面向復(fù)雜工程問題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程體系

戴牡紅

（湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

十幾年前，中國開始工程教育的專業(yè)認(rèn)證工作，在工程教育領(lǐng)域與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，對教育理念的更新和教育質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立起到了很大的推動(dòng)作用[1]。工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中有多條提到“復(fù)雜工程問題”。“復(fù)雜工程問題”必須通過運(yùn)用深入的工程原理才能得到解決，一般而言，沒有固定、簡單的方法[2]。培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力應(yīng)貫穿于四年本科教育中，基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課均應(yīng)對解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)承擔(dān)責(zé)任。工科類本科教學(xué)中，復(fù)雜工程問題在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中都存在。在課程設(shè)計(jì)、課程作業(yè)、綜合練習(xí)、綜合實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)主動(dòng)將工程問題的復(fù)雜性融入教學(xué)內(nèi)容，對解決復(fù)雜工程問題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、組織實(shí)施和能力達(dá)成評價(jià)[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程能力培養(yǎng)

學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力可以從課程層面、設(shè)計(jì)層面和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3個(gè)層面培養(yǎng)：①課程層面，每門核心課程須有“課程實(shí)驗(yàn)”，必有“綜合設(shè)計(jì)”；②設(shè)計(jì)層面，在第3個(gè)夏季學(xué)期設(shè)4個(gè)學(xué)分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，類似國際上的Capstone課程，重在“綜合、設(shè)計(jì)”；③畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）層面，在第八學(xué)期進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），整合專業(yè)課程學(xué)習(xí)，通過項(xiàng)目（具備復(fù)雜工程特征）實(shí)作（研究），培養(yǎng)創(chuàng)新與研究能力，重在創(chuàng)新、研究[4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[5]。工程設(shè)計(jì)的基本流程見圖1。

圖1 工程設(shè)計(jì)的基本流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程整合畢業(yè)要求，從專業(yè)性方面，解決復(fù)雜工程問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)。從通用性方面，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、領(lǐng)域整合、有效溝通、項(xiàng)目管理、主動(dòng)學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程要培養(yǎng)學(xué)生具備通用性能力，見圖2。

圖2 通用性能力培養(yǎng)

2 設(shè)計(jì)類課程的管理方法

夏季學(xué)期共4周，是正常教學(xué)時(shí)間，不是暑假實(shí)習(xí)。按照培養(yǎng)計(jì)劃規(guī)定，學(xué)生需要取得4個(gè)必修學(xué)分。依據(jù)國際工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，夏季學(xué)期課程教學(xué)的核心目標(biāo)是復(fù)雜系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)訓(xùn)練。夏季學(xué)期是教學(xué)的重要組成部分，以基本能力訓(xùn)練和養(yǎng)成、復(fù)雜系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力提升為教學(xué)的主要目標(biāo)。根據(jù)已定教學(xué)計(jì)劃要求，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)夏季學(xué)期教學(xué)，取得真正實(shí)效，達(dá)到教學(xué)計(jì)劃目標(biāo)，這是每位夏季課程設(shè)計(jì)類教師的本職工作，也是每位學(xué)生應(yīng)完成的必修學(xué)分。三年級學(xué)生夏季學(xué)期教學(xué)項(xiàng)目基本目標(biāo)是復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

各系系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程的開設(shè)情況如下：①計(jì)算機(jī)科學(xué)系，負(fù)責(zé)開設(shè)編譯器設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩門課程；②通信工程系，負(fù)責(zé)開設(shè)交換機(jī)與路由器設(shè)計(jì)課程；③軟件工程系，負(fù)責(zé)開設(shè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件測試工具設(shè)計(jì)兩門課程；④計(jì)算機(jī)工程系，負(fù)責(zé)開設(shè)智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CPU設(shè)計(jì)3門課程；⑤信息工程系，負(fù)責(zé)開設(shè)三維渲染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)課程；⑥網(wǎng)絡(luò)空間安全系，負(fù)責(zé)開設(shè)安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、涉密信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩門課程。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)夏季學(xué)期課程體系

