面向解决复杂工程问题能力培养的实践教学案例设计与实施
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[摘要]解决复杂工程问题能力的培养是我国工程教育专业面临的核心任务之一，其不仅是工程专业认证的需要，更是提升毕业生培养质量的要求。实践教学案例作为培养学生解决复杂工程问题能力的一种重要载体，存在缺乏工程背景支撑、设计任务简单重复等问题。以通用数据采集系统为例，从工程背景支撑、技术方案设计、教师指导等几个方面阐述了如何设计实践教学案例培养学生解决计算机科学与技术专业复杂工程问题能力的难题，具有较强的借鉴意义。
[关键词]复杂工程问题;教学案例;能力培养;数据采集系统
[中图分类号]G642.0
[文献标识码]A
[文章编号]2095-3437（2020）04-0056-03
按照《华盛顿协议》的要求，通过工程教育认证的工程专业不仅要深入理解和把握复杂工程问题，更要按照国际实质等效原则培养学生具有解决复杂工程问题的能力。深刻理解和把握复杂工程问题并培养出具有解决复杂工程问题能力的毕业生，将是我国高等教育所有本科工程专业当前和今后必须重视和做好的工作。
计算机科学与技术专业是2006年我国首批开展工程教育专业认证的试点专业之一。经过多年的发展，工程专业认证中所倡导的学习产出（即OBE）的教育理念，特别是以解决复杂工程问题能力培养为核心的教育模式得到了越来越多高校的认可，达成的一个普遍共识是：以理论教学为核心的传统教学模式不足以培养学生解决复杂工程问题的能力。复杂工程问题能力的培养必须通过精心设计的、具有复杂工程问题特征的实践教学案例来实现，而目前多数高校在这方面的工作还做得不够深入和充分，实践教学环节的教学案例缺乏工程背景支撑，且设计任务简单重复，不利于培养学生解决复杂工程问题的能力。针对上述问题，本文在对复杂工程问题内涵进行分析的基础上，结合计算机科学与技术专业的毕业要求，设计了一套用于培养解决复杂工程问题能力的教学案例，对如何培养学生解决复杂工程问题能力的实践教学模式进行了探讨。
一、复杂工程问题的内涵
《华盛顿协议》中界定的复杂工程问题必须具有特征WP1和特征WP2到WP7的一些或全部。与此类似，中国工程教育专业认证协会界定的复杂工程问题也必须具备特征CP1.同时具备特征CP2到CP7的部分或全部。
从中外对复杂工程问题的表述中可以看出：1.中外机构对复杂工程问题的理解基本是一致的;2.要求学生具备解决复杂工程问题的能力，其实质就是要求学生能够在面对复杂性、全局性的问题时，在不具备成熟工具的条件下创新性地运用基础知识和基本理论，并综合考虑在多因素的场景下通过分析、研究、评估、设计、实施等活动带领多学科背景团队高效完成工程目标;3.中国工程教育认证通用标准中的工程知识、问题分析、设计/开发解决方案等8条毕业要求中也涉及了解决复杂工程问题的要求，可见培养解决复杂工程问题能力的要求是工程教育专业认证的核心问题。
培养解决复杂工程问题能力不仅是高校工程教育专业认证工作的需要，更是提高毕业生培养质量的有效抓手。这种能力的培养不是一朝一夕就能实现的，必须通过完整的课程教学体系实施，为了实现这样的目标，工程认证专业毕业生至少要掌握两方面的知识或技能。1.掌握解决复杂工程问题能力的基础知识和基本理论。这种知识可以通过理论教学掌握，国内多数高校在这方面拥有行之有效的工作方法和措施，本文不再展开论述。2.具有解决带有工程背景的复杂工程问题的经历和能力。受限于现实条件，全日制在校大学生获取这种工程实践经历的渠道有限，多数在校大学生仅能通过实践教学环节积累这方面的经验，因此实践教学环节就显得尤为重要。为达到上述目标，必须精心设计满足工程认证要求且具有工程背景的实践教学案例，设计内容包括：实践教学案例的工程背景描述;实践教学案例的设计任务要求;实践教学案例的教学组织与管理。
二、基于复杂工程问题的实践教学案例设计与实施
（一）教学案例设计
1.工程背景
近年来煤炭企业为了减员增效，纷纷投入巨资建设了如提升机集控系统、皮带机集控系统等信息化项目，这些项目的实施为企业发展注入了新的活力，但同时也带来了一些问题。
（1）各个集控子系统的设计厂商、开发标准不尽相同，导致相互之间无法进行有效集成，形成多个“信息孤岛”，处于只见树木、不见森林的状态，无法为管理人员提供全局的、有效的数据决策支持。
（2）单个集控子系统基本具有对生产数据进行Web发布的功能，但多个集控子系统间互不兼容，无法进行有效管理，导致管理人員只能逐个登录子系统查看生产数据，工作效率极其低下。
（3）集控子系统的生产数据不能通过智能终端进行访问，无法做到随时随地掌握生产情况。
针对上述问题，拟设计开发一套数据集成与发布系统，解决以下问题。①设计开发通用数据采集系统，解决多个集控子系统的生产数据集成问题。②设计开发Web应用程序，解决生产数据的统一、实时访问问题。③设计开发智能终端APP程序，解决随时随地访问生产数据的问题。
2.设计目标
