瓦斯涌出量預(yù)測軟件開發(fā)課程設(shè)計(jì)

崔炯屏，唐 亮，王永友

(1.西南石油大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500； 2.西南石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610500)

一套完整的專業(yè)軟件往往需要專業(yè)技術(shù)人員和軟件開發(fā)人員合作完成。這一過程不僅要求軟件開發(fā)人員具備扎實(shí)的軟件設(shè)計(jì)和編程的能力，更需要具備快速學(xué)習(xí)新的知識和分析問題的能力。然而，目前在校學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)的課程之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，即使學(xué)習(xí)了幾門程序設(shè)計(jì)課程，也仍然不會制作軟件。用人單位也感覺應(yīng)屆大學(xué)生的編程能力不強(qiáng)、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足[1-3]。對于實(shí)踐教學(xué)的改革研究，各院校都在進(jìn)行著探索。例如軟件工程教學(xué)“項(xiàng)目化”[4]、基于“項(xiàng)目驅(qū)動”的軟件工程教學(xué)[5-6]、校企合作模式[7]等。然而，針對行業(yè)軟件開發(fā)的教學(xué)實(shí)踐卻少有報道。因此，我們選用了一個軟件專業(yè)學(xué)生較為陌生的煤炭行業(yè)的一個問題——“瓦斯涌出量預(yù)測”作為專業(yè)背景，讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式自主調(diào)研、自主設(shè)計(jì)、自主開發(fā)出一個瓦斯涌出量預(yù)測軟件。本課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的，不僅在于提高學(xué)生的基本功、分析和解決問題的能力，更是要讓學(xué)生在實(shí)際的操作過程中體會團(tuán)隊(duì)合作的重要性，積累實(shí)際的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。同時，由于有一個實(shí)際、具體的應(yīng)用背景，本課程設(shè)計(jì)還可以增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的目的性，提高其學(xué)習(xí)專業(yè)知識和動手實(shí)踐的興趣。

1 課程設(shè)計(jì)的總體安排

一個優(yōu)秀的專業(yè)軟件或軟件系統(tǒng)，往往需要專業(yè)技術(shù)人員與軟件開發(fā)人員經(jīng)過長期的合作才能完成。作為課程設(shè)計(jì)，我們不必重現(xiàn)這一完整的過程，但需要完成幾個必要的階段，即調(diào)研分析、軟件設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)這3個過程。一般軟件的開發(fā)過程中都有軟件測試的階段，但本課程設(shè)計(jì)主要在于讓學(xué)生獨(dú)立研發(fā)，基本的測試工作都在編程實(shí)現(xiàn)中完成，因此不將軟件測試作為單獨(dú)的任務(wù)。在完成軟件程序的編制后，應(yīng)要求學(xué)生撰寫相應(yīng)的研究報告。一個項(xiàng)目的研究報告是對該項(xiàng)目的研發(fā)過程的總結(jié)，對研發(fā)成果的展示，甚至有時還能彌補(bǔ)一些實(shí)際問題中的不足。對于研發(fā)團(tuán)隊(duì)自身，積累的研究報告也是團(tuán)隊(duì)內(nèi)部人員總結(jié)提高和培養(yǎng)新人的重要材料。因此，我們把研究報告的撰寫也作為一項(xiàng)重要的任務(wù)。最后，讓學(xué)生各自按實(shí)際情況撰寫一份簡要的心得體會，這不僅是學(xué)生自我總結(jié)和提高的過程，更是教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)和研發(fā)情況的信息來源。因此，本課程設(shè)計(jì)主要分為調(diào)研分析、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、研究報告撰寫和心得體會撰寫4個部分，順序依次完成。

2 調(diào)研分析

對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，“瓦斯涌出量預(yù)測”這一問題是很陌生的，學(xué)生要完全從零開始，逐漸認(rèn)識和理解這一問題的實(shí)質(zhì)。在這一過程中，學(xué)生必須要借助專業(yè)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(如CNKI、維普等)，才能較好地理解這一問題。查閱專業(yè)的文獻(xiàn)，不僅要學(xué)會使用工具，還要學(xué)會逐步地積累知識，并及時利用已有知識深入查閱，不斷反復(fù)，逐步弄清一個問題，這對提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立認(rèn)識問題的能力有很大的幫助。但在具體的實(shí)施過程中，若操作不當(dāng)，仍然容易造成學(xué)生查閱過度深入，甚至導(dǎo)致有些學(xué)生“鉆牛角尖”的情況。因此，需要提供一個調(diào)研的大致思路，對調(diào)研過程進(jìn)行簡化，并對查閱的內(nèi)容進(jìn)行一定的限制。