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的核心內(nèi)容為如何分析、設(shè)計(jì)、存儲、使用和管理數(shù)據(jù)，這門課程的特點(diǎn)是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。本課程的任務(wù)是通過各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，使學(xué)生在掌握數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫語言及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等基本理論知識的基礎(chǔ)上，熟練地掌握使用各種工具進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)管理等工作。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)夏季學(xué)期課程主要是實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)課和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程的基礎(chǔ)上，要設(shè)計(jì)一個(gè)具有基本功能的數(shù)據(jù)庫原型系統(tǒng)，其目標(biāo)旨在加深對計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的認(rèn)識，初步掌握數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS組成模塊和應(yīng)用接口的編程與使用方法，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的工程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件的分析與設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生組織管理能力、較強(qiáng)的語言文字表達(dá)能力和人際交往能力以及良好的團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)文檔的寫作能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后的工程實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)HnuSQL主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)和任務(wù)包括：①支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的基本功能，包括表管理操作，數(shù)據(jù)的存儲、更新和刪除操作，基于索引的查詢，批處理及對表結(jié)構(gòu)更改等操作；②支持可擴(kuò)展性。

3.1 擬設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)

擬設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫管理原型系統(tǒng)HnuSQL（Hunan University SQL）采用客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)見圖3。

系統(tǒng)由SQL接口、解析器、優(yōu)化器、緩存和存儲引擎等核心模塊組成。

3.2 擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)任務(wù)以項(xiàng)目組的形式完成，一個(gè)大項(xiàng)目組由16～20個(gè)學(xué)生組成，選定一個(gè)項(xiàng)目經(jīng)理，項(xiàng)目經(jīng)理確定該組的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)工具、編程語言和開發(fā)工具，組內(nèi)各成員不可以選擇其他的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)境。HnuSQL由以下八大模塊（子系統(tǒng)）組成：

（1）HnuSQL存儲引擎，存儲引擎提供了數(shù)據(jù)庫訪問接口的具體實(shí)現(xiàn)方法。

（2）HnuSQL數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，提供創(chuàng)建一個(gè)新數(shù)據(jù)庫、刪除一個(gè)數(shù)據(jù)庫及其所有表、給出服務(wù)器的一個(gè)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)消息。

（3）數(shù)據(jù)庫備份子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)HnuSQLdump數(shù)據(jù)庫備份工具，實(shí)現(xiàn)全備份與增量備份功能。

圖3 HnuSQL體系結(jié)構(gòu)

（4）HnuSQL日志子系統(tǒng)，日志文件幫助查找服務(wù)器內(nèi)部發(fā)生的事務(wù)。日志文件包含Error日志與查詢?nèi)罩镜取?/p>

（5）HnuSQL網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議子系統(tǒng)，HnuSQL的協(xié)議建立在TCP/IP協(xié)議棧之上。該子系統(tǒng)為上層其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)包的讀、寫、解析和發(fā)送。

（6）線程和內(nèi)存分配子系統(tǒng)，HnuSQL服務(wù)器啟動(dòng)過程中，需要經(jīng)歷一個(gè)自啟動(dòng)準(zhǔn)備過程，服務(wù)器正常啟動(dòng)后，線程子系統(tǒng)跟蹤各類線程，保證當(dāng)客戶端發(fā)送請求時(shí)服務(wù)器擁有線程處理該請求。

（7）HnuSQL查詢解析與查詢優(yōu)化子系統(tǒng)。

（8）HnuSQL安全管理子系統(tǒng)，HnuSQL主要依賴用戶驗(yàn)證和訪問控制等手段保護(hù)服務(wù)器，訪問控制確認(rèn)用戶是否有足夠的權(quán)限訪問相關(guān)的庫、表。

3.3 課程過程組織與控制

教師、助教和學(xué)生按角色的不同分為項(xiàng)目經(jīng)理、小組長、助教、程序員、測試員，項(xiàng)目經(jīng)理對整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)負(fù)責(zé)，小組長負(fù)責(zé)具體模塊的開發(fā)，小組由程序員和測試員組成。基本的組織結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu)

各角色的職責(zé)和分工如下：

（1）項(xiàng)目經(jīng)理(PM)：由學(xué)生推薦產(chǎn)生，負(fù)責(zé)指導(dǎo)項(xiàng)目小組完成人員管理、任務(wù)分配等工作，承擔(dān)項(xiàng)目技術(shù)指導(dǎo)和答疑工作，對項(xiàng)目完成情況負(fù)責(zé)并給小組長評分，負(fù)責(zé)整體項(xiàng)目各模塊的集成測試和最后項(xiàng)目文檔的歸檔工作。

（2）助教(TA)：由研究生承擔(dān)，負(fù)責(zé)協(xié)助教師管理項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，對項(xiàng)目開發(fā)提供技術(shù)支持，監(jiān)督學(xué)生的日常開發(fā)工作，負(fù)責(zé)組織學(xué)生討論并記錄。

