)云設計了“基礎知識→核心應用→綜合案例→企業(yè)實踐”的教學流程，以培養(yǎng)學生解決問題的能力和項目實踐能力，同時通過引入工程倫理實現(xiàn)思政融入。該研究在解決思政元素融入、理論實踐結合、高階能力培養(yǎng)等挑戰(zhàn)性問題方面提供了可行的方法。上述研究提出的相關教學改革思路與措施為本團隊整體實施課程“新工科信創(chuàng)化”改革啟發(fā)了新思路，并提供了系統(tǒng)性的方法參考。

（2）軟件工程專業(yè)相關課程的教學改革研究。李竹林等［7］在軟件工程專業(yè)課程教學改革實踐中融入CDIO 方法，并將“問題與案例驅動（Problem and Case-based Learning）”教學法引入理論課教學過程中，同時利用“做中學（Learning by Doing）”的理念改造實踐教學環(huán)節(jié)，取得了良好的教學效果。車海燕等［8］借助OBE 方法打造新工科背景下軟件工程課程設計的教學新模式，并通過產(chǎn)學合作，引入工業(yè)界的主流開發(fā)流程和企業(yè)實際軟件開發(fā)平臺來實施基于項目的教學與實踐，激發(fā)了學生學習興趣，提高了學生的問題解決能力。此外，楊志斌等［9］面向航空航天特色領域的新工科建設需求，探索軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系，并結合編譯原理課程，探討“將科研引入課堂、將學生帶出課堂”的教學科研相互促進機制，提高了學生解決復雜工程問題的能力。這些相關課程的教改研究工作展現(xiàn)了對多種教學法的綜合運用及其與新工科建設需求的融合，為本課程開展相關教改工作提供了新視角。

總之，既往的系統(tǒng)分析與設計及軟件工程專業(yè)相關課程的教學改革實踐，為破解本課程教學改革中所面臨的4項挑戰(zhàn)提供了新視角，啟發(fā)了新思路，使本文得以結合自身特色和學情，打造出融新案例、新流程、新模式、新技術于一體的“四新課堂”。

3 課程改革思路與舉措

課程改革的總體思路為：以“新工科信創(chuàng)化”為指導，以工程教育認證為抓手，圍繞“價值—知識—能力”三位一體的育人目標實施課程教學改革。具體工作從以下兩方面展開：

（1）確定新教學目標。為適應總體改革思路，秉承OBE 理念，緊扣國家、地方及產(chǎn)業(yè)需求，從學校育人定位、培養(yǎng)目標及畢業(yè)目標出發(fā)，確定課程教學需達成目標的基本架構；在“新工科信創(chuàng)化”背景下，根據(jù)課程自身的知識體系和教學規(guī)律進行針對性的改革。

（2）打造四新課堂。針對“新工科信創(chuàng)化”背景下課程教學存在的問題，凝練新案例，實現(xiàn)思政元素的自然融入；打造新流程，將課程理論與基于信創(chuàng)云的實踐相融合；創(chuàng)設新模式，激發(fā)學生的高階學習動力；自研新技術，對教學薄弱環(huán)節(jié)及時進行預警并予以強化。

3.1 教學目標

基于“信創(chuàng)”戰(zhàn)略及新工科建設需要，學校對軟件工程專業(yè)新型工程型人才的育人定位是：培育適應國家地方戰(zhàn)略及經(jīng)濟社會發(fā)展需求，德、智、體、美、勞全面發(fā)展，具有良好科學素質、人文素養(yǎng)、社會責任感和職業(yè)道德，具有扎實的數(shù)學、自然科學基礎理論、工程基礎、專業(yè)理論知識和專業(yè)技能，具有良好的團隊合作和組織管理能力，具有較強的創(chuàng)新能力、終身學習能力以及國際化視野，能夠勝任信息技術項目（或產(chǎn)品）研發(fā)、管理、運維、服務的國際化應用型工程技術人才。

在此定位基礎上，根據(jù)工程教育認證要求，軟件工程專業(yè)確立了12 項畢業(yè)要求。本課程則從“知識傳授—能力培養(yǎng)—價值塑造”三大育人維度出發(fā)，確立了對工程知識、問題分析、設計/開發(fā)解決方案、工程與社會4 個目標下的畢業(yè)要求指標點進行覆蓋，繼而圍繞各指標點進行教學目標制定與課程內容設計，并在“新工科信創(chuàng)化”背景下進一步細化為如表1所示的課程教學目標。

