系統(tǒng)工程基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)探討

晁 濤，趙夢瑩，楊 明，王松艷

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制與仿真中心，哈爾濱 150080；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150030）

0 引言

為助力我國創(chuàng)建創(chuàng)新型國家的目標(biāo)，教育部曾推出了卓越工程師培養(yǎng)計劃，明確將培養(yǎng)出創(chuàng)新能力強(qiáng)的高質(zhì)量工程人才作為高等教育的目標(biāo)［1］。隨著形勢的發(fā)展，又提出了“新工科”建設(shè)，進(jìn)一步實踐中國模式、中國經(jīng)驗的工程教育［2-4］。國家政策的出臺，要求高等教育工作者要緊跟時代發(fā)展的步伐，不斷豐富和更新知識體系，體現(xiàn)鮮明的時代特征，為國家培養(yǎng)符合時代發(fā)展需求的創(chuàng)新型人才。為此，需要摒棄原有教學(xué)過程中重理論、輕實踐的思想，從社會對學(xué)生的素質(zhì)需求出發(fā)，加大課程實驗內(nèi)容的教學(xué)力度，改革實驗教學(xué)內(nèi)容、方法和手段，為學(xué)生創(chuàng)新提供土壤。

在此背景下，依托課題組的教學(xué)和科研優(yōu)勢，先后針對分布式仿真、空間探索飛行器軌道優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)等課程進(jìn)行實驗教學(xué)的改革實踐［5-7］，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面進(jìn)行了有益的探索，并取得了很好的效果。

系統(tǒng)工程基礎(chǔ)課程是自動化專業(yè)高年級學(xué)生分方向培養(yǎng)時“系統(tǒng)工程”方向的理論基礎(chǔ)課。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森對系統(tǒng)工程給出了定義：“系統(tǒng)組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學(xué)方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法”［8］。從定義可以看出，系統(tǒng)工程課程是從一般意義的工程系統(tǒng)中抽象出相關(guān)的概念，繼而對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹的課程。因此，課程具有概念性強(qiáng)、理論深、知識范圍廣等特點(diǎn)。由于學(xué)生對工程系統(tǒng)普遍缺乏直觀認(rèn)識，更別提系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計和制造等過程，學(xué)生對這些環(huán)節(jié)都缺乏了解，因此加大了課程的教學(xué)難度。從之前教學(xué)反饋結(jié)果看，學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容涉及的知識體系雜，知識之間關(guān)聯(lián)性小，很難對課程內(nèi)容建立全面、整體的認(rèn)識，而整體觀和全面考慮問題的思維卻是系統(tǒng)工程課程需要灌輸給學(xué)生的理念。這一矛盾現(xiàn)象充分反映出系統(tǒng)工程課程的教學(xué)需要改革。

目前，很多學(xué)校在系統(tǒng)工程課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方面進(jìn)行了大膽改革，在教學(xué)方法上采用問題導(dǎo)向和項目驅(qū)動教學(xué)模式［9］、翻轉(zhuǎn)課堂［10］、授課對象特征導(dǎo)向的混合式教學(xué)［11］、雙載體任務(wù)驅(qū)動［12］和混合式教學(xué)［13］等先進(jìn)的教學(xué)模式，從而提高教學(xué)效果；在教學(xué)內(nèi)容改革上突出思維導(dǎo)圖［14］、模糊綜合評價方法［15］、BOPPPS 教學(xué)過程的6 個步驟（導(dǎo)入、目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)）模型［16］等系統(tǒng)工程領(lǐng)域內(nèi)的前沿知識內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以期通過教學(xué)內(nèi)容更新和教學(xué)方法改革為系統(tǒng)工程課程的教學(xué)注入新的活力。基于對國內(nèi)外教學(xué)方法的調(diào)研分析，在課程改革過程中，重點(diǎn)突出了系統(tǒng)工程理論的可操作性，通過加大課程實驗教學(xué)的學(xué)時、重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、開發(fā)新的教學(xué)輔助手段，實現(xiàn)了對課程教學(xué)效果有效提升。課程內(nèi)容突出專業(yè)鮮明的航天特色；以國內(nèi)外最新的社會熱點(diǎn)應(yīng)用問題為牽引，引入“基于問題學(xué)習(xí)”教學(xué)方法［17］，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會問題的解決方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念［18］，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識。經(jīng)過幾輪教學(xué)，課程改革的教學(xué)效果已初步顯現(xiàn)，獲得了學(xué)生的好評。