（3）小組長(Team)：為具體模塊的負(fù)責(zé)人，制訂本小組的開發(fā)計(jì)劃，負(fù)責(zé)功能模塊的劃分，組織討論詳細(xì)設(shè)計(jì)，組織協(xié)調(diào)本小組模塊的開發(fā)工作，確保及時(shí)完成各個(gè)里程碑的任務(wù)并上交相關(guān)文檔。同時(shí)作為程序員參與開發(fā)，負(fù)責(zé)組織代碼評審，為項(xiàng)目經(jīng)理的工作提供輔助，負(fù)責(zé)模塊文檔管理和配置管理。

（4）程序員(DEV)：按時(shí)完成所分配的模塊開發(fā)任務(wù)，包括編寫詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔、程序編碼、單元測試、Bug修復(fù)，積極協(xié)助本組成員開展代碼評審，共同協(xié)作開發(fā)高質(zhì)量的軟件。

（5）測試員(Tester)：按照測試計(jì)劃安排進(jìn)行各項(xiàng)測試，提交測試用例和測試報(bào)告，協(xié)助開發(fā)人員充分測試及管理軟件Bug，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量軟件的開發(fā)。

3.4 課程提交的技術(shù)文檔

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程需要填寫、檢查、整理和修改周計(jì)劃、周進(jìn)度報(bào)告、周檢查與考核、需求分析報(bào)告、系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告、設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告等過程文檔。準(zhǔn)確評定課程的成績也是該課程的重點(diǎn)。教師通過進(jìn)度檢查、設(shè)計(jì)答辯和報(bào)告評審的形式了解學(xué)生的設(shè)計(jì)水平，根據(jù)學(xué)生任務(wù)完成的情況，設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量，答辯水平及平時(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度、工作作風(fēng)等全面評定成績。每個(gè)學(xué)生都要寫項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。

4 工程設(shè)計(jì)的能力達(dá)成評價(jià)

軟件工程專業(yè)畢業(yè)要求中，與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程相關(guān)的要求包括如下幾個(gè)方面：①GA1工程知識，應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程和專業(yè)知識的能力；②GA2問題分析，分析、識別、表達(dá)和解決復(fù)雜工程問題的能力；③GA3設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案，能夠設(shè)計(jì)系統(tǒng)、組件或軟件；④GA4研究，設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)的能力；⑤GA5使用現(xiàn)代工具，運(yùn)用專業(yè)技能和現(xiàn)代工程工具解決復(fù)雜工程問題的能力；⑥GA9個(gè)人和團(tuán)隊(duì)，能夠在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色；⑦GA10溝通，能夠就復(fù)雜工程問題與同行進(jìn)行有效交流和溝通，包括撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文檔、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)的能力；⑧GA12終身學(xué)習(xí)，具有終身學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)、適應(yīng)發(fā)展的能力。

課程總評成績由4周的每周評分加權(quán)平均得出。每周評分由考勤 、過程檢查（分工情況、任務(wù)完成情況、問題解決情況）和每周匯報(bào)組成，各占15%、60%和25%，檢查和匯報(bào)檢查主要考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、功能是否合理、程序界面是否美觀以及工作態(tài)度。

課程采用程序檢查、文檔審查、每周匯報(bào)等方式進(jìn)行能力達(dá)成評價(jià)，評價(jià)方法為每周先自評、然后助教評價(jià)、最后教師評價(jià)等方式評定能力的達(dá)成情況，最后的評定以4周評分的加權(quán)平均得出。90分以上為達(dá)成度優(yōu)，80～89分為達(dá)成度良好，70～79分為達(dá)成度中等，60～69分為基本達(dá)成，60分以下為未達(dá)成。

歷經(jīng)4周、160個(gè)小時(shí)集中設(shè)計(jì)開發(fā)的HnuSQL達(dá)到了預(yù)期效果，各個(gè)模塊完成了集成測試，系統(tǒng)運(yùn)行效果見圖5。完成的HnuSQL具備數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本功能。學(xué)生積極查閱相關(guān)資料，努力尋找問題的解決方法，很多問題都是學(xué)生獨(dú)立自主完成的，充分反映出學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與處理問題的能力得到了極大提高。

圖5 HnuSQL運(yùn)行效果

5 結(jié) 語

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程在借鑒開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件的基本功能，剖析DBMS內(nèi)部主要構(gòu)件的基礎(chǔ)上，以小組和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式，分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)原型DBMS系統(tǒng)類軟件，培養(yǎng)了學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)、積極協(xié)作的精神，提高了學(xué)生對軟件開發(fā)平臺技術(shù)的掌握，增強(qiáng)了軟件分析、開發(fā)和測試方面的技能，強(qiáng)化了自主學(xué)生的能力，實(shí)實(shí)在在培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，達(dá)到了預(yù)期的效果。