運用研究性學習培養復雜工程問題能力

劉鑫 鄧巧玲 李紅梅 楊柳

摘 要：解決復雜工程問題是我國高校認證工程畢業生必須具備的核心能力之一，運用研究性學習手段是培養學生解決復雜工程問題的有效方法和途徑，本文運用課程實驗、小班討論、教師科研項目、學生創新項目（SIT）等多種研究性學習方法結合網絡與多媒體通信自身知識體系，針對不同知識內容運用不同的研究性學習方法，培養學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：工程教育認證;網絡與多媒體通信;復雜工程問題;研究性學習

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.012

本文著錄格式：劉鑫，鄧巧玲，李紅梅，等.運用研究性學習培養復雜工程問題能力——以網絡與多媒體通信課程為例[J].軟件，2021，42（03）：043-045

Cultivating the Ability of Complex Engineering Problems by Research Learning： Taking the Course of Network and Multimedia Communication as an Example

LIU Xin， DENG Qiaoling， LI Hongmei， YANG Liu

（Hunan Applied Technology University， Changde? Hunan? 415010）

【Abstract】：To solve complex engineering problems is one of the core abilities that university certified engineering graduates must possess. The use of research-based learning is an effective way to train students to solve complex engineering problems Students' innovation project （SIT） and other research-based learning methods are combined with their own knowledge system of network and multimedia communication， and different research-based learning methods are used for different knowledge contents to cultivate students' ability to solve complex engineering problems.

【Key words】：engineering education certification;network and multimedia communication;complex engineering problems;research learning

0引言

2016年6月2日我國成為《華盛頓協議》正式締約成員，標志著我國的工程人才培養納入了國際通用的質量標準。工程教育認證的核心理論是以學生為中心、成果導向和持續改進。其中“解決復雜工程問題”的能力不僅是我國高校認證工程畢業生必備的核心能力之一也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重要工作[1]。怎樣提高學生解決復雜工程問題的能力？運用研究性學習方法是最適合培養學生解決復雜工程問題的有效途徑[2]。本文根據網絡與多媒體通信的教學大綱要求，結合網絡與多媒體通信中的數學知識、網絡與多媒體通信中的3個核心內容（信息熵、圖像聲音壓縮技術、多媒體通信網絡技術）、3個編碼定理及典型的編碼方法等知識，設計問題情境、教學活動、學習環境等，運用課堂小班討論、培育學生創新（SIT）項目、教師科研項目進課程等多種研究性學習方式，提高學生解決復雜工程問題能力。

1如何理解復雜工程問題

隨著工程學科間的交叉與融合日益明顯，復雜工程是一個多學科的交叉與融合體。復雜性是現代工程問題的本質。主要表現在如下7點：（1）復雜性體現在現代工程問題是一個復雜系統;（2）現代工程問題已經不是單純的工程問題;（3）需要綜合考慮并協調多種非工程問題，現代復雜工程問題往往超越了現有的工程標準和規范;（4）更多的復雜工程問題不能直接用現有的方法和技術去解決;（5）現代工程問題的解決需要傳統工程領域之外的其他學科專業的介入與支持;（6）工程問題更多的復雜工程問題需要建模解決，但模型需要有創造性;（7）集成和創新是解決復雜工程主要思路。其中（6）（7）是現在工程教育中重視并必須培養的能力。

2研究性學習是培養復雜工程問題能力的有效途徑

研究性學習是指學生在教師的指導下，在預先設計的學習環境中，通過采取各種靈活和個性的學習方式，引導和激勵學生主動發現問題、分析問題和解決問題，以期在知識學習、能力培養、素質形成、創新創業發展等方面達到課程或教學環境既定的學習目標的過程。[2]研究性學習核心理念是從問題出發，讓學生有發現問題的思維動力，通過自主研學、師生討論、團隊合作等形式，將理論知識與研究問題相結合，培養學習發現問題、分析問題、解決問題的能力。研究性學習符合解決復雜工程問題能力的規律和途徑。

