面向復雜工程問題的計算機類能力培養探索研究

彭玉青 董永峰 許智宏 汪鵬 侯向丹

摘 要：培養大學生解決復雜工程問題的能力是本科生培養方案畢業要求里的一個重要指標。如何提高解決復雜工程問題的能力，就要針對其能力特征，構建以能力為導向的計算機類的課程體系，分層次、分階段、系統綜合地組織面向復雜工程設計的課程群，通過建立滿足復雜工程特征要求的典型案例庫，在實踐中提高解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：復雜工程問題;課程體系;案例庫;課程群

中圖分類號：G64? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2020）16-0003-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2020.16.001

隨著工程教育專業認證工作的全面實施，與社會需求相適應的復雜工程問題重要作用愈加凸顯。在新修訂的工程認證標準中的12條畢業要求里就有8條提到了“復雜工程問題”。把解決復雜工程問題作為基本訴求，強調在培養中突出學生整體解決方案的能力。畢業要求標準的制定，對新時期高等學校的教育提出了新的要求，不能再像以往那樣只注重知識的傳授，概念的理解，而是要把知識、理論應用轉化在實際工程問題的解決上，尤其是對復雜工程問題的分析、設計、解決和評價上。這就要求專業課程教師在講授知識點的同時，更加關注理論在實際中的應用，關注與其他課程銜接、綜合應用解決復雜工程問題的轉變上，加強實踐應用環節，從統一的觀點和角度把握理論、實驗、實踐的關系[1-2]。

雖然近幾年許多高校參加并通過了工程教育認證，但對復雜工程問題的認識和理解還有偏差，教學環節中設置的工程問題過于簡單，不具備復雜工程問題的基本特征，因此達不到培養解決復雜問題的能力。復雜工程問題提煉不準確，一方面是因為一線教師的工程應用背景少，大多數教師一畢業就分配到高校，參與的實際工程項目少，因此難以從工程應用中提煉出復雜工程問題，并將其中的關鍵環節、因素、分析過程、解決方案設計在理論課程的教學環節中。另外，復雜工程問題能力的培養是一項系統性、全局性的工作，它不應該只是一門課程的目標[3]，也不應該是一位教師的責任，不能簡單地通過一門課的學習和實踐，一個具體項目的開發，甚至僅僅通過綜合實踐和畢業設計等幾個環節就讓學生具有解決復雜工程問題的能力，而是必須通過整個培養體系實現，落實到培養的各個環節。

一、以能力為導向的計算機類課程體系的構建及培養過程

復雜工程問題的解決需要與問題相匹配的基礎知識、工程理論、專業技能和綜合素養，這些都是專業培養計劃中課程體系需要設置的內容，因此在課程體系設置的過程中就要綜合考慮課程最終傳授給學生的能力是什么，是否支撐解決復雜工程問題。針對計算機大類的培養目標，按照支持解決“復雜工程問題”畢業要求達成的需要，以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，基于OBE理念，圍繞培養學生的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及計算機系統能力，構建以能力為導向的計算機類的課程體系，涵蓋通識教育課程、專業教育課程、集中實踐教學環節、自主學習課程、第二課堂活動五大模塊。其中，通識教育模塊培養學生的數學思維、工程基礎、人文素養功底，為專業課程的學習奠定基礎;專業教育課程滿足計算機類專業補充標準的要求，培養學生系統設計、團隊合作和問題解決能力，并且通過這些知識的學習使得學生畢業時能夠針對計算機及相關領域中的復雜工程問題進行問題分析、方案設計、實施解決;集中實踐教學環節通過設置綜合的軟、硬件實踐，實習、實訓以及畢業設計，通過與企業合作，培養學生的工程意識、團隊精神以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力，從而提高實踐能力和創新能力。

在五大模塊中，以通識教育課程、專業課程中的專業基礎課程為知識和理論的基本支撐，以專業課和集中實踐為應用理論和實踐技能，銜接軟件系統、硬件系統和應用系統開發中的復雜工程問題，通過典型的實踐環節和綜合訓練，對復雜工程問題進行識別、表達、分析和建模，提出解決方案并進行對比分析和優化，最終通過歸納和信息綜合，得到合理有效的結論。通過有針對性的具有復雜工程問題特征的實踐環節的訓練，經過“系統規劃—需求分析—系統設計—編程實現—測試與優化—展示答辯”等環節，學生得到解決復雜工程問題能力的全面訓練。復雜工程能力培養過程示意如附圖1所示。