Table 1 New curriculum teaching objectives表1 新的課程教學目標

3.2 四新課堂

為破解思政元素融入難、理論實踐結合難、高階能力培養(yǎng)難、學習過程監(jiān)管難等問題，本課程改革打造了融合新案例、新流程、新模式、新技術的“四新課堂”。

3.2.1 凝練新案例，實現(xiàn)思政元素的自然融入

基本思路：根據(jù)課程的“知識—能力—價值”的育人目標，篩選與之相關的切身事件與時事熱點；通過“軟件定義”的視角來剖析事件，并引入到軟件工程專業(yè)領域；基于信創(chuàng)的“自主可控”與“安全可信”視角抽取凝練新案例，結合知識要點傳授，實現(xiàn)思政自然融入。具體流程如下：

（1）事件選取。選取時應綜合考慮三方面因素：首先，該事件與軟件工程領域的相關知識體系、技能結構、價值導向之間存在映射，否則無法合理、自然地導入到本課程中，該因素是必備因素。其次，該事件與老百姓的日常生活密切相關，且為學生所熟知（如超市購物）。因越熟悉的事件，將其作為驅動案例時，才能更好地彌補本課程理論知識的抽象性，并增強其可理解性，該因素是可選因素。再次，該事件是近年來發(fā)生的熱點事件并引起過民眾的高度關注（如新冠爆發(fā)），針對此類事件，學生才有興趣從不同視角（尤其是軟件工程領域視角）對其重新進行審視，該因素也是可選因素。其中，必備因素是事件選取時必須考慮的條件，備選事件對上述因素覆蓋越多、耦合越強，就越適合選取并凝練作為思政新案例。

（2）領域導入。深刻理解人們正進入一個“軟件定義一切”的時代：軟件正以計算為核心手段，構造越來越多現(xiàn)實世界應用問題的解決方案。透過備選事件紛繁復雜的外部表現(xiàn)，將視線集中在支持其運作的底層信息基礎設施上，便可定位到其軟件系統(tǒng)內核，繼而基于軟件工程專業(yè)視角剖析其中可能存在的問題。

（3）案例凝練。從信創(chuàng)視角出發(fā)，在備選事件所蘊含的軟件工程領域問題中，基于“自主可控”與“安全可信”兩個維度進行審視，并進行案例重構。在尊重備選事件原有事實基礎上，凝練出該事件在軟件工程領域信創(chuàng)化視角下的新案例。凝練的新案例需重點覆蓋課程目標4，同時可為其他3個課程目標的達成提供案例支持。

以“超市購物”案例的凝練及思政融入過程為例。選擇該案例首先是基于講解用例知識中關于“直接參與者”與“間接參與者”之間差異的需要（課程目標2），同時培育學生在構建用例模型（用例圖）方面的技能（課程目標2），以及使學生意識到自己在需求分析中所作的決策可能產(chǎn)生的經(jīng)濟社會影響（課程目標4）。其次是事件面向軟工領域的導入：考慮顧客在超市購物時進行商品掃碼結算這一基本事件過程。切入該事件的軟工角度則是“顧客”（參與者）在“掃碼結算”（用例）時是作為“直接參與者”還是“間接參與者”。最后基于“可信”視角（即邏輯系統(tǒng)應正確刻畫目標物理系統(tǒng)）重構該案例：知識上表現(xiàn)為通過構造案例中業(yè)務場景的變化，螺旋式加深對兩種不同類型參與者的認知。即最初有極大概率會有學生誤認為顧客是掃碼結算用例的直接參與者，但回顧顧客在收銀臺買單的過程，發(fā)現(xiàn)實際與收銀系統(tǒng)進行交互并完成掃碼結算的是收銀員，故收銀員才是掃碼結算用例的直接參與者，而顧客是間接參與者。之后，提示學生們考慮當下超市提供的自助收銀服務流程，此時顧客作為掃碼結算用例的直接參與者便是合理的。技能上表現(xiàn)為考察學生在繪制用例圖時，顧客作為參與者與掃碼結算用例之間是否存在關系（即是否應加上關系連線）。此外，還需特別提醒學生：作為系統(tǒng)分析師，建模中要深思熟慮，謹慎抉擇，以構造可信的模型。例如在顧客與掃碼結算用例之間多加一條關系線，讓顧客成為掃碼結算用例的直接參與者，完成系統(tǒng)研發(fā)與運維所付出的經(jīng)濟社會代價為：系統(tǒng)研發(fā)團隊需付出額外的人力、時間、經(jīng)濟成本；超市需額外提供一個專門的自助收銀區(qū)，購置并維護一定數(shù)量的自助收銀機，雇傭并培訓若干管理機器及輔助實施自助收銀的店員。由此可見，系統(tǒng)分析師（學生）構建的需求模型是否可信，影響巨大。