研究性學習的教學設計主要包括三個方面：復雜工程問題的情境設計、解決復雜工程問題的教學活動設計和解決復雜工程問題的學習環境設計。復雜工程問題主要有三種：已解決的復雜工程問題、當前需解決的復雜工程問題和未來發展面臨的問題。針對這三種復雜工程問題研究學習可以分為自主學習、合作學習、師生互動和課外活動等多種研究性學習形式完成課程學習。（1）教師根據課程培養目標給出本門課程的學習綱要，學生通過線上線下相結合的自主學習方式培養終身自學能力和實施個性化學習，了解并掌握已解決的復雜工程問題。（2）以專業工作室為載體，學生由3-8人組成合作學習小組，小組成員打破年級、專業界線自愿組團，實現知識體系、能力維度互補，教師指導、學生分工合作解決當前的復雜工程問題，實現1+1≥2的學習效果。（3）通過線上高年級學長、學姐答疑解決、討論學生發現的復雜工程問題，線下教師參與學生的各種學習和研究活動，引導學生發現復雜工程問題，指導學生分析、解決復雜工程問題的思路、方法和途徑，將如何解決復雜工程問題的空間留給學生。（4）課外活動包括學生自主實驗、申報創新項目（SIT）、參與教師科研項目和企業項崗實習、自主創業等活動，這些研究性學習能夠培養學生解決問題的能力。

3網絡與多媒體通信課程的知識體系

網絡與多媒體通信是絕大多數高校數字媒體技術等專業的必修課。主要由信息壓縮和編碼技術和多媒體網絡通信技術組成，難點知識包涵香農信息論的3個基本概念（信息熵、率失真函數和信道容量）對應的3大編碼原理（無失真信源編碼定理、限失真信源編碼定理和信道編碼定理）[3]，還包括一些經典的信源和信道編碼方法，甚至包括通信保密理論。這些知識體系中3個基本概念及對應的3個編碼原理是已解決的復雜工程問題，學生需要了解這些工程原理、方法和各種技術標準甚至是否有沖突或未解決未定義的工程標準和范疇。學生運用信源和信道編碼方法理論等建立合適的抽象模型，爭取不同項目提出不同解決方案，分析、解決復雜工程問題，并要處理好問題相關各方面利益不完全一致、多個相互關聯的子問題等情況。

4多舉措培養復雜工程問題能力的探索與實踐

培養復雜工程能力解決能力是一個逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的培養過程，可以從學生能力培養、人才培養過程和人才培養模式三個不同視角共同著力，以達到畢業要求規定的標準[1，4]。

通過閱讀文獻、線上線下師生互動答疑等學習模式，學生了解知識原理，教師引導學生正確理解知識，培養學生能應用知識原理分析的解決簡單工程問題的能力。比如學生能通過閱讀文獻了解利用熵模型，對圖像隱寫進行盲解碼;利用最小交叉熵進行圖像分割的閾值選取;利用空間熵，進行圖像全局和局部對比度增加;利用多尺度空域和頻域熵，進行小縮放因子圖像seam carving的盲檢測等。

設計課內實驗課程促進學生了解封閉的工程問題，尚未給出解決方案的簡單工程問題，培養應用多學科知識原理分析的解決工程問題的能力。以圖像重定向（image retargeting）的質量評價為例。為了適應一幅數字圖像在不同分辨率終端上的顯示，需要依據顯示終端的目標分辨率調整數字圖像的分辨率，以節省傳輸帶寬并且保證改善顯示效果。目前，已經涌現了包括剪切、等比例縮放、變形（warping）和內容感知的seam carving等方法，它們各有特點。圖像重定向質量評價是結合輸入圖像的內容和特點，選擇合適的圖像重定向方法的關鍵所在。為此，在有原始圖像作為參考的情況下，需要客觀地測量圖像重定向的失真和信息損失。