1 實驗教學(xué)模式設(shè)計

以往系統(tǒng)工程課程的實驗教學(xué)流程是教師提前布置實驗并發(fā)放實驗手冊給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)手冊指導(dǎo)完成相關(guān)實驗并撰寫報告，實驗過程中如有疑問可以尋求教師解答，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評價主要通過實驗報告進(jìn)行。這一模式的弊端是學(xué)生學(xué)習(xí)是被動的、學(xué)習(xí)效果評價單一、課堂互動性差、學(xué)生創(chuàng)新能力被束縛。為此，改革已有的教學(xué)模式，對學(xué)生特點(diǎn)也即授課對象特征進(jìn)行分析，引入“基于問題的學(xué)習(xí)”，提高學(xué)生的動手實踐和創(chuàng)新能力；引入“翻轉(zhuǎn)課堂”，改被動學(xué)習(xí)為學(xué)生主動學(xué)習(xí)；引入“混合式教學(xué)”，通過多途徑、多樣化的教學(xué)手段鞏固學(xué)生的知識。

“基于問題的學(xué)習(xí)”教學(xué)模式的特點(diǎn)體現(xiàn)在從與社會生活息息相關(guān)的實際問題出發(fā)，從中抽象出與實驗內(nèi)容相關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題過程中熟悉實驗內(nèi)容所涉及的知識，讓學(xué)生掌握隱藏在問題背后的系統(tǒng)工程基礎(chǔ)知識［19］。通過引導(dǎo)學(xué)生集體協(xié)作解決問題，對系統(tǒng)工程課程中所講述的系統(tǒng)概念、系統(tǒng)設(shè)計、總體和整體觀加深認(rèn)識，學(xué)會組織工程項目的管理技術(shù)。“基于問題的學(xué)習(xí)”一個典型的特點(diǎn)是問題牽引，在課上講授問題解決思路，課后布置與知識相關(guān)的問題作為實驗內(nèi)容，學(xué)生完成一個實驗后，再布置新的問題給學(xué)生；學(xué)生通過解決教師提出的一個又一個問題，逐漸掌握完整的課程知識。課程充滿了挑戰(zhàn)，完成題目類似于游戲的闖關(guān)，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的實施方式是提前將實驗課程的題目布置給學(xué)生，并提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料。然后，在學(xué)生開展實驗過程中，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，組織學(xué)生分組協(xié)作完成實驗任務(wù)，從而實現(xiàn)實驗的教學(xué)［20］。該教學(xué)模式的特點(diǎn)在于“以學(xué)生為中心”，由于留給學(xué)生充足的準(zhǔn)備時間，學(xué)生可以根據(jù)題目的要求，帶著問題去學(xué)習(xí)相關(guān)材料中的知識，并且可以根據(jù)自身能力，制定學(xué)習(xí)計劃，從而發(fā)揮主觀能動性。“翻轉(zhuǎn)課堂”的目標(biāo)是讓學(xué)生變被動為主動，通過自主學(xué)習(xí)，獲得課程知識。翻轉(zhuǎn)課堂具體實施時可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度安排，在上課前，建立微信群聯(lián)系學(xué)生，在公共郵箱中存儲相關(guān)的學(xué)習(xí)材料，讓學(xué)生共享學(xué)習(xí)材料，通過網(wǎng)絡(luò)通信工具統(tǒng)計學(xué)生的問題，從而在上課時根據(jù)學(xué)生的需求，進(jìn)行相應(yīng)問題的解答。

