基于復(fù)雜性梯度的項目實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計研究

陳志旺 楊亞娜 李軍朋 胡碩 華長春

[收稿日期]20190301

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目（61573305）;河北省研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例（庫）項目（KCJSZ2018025）;燕山大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目（JG201809）

[作者簡介]*陳志旺（1978），男，河北武清人。博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為運動目標檢測與跟蹤。

[摘要]針對“如何提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力”這一教學(xué)難題進行了深入的研究，探討指導(dǎo)教師如何在研究生項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)進行教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新，最終得到切實可行的教學(xué)策略。首先，針對教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜性的特點，進行了詳細解析，提出了復(fù)雜性梯度定律;然后，論述了在項目教學(xué)中，教師依據(jù)復(fù)雜性梯度進行教學(xué)設(shè)計，對提高教學(xué)質(zhì)量的重要意義;最后，提出了在“實訓(xùn)教學(xué)”中，應(yīng)通過“細節(jié)性、動態(tài)性和反饋性”3個方面進行教學(xué)設(shè)計，并以《飛行器視覺》實訓(xùn)課為例，進行詳細的分析，以保證所提方法的可行性。

[關(guān)鍵詞]研究生教育;復(fù)雜工程問題;教學(xué)設(shè)計;實訓(xùn)課程

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2019）050110050引言

2009年，教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于做好全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的若干意見（教研[2009]1號）》，目的是滿足國家經(jīng)濟建設(shè)對高層次應(yīng)用型人才的迫切需要。在文件的第二節(jié)“創(chuàng)新全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生教育的培養(yǎng)模式，確保培養(yǎng)質(zhì)量”中，從“科學(xué)定位”“教學(xué)要求”“實踐要求”“學(xué)位論文”4個方面詳細闡述了對研究培養(yǎng)的要求。除第一部分“科學(xué)定位”外，其他3個部分“教學(xué)要求”“實踐要求”“學(xué)位論文”可以基本對應(yīng)專業(yè)碩士培養(yǎng)的3個環(huán)節(jié)：“課程”“實踐”“課題”（但不是準確對應(yīng)，例如課程學(xué)習(xí)中也有實驗等），這3個環(huán)節(jié)都具有不同的特征、模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)場所及組織形式等，且這3個環(huán)節(jié)將對工程碩士的就業(yè)能力產(chǎn)生不同的影響。其中，實踐環(huán)節(jié)目的性強、標準規(guī)范，有利于動手能力的培養(yǎng)，但由于之前投入較少，教學(xué)經(jīng)驗成果不夠豐富。研究如何提高實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，來提高學(xué)生的相關(guān)能力，具有重要的實際意義。在課程環(huán)節(jié)中，教師只重視理論學(xué)習(xí);在實踐環(huán)節(jié)中，通常教師只重視動手能力。但在實際職業(yè)應(yīng)用中，面對復(fù)雜工程問題時，二者并不是分開順次應(yīng)用的。因此，本文將創(chuàng)新性地融合并分析了這兩個能力[1，2]，在研究生的項目實訓(xùn)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，進行教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新，以達到提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力的研究目的。

如何提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力這一難題，已存在于許多相關(guān)文獻中。研究顯示，大多數(shù)專家只是羅列具體設(shè)計了哪些與復(fù)雜工程問題相關(guān)的教學(xué)項目，獲得了哪些成果。在具體教學(xué)操作過程中仍存在很多需要細化和解決的教學(xué)設(shè)計問題，學(xué)者們對這一方面未進行深入研究，且缺乏針對工程實踐能力培養(yǎng)的具體途徑、方法等系統(tǒng)的理論研究。作者通過多年的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一個重要的措施或思路就是讓“復(fù)雜工程問題”變“簡單”，可以變成幾個簡單問題，也可以讓學(xué)生理解起來覺得簡單。而如何進行教學(xué)設(shè)計來實現(xiàn)復(fù)雜工程問題的簡單化是本文擬解決的主要問題。文章基于作者教學(xué)親身經(jīng)歷，從項目實訓(xùn)教學(xué)中提煉心得，選擇具有真實感和時代感的教學(xué)項目，針對燕山大學(xué)控制工程研究生的《飛行器視覺》研究方向，設(shè)計了具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略[3]。

