面向復(fù)雜工程問(wèn)題的計(jì)算機(jī)類能力培養(yǎng)探索研究

彭玉青 董永峰 許智宏 汪鵬 侯向丹

摘 要：培養(yǎng)大學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力是本科生培養(yǎng)方案畢業(yè)要求里的一個(gè)重要指標(biāo)。如何提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，就要針對(duì)其能力特征，構(gòu)建以能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)類的課程體系，分層次、分階段、系統(tǒng)綜合地組織面向復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的課程群，通過(guò)建立滿足復(fù)雜工程特征要求的典型案例庫(kù)，在實(shí)踐中提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問(wèn)題;課程體系;案例庫(kù);課程群

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-9132（2020）16-0003-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2020.16.001

隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的全面實(shí)施，與社會(huì)需求相適應(yīng)的復(fù)雜工程問(wèn)題重要作用愈加凸顯。在新修訂的工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的12條畢業(yè)要求里就有8條提到了“復(fù)雜工程問(wèn)題”。把解決復(fù)雜工程問(wèn)題作為基本訴求，強(qiáng)調(diào)在培養(yǎng)中突出學(xué)生整體解決方案的能力。畢業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)新時(shí)期高等學(xué)校的教育提出了新的要求，不能再像以往那樣只注重知識(shí)的傳授，概念的理解，而是要把知識(shí)、理論應(yīng)用轉(zhuǎn)化在實(shí)際工程問(wèn)題的解決上，尤其是對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的分析、設(shè)計(jì)、解決和評(píng)價(jià)上。這就要求專業(yè)課程教師在講授知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，更加關(guān)注理論在實(shí)際中的應(yīng)用，關(guān)注與其他課程銜接、綜合應(yīng)用解決復(fù)雜工程問(wèn)題的轉(zhuǎn)變上，加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，從統(tǒng)一的觀點(diǎn)和角度把握理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的關(guān)系[1-2]。

雖然近幾年許多高校參加并通過(guò)了工程教育認(rèn)證，但對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解還有偏差，教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置的工程問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單，不具備復(fù)雜工程問(wèn)題的基本特征，因此達(dá)不到培養(yǎng)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。復(fù)雜工程問(wèn)題提煉不準(zhǔn)確，一方面是因?yàn)橐痪€教師的工程應(yīng)用背景少，大多數(shù)教師一畢業(yè)就分配到高校，參與的實(shí)際工程項(xiàng)目少，因此難以從工程應(yīng)用中提煉出復(fù)雜工程問(wèn)題，并將其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、因素、分析過(guò)程、解決方案設(shè)計(jì)在理論課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中。另外，復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性、全局性的工作，它不應(yīng)該只是一門課程的目標(biāo)[3]，也不應(yīng)該是一位教師的責(zé)任，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)一門課的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，一個(gè)具體項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，甚至僅僅通過(guò)綜合實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)等幾個(gè)環(huán)節(jié)就讓學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，而是必須通過(guò)整個(gè)培養(yǎng)體系實(shí)現(xiàn)，落實(shí)到培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

一、以能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)類課程體系的構(gòu)建及培養(yǎng)過(guò)程

復(fù)雜工程問(wèn)題的解決需要與問(wèn)題相匹配的基礎(chǔ)知識(shí)、工程理論、專業(yè)技能和綜合素養(yǎng)，這些都是專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中課程體系需要設(shè)置的內(nèi)容，因此在課程體系設(shè)置的過(guò)程中就要綜合考慮課程最終傳授給學(xué)生的能力是什么，是否支撐解決復(fù)雜工程問(wèn)題。針對(duì)計(jì)算機(jī)大類的培養(yǎng)目標(biāo)，按照支持解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”畢業(yè)要求達(dá)成的需要，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力為核心，基于OBE理念，圍繞培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，構(gòu)建以能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)類的課程體系，涵蓋通識(shí)教育課程、專業(yè)教育課程、集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、自主學(xué)習(xí)課程、第二課堂活動(dòng)五大模塊。其中，通識(shí)教育模塊培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維、工程基礎(chǔ)、人文素養(yǎng)功底，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ);專業(yè)教育課程滿足計(jì)算機(jī)類專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的要求，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)合作和問(wèn)題解決能力，并且通過(guò)這些知識(shí)的學(xué)習(xí)使得學(xué)生畢業(yè)時(shí)能夠針對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施解決;集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通過(guò)設(shè)置綜合的軟、硬件實(shí)踐，實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，通過(guò)與企業(yè)合作，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