“混合式教學(xué)模式”的特點(diǎn)是線上線下資源的綜合利用和教師與學(xué)生的線上互動。隨著時代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上有很多與系統(tǒng)工程課程實驗相關(guān)的資源，例如開放式課程、MOOC、微課，甚至還有一些互動式的網(wǎng)頁游戲。為實施混合式教學(xué)，需要教師根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容安排，梳理相關(guān)知識，搜集相關(guān)媒體資源，例如微課視頻和MOOC，同時要設(shè)計合理的實驗題目，保證學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源即可完成。從某種意義上講，混合式教學(xué)的成功與否取決于教師和學(xué)生之間如何有效地開展有意義的互動，不僅有助于學(xué)生知識的積累，還可以提高學(xué)生的合作和溝通能力，是一舉多得的事情。

2 實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

系統(tǒng)工程基礎(chǔ)課程的實驗問題設(shè)計要緊跟時代發(fā)展的特點(diǎn)，體現(xiàn)鮮明的時代特征，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，體現(xiàn)出能力培養(yǎng)與應(yīng)用需求之間的聯(lián)系，同時體現(xiàn)專業(yè)的“航天特色”和“國防特色”，為學(xué)生日后從事相關(guān)專業(yè)奠定基礎(chǔ)。

系統(tǒng)工程課程實驗內(nèi)容涉及系統(tǒng)建模、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)決策等多個領(lǐng)域的知識，因其知識理論的基礎(chǔ)性，具有很強(qiáng)的理論聯(lián)系實際的可能性。因此，在課程內(nèi)容教學(xué)設(shè)計中充分考慮各個教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，將實驗教學(xué)案例與科研項目相結(jié)合，結(jié)合社會熱點(diǎn)問題，在各個實驗內(nèi)容中安排難度等級不同的實驗題目，通過基于問題的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生合作解決具體的實際問題。

在系統(tǒng)建模的實驗中，設(shè)計的題目涉及排隊論模型、圖論模型和時間序列模型的應(yīng)用。根據(jù)由淺入深的原則，設(shè)置不同難度的題目供學(xué)生實踐。不同類型題目可以滿足不同層次學(xué)生的需求，也形成了難度不斷加大挑戰(zhàn)，從而激發(fā)學(xué)生應(yīng)對挑戰(zhàn)的興趣和熱情，通過解決實際問題，不斷加深對知識的認(rèn)識。排隊論模型的實驗包括理發(fā)館排隊問題、滴滴專車派車問題、航班起飛排隊問題等，其中理發(fā)館排隊問題是典型的基礎(chǔ)排隊論問題，而航班起飛排隊問題則要相對復(fù)雜得多，需要考慮約束、隊列的形式、服務(wù)臺的數(shù)量，這些都提高了問題的挑戰(zhàn)難度，同時航班起飛排隊問題也體現(xiàn)了所在專業(yè)的航空航天特色。

在系統(tǒng)評價的實驗中，設(shè)計的題目包括成本效益分析、風(fēng)險分析、靈敏度分析和模糊綜合評價理論等。在成本效益分析的實驗中對新能源汽車對國民經(jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行評價、對軍隊采購裝備的不同方案進(jìn)行綜合對比分析，其中軍隊采購裝備問題的成本效益分析可以順帶培養(yǎng)學(xué)生的國防意識；在風(fēng)險分析實驗中，對汽車尾氣排放對霧霾天氣形成的風(fēng)險進(jìn)行分析，對網(wǎng)絡(luò)輿論可能造成的風(fēng)險進(jìn)行分析，其中霧霾成因問題的分析可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問題；在靈敏度分析實驗中對工業(yè)產(chǎn)品瑕疵率相對于原材料質(zhì)量的靈敏度進(jìn)行分析，對運(yùn)載火箭軌跡的控制精度對外界擾動的靈敏度進(jìn)行分析，其中對運(yùn)載火箭的相關(guān)分析體現(xiàn)了所在專業(yè)的航空航天特點(diǎn)；在模糊綜合評價方法的實驗中對艦船防空系統(tǒng)的綜合防空能力進(jìn)行分析評價，對航母戰(zhàn)斗群的作戰(zhàn)進(jìn)行分析，充分反映了所在專業(yè)的國防特色，并培養(yǎng)學(xué)生的國防意識。這些不同領(lǐng)域的問題，不僅有效說明系統(tǒng)分析方法的廣泛應(yīng)用價值，也引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在日后的工作生活中主動使用系統(tǒng)評價方法進(jìn)行問題的研究。

