新工科背景下“信息系統分析與設計”課程實踐教學改革研究

羅愛民 張萌萌 劉俊先

摘? ? 要：實踐是“信息系統分析與設計”課程的重要環節。文章根據新工科人才培養的要求，分析現有實踐教學中存在的問題，基于CDIO方法，開展課程實踐教學設計，構建一體化實踐教學平臺，提出實踐教學環節的考核方式，形成“以項目為驅動、學生為主體、創新為核心、平臺為依托”的四維一體實踐教學模式。

關鍵詞：新工科;CDIO方法;實踐教學;信息系統分析與設計

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）01-0001-03

一、引言

2017年以來，高等教育改革與發展的新工科教育研究與實踐成為工程新熱點^[1]。相對于傳統的工科人才，新工科建設以產業需求為導向，注重學科交叉融合，注重實踐能力與創新能力，目標是培養具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才^[2]。新工科人才培養對教師提出新的要求，廣大教師要積極探索面向新工科人才的教學改革方法和培養新工科人才的新模式，力爭培養工程實踐能力強、具有較高創新能力的復合型新工科人才^[3]。

“信息系統分析與設計”是國防科技大學管理科學與工程和信息管理等專業的核心課程。該課程具有系統工程、軟件工程、系統設計等多學科交叉的特點，課程的教學內容覆蓋面廣，對于系統開發經驗較少，甚至沒有相關經驗的學生來說，常常會缺乏學習興趣，存在對教學內容難以理解的情況。因此，實踐教學一直是“信息系統分析與設計”課程教學的重要環節。在現行教學模式下，“信息系統分析與設計”實踐教學主要存在以下問題。

（一）實踐教學環節缺乏規劃和設計

目前，各學校開設的“信息系統分析與設計”課程幾乎都安排了實踐環節，有些學校甚至還有專門的實踐課。但是由于缺乏先進的教學理念指導和科學規劃，部分高校實踐教學環節常流于形式，選擇的設計內容或設計過程以及最終實踐效果都暫未達到實踐教學的要求，未起到鞏固知識、加深理解和提高學生能力的作用。對于國防科技大學學生來說，由于選用的軍事信息系統實踐項目離學生生活較遠，學生往往無從下手。

（二）考核形式比較單一，缺少科學的評價機制

現有教學模式比較關注最終考試成績，忽視對學習過程的評價與管理，對課程設計、綜合實踐這類創造性工作、開放式問題缺乏合理的評價手段，主要依靠教師給出成績，學生往往只提交實踐報告，不關注實踐報告的優化以及其他項目組的設計方案，這種評價機制難以科學、公正地評價學生的成績，也不利于學生在相互比較和相互交流中加深對教學內容的理解。

（三）缺少成體系的實踐環境支持

現行的實踐教學缺乏完善的實驗平臺支持。目前實驗環境多依賴商用軟件，如UML建模軟件、DOORS、EA、VISIO等。這些軟件主要是支持各種建模技術，大多缺乏對設計方案進行分析、優化的功能，單一軟件無法支撐實驗，各軟件之間的數據無法有效調用。

在新工科背景下，教學團隊期望通過學生自主設計與項目實踐，幫助其消化、理解與掌握系統建模、設計與分析的基本方法，提升教學效果，培養學生創新能力、批判思維、實踐能力、團隊協作精神。CDIO創新工程教育模式的最大特點是倡導以問題為驅動，注重實踐性教學和實際動手能力^[4]。針對“信息系統分析與設計”課程實踐教學的特點，基于CDIO方法，探索采用“以項目為驅動、學生為主體、創新為核心、平臺為依托”的四維一體實踐教學模式，形成對學生實踐活動指導作用的有效范式。

二、實踐教學設計

針對目前課程實踐與實驗教學環節存在的問題，教學團隊圍繞教學知識點，以培養學生實踐能力為出發點，對課程實踐開展教學設計。在案例主導教學和項目驅動教學的基礎上，建立包括單項項目和綜合項目的漸進式實踐教學體系，確保實踐教學內容的系統性和連貫性。

