系統工程基礎課程實驗教學探討

晁 濤，趙夢瑩，楊 明，王松艷

（1.哈爾濱工業大學控制與仿真中心，哈爾濱 150080；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150030）

0 引言

為助力我國創建創新型國家的目標，教育部曾推出了卓越工程師培養計劃，明確將培養出創新能力強的高質量工程人才作為高等教育的目標［1］。隨著形勢的發展，又提出了“新工科”建設，進一步實踐中國模式、中國經驗的工程教育［2-4］。國家政策的出臺，要求高等教育工作者要緊跟時代發展的步伐，不斷豐富和更新知識體系，體現鮮明的時代特征，為國家培養符合時代發展需求的創新型人才。為此，需要摒棄原有教學過程中重理論、輕實踐的思想，從社會對學生的素質需求出發，加大課程實驗內容的教學力度，改革實驗教學內容、方法和手段，為學生創新提供土壤。

在此背景下，依托課題組的教學和科研優勢，先后針對分布式仿真、空間探索飛行器軌道優化設計和系統建模與仿真基礎等課程進行實驗教學的改革實踐［5-7］，從教學內容、教學方法和教學手段等方面進行了有益的探索，并取得了很好的效果。

系統工程基礎課程是自動化專業高年級學生分方向培養時“系統工程”方向的理論基礎課。我國著名科學家錢學森對系統工程給出了定義：“系統組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的科學方法”［8］。從定義可以看出，系統工程課程是從一般意義的工程系統中抽象出相關的概念，繼而對相關技術進行介紹的課程。因此，課程具有概念性強、理論深、知識范圍廣等特點。由于學生對工程系統普遍缺乏直觀認識，更別提系統的規劃、研究、設計和制造等過程，學生對這些環節都缺乏了解，因此加大了課程的教學難度。從之前教學反饋結果看，學生普遍反映課程內容涉及的知識體系雜，知識之間關聯性小，很難對課程內容建立全面、整體的認識，而整體觀和全面考慮問題的思維卻是系統工程課程需要灌輸給學生的理念。這一矛盾現象充分反映出系統工程課程的教學需要改革。

目前，很多學校在系統工程課程教學內容和教學方式方面進行了大膽改革，在教學方法上采用問題導向和項目驅動教學模式［9］、翻轉課堂［10］、授課對象特征導向的混合式教學［11］、雙載體任務驅動［12］和混合式教學［13］等先進的教學模式，從而提高教學效果；在教學內容改革上突出思維導圖［14］、模糊綜合評價方法［15］、BOPPPS 教學過程的6 個步驟（導入、目標、前測、參與式學習、后測、總結）模型［16］等系統工程領域內的前沿知識內容，從而激發學生的學習興趣。以期通過教學內容更新和教學方法改革為系統工程課程的教學注入新的活力?；趯鴥韧饨虒W方法的調研分析，在課程改革過程中，重點突出了系統工程理論的可操作性，通過加大課程實驗教學的學時、重新設計教學內容、開發新的教學輔助手段，實現了對課程教學效果有效提升。課程內容突出專業鮮明的航天特色；以國內外最新的社會熱點應用問題為牽引，引入“基于問題學習”教學方法［17］，引導學生關注社會問題的解決方法，培養學生的創新能力；利用翻轉課堂的教學理念［18］，增強學生自主學習的意識。經過幾輪教學，課程改革的教學效果已初步顯現，獲得了學生的好評。

1 實驗教學模式設計

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

“基于問題的學習”教學模式的特點體現在從與社會生活息息相關的實際問題出發，從中抽象出與實驗內容相關的問題，引導學生在解決問題過程中熟悉實驗內容所涉及的知識，讓學生掌握隱藏在問題背后的系統工程基礎知識［19］。通過引導學生集體協作解決問題，對系統工程課程中所講述的系統概念、系統設計、總體和整體觀加深認識，學會組織工程項目的管理技術?！盎趩栴}的學習”一個典型的特點是問題牽引，在課上講授問題解決思路，課后布置與知識相關的問題作為實驗內容，學生完成一個實驗后，再布置新的問題給學生；學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，完成題目類似于游戲的闖關，從而激發了學生的學習興趣。

“翻轉課堂”教學模式的實施方式是提前將實驗課程的題目布置給學生，并提供相應的學習材料。然后，在學生開展實驗過程中，充分調動學生的積極性，組織學生分組協作完成實驗任務，從而實現實驗的教學［20］。該教學模式的特點在于“以學生為中心”，由于留給學生充足的準備時間，學生可以根據題目的要求，帶著問題去學習相關材料中的知識，并且可以根據自身能力，制定學習計劃，從而發揮主觀能動性?！胺D課堂”的目標是讓學生變被動為主動，通過自主學習，獲得課程知識。翻轉課堂具體實施時可以根據教學進度安排，在上課前，建立微信群聯系學生，在公共郵箱中存儲相關的學習材料，讓學生共享學習材料，通過網絡通信工具統計學生的問題，從而在上課時根據學生的需求，進行相應問題的解答。

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

2 實驗教學內容設計

系統工程基礎課程的實驗問題設計要緊跟時代發展的特點，體現鮮明的時代特征，以培養學生創新能力為導向，體現出能力培養與應用需求之間的聯系，同時體現專業的“航天特色”和“國防特色”，為學生日后從事相關專業奠定基礎。

系統工程課程實驗內容涉及系統建模、系統評價、系統優化和系統決策等多個領域的知識，因其知識理論的基礎性，具有很強的理論聯系實際的可能性。因此，在課程內容教學設計中充分考慮各個教學內容的特點，將實驗教學案例與科研項目相結合，結合社會熱點問題，在各個實驗內容中安排難度等級不同的實驗題目，通過基于問題的學習，引導學生合作解決具體的實際問題。