二、基于復雜工程設計的課程群建設

復雜工程問題在工程教育認證標準中給出了明確的定義，必須具備如附圖2所示的中間特征，同時具備其他6個特征中的部分或全部。

大部分的單門課程是不具備復雜工程問題的特征的，尤其是實際應用中的復雜工程問題往往涉及多學科、軟硬件、經濟、環境、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和技能，從不同角度、不同層面、不同方向系統地進行整體的分析、設計、優化、實施。而以往的教學以每門課程為中心，各門課獨立規劃獨立教學，很少體現本層次的知識與其他層次之間的關聯，形成知識結構的孤島[4-6]，難以建立完整而系統的專業知識體系和實踐體系，導致能力培養缺乏連續性、漸進性和系統性，因此圍繞計算機類人才所需的四個能力，構建面向復雜工程問題設計的課程群，從軟件、硬件、系統三方面培養學生全方位的綜合工程實踐能力。構建面向計算思維及算法設計的課程群，從問題出發，按照求解問題的思路，從表達、模型建立和問題求解三方面，分步分層構建問題與解答之間的橋梁，理順求解過程中的知識點及其關系，把需要掌握的計算思維特征、程序設計和算法分析分解到每一個具體的教學內容之中;構建面向軟件設計開發的課程群，通過不同學期的課程，逐步奠定軟件開發基礎、提升軟件開發能力、強化專業應用軟件設計開發能力、創新設計能力以及軟件架構設計開發能力;構建面向計算機系統能力的課程群，圍繞計算機領域中的軟硬件技術，軟硬結合，設計時綜合考慮雙方的性能、效率、難易程度，并進行方案比較，尋找同時滿足兩方面的最佳解決方案。

三、基于復雜工程問題的典型案例庫建設

大部分教師缺乏工程實踐經歷，因此難以提煉復雜工程問題，如何根據行業需求和企業需求提煉典型案例并用于實踐中是提高學生解決復雜工程問題能力的關鍵。

根據培養的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及計算機系統能力，在課程群內和課程群間梳理課程之間以及群之間的聯系，分析課程或課程群在各個能力培養中承擔的角色，結合企業需求，篩選出典型的復雜工程問題，體現能力培養的層次性、漸進性和系統性，形成典型復雜工程案例，應用在課程實驗、有關算法設計的綜合實驗、相關軟件開發的綜合實踐、計算機硬件系統的綜合設計以及實習實訓、畢業設計等教學和實踐過程中，同時通過項目驅動、案例教學、研究導向等多種形式的教學方法，讓學生在具有典型復雜工程問題的實踐中深刻理解所學知識，并綜合利用所學進行深入的分析、多因素多技術的比較、各種沖突的解決等，甚至提出批判性的思考，提高解決復雜工程問題的能力。

四、結語

本科工程教育的基本定位就是培養學生解決復雜工程問題的能力，從復雜工程問題的定義出發，明確聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養的基本要求，構建以能力為導向的計算機類的課程體系，深入探析復雜工程問題的特征和解決途徑和方法，掌握其內涵，通過教學設計、組織實施、達成評價將復雜性融入到培養過程的各個環節，糾正學生解決復雜工程問題能力評價指標點分解誤區;通過組織面向復雜工程設計的課程群，建立基于復雜工程問題的典型案例庫，通過典型案例的實踐有效提高學生解決復雜工程問題的能力，從而達到培養學生的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及計算機系統能力。

參考文獻：

[1]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27.

[2]錢振江，龔聲蓉，徐文彬.面向復雜工程問題的應用型本科計算機類專業人才培養模式研究和實踐[J].計算機教育，2017（6）：10.

[3]劉衛東，張悠慧，向勇，等，面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J].中國大學教學，2014（8）：48.

[4]譚志虎，秦磊華，胡迪青，面向系統能力培養的計算機專業實踐教學模式[J].中國大學教學，2017（9）：80.

[5]陳田，路強，等，面向能力的計算機專業課程體系建設與實踐[J].軟件工程，2017（7）：25.

[6]尚鳳軍，面向復雜工程問題的計算機人才創新能力培養體系研究[J].計算機教育，2016（9）：70.