3.2.2 打造新流程，將課程理論學習與基于信創(chuàng)云的實踐相融合

基本思路：首先，分別將基于MOOC［13］和SPOC［14］的教學環(huán)節(jié)連接到課堂教學，構造線上線下一體化（Online-offline Blended，OOB）［15］的理論與實驗教學流程。其次，將該教學流程對接到華為CodeArts（原DevCloud）平臺［10］：將課程的教學活動對應到真實軟件系統(tǒng)工程中的構建活動及管理活動，將線上線下教學流程中的預期產(chǎn)出（Outputs），映射到軟件系統(tǒng)構建及交付周期中需要生產(chǎn)并通過CodeArts 管控的各類軟件制品（Artefacts）中，以實現(xiàn)課程教學與軟件生產(chǎn)的一體化。主要措施包括：

（1）線上線下教學一體化。從表1 的課程目標中不難發(fā)現(xiàn)，本課程教學內容具備體量大、涉及廣、理論深、實踐難的典型特征。受物理時空限制，采用單一的課堂教學幾乎無法達成既定的教學目標，更不可能充分實現(xiàn)從低層思維到高層思維的躍進，進而實現(xiàn)更高水平的認知學習。故本文引入MOOC 和SPOC 來破除傳統(tǒng)單一課堂時空的信息物理局限，豐富了傳統(tǒng)線下課堂的課前和課后教學環(huán)節(jié)，給予學生充分的學習時間。讓每個學生在課前的線上學習中打下較好的知識基礎，進而走進線下課堂進行體系補全、弱點強化、重難點突破，最后通過課后的線上學習進一步提升相關能力，實現(xiàn)更高層次的認知學習。為此，課程團隊累計開發(fā)線上授課視頻100 個，總時長119 學時，測驗和作業(yè)33 個，習題198 道，并同國內多家著名的軟件企業(yè)開展合作，引進真實的項目案例（經(jīng)商業(yè)脫敏），打造本課程豐富的案例庫用于課前預習和課后提升。

每個課時的教學流程圍繞一個話題展開，一般包括三個環(huán)節(jié)：導入環(huán)節(jié)、視聽環(huán)節(jié)、輸出環(huán)節(jié)。在導入環(huán)節(jié)，教師將展示該話題相關的詞匯，增加學生的詞匯儲備，為接下來的聽力和口語任務做準備。在視聽環(huán)節(jié)，筆者首先會根據(jù)話題選擇相關的視頻或音頻。在選擇視頻或音頻的過程中，需要注意以下幾點：視頻或音頻的語速要適中；生詞、難詞不宜過多；長度需要控制在一定范圍內。選擇好視頻或音頻材料后，需要根據(jù)學生的認知水平設計相應的任務，任務的類型盡量多樣化，包括選擇、填空、排序、判斷正誤、復述等。在輸出環(huán)節(jié)，筆者通常會設計個人發(fā)言、角色扮演、小組討論、辯論等口語活動，引導學生鞏固本課所學，進行語言輸出。

（2）課程教學與軟件生產(chǎn)一體化。表1 的各項課程目標均蘊含著踐行信創(chuàng)戰(zhàn)略的意圖，即面向國產(chǎn)自主自有ICT 底層架構及產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展需求，培養(yǎng)創(chuàng)新型軟件工程人才。在信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)中，信創(chuàng)云處于信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)承上啟下的關鍵位置，發(fā)揮著重要作用；華為云則是信創(chuàng)云產(chǎn)業(yè)格局中的重要支柱之一；華為開發(fā)云（DevCloud）及其后續(xù)產(chǎn)品CodeArts 作為軟件系統(tǒng)集成開發(fā)與項目管理的重要云底座，是國產(chǎn)自有/自主的代表性ICT 底層架構?；谂c華為的產(chǎn)教合作，教學團隊選擇面向CodeArts 進行對接：首先打破課程章節(jié)，基于CodeArts 所管控的軟件交付全生命周期及軟件工程領域主流的過程模型，重新組織教學過程與內容，包括需求下發(fā)、需求描述與建模（CodeArts 暫不支持需求建模與模型管理）、系統(tǒng)架構設計與建模（CodeArts 暫不支持）、代碼提交與編譯、軟件系統(tǒng)驗證、部署與運維等階段，并開發(fā)出與上述各階段一一對應的課程資源包（Package），每個課程資源包有1～3 個課程報告（Lectures），每個課程報告即一個理論及實驗授課單元。然后將軟件系統(tǒng)各階段需要交付的軟件制品（Artefacts）及CodeArts需要管控的文檔，和預習作業(yè)及測驗、課堂練習或演講、復習作業(yè)及測驗、實驗實訓報告、課程論文等課程任務的設計與產(chǎn)出對應起來，實現(xiàn)“學中做”（Practice-in-learning）與“做中學”（Learning-by-doing），進而實現(xiàn)理論與實踐的有機結合。