1復(fù)雜工程問題中的復(fù)雜性解析

教學(xué)系統(tǒng)的組成可按照有無生命分成兩類，有生命組成要素是“教師”和“學(xué)生”，無生命組成要素為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)媒體。目前，信息技術(shù)變革了課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體這4個要素的地位和作用轉(zhuǎn)變上。在有生命的要素中，教師由課堂的主宰者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生意義建構(gòu)的幫助者、促進者，教學(xué)資源的開發(fā)者、提供者;學(xué)生由被動的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸?、知識內(nèi)化及情感體驗的主體。

第5期陳志旺楊亞娜李軍朋胡碩華長春基于復(fù)雜性梯度的項目實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計研究

教學(xué)研究2019

什么是復(fù)雜工程問題？國際高等教育《華盛頓協(xié)議》（以下簡稱為《協(xié)議》）用如下7個特征進行刻畫[4，5]：（1）必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決;（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中;（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。其中，第一條是必備的，它指出了復(fù)雜工程問題的本質(zhì);2～7條是可選的，它們可以看作是復(fù)雜工程問題在不同應(yīng)用場景中的表象?！秴f(xié)議》是針對本科培養(yǎng)而提出的，本科生專業(yè)教育的目標著重體現(xiàn)在一個“本”字?！氨尽闭?，“基本”也，即要求學(xué)生能較好地掌握本門學(xué)科的基礎(chǔ)理論、專門知識和基本技能。而研究生專業(yè)教育的目標則有所偏重，著重體現(xiàn)在一個“研”字。正如有的學(xué)者所言：研究生，乃研究之生，研究方能生。言下之意，研究生專業(yè)教育之目標主要是培養(yǎng)并使被教育者在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域具有較強的研究能力[6，7]。針對上述“復(fù)雜工程問題”的研究生培養(yǎng)中的側(cè)重點如下。

1） 研究生需要解決復(fù)雜工程問題的“復(fù)雜性”更強，即《協(xié)議》1、2、3、7條的程度要深入，例如《反饋控制理論》課程中的穩(wěn)定性概念，本科只要求判斷已知簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而研究生發(fā)表的科技論文要對設(shè)計的控制器進行穩(wěn)定性證明。

2） 不僅僅解決“已知”復(fù)雜問題，還需要善于發(fā)現(xiàn)“未知”問題。即《協(xié)議》4、5、6條的程度要深入。愛因斯坦說過：“提出一個問題比解決一個問題更重要”，這是因為探究自然的奧秘一般是始于發(fā)現(xiàn)并提出問題。從知識建構(gòu)模式來考慮，本科重概念建構(gòu)，碩士重問題探索建構(gòu)。研究生階段授課內(nèi)容則要重視教學(xué)內(nèi)容的前沿性與實踐性，即專業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點、難點、重點以及尚存爭議性的問題和研究發(fā)展的新動向。

3復(fù)雜性梯度定律在項目實訓(xùn)中的應(yīng)用

教師如何在項目實訓(xùn)的教學(xué)設(shè)計中達到較好的教學(xué)效果？根據(jù)復(fù)雜性梯度定律，可以從細節(jié)性、動態(tài)性和反饋性3方面進行教學(xué)設(shè)計：（1）細節(jié)復(fù)雜性可以等價于信息量很大，或完成操作步驟很多;（2）動態(tài)性，不但要考慮教學(xué)內(nèi)容本身，還要全面考慮教學(xué)要素復(fù)雜互動，教師在整合教學(xué)要素過程中充分發(fā)揮主觀能動作用，需具有系統(tǒng)思維，不是僅僅降低教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜度，還要調(diào)動學(xué)生主觀能動性去降低理解復(fù)雜度，例如是否可以通過學(xué)生的協(xié)助、交流降低學(xué)生理解復(fù)雜度、進行交叉解答、答辯展示時相互學(xué)習(xí)等;（3）反饋性可以看成動態(tài)性的特例，除了包含動態(tài)性的特點外，對教學(xué)中的新問題要給出“實時”的教學(xué)設(shè)計，這需要教師平時更多的經(jīng)驗積累。

本文以燕山大學(xué)2017屆控制工程《飛行器視覺》實訓(xùn)課為例，論述實訓(xùn)過程復(fù)雜性梯度的設(shè)計考慮及提高學(xué)生解決工程問題的具體教學(xué)設(shè)計。本實訓(xùn)案例是根據(jù)現(xiàn)實中目標跟蹤的實際問題，對相關(guān)知識或理論進行整合而構(gòu)成的綜合工程項目。