（一）實踐目的與分類

根據提高學生實踐能力的要求，明確課程實踐的基本目的和目標，分析實踐教學的基本分類。實踐教學在理論方法教學的基礎上，進一步加強建模、分析與評估三個方面能力的訓練，通過動手實踐環節，使得學生熟練掌握建模、分析和評估的基本方法，具備承擔信息系統分析與設計工作的能力。通過項目實踐，促進學生對課堂教學知識點的理解，提升學生獨立分析和思考的能力，培養其團隊協作能力，激發他們的創新意識，并且使學生積累一定的工程實踐經驗。實踐教學以項目形式開展。實踐項目分為兩類：單項項目和綜合項目。其中單項項目主要對特定的教學內容和知識點開展實踐，綜合項目則在單項項目的基礎上，進行設計方案綜合分析與評判。

（二）實踐內容與要求

在實踐教學中，明確各環節的內容組成以及各實踐內容的基本要求。

單項項目主要包括三個環節：建模、分析和優化。其中建模環節主要針對不同的內容（流程、功能、結構、組織和數據）建立相關的模型;分析環節主要針對建立的各類模型進行性能分析，判斷建立模型的優劣;優化環節根據模型分析的結構，修改相關模型，再進行模型分析，直至各項指標達到要求。例如流程設計主要針對信息系統支持下的應用，分析該系統的應用模式，并利用IDEF0建模工具或活動圖建模工具設計應用流程。分析環節中對建立的流程模型進行時間、負載、信息流等性能分析。如果發現設計存在問題，則要分析設計缺陷并修改模型中的相關內容。

綜合項目需要結合具體背景，針對具體背景設計完整的信息系統開發方案。綜合性項目主要包括需求、體系結構、解決方案設計等內容。按照需求、體系結構和方案三個環節綜合運用流程、組織、功能、結構等設計方法，進行典型背景下信息系統設計。需求、體系結構和方案三個環節的設計結果須進行分析與評估，并對最終得到的設計方案進行綜合評估，包括性能、效能、結構、韌性等內容。

（三）實踐教學組織與實施方法

針對實踐教學的分類，研究各類實踐教學的組織、管理方式以及具體實施要求。實踐教學組織以學生為中心，單項項目主要由學生獨立完成，并提交設計模型和設計報告。綜合項目以小組形式完成，每組選擇一個背景開展信息系統方案設計，按照需求分析、架構設計和方案設計過程進行。綜合實驗需要提交的成果包括設計模型、設計報告并進行PPT匯報。在每個實踐項目開始前，教師將結合案例講解實踐內容和工具的基本使用方法。為加深學生對實踐任務的理解，選擇國防動員為背景，針對設定的單項項目和綜合項目開發相關案例。

三、構建實驗平臺

在分析優化后教學內容對實驗環境的需求基礎上，利用科研成果進行實驗環境方案設計，并集成各功能軟件形成敏捷系統分析設計實驗環境。實驗環境組成如圖1所示。

實驗環境分為三個部分：基礎環境、單項設計實驗環境和綜合分析與設計實驗環境。基礎環境主要是提供基礎的建模功能、仿真功能以及系統管理等。單項設計實驗環境主要支持功能、結構、流程、數據等內容開展設計、分析與優化，主要配合各知識點的教學活動，同時為綜合實驗環境提供支撐。綜合分析與設計實驗環境主要支持課程綜合實踐設計，支持學生完成項目綜合設計與分析。該實驗環境具有以下特點：支持基于模型的系統工程設計過程;涵蓋服務化建模手段;支持教學知識點的多種建模分析與評估方法;應用智能和優化技術支持系統分析與設計;構建敏捷分析環境，支持敏捷開發;支持單個知識點的實踐和課程設計實踐等。

與現有的實驗環境相比，該環境增加分析、優化和仿真評估等功能，可以實現對設計方案的實時分析、及時優化、綜合評估等，支持系統的敏捷開發。例如在功能設計中，通過功能建模形成功能設計方案，方案的好壞、是否滿足約束條件和要求則可以通過功能分析模塊進行分析，根據分析結果學生可以自主優化方案。同時利用智能優化方法自動進行優化設計，以達到培養學生分析、設計能力的目的。同時，單項項目的成果可以靈活運用到綜合實驗環境中，提高實驗效率，并通過從單項設計到綜合方案設計鍛煉學生整體分析與設計能力。