在系統(tǒng)優(yōu)化的實驗中，對線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃等理論進(jìn)行實驗，解決實際生活中的問題。例如，典型的線性規(guī)劃問題有給定材料設(shè)計最優(yōu)產(chǎn)品、根據(jù)需要合理規(guī)劃資源的分派等，通過相應(yīng)的實驗可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用規(guī)劃方法解決實際生活中遇到的問題；再比如，非線性規(guī)劃的實驗問題有飛機(jī)外形的優(yōu)化設(shè)計問題，通過優(yōu)化外形可以降低油耗，提高飛行效率，從而降低飛行成本，使得飛行可以推廣到社會大眾；學(xué)生在解決問題的同時，還能體會到應(yīng)用規(guī)劃方法的重要意義，一舉多得。

在系統(tǒng)決策的實驗中，對風(fēng)險性決策、完全不確定決策、博弈論等理論進(jìn)行實驗。在風(fēng)險性決策實驗中，對購買股票或基金這種投資行為的風(fēng)險性建模，并通過虛擬實驗，讓學(xué)生體會風(fēng)險性決策的過程，同時領(lǐng)會所有的最優(yōu)決策都是在一定條件下的最優(yōu)的思想；在完全不確定決策和博弈論的實驗中，通過水電站選址、共享單車投放、一元拍賣、智豬問題、海灘爭奪戰(zhàn)等有趣的決策問題，讓學(xué)生在趣味盎然的討論中體會博弈論和不確定決策理論的重要性和應(yīng)用方法，在不知不覺中便掌握了理論方法的精髓。

3 實驗軟件設(shè)計

針對前期系統(tǒng)建模與仿真課程的實驗已經(jīng)開發(fā)了實驗平臺［7］，并在實踐中取得了較好的效果，系統(tǒng)工程基礎(chǔ)課程實驗部分的軟件開發(fā)借鑒了前期課程的開發(fā)經(jīng)驗。考慮到課程實驗部分沒有系統(tǒng)建模與仿真實驗所需要的開發(fā)面向不同層次學(xué)生的實驗需求，也不需要基于網(wǎng)絡(luò)的交互式互動功能，因此，課程實驗部分的軟件主要用于集成各個實驗所對應(yīng)的實驗內(nèi)容、實驗步驟、實驗參考資料、針對實驗開發(fā)的程序以及實驗結(jié)果查看等功能。對已有的軟件平臺進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕玫杰浖脑O(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 實驗軟件設(shè)計方案示意圖

軟件的上層界面包括編輯實驗報告、查看試驗內(nèi)容和步驟、調(diào)用實驗軟件以及查看和編輯實驗結(jié)果的功能。該界面功能通過調(diào)用第2 層的應(yīng)用軟件，如Word、Excel、Matlab 和Visual Studios 等來實現(xiàn)。軟件的底層是一個又一個實驗題目，按照約定的實驗題目模板提供，可以通過模板定制不同的實驗題目。軟件將學(xué)生進(jìn)行實驗時所需的各類軟件集成在一個平臺調(diào)用，提高了學(xué)生的實驗效率。實驗題目的定制功能為軟件的后續(xù)擴(kuò)展和試驗內(nèi)容的不斷豐富提供了支撐手段。

4 教學(xué)效果分析

課程改革后，進(jìn)行了兩個學(xué)年的教學(xué)實踐，采用“基于問題的學(xué)習(xí)”和“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)思想，利用開發(fā)的試驗教學(xué)軟件，結(jié)合線上線下手段混合教學(xué)，對教學(xué)效果進(jìn)行分析。