3.1細節(jié)性

教學(xué)設(shè)計中，確定案例時的復(fù)雜工程問題細節(jié)性（可以和《協(xié)議》復(fù)雜問題7個特征相關(guān)條款對應(yīng)）考慮如下。

1） 該項目涉及數(shù)字圖像處理、機器視覺、模式識別等深入的工程原理，還包括C++、OpenCV、Linux、ROS程序設(shè)計、大疆SDK編程等知識，經(jīng)過分析才可能實現(xiàn)跟蹤目標，這不是一個簡單的理論應(yīng)用問題。

2） 項目任務(wù)涉及到多個領(lǐng)域工程知識，某些性能有一定沖突。例如，課題要求方案的實用性，即要滿足實時性（manifold控制器性能約束），也還要考慮可靠性，即識別的準確性（算法計算量大）。這兩個要求是存在一定沖突的，需要充分考慮系統(tǒng)的需求，經(jīng)過不斷地分析與測試后才有可能給出合理的解決方案。

3） 本項目案例具有真實感和時代感，所選平臺為大疆公司2016～2017年研發(fā)的先進產(chǎn)品，主要案例算法為2015年發(fā)表在IEEE PAMI（IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence）上的KCF（Kernelized Correlation Filters）算法，這使得課程具有一定的前沿性，及時把學(xué)科最新的發(fā)展和企業(yè)最新的產(chǎn)品引入課堂。

4） 項目不是僅靠常用方法就可以完全解決的，還存在多方案的選擇和決策問題。例如，可以基于ROS和不基于ROS開發(fā)，Guidance的兩個攝像頭可以只選一個和兩個全用，這就需要學(xué)生根據(jù)需求深入分析從而做出決策。

5） 課題具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。例如，Guidance模塊的驅(qū)動設(shè)計;KCF目標跟蹤代碼設(shè)計;跟蹤代碼的移植和調(diào)試等。

基于復(fù)雜性梯度定律，傳授知識的復(fù)雜性梯度應(yīng)與學(xué)生能力相匹配。因此，一些細節(jié)性措施為：將復(fù)雜的知識“分解”成簡單知識，由易到難;對復(fù)雜知識進行系統(tǒng)性組織，揭示其中內(nèi)在聯(lián)系;提煉要點和關(guān)鍵概念，宏觀上進一步縮小知識量;利用已知的事物理解新的事物，與學(xué)生頭腦中的已知進行“對接”等。

3.2動態(tài)性

實訓(xùn)中的動態(tài)性體現(xiàn)在教學(xué)過程的教學(xué)設(shè)計中。

1） 教師首先向?qū)W生說明將要完成的各子任務(wù);學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，在課下選取相應(yīng)的先修知識進行學(xué)習(xí)，不必將機器視覺、模式識別等課程所有的知識全部學(xué)習(xí)完，有的放矢地學(xué)習(xí)需要的知識;對學(xué)過的課程進行復(fù)習(xí)。

2） 布置項目作業(yè)，作業(yè)具體細節(jié)將在下文進行論述。

3） 指導(dǎo)學(xué)生閱讀案例代碼，進行調(diào)試，同時分小組討論，在完成過程中記錄出現(xiàn)的問題，并向教師提出問題。

4） 教師對與實際案例相關(guān)的知識點進行講解，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做，通過分組討論的形式完成任務(wù)。

5） 建立實訓(xùn)QQ群，課程教師把授課過程中遇到的共性問題整理成文字上傳群里供大家分享，為大家的學(xué)習(xí)提供即時反饋;一些有助于大家學(xué)習(xí)的新資料共享到群文件;發(fā)布新通知。網(wǎng)絡(luò)化過程管理對提高學(xué)習(xí)效果幫助很大。

6） 課程報告為該項目的軟件說明文檔，要求覆蓋相關(guān)的課程、特定的知識點。

7） 答辯PPT為該項目移植總結(jié)。同時，答辯公開進行，所以學(xué)生都參加，這樣可以使學(xué)生從別人的項目中學(xué)習(xí)，開拓視野和思路。