開設小班討論課提出半開放的工程問題，這些問題涉及多方面因素或因素有沖突或者有幾種可能的解決方案。討論課教師示范多學科知識原理的應用，學生嘗試應用多學科知識原理，并獲得工程問題被證實的結論。小班討論結合開源社區的代碼和實驗結果，討論如何從信息損失和感知幾何失真的角度進行圖像重定向的客觀質量評價。特別是，觀察從信息熵角度定義的信息損失對于整個質量評價的貢獻以及它彌補幾何失真不足的獨特作用。顯然，這是一個與工程實踐很貼近，同時又與網絡與多媒體通信課題內容密切相關的討論內容。為加強學生對無失真編碼的理解，列舉Huffman編碼的編碼過程，通過實例加深信息熵、碼長、編碼效率的理解。式（1）為信息熵計算公式，式（2）計算信源的平均碼長，式（3）分析無失真編碼的平均碼長需滿足的條件，式（4）定義了編碼效率η。

（1）

（2）

（3）

（4）

根據上述公式，大量舉例訓練Huffma編碼過程中，信息熵、平均碼長、編碼效率的計算方法。并計算Huffma編碼合并概率前置與合并概率不前置得到的碼長方差，比較兩種不同Huffman編碼方法的緩沖器容量，得出合并概率前置的方法更優的實驗結論。

發布實驗項目（項目實訓），提出開放的工程問題，無明顯解決方案，需抽象思維及原創性分析建模來解決。教學過程中要求學生用Huffman設計某商場抽獎的獎項設計方案。根據商場給出的獎品總額，設計一、二、三、優秀獎的概率，更一步鞏固 Huffman編碼的設計技巧。

學生申報創新（SIT）項目，解決僅靠常用方法不能解決、無明顯解決方案的復雜工程問題。教師引導系統設計和開發，學生綜合應用跨學科知識原理、各種研究方法等集中解決復雜工程問題。

教師科研項目進課堂，解決不常見，不易獲得解決方案以及涉及因素超越現行工程實踐標準和規范涵蓋的范圍的工程問題。隨著人工智能技術不斷在生產領域的應用，課堂中引入科研團隊為某工廠的流水線設計的自動檢測產品質量的工程，學生開發智能檢測的程序，了解工程在圖像識別、網絡布線、硬件調試，甚至硬件產品的選擇與購買等過程，讓學生體驗真實的工程過程，提升學生的工程能力素養。

組織學生到企業頂崗實習，參與企業實際工程項目，學習不易獲得解決方案，涉及多種不同利益相關群體的不同需求的解決方案。

為學生搭建自主創業平臺和環境，創業工程項目內部因素復雜、外部諸多限制，一般難以獲得解決方案。在此過程中教師指導、評論、批評工程問題，提出解決思路和方案，學生作為項目主導者需要溝通協調不同利益相關者，要體現社會責任與可持續發展意識，并要求獲得高水平復雜工程問題有效解決方案。

5結語

網絡與多媒體通信是通信工程專業的專業基礎課，學習效果的好壞直接影響本專業后續課程的學習。本文剖析復雜工程問題的本質，分析研究性學習方法是培養復雜工程問題能力的有效途徑，結合網絡與多媒體通信課程的教學內容主線，運用小班討論、發布實驗項目、制度激勵學生申報創新（SIT）項目、教師科研進課堂等多舉措研究性學習性方法，考核方案由傳統的試卷考核改革為以上8項研究性學習成果為考核標準，從制度上促進學生進行研究性學習，開拓學生的學習深度、維度，以提出學生發現、分析、解決復雜工程問題的能力。

通過實踐，近三年通信工程專業的創新（SIT）項目增加了23項，創新創業項目增加了12項，工作室的團隊學習氛圍明顯增強，學生參加教師的科研項目顯著提高。在今后的教學過程中還需進一點細化研究性學習的考評方案。考評方案更嚴謹，研究性學習方法更多樣，教學項目設計更科學，以更好的提升學生解決復雜工程問題的能力。

參考文獻

[1] 林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26+38.

[2] 林健.運用研究性學習培養復雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：84-94.

[3] 劉鑫，楊高波.培養解決復雜工程問題能力的信息論與編碼課程教學探索[J].計算機教育，2019（11）：133-136.

[4] 冷愛蓮，段斌，王永才.復雜工程問題想定教學設計[J].電氣電子教學學報，2021，43（2）：115-117.