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

在系統評價的實驗中，設計的題目包括成本效益分析、風險分析、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濟的影響進行評價、對軍隊采購裝備的不同方案進行綜合對比分析，其中軍隊采購裝備問題的成本效益分析可以順帶培養學生的國防意識；在風險分析實驗中，對汽車尾氣排放對霧霾天氣形成的風險進行分析，對網絡輿論可能造成的風險進行分析，其中霧霾成因問題的分析可以引導學生關注環境問題；在靈敏度分析實驗中對工業產品瑕疵率相對于原材料質量的靈敏度進行分析，對運載火箭軌跡的控制精度對外界擾動的靈敏度進行分析，其中對運載火箭的相關分析體現了所在專業的航空航天特點；在模糊綜合評價方法的實驗中對艦船防空系統的綜合防空能力進行分析評價，對航母戰斗群的作戰進行分析，充分反映了所在專業的國防特色，并培養學生的國防意識。這些不同領域的問題，不僅有效說明系統分析方法的廣泛應用價值，也引導學生學會在日后的工作生活中主動使用系統評價方法進行問題的研究。

在系統優化的實驗中，對線性規劃、非線性規劃和動態規劃等理論進行實驗，解決實際生活中的問題。例如，典型的線性規劃問題有給定材料設計最優產品、根據需要合理規劃資源的分派等，通過相應的實驗可以引導學生應用規劃方法解決實際生活中遇到的問題；再比如，非線性規劃的實驗問題有飛機外形的優化設計問題，通過優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；學生在解決問題的同時，還能體會到應用規劃方法的重要意義，一舉多得。

在系統決策的實驗中，對風險性決策、完全不確定決策、博弈論等理論進行實驗。在風險性決策實驗中，對購買股票或基金這種投資行為的風險性建模，并通過虛擬實驗，讓學生體會風險性決策的過程，同時領會所有的最優決策都是在一定條件下的最優的思想；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、海灘爭奪戰等有趣的決策問題，讓學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 實驗軟件設計

針對前期系統建模與仿真課程的實驗已經開發了實驗平臺［7］，并在實踐中取得了較好的效果，系統工程基礎課程實驗部分的軟件開發借鑒了前期課程的開發經驗?？紤]到課程實驗部分沒有系統建模與仿真實驗所需要的開發面向不同層次學生的實驗需求，也不需要基于網絡的交互式互動功能，因此，課程實驗部分的軟件主要用于集成各個實驗所對應的實驗內容、實驗步驟、實驗參考資料、針對實驗開發的程序以及實驗結果查看等功能。對已有的軟件平臺進行了適當的簡化，得到軟件的設計方案如圖1 所示。

圖1 實驗軟件設計方案示意圖

軟件的上層界面包括編輯實驗報告、查看試驗內容和步驟、調用實驗軟件以及查看和編輯實驗結果的功能。該界面功能通過調用第2 層的應用軟件，如Word、Excel、Matlab 和Visual Studios 等來實現。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。軟件將學生進行實驗時所需的各類軟件集成在一個平臺調用，提高了學生的實驗效率。實驗題目的定制功能為軟件的后續擴展和試驗內容的不斷豐富提供了支撐手段。

4 教學效果分析

課程改革后，進行了兩個學年的教學實踐，采用“基于問題的學習”和“翻轉課堂”教學思想，利用開發的試驗教學軟件，結合線上線下手段混合教學，對教學效果進行分析。

首先，對教學效果分析的最直接指標是學生的課程實驗成績以及學生對教學質量的評價，此外還有一個典型的指標是學生的出勤率。學生的實驗課程成績通過每次實驗撰寫的實驗報告質量評定。實驗報告的質量不僅看實驗結果是否滿足預期，還要評價報告撰寫是否規范、實驗題目的解答是否有創新性，同時要求學生對每次的實驗內容提出進一步的改進建議。通過前述各個環節學生的表現，對實驗結果進行綜合評價。

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

表1 教改前后學生出勤率對比%

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

圖2 教改前后學生實驗課成績評價結果

然后，對教學效果評價的另一個有力指標是學生對教師的評教?？紤]到學生評教受到多種因素影響，采用系統工程領域的“模糊綜合評價方法”對教學效果進行評價。建立3 個層次的評價指標體系，頂層指標是教學效果，一級指標分別是教學內容、教學進度、教學手段和教學方法，教學內容的次一級指標是豐富度、趣味性、實用性、難易程度等，教學手段的次一級指標是多媒體運用情況、線上教學運用情況、網絡資源運用情況等，教學方法的次一級指標包括互動情況、問題解答情況等?？紤]到學生評分存在一定模糊性，對底層指標采用模糊論域描述，例如教學內容的趣味性分為“很有趣，有趣，尚好，平淡，無聊”，便于學生進行評價，同時也利于教師分析結果。從最終的教學評價結果看，學生對教學內容的趣味性、實用性給予了很高的評價，對線上線下混合教學的手段表示很支持。有部分學生提出可以在后續的題目安排中考慮學生日常生活相關的內容，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，進一步給教學改革提供了有益的方向。

5 結語

針對系統工程基礎實驗課程教學，采用了“基于面向問題學習”和“翻轉課堂”思想，結合混合式教學的多樣化教學模式，以解決實際問題為導向，開發系統工程基礎課程實驗軟件，針對學生特點和興趣，設計了不同類型的實驗案例，讓學生通過翻轉課堂，變被動學習為主動學習。其中的系統工程基礎實驗課題數據庫，涵蓋了水電站選址、航母編隊數目、共享單車投放等研究課題，豐富了實驗課的授課內容。教學實踐表明，學生對課程實驗題目趣味性評價很高，通過教學改革培養了學生的實踐創新能力。