面向解決復雜工程問題能力培養的實踐教學案例設計與實施

席景科 王志曉 卞建玲 趙瑩 劉佰龍

[摘要]解決復雜工程問題能力的培養是我國工程教育專業面臨的核心任務之一，其不僅是工程專業認證的需要，更是提升畢業生培養質量的要求。實踐教學案例作為培養學生解決復雜工程問題能力的一種重要載體，存在缺乏工程背景支撐、設計任務簡單重復等問題。以通用數據采集系統為例，從工程背景支撐、技術方案設計、教師指導等幾個方面闡述了如何設計實踐教學案例培養學生解決計算機科學與技術專業復雜工程問題能力的難題，具有較強的借鑒意義。

[關鍵詞]復雜工程問題;教學案例;能力培養;數據采集系統

[中圖分類號]G642.0

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0056-03

按照《華盛頓協議》的要求，通過工程教育認證的工程專業不僅要深入理解和把握復雜工程問題，更要按照國際實質等效原則培養學生具有解決復雜工程問題的能力。深刻理解和把握復雜工程問題并培養出具有解決復雜工程問題能力的畢業生，將是我國高等教育所有本科工程專業當前和今后必須重視和做好的工作。

計算機科學與技術專業是2006年我國首批開展工程教育專業認證的試點專業之一。經過多年的發展，工程專業認證中所倡導的學習產出（即OBE）的教育理念，特別是以解決復雜工程問題能力培養為核心的教育模式得到了越來越多高校的認可，達成的一個普遍共識是：以理論教學為核心的傳統教學模式不足以培養學生解決復雜工程問題的能力。復雜工程問題能力的培養必須通過精心設計的、具有復雜工程問題特征的實踐教學案例來實現，而目前多數高校在這方面的工作還做得不夠深入和充分，實踐教學環節的教學案例缺乏工程背景支撐，且設計任務簡單重復，不利于培養學生解決復雜工程問題的能力。針對上述問題，本文在對復雜工程問題內涵進行分析的基礎上，結合計算機科學與技術專業的畢業要求，設計了一套用于培養解決復雜工程問題能力的教學案例，對如何培養學生解決復雜工程問題能力的實踐教學模式進行了探討。

一、復雜工程問題的內涵

《華盛頓協議》中界定的復雜工程問題必須具有特征WP1和特征WP2到WP7的一些或全部。與此類似，中國工程教育專業認證協會界定的復雜工程問題也必須具備特征CP1.同時具備特征CP2到CP7的部分或全部。

從中外對復雜工程問題的表述中可以看出：1.中外機構對復雜工程問題的理解基本是一致的;2.要求學生具備解決復雜工程問題的能力，其實質就是要求學生能夠在面對復雜性、全局性的問題時，在不具備成熟工具的條件下創新性地運用基礎知識和基本理論，并綜合考慮在多因素的場景下通過分析、研究、評估、設計、實施等活動帶領多學科背景團隊高效完成工程目標;3.中國工程教育認證通用標準中的工程知識、問題分析、設計/開發解決方案等8條畢業要求中也涉及了解決復雜工程問題的要求，可見培養解決復雜工程問題能力的要求是工程教育專業認證的核心問題。

培養解決復雜工程問題能力不僅是高校工程教育專業認證工作的需要，更是提高畢業生培養質量的有效抓手。這種能力的培養不是一朝一夕就能實現的，必須通過完整的課程教學體系實施，為了實現這樣的目標，工程認證專業畢業生至少要掌握兩方面的知識或技能。1.掌握解決復雜工程問題能力的基礎知識和基本理論。這種知識可以通過理論教學掌握，國內多數高校在這方面擁有行之有效的工作方法和措施，本文不再展開論述。2.具有解決帶有工程背景的復雜工程問題的經歷和能力。受限于現實條件，全日制在校大學生獲取這種工程實踐經歷的渠道有限，多數在校大學生僅能通過實踐教學環節積累這方面的經驗，因此實踐教學環節就顯得尤為重要。為達到上述目標，必須精心設計滿足工程認證要求且具有工程背景的實踐教學案例，設計內容包括：實踐教學案例的工程背景描述;實踐教學案例的設計任務要求;實踐教學案例的教學組織與管理。

二、基于復雜工程問題的實踐教學案例設計與實施

（一）教學案例設計

1.工程背景

近年來煤炭企業為了減員增效，紛紛投入巨資建設了如提升機集控系統、皮帶機集控系統等信息化項目，這些項目的實施為企業發展注入了新的活力，但同時也帶來了一些問題。

（1）各個集控子系統的設計廠商、開發標準不盡相同，導致相互之間無法進行有效集成，形成多個“信息孤島”，處于只見樹木、不見森林的狀態，無法為管理人員提供全局的、有效的數據決策支持。

（2）單個集控子系統基本具有對生產數據進行Web發布的功能，但多個集控子系統間互不兼容，無法進行有效管理，導致管理人員只能逐個登錄子系統查看生產數據，工作效率極其低下。

（3）集控子系統的生產數據不能通過智能終端進行訪問，無法做到隨時隨地掌握生產情況。

針對上述問題，擬設計開發一套數據集成與發布系統，解決以下問題。①設計開發通用數據采集系統，解決多個集控子系統的生產數據集成問題。②設計開發Web應用程序，解決生產數據的統一、實時訪問問題。③設計開發智能終端APP程序，解決隨時隨地訪問生產數據的問題。