調(diào)研的思路大致分為4步：第一步，弄清瓦斯的定義及其用途和危害；第二步，基于對瓦斯用途和危害的認(rèn)識，理解預(yù)測瓦斯涌出量對煤炭開發(fā)現(xiàn)場的實(shí)際意義；第三步，調(diào)研目前預(yù)測瓦斯涌出量的主要算法；第四步，選取一個算法，較為深入地學(xué)習(xí)并利用程序?qū)崿F(xiàn)或借助其他工具實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際的教學(xué)過程中，前2步調(diào)研都不難完成，在第3步和第4步教學(xué)中，應(yīng)對學(xué)生的任務(wù)做一些限制。目前預(yù)測瓦斯涌出量的算法很少，如GM(1,1)[4]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、支持向量機(jī)[6]、多元線性回歸[7]等，要將這些算法都調(diào)研清楚顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在實(shí)際的教學(xué)過程當(dāng)中，應(yīng)極大簡化第3步的要求，讓學(xué)生查閱幾篇相關(guān)內(nèi)容的綜述性文獻(xiàn)，對目前的主要算法大致有一個印象即可。同時，以上提及的一些常用算法，若不借助專業(yè)的數(shù)學(xué)軟件(如Matlab、SPSS)，則很難直接用一般的程序語言實(shí)現(xiàn)(如C++、C#、Java等)。因此，本次教學(xué)將預(yù)測算法固定為支持向量機(jī)預(yù)測模型。在學(xué)生理解了支持向量機(jī)基本原理后，學(xué)習(xí)當(dāng)前流行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包Accord.NET的使用。該算法包對學(xué)生來講又是一個全新的內(nèi)容，并且目前的說明文檔只有英文版，因此這對提高學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握新的工具和提高英文的應(yīng)用能力也有所幫助。同時，該算法包集成了大量流行的機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)分析、圖像處理等方法[8-11]，這對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作都會有一定的幫助。

3 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

完成了以上調(diào)研，學(xué)生已大致明確此次課程設(shè)計(jì)需要完成的軟件編程任務(wù)。文獻(xiàn)[12]提出了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中的項(xiàng)目分解教學(xué)法，建議由教師將一個項(xiàng)目拆解為不同的模塊，再將各模塊對應(yīng)不同的知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)。我們認(rèn)同這樣的教學(xué)方法，但在實(shí)際的操作過程中，將部分項(xiàng)目拆解的任務(wù)交給學(xué)生，由他們自行討論該軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)、各模塊設(shè)計(jì)和各項(xiàng)工作的分工。這種方式更能提高學(xué)生的自主性，發(fā)揮學(xué)生的特長，鍛煉他們的團(tuán)隊(duì)合作精神。

在具體的教學(xué)過程中，由教師給出大致設(shè)計(jì)思路，將本次課程設(shè)計(jì)的功能分為3個部分：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出。為盡可能減少學(xué)生的工作量，我們采用.net 2.0以上的平臺進(jìn)行開發(fā)，鼓勵學(xué)生利用.net自帶的各種應(yīng)用程序接口和數(shù)據(jù)處理的工具,如處理集合的LINQ?？紤]到煤炭開發(fā)現(xiàn)場的工作條件的限制，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入功能時，應(yīng)盡可能采用簡單的數(shù)據(jù)存儲工具，如CSV文件、Excel等。輸出盡量采用圖形和表格的形式，并且需要制作報表的生成功能。在完成軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過程中，學(xué)生需要充分調(diào)用自己已學(xué)的知識，如C#基本語法、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)等內(nèi)容，并且還需要自行思考讀取和輸出數(shù)據(jù)的方法、設(shè)計(jì)和制作軟件界面、學(xué)習(xí)Accord.net算法集的使用方法，這對學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識、扎實(shí)程序設(shè)計(jì)基本功、學(xué)會靈活運(yùn)用知識有著積極的作用。

4 研究報告的撰寫

一份高質(zhì)量的研究報告往往能起到畫龍點(diǎn)睛，甚至彌補(bǔ)實(shí)際開發(fā)中的不足的作用。研究報告是對已完成工作的總結(jié)，它詳細(xì)記錄了認(rèn)識問題和解決問題的過程，描述了認(rèn)識和解決問題的方法，最終得出成果和不足等重要的內(nèi)容。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在撰寫研究報告的過程，也是重新認(rèn)識問題、總結(jié)解決方案的過程。團(tuán)隊(duì)中各成員可以借助這一過程重新認(rèn)識自己在研發(fā)工作中的成長和不足，深入了解其他成員的工作，加深對項(xiàng)目的整體認(rèn)識。即使本次研發(fā)仍有諸多問題未能解決，但借助研究報告，可以方便以后進(jìn)一步解決或與其他團(tuán)隊(duì)交流，然后共同解決。所以，雖然我們不要求學(xué)生寫出高質(zhì)量的研究報告，但仍然要求學(xué)生完成一份完整的研究報告。研究報告應(yīng)分為以下4個部分：