在五大模塊中，以通識(shí)教育課程、專業(yè)課程中的專業(yè)基礎(chǔ)課程為知識(shí)和理論的基本支撐，以專業(yè)課和集中實(shí)踐為應(yīng)用理論和實(shí)踐技能，銜接軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的復(fù)雜工程問(wèn)題，通過(guò)典型的實(shí)踐環(huán)節(jié)和綜合訓(xùn)練，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)、分析和建模，提出解決方案并進(jìn)行對(duì)比分析和優(yōu)化，最終通過(guò)歸納和信息綜合，得到合理有效的結(jié)論。通過(guò)有針對(duì)性的具有復(fù)雜工程問(wèn)題特征的實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)“系統(tǒng)規(guī)劃—需求分析—系統(tǒng)設(shè)計(jì)—編程實(shí)現(xiàn)—測(cè)試與優(yōu)化—展示答辯”等環(huán)節(jié)，學(xué)生得到解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的全面訓(xùn)練。復(fù)雜工程能力培養(yǎng)過(guò)程示意如附圖1所示。

二、基于復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的課程群建設(shè)

復(fù)雜工程問(wèn)題在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中給出了明確的定義，必須具備如附圖2所示的中間特征，同時(shí)具備其他6個(gè)特征中的部分或全部。

大部分的單門課程是不具備復(fù)雜工程問(wèn)題的特征的，尤其是實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜工程問(wèn)題往往涉及多學(xué)科、軟硬件、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、綜合等多方面因素，因此就需要綜合利用課程體系中的多門課程的知識(shí)和技能，從不同角度、不同層面、不同方向系統(tǒng)地進(jìn)行整體的分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、實(shí)施。而以往的教學(xué)以每門課程為中心，各門課獨(dú)立規(guī)劃獨(dú)立教學(xué)，很少體現(xiàn)本層次的知識(shí)與其他層次之間的關(guān)聯(lián)，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)的孤島[4-6]，難以建立完整而系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)體系和實(shí)踐體系，導(dǎo)致能力培養(yǎng)缺乏連續(xù)性、漸進(jìn)性和系統(tǒng)性，因此圍繞計(jì)算機(jī)類人才所需的四個(gè)能力，構(gòu)建面向復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)的課程群，從軟件、硬件、系統(tǒng)三方面培養(yǎng)學(xué)生全方位的綜合工程實(shí)踐能力。構(gòu)建面向計(jì)算思維及算法設(shè)計(jì)的課程群，從問(wèn)題出發(fā)，按照求解問(wèn)題的思路，從表達(dá)、模型建立和問(wèn)題求解三方面，分步分層構(gòu)建問(wèn)題與解答之間的橋梁，理順求解過(guò)程中的知識(shí)點(diǎn)及其關(guān)系，把需要掌握的計(jì)算思維特征、程序設(shè)計(jì)和算法分析分解到每一個(gè)具體的教學(xué)內(nèi)容之中;構(gòu)建面向軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的課程群，通過(guò)不同學(xué)期的課程，逐步奠定軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)、提升軟件開(kāi)發(fā)能力、強(qiáng)化專業(yè)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力;構(gòu)建面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的課程群，圍繞計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的軟硬件技術(shù)，軟硬結(jié)合，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮雙方的性能、效率、難易程度，并進(jìn)行方案比較，尋找同時(shí)滿足兩方面的最佳解決方案。

三、基于復(fù)雜工程問(wèn)題的典型案例庫(kù)建設(shè)

大部分教師缺乏工程實(shí)踐經(jīng)歷，因此難以提煉復(fù)雜工程問(wèn)題，如何根據(jù)行業(yè)需求和企業(yè)需求提煉典型案例并用于實(shí)踐中是提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的關(guān)鍵。

根據(jù)培養(yǎng)的計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，在課程群內(nèi)和課程群間梳理課程之間以及群之間的聯(lián)系，分析課程或課程群在各個(gè)能力培養(yǎng)中承擔(dān)的角色，結(jié)合企業(yè)需求，篩選出典型的復(fù)雜工程問(wèn)題，體現(xiàn)能力培養(yǎng)的層次性、漸進(jìn)性和系統(tǒng)性，形成典型復(fù)雜工程案例，應(yīng)用在課程實(shí)驗(yàn)、有關(guān)算法設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)、相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)的綜合實(shí)踐、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)以及實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)和實(shí)踐過(guò)程中，同時(shí)通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)、研究導(dǎo)向等多種形式的教學(xué)方法，讓學(xué)生在具有典型復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐中深刻理解所學(xué)知識(shí)，并綜合利用所學(xué)進(jìn)行深入的分析、多因素多技術(shù)的比較、各種沖突的解決等，甚至提出批判性的思考，提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

本科工程教育的基本定位就是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，從復(fù)雜工程問(wèn)題的定義出發(fā)，明確聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)的基本要求，構(gòu)建以能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)類的課程體系，深入探析復(fù)雜工程問(wèn)題的特征和解決途徑和方法，掌握其內(nèi)涵，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)、組織實(shí)施、達(dá)成評(píng)價(jià)將復(fù)雜性融入到培養(yǎng)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，糾正學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力評(píng)價(jià)指標(biāo)點(diǎn)分解誤區(qū);通過(guò)組織面向復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的課程群，建立基于復(fù)雜工程問(wèn)題的典型案例庫(kù)，通過(guò)典型案例的實(shí)踐有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

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