2.設計目標

通過分析討論，確定設計目標為開發一套通用數據采集系統，實現不同信息子系統的生產數據集成，同時開發Web應用程序和智能終端APP程序實現對生產數據的統一、實時訪問，設計內容包括：（1）設計開發通用數據采集系統，實現不同集控子系統生產數據的實時采集與集成;（2）設計開發Web應用程序，實現基于Web的生產數據實時、統一訪問;（3）設計開發智能終端APP程序，實現生產數據的隨時隨地訪問。

3.設計任務

根據設計目標的要求，確定設計任務如下。

（1）通用數據采集系統設計與開發。使用Java、C#、Python或其他程序設計語言，采用OPC UA協議，訪問并讀取各個集控子系統的生產數據，并進行集中存儲。

（2）Web應用程序設計與開發。使用JSP、ASP.NET或其他技術，設計開發通用生產數據發布系統，實現基于Web的生產數據統一發布與管理。

（3）智能終端APP程序設計與開發。設計開發基于Android智能終端的APP程序，實現隨時隨地訪問生產數據。

（二）教學案例的組織與實施

為確保教學案例達到設計目標，使學生充分得到解決復雜工程問題經歷的鍛煉，必須制定嚴密的實施措施，這些措施要從組織實施方式和指導教師要求兩方面著手。

1.學生實施要求

（1）案例設計的功能較為復雜，采用項目小組的形式進行，每個小組3～4個成員，每個成員要有明確的分工，各司其職。

（2）案例設計不提供詳細設計說明書，每個項目小組獨立進行設計與開發。

（3）案例設計最終提交的資料包括供設計文檔和程序代碼。

2.教師指導要求

案例設計實施效果的好壞，很大程度上取決于指導教師的指導方法和策略。為培養學生解決復雜工程問題能力，指導教師不能進行面面俱到的保姆式指導，也不能采用放任自流的方式，任由學生自由發揮。指導教師應采用靈活有效的方式，一方面，要充分激發學生自身的潛力，引導學生不斷地進行探索與嘗試，設計切實可行的技術方案;另一方面，也要結合自身的工程設計經驗，對學生給出的技術方案進行指導，指出其存在的不足和欠缺，從而使學生通過切身的體會從工程項目的鍛煉中獲取寶貴的經驗。

3.案例實施

下面以通用數據采集系統的技術設計方案為例說明實施過程。

首先，通過查閱設計資料，項目小組了解到軟件系統主要包括通用數據采集系統、Web應用程序、安卓APP程序三個部分。

然后，項目小組經過討論與分析，給出的技術方案1，如圖1所示。

技術方案1中以數據庫為中心，通用數據采集系統負責向數據庫寫入數據，Web應用程序和安卓APP程序則從數據庫中讀取并把結果展示給用戶。設計看似合理，但實際上存在比較大的隱患。這是因為數據庫是三個子系統的中心，不僅負責實時存儲數據，還要負責響應Web應用程序和安卓APP程序的數據請求，這會對數據庫系統造成非常大的壓力，輕則致使數據存儲和響應緩慢，重則導致系統崩潰，因此技術方案1存在較大的局限性。

針對上述問題，具有工程實施經驗的指導教師會根據自己的經驗，指出技術方案1中存在的不足，學生在參考指導教師意見的基礎上，給出優化后的技術方案2，如圖2所示。針對技術方案1中存在的不足，在技術方案2中，增加了消息隊列服務，把消息隊列服務作為數據存儲和讀取的緩沖池，通用數據采集系統不再直接讀寫數據庫，而是把采集到的數據寫入到消息隊列中;Web應用程序和安卓APP程序也不再直接讀寫數據庫，而是從消息隊列中讀取數據，展示給用戶。通過上述分析可以發現，技術方案2充分利用了消息隊列服務良好的消息持久化與容災能力，很好地解決了數據庫系統的性能瓶頸問題，使得技術方案2更具實施價值，這也鍛煉了學生解決具有工程背景的復雜工程問題的能力。

（三）教學案例的實施分析

1.通用數據采集系統的設計任務包括數據采集、數據存儲、數據發布等，涉及的基礎知識包括計算機網絡、數據庫原理、Web技術等，需要深入理解并運用計算機科學與技術專業的知識才能完成，具備復雜工程問題特征WP1或CP1。

2.通用數據采集系統中數據采集的速率與數據庫存儲的性能以及數據發布的時效性之間存在沖突，為保證系統穩定工作運行，需要兼顧不同的需求，達到系統效率與穩定性的平衡，具備復雜工程問題特征WP2或CP2。

3.通用數據采集系統部署在服務器上，要求7×24不間斷運行，不僅要求有較高的數據采集、存儲、發布效率，還要具備很高的穩定性。因此不能采用常規的技術方案，需要引進如消息隊列服務等新技術，保證系統設計目標的實現，具備復雜工程問題特征WP4或CP4。

通過上述分析可知，該案例具備復雜工程問題的核心特征及兩個選擇性特征，屬于典型的復雜工程問題，通過該案例的實施，不僅能使學生掌握使用軟件工程方法設計應用軟件的基本方法，還能夠使學生得到寶貴的工程經歷鍛煉，增加其解決復雜工程問題的能力。

三、結束語

解決復雜工程問題能力的培養是工程教育專業面臨的核心任務之一，其不僅是工程認證的需要，更是提升學生培養質量的要求。本文以通用數據采集系統為例，從工程背景支撐、技術方案設計、教師指導等幾個方面闡述了如何設計實踐教學案例培養學生解決計算機科學與技術專業復雜工程問題能力的難題，具有較強的借鑒意義。

[責任編輯：陳明]