通过分析讨论，确定设计目标为开发一套通用数据采集系统，实现不同信息子系统的生产数据集成，同时开发Web应用程序和智能终端APP程序实现对生产数据的统一、实时访问，设计内容包括：（1）设计开发通用数据采集系统，实现不同集控子系统生产数据的实时采集与集成;（2）设计开发Web应用程序，实现基于Web的生产数据实时、统一访问;（3）设计开发智能终端APP程序，实现生产数据的随时随地访问。
3.设计任务
根据设计目标的要求，确定设计任务如下。
（1）通用数据采集系统设计与开发。使用Java、C#、Python或其他程序设计语言，采用OPC UA协议，访问并读取各个集控子系统的生产数据，并进行集中存储。 （2）Web应用程序设计与开发。使用JSP、ASP.NET或其他技术，设计开发通用生产数据发布系统，实现基于Web的生产数据统一发布与管理。
（3）智能终端APP程序设计与开发。设计开发基于Android智能终端的APP程序，实现随时随地访问生产数据。
（二）教学案例的组织与实施
为确保教学案例达到设计目标，使学生充分得到解决复杂工程问题经历的锻炼，必须制定严密的实施措施，这些措施要从组织实施方式和指导教师要求两方面着手。
1.学生实施要求
（1）案例设计的功能较为复杂，采用项目小组的形式进行，每个小组3～4个成员，每个成员要有明确的分工，各司其职。
（2）案例设计不提供详细设计说明书，每个项目小组独立进行设计与开发。
（3）案例设计最终提交的资料包括供设计文档和程序代码。
2.教师指导要求
案例设计实施效果的好坏，很大程度上取決于指导教师的指导方法和策略。为培养学生解决复杂工程问题能力，指导教师不能进行面面俱到的保姆式指导，也不能采用放任自流的方式，任由学生自由发挥。指导教师应采用灵活有效的方式，一方面，要充分激发学生自身的潜力，引导学生不断地进行探索与尝试，设计切实可行的技术方案;另一方面，也要结合自身的工程设计经验，对学生给出的技术方案进行指导，指出其存在的不足和欠缺，从而使学生通过切身的体会从工程项目的锻炼中获取宝贵的经验。
3.案例实施
下面以通用数据采集系统的技术设计方案为例说明实施过程。
首先，通过查阅设计资料，项目小组了解到软件系统主要包括通用数据采集系统、Web应用程序、安卓APP程序三个部分。
然后，项目小组经过讨论与分析，给出的技术方案1，如图1所示。
技术方案1中以数据库为中心，通用数据采集系统负责向数据库写入数据，Web应用程序和安卓APP程序则从数据库中读取并把结果展示给用户。设计看似合理，但实际上存在比较大的隐患。这是因为数据库是三个子系统的中心，不仅负责实时存储数据，还要负责响应Web应用程序和安卓APP程序的数据请求，这会对数据库系统造成非常大的压力，轻则致使数据存储和响应缓慢，重则导致系统崩溃，因此技术方案1存在较大的局限性。
针对上述问题，具有工程实施经验的指导教师会根据自己的经验，指出技术方案1中存在的不足，学生在参考指导教师意见的基础上，给出优化后的技术方案2，如图2所示。针对技术方案1中存在的不足，在技术方案2中，增加了消息队列服务，把消息队列服务作为数据存储和读取的缓冲池，通用数据采集系统不再直接读写数据库，而是把采集到的数据写入到消息队列中;Web应用程序和安卓APP程序也不再直接读写数据库，而是从消息队列中读取数据，展示给用户。通过上述分析可以发现，技术方案2充分利用了消息队列服务良好的消息持久化与容灾能力，很好地解决了数据库系统的性能瓶颈问题，使得技术方案2更具实施价值，这也锻炼了学生解决具有工程背景的复杂工程问题的能力。
（三）教学案例的实施分析
1.通用数据采集系统的设计任务包括数据采集、数据存储、数据发布等，涉及的基础知识包括计算机网络、数据库原理、Web技术等，需要深入理解并运用计算机科学与技术专业的知识才能完成，具备复杂工程问题特征WP1或CP1。
2.通用数据采集系统中数据采集的速率与数据库存储的性能以及数据发布的时效性之间存在冲突，为保证系统稳定工作运行，需要兼顾不同的需求，达到系统效率与稳定性的平衡，具备复杂工程问题特征WP2或CP2。
3.通用数据采集系统部署在服务器上，要求7×24不间断运行，不仅要求有较高的数据采集、存储、发布效率，还要具备很高的稳定性。因此不能采用常规的技术方案，需要引进如消息队列服务等新技术，保证系统设计目标的实现，具备复杂工程问题特征WP4或CP4。
通过上述分析可知，该案例具备复杂工程问题的核心特征及两个选择性特征，属于典型的复杂工程问题，通过该案例的实施，不仅能使学生掌握使用软件工程方法设计应用软件的基本方法，还能够使学生得到宝贵的工程经历锻炼，增加其解决复杂工程问题的能力。
三、结束语
解决复杂工程问题能力的培养是工程教育专业面临的核心任务之一，其不仅是工程认证的需要，更是提升学生培养质量的要求。本文以通用数据采集系统为例，从工程背景支撑、技术方案设计、教师指导等几个方面阐述了如何设计实践教学案例培养学生解决计算机科学与技术专业复杂工程问题能力的难题，具有较强的借鉴意义。
[责任编辑：陈明]
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