首先，對教學(xué)效果分析的最直接指標(biāo)是學(xué)生的課程實驗成績以及學(xué)生對教學(xué)質(zhì)量的評價，此外還有一個典型的指標(biāo)是學(xué)生的出勤率。學(xué)生的實驗課程成績通過每次實驗撰寫的實驗報告質(zhì)量評定。實驗報告的質(zhì)量不僅看實驗結(jié)果是否滿足預(yù)期，還要評價報告撰寫是否規(guī)范、實驗題目的解答是否有創(chuàng)新性，同時要求學(xué)生對每次的實驗內(nèi)容提出進(jìn)一步的改進(jìn)建議。通過前述各個環(huán)節(jié)學(xué)生的表現(xiàn)，對實驗結(jié)果進(jìn)行綜合評價。

表1 給出了改革前后每學(xué)期6 次實驗的學(xué)生出勤率，可以看到改革后，6 次實驗的學(xué)生出勤率基本達(dá)到了100%，說明改革后的實驗對學(xué)生具有很強(qiáng)的吸引力。圖2 給出了教學(xué)改革前后兩個授課班級學(xué)生的成績分布情況。由于采用小班授課，學(xué)生人數(shù)均少于30 人。

表1 教改前后學(xué)生出勤率對比%

從圖2 所示可見，相較于教學(xué)改革前，改革后的一個明顯變化是不存在不及格的學(xué)生，另外一個明顯的變化是成績在85～95 分之間的學(xué)生顯著增加，說明學(xué)生對知識的掌握普遍很好。

圖2 教改前后學(xué)生實驗課成績評價結(jié)果

然后，對教學(xué)效果評價的另一個有力指標(biāo)是學(xué)生對教師的評教。考慮到學(xué)生評教受到多種因素影響，采用系統(tǒng)工程領(lǐng)域的“模糊綜合評價方法”對教學(xué)效果進(jìn)行評價。建立3 個層次的評價指標(biāo)體系，頂層指標(biāo)是教學(xué)效果，一級指標(biāo)分別是教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)手段和教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容的次一級指標(biāo)是豐富度、趣味性、實用性、難易程度等，教學(xué)手段的次一級指標(biāo)是多媒體運(yùn)用情況、線上教學(xué)運(yùn)用情況、網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)用情況等，教學(xué)方法的次一級指標(biāo)包括互動情況、問題解答情況等。考慮到學(xué)生評分存在一定模糊性，對底層指標(biāo)采用模糊論域描述，例如教學(xué)內(nèi)容的趣味性分為“很有趣，有趣，尚好，平淡，無聊”，便于學(xué)生進(jìn)行評價，同時也利于教師分析結(jié)果。從最終的教學(xué)評價結(jié)果看，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的趣味性、實用性給予了很高的評價，對線上線下混合教學(xué)的手段表示很支持。有部分學(xué)生提出可以在后續(xù)的題目安排中考慮學(xué)生日常生活相關(guān)的內(nèi)容，例如假日出行安排的決策、雙十一購物時的決策、分析考研還是工作的決策等，進(jìn)一步給教學(xué)改革提供了有益的方向。

5 結(jié)語

針對系統(tǒng)工程基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)，采用了“基于面向問題學(xué)習(xí)”和“翻轉(zhuǎn)課堂”思想，結(jié)合混合式教學(xué)的多樣化教學(xué)模式，以解決實際問題為導(dǎo)向，開發(fā)系統(tǒng)工程基礎(chǔ)課程實驗軟件，針對學(xué)生特點(diǎn)和興趣，設(shè)計了不同類型的實驗案例，讓學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。其中的系統(tǒng)工程基礎(chǔ)實驗課題數(shù)據(jù)庫，涵蓋了水電站選址、航母編隊數(shù)目、共享單車投放等研究課題，豐富了實驗課的授課內(nèi)容。教學(xué)實踐表明，學(xué)生對課程實驗題目趣味性評價很高，通過教學(xué)改革培養(yǎng)了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。