(1) 瓦斯涌出量預(yù)測問題的背景；

(2) 預(yù)測瓦斯涌出量的方法；

(3) 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；

(4) 取得的成果與不足。

前2個部分主要是對調(diào)研和分析的總結(jié)，這2部分內(nèi)容要求學(xué)生用自己的語言將問題闡述清楚即可。第3部分是此次研究報告的重點(diǎn)，因?yàn)檫@里涉及學(xué)生自主完成的內(nèi)容最多，涉及到的相關(guān)專業(yè)課程的知識也是最多。在軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，有很多部分是讓學(xué)生自行討論和思考，各自選用不同的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，那么這些部分正是體現(xiàn)各小組的特色的地方。對于這些部分的技術(shù)層面的闡述應(yīng)該重點(diǎn)把握，詳細(xì)闡述。第4部分同樣會出現(xiàn)各小組的報告各有特色的情況，因?yàn)楦鹘M學(xué)生基礎(chǔ)的差異導(dǎo)致軟件完成的質(zhì)量各有不同，又由于各組學(xué)生采用讀取、輸出數(shù)據(jù)的方法或者工具不同，最終軟件運(yùn)行的效果也會各有千秋。但這些情況都屬正常，學(xué)生在實(shí)踐中凸顯出各自的長處和不足，更有利于學(xué)生認(rèn)識和提高自己。

5 心得體會的撰寫

不同于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，本次課程設(shè)計(jì)每個學(xué)生都無一例外地要參與其中，與隊(duì)友共同完成課程設(shè)計(jì)中的每項(xiàng)工作。由于自身情況不同，每個學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中擔(dān)任的角色，以至在項(xiàng)目中的成長歷程都有不同。因此，心得體會的撰寫主要讓學(xué)生從3個方面簡要敘述：第一，簡要說明自己在研發(fā)過程中完成的任務(wù)以及完成情況；第二，在完成的過程中遇到了何種困難，最終如何克服的；第三，對本次課程設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件，還有沒有其他的想法，比如算法改進(jìn)、軟件的進(jìn)一步優(yōu)化等。學(xué)生從這3個方面出發(fā)，可以較為完整、系統(tǒng)地回顧、整理、總結(jié)這一次的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，教師也可以從這3個方面較為完整地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)和成長情況。

6 結(jié)束語

本文從一個具體的專業(yè)軟件開發(fā)項(xiàng)目入手進(jìn)行軟件開發(fā)的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自主調(diào)研分析一個“陌生”的問題，并基于對新問題的認(rèn)識自行設(shè)計(jì)和開發(fā)一個專業(yè)軟件。這不僅能夠鍛煉學(xué)生的動手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，更能幫助學(xué)生認(rèn)識專業(yè)知識的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，我們還可以根據(jù)其他的問題或研究項(xiàng)目，將其簡化、加工，設(shè)計(jì)出更多有利于計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)，豐富我們的課堂和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)實(shí)力。

[1] 馬玉潔.基于自主學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革研究[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報，2011(3)：l19-122，125.

[2] 馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育新階段的教學(xué)改革研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2004(9)：7-9.

[3] 張琳.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2009(7)：88-90.

[4] 曾明星，周清平，王曉波，等.軟件工程專業(yè)“項(xiàng)目化”教學(xué)實(shí)施體系的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(5):157-163.

[5] 湯淼.軟件工程專業(yè)“項(xiàng)目驅(qū)動”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013,30(4):267-268,271.

[6] 殷海明，魏遠(yuǎn)旺.本科院校軟件工程教學(xué)模式探索[J].嘉興學(xué)院學(xué)報，2013,25(3):133-137.

[7] 王愛民，谷川.軟件工程專業(yè)校企合作實(shí)踐教學(xué)模式研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012,29(1):143-145.

[8] 肖家平，戴廣龍.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分源預(yù)測綜采面瓦斯涌出量研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(4):51-55.

[9] 崔邯龍，李海濤，孟文清.綜掘工作面瓦斯涌出量的支持向量機(jī)預(yù)測模型[J].煤炭工程，2009(2):75-77.

[10] 呂伏，梁冰，孫維吉，等.基于主成分回歸分析法的回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測[J].煤炭學(xué)報，2012(1):113-116.

[11] 許德武.項(xiàng)目分解法在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(1):98-101.

[12] 李昊，李杰，劉勇.礦井瓦斯涌出量的GM(1,1)模型研究[J].中國煤炭，2012(9):111-113.