3.2.3 創(chuàng)設新模式，激發(fā)學生高階學習動力

基本思路：新工科要求培育引領性的工程科技人才，達成該目標需通過高階思維與高水平認知學習來完成。要讓一門難教、難學、難上手的課程，吸引學生通過主動、深入地思考與實踐去破解挑戰(zhàn)性問題，需創(chuàng)設一個能激發(fā)學生高階學習動力的課堂氛圍。為此，教學團隊從課堂打造和機制革新入手，創(chuàng)設了趣味課堂活動與多維評價機制相融合的新模式：

（1）打造趣味課堂。在教學活動中結合案例/項目驅動教學法（Case/Project-driven Learning，CDL/PDL）與基于問題的教學法（Problem-based Learning，PBL）［16］兩種教學范式：一方面通過凝練的新案例進行一些知識與技術的傳授，并將課程知識體系與技能架構整體置于一個產(chǎn)業(yè)界項目（如華為案例項目“鳳凰商城”）中；另一方面，在每次授課前或授課中，教師會圍繞當期課程報告（Lecture）的專題，提前設計若干個由淺入深、由易到難的開放性、挑戰(zhàn)性問題，供學生分組討論、協(xié)作求解。此外，為增加課程的趣味性，本團隊還創(chuàng)設了“挑戰(zhàn)者游戲”和“勇敢者游戲”兩種課堂教學活動（見下文關于新模型運行機制的探討）。

（2）革新評價機制。與“試卷定總分”的評估機制不同，本文確立了“知識/技能并重”“線上/線下并行”“平時/期末成績并舉”“團隊/個人貢獻并重”的多維評估體系：E1—以考核知識為主的個人線下期末成績占40%；E2—同時考核知識與實踐技能的個人線上平時成績（理論課前與課后）占20%，E3—同時考核知識與實踐技能的團隊及個人線下平時成績（理論課中）占20%，E4—以考核面向產(chǎn)業(yè)界實訓技能為主的團隊線下實驗成績（實驗課中）占20%。

新模式運行機制為：

（1）勇敢者游戲。即勇敢者搶占講臺，為本人及團隊贏得E3 加分。本課程期末授課的大部分課程將隨機發(fā)布15min 以內的課堂練習，這些練習一般是針對重難點教學內容設計的高階開放式問題，需團隊協(xié)作求解。講臺上每次預留3～5 個板書位置，問題一經(jīng)發(fā)布，學生即討論并設計解決方案。先破解問題的小組可推舉一人搶占板書位置，直至所有位置被搶占完畢。余下小組自動轉換為同行評審組，針對“勇敢者”小組的方案進行評價，優(yōu)秀的同行評審也可為本人及團隊獲得E3加分。

Fig.1 Scoring criteria for challenger-defender game圖1 挑戰(zhàn)者游戲打分標準

新的教學活動及對應的評價機制讓教學在協(xié)作與競爭、批判式學習中變得非常有趣，激發(fā)了學生主動學習的興趣，使其在課堂上保持高度專注，促進了高階學習成果的穩(wěn)定輸出。

3.2.4 自研新技術，針對教學薄弱環(huán)節(jié)及時進行預警并予以強化

基本思路：采用線上線下一體化（OOB）教學模式，在線下環(huán)節(jié)，當面對數(shù)量較多的學生群體進行授課時，教師無法全面、精準、及時地兼顧教室內的全部或大部分學生；在在線授課環(huán)節(jié)，授課教師在講授課件、傳授知識、展示操作的同時，無法通過小尺寸視頻窗口觀察眾多學生的學習狀態(tài)，以便適時調整講課節(jié)奏，使學生始終保持專注。此外，對于課前、課后學生的線下自學環(huán)節(jié)，學生的學習狀態(tài)同樣無法掌握。鑒于此，本文研發(fā)了基于面部表情分析的情感計算智慧教學輔助系統(tǒng)（iTAS），并將其應用于OOB 教學過程中。