8） 指導(dǎo)教師從工程應(yīng)用和解決問題能力的角度，就方案設(shè)計、方案實現(xiàn)、移植效果和答辯情況等，對學(xué)生完成復(fù)雜工程問題的過程和結(jié)果進行評判，給出成績。

9） 精選學(xué)生中較典型案例，然后移植到manifold上，作為下屆案例。

3.3反饋性

由于是第一次進行該項目實訓(xùn)教學(xué)，該項目的反饋性體現(xiàn)在課下作業(yè)的難度調(diào)整上。

1） 最初筆者的命題是在github、csdn等網(wǎng)站選擇與計算機視覺相關(guān)的案例代碼，1人1題，不許重復(fù)，確定題目的學(xué)生把代碼下載后先傳到QQ群文件，占有開發(fā)權(quán)，其他學(xué)生不得開發(fā)相同題目。

2） 弄明白基本原理，看懂代碼，在此基礎(chǔ)上進行有創(chuàng)意的代碼改進和設(shè)計，鼓勵從應(yīng)用創(chuàng)新的角度去思考設(shè)計計算機視覺工程應(yīng)用代碼;然后移植到大疆的manifold計算機上。該任務(wù)限制了移植平臺，比較難，大家完成作業(yè)的積極性不高，在選修該項目的23人中，僅1人完成。

3） 進行第二次設(shè)計時，降低了難度要求，下載的代碼與計算機視覺相關(guān)，且必須有較復(fù)雜的模式識別算法（例如《圖像處理》課上僅用簡單原理的“直線檢測”案例等不行），移植平臺不限，但該代碼必須調(diào)試成功，且可以演示。這次余下學(xué)生選擇自己的筆記本作為移植平臺，都完成了作業(yè)。

3.4實訓(xùn)心得

第一，學(xué)生在整個研學(xué)過程中都要充分投入。（1）課上由實訓(xùn)案例引領(lǐng)，打好基礎(chǔ);（2）文獻資料，代碼搜集整理;（3）相關(guān)原理學(xué)習(xí)，精讀代碼;（4）移植代碼調(diào)試，同時可向能力高的同學(xué)咨詢交流，或組成團隊;（5）撰寫報告;（6）總結(jié)心得體會;（7）PPT答辯并相互學(xué)習(xí)。上述過程側(cè)重體現(xiàn)“學(xué)生為主體”，淡化“教師為主導(dǎo)”。

第二，教師在整個項目中不僅考慮“知識復(fù)雜性”（細節(jié)性），還要考慮動態(tài)性和反饋性，這些考慮在信息過載和信息多樣性等方面有不同的影響。因此，需要教師付出更高層次的認知努力，通過創(chuàng)新性的教學(xué)設(shè)計降低實訓(xùn)中學(xué)生學(xué)習(xí)的復(fù)雜性。

4結(jié)束語

本文以提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力為目標，針對項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計了考慮復(fù)雜性梯度的教學(xué)策略，即實訓(xùn)教學(xué)中，應(yīng)通過“細節(jié)性、動態(tài)性、反饋性”教學(xué)設(shè)計來使學(xué)生能力和教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜性梯度相匹配。教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體作用是辯證統(tǒng)一的，兩者相互聯(lián)系，相互促進。教師在教學(xué)設(shè)計過程中，復(fù)雜性只是考慮維度之一。俗話說：“兵無常勢，水無常形”，只要有利于學(xué)生接受知識的方法，教師都可以從中汲取教學(xué)營養(yǎng)，以改善教學(xué)行為。

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[責任編輯孫菊]

Project internship teaching design based on complexity analysis

CHEN Zhiwang，YANG Yana， LI Junpeng，HU Shuo， HUA Changchun

（Department of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

AbstractThis article makes an indepth study on how to improve graduates′ ability to solve complex engineering problems. By discussing how to guide teachers to innovate teaching design in the "training" of graduate students， this paper presents ?practical teaching strategies. Firstly， the complexity of teaching content is analyzed， and the complexity gradient law is proposed. Furthermore， it stresses the significance for teaching quality in the teaching design based on complexity gradient law in project teaching.Finally， this article puts forward a teaching design for internship teaching which includes details， dynamics and feedback. To check the feasibility of the proposed method， the practical training course of "Aircraft Vision" is taken as an example to implement the teaching design.

Keywordspostgraduate education; complex engineering problems; teaching design; practical training courses.