四、實踐教學環節考核方法

實踐課程選擇開放式問題，以激發學生的創造力為目標。公正、科學地評估學生的成績是提高教學效果的重要環節。

（一）考核內容與標準

針對所建立的教學內容體系，確定考核和評價的知識點，明確各知識點考核的具體內容和要求。教學考核內容和標準應重點關注以下問題。

1.開放式問題的考核內容。針對建立的教學內容，分析并明確哪些內容屬于開放式考核內容與該考核內容的具體要求。以往這類考核的對象主要是學生提交的課程設計報告，教師根據提交的課程報告評分。因此，開放式問題考核內容也要注重和加強過程的考核，不斷豐富考核內容，學生在實踐過程中的工程能力、協作能力和創新能力等都應該是考核內容。

2.建立評價標準。與標準知識點考核不同，信息系統設計本身是創造性工作，沒有標準答案。因此，建立科學、公平的評價標準至關重要。通過分析教學知識點的特點，針對不同知識點建立定量化的評判標準，特別是分組形式完成的綜合設計成績評級標準。由于綜合分析設計的課程設計一般采用分組形式，多人協作完成，教師難以掌握各組人員在項目中的作用與貢獻，因此需要制定量化的科學評價標準。

“信息系統分析與設計”課程實踐的最終成績由單項項目成績、綜合項目成績、成果匯報（報告、提問、回答）等組成，其中單項項目成績占30%，綜合項目成績占45%，成果匯報占25%。設計內容的基本評價標準包括：第一，模型。從內容和形式上考核，內容主要考核是否詳細、合理;形式主要考核其規范性和完整性。第二，報告。主要考核報告的粒度、規范性、評估結果等。第三，匯報交流。主要考核報告水平、回答問題是否正確、提問數量等。

（二）考核方式與過程

現有考核組織方式主要是教師參與，以提交的報告為主。為培養學生綜合素質和能力，成績評定要求全員參與考核，打破傳統的考核方式，采取開放式問題的考核。全員參與考核方式體現在以下方面。

1.教師和學生共同參與考核。考核采取教師打分、學生互評的方式。除了教師給學生打分，各小組之間也要相互打分。小組間相互打分不采用絕對分數，采用排序形式，最終成績綜合教師和各小組的打分。

2.考核對象和內容隨機抽取。小組匯報人員隨機選擇，保證小組每個成員都積極參與實踐，杜絕少數人不參與的現象。各組回答問題的人員也不固定，現場隨機選擇，保證分組項目時每個成員都積極參與。

3.學生交流、相互提問。當一個小組匯報完，其他小組依次提問，提問人員也采用隨機點名的方式，保證每個學生都認真聽取其他小組的方案，并積極思考。在報告、提問和答問環節的成績代表小組成績。全員參與考核方式可以使得學生在參與考核過程中進一步提高對知識的理解與認識，積累知識的運用經驗，提高創造力，培養協作和交流溝通能力。

五、結語

實踐表明，對于教師來說，指導學生開展實踐目標更明確，對學生成績評級更客觀和合理，學生對知識點的掌握以及實踐能力明顯提高，基本具備信息系統設計能力。通過改革后的實踐教學，學生投入實踐的精力更多，使其加深了對理論知識點的理解，并在創新能力、分析能力、協作能力、動手能力等方面得到明顯提高。在后期的教學過程中，還需要進一步完善實驗環境中分析與評估的相關算法，逐步實現系統自動評分。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[2]張紹全，劉興茂，鄧昌建.新工科背景下案例教學設計與實踐——以“電力拖動基礎”課程為例[J].教育教學論壇，2020（20）.

[3]高騰剛.淺談新工科背景下《數據庫原理與應用》課程教改探討[J].電腦知識與技術，2020（12）.

[4]張士輝，祁蕓，嚴瑋.基于CDIO的卓越工程師訂單班課程改革實踐[J].高等工程教育研究，2014（5）.

[責任編輯? 楊? ? 波]

收稿日期：2021-06-24

作者簡介：羅愛民（1970—），女，湖南邵陽人，國防科技大學信息系統工程重點實驗室教授，博士，主要從事復雜信息系統工程研究。

基金項目：2020年湖南省普通高等學校教學改革研究項目“新工科背景下基于CDIO的指揮信息系統分析與設計課程改革與實踐”（202009）