iTAS 實現(xiàn)了：①基于移動端和桌面端的音視頻采集服務；②基于音視頻大數(shù)據(jù)的情感計算深度學習服務；③基于宏表情與微表情分析的群體情感計算模型及開放應用程序服務；④基于多模態(tài)證據(jù)融合的學習狀態(tài)綜合評估服務。

iTAS 既可以通過手機實時采集視頻群像及環(huán)境音頻，追蹤各學生的表情變化，識別學生個體及群體情感，對學生的學習狀態(tài)實施精確判定、自動標注、綜合評估，并向授課教師提供實時的課堂預警，幫助教師適時調整授課方法（見圖2），又可以在學生本人知情的情況下，調用學生屏幕前的攝像頭追蹤其疲倦、失神、困惑等情感，進而定位到當時的知識點，向學生本人提出學習建議。

Fig.2 iTAS main page for overall classroom performance evaluation and early-warning圖2 iTAS課堂教學狀態(tài)評估及實時預警界面

嵌入iTAS 的OOB 教學框架如圖3 所示。通過對學生課前—課中—課后的線上線下學習過程進行全程監(jiān)控與智能分析，可輔助查漏補缺、弱點強化、重難點突破等教學活動。

Fig.3 iTAS-integrated framework for OOB teaching圖3 嵌入iTAS的OOB教學框架

4 課程改革成效

近三年來，本教學團隊在西南大學計算機與信息科學學院軟件工程（中外合作辦學）專業(yè)的部分班級進行了課程改革教學試點。相應班級學生的學習成效（Outcomes）及問卷反饋結果表明，本課程改革很好地提升了教學質量。以最近一次（2022-2023 學年第一學期）的系統(tǒng)分析與設計課程為例，其OBE 課程目標達成度較好，如表2所示。

Table 2 Achieved degree analysis for system analysis and design course表2 系統(tǒng)分析與設計課程達成度分析

在達成度計算公式中，i表示第3.3 節(jié)評估體系中的E1-E4 4 個評估維度（分別代表期末、線上、線下、實驗），j表示課程目標1～4，Eij表示針對課程目標j，在第i個維度上的班級評估均分。相似地，Tij表示針對課程目標j，在第i個維度上的考核滿分。任一課程的目標達成度的計算過程為：首先求得該課程目標在E1-E4 上各自獲得的班級評估均分占該目標對應的4 個維度考核滿分的百分比，然后求得4 項百分比的加權和——即該課程目標的達成度。其中，求加權和時用到的各權重，分別為該課程目標在E1～E4 維度上的考核滿分占該課程目標對應4 個維度考核總分（即4個考核滿分之和）的比例。

同時，本課程還發(fā)放了在線調查問卷，從當期42 名學生中收回了29 份問卷。問卷結果顯示：學生高度認可本課程教學內容、方式及具體實施過程，同時認可本課程在知識—能力—價值3 個維度及4 個課程目標上的培養(yǎng)成效，各方面的滿意度均超過90%。

此外，本課程的后繼課程為大三年級的“學年設計”與大四年級的“畢業(yè)設計”。本課程所培養(yǎng)的問題分析能力（課程目標2）及設計/開發(fā)解決方案的能力（課程目標3）為培養(yǎng)相關后繼課程中的軟件工程復雜問題求解能力及軟件系統(tǒng)構建綜合能力打下了良好基礎。以大四年級的畢業(yè)設計課程為例，通過分別隨機抽取19 名曾參與本課程改革試點班學習和未參與改革試點班學習的2022 屆及2023 屆本科畢業(yè)生，其畢業(yè)設計成績對比如表3 所示。由表3 可知，參與過試點班學習的學生相較于未參與學習的學生，畢業(yè)設計的完成情況更佳，并展現(xiàn)出更強的復雜問題求解能力及系統(tǒng)綜合構建能力。

Table 3 Comparison of student graduation design scores表3 學生畢業(yè)設計成績對比

5 結語

本文探討了面向“新工科信創(chuàng)化”的系統(tǒng)分析與設計課程改革，特別針對課程教學中存在的思政元素融入難、理論實踐結合難、高階能力培養(yǎng)難、學習過程監(jiān)管難問題，修改了課程目標以適應“新工科信創(chuàng)化”的要求，打造了融合新案例、新流程、新模式、新技術的“四新課堂”。實踐結果表明，該課程的OBE 課程目標達成度較好，學生的復雜問題求解能力及系統(tǒng)構建綜合能力明顯提升。此外，本課程研發(fā)的新技術iTAS 及其嵌入到OOB 教學過程應用實施的新范式，已經(jīng)推廣到重慶醫(yī)科大學的部分其他課程。