社会计算:大数据时代面向卓越工程师培养的网络教学模式

洪晶

(泰山学院机械与工程学院，山东泰安271000)

社会计算:大数据时代面向卓越工程师培养的网络教学模式

洪晶

(泰山学院机械与工程学院，山东泰安271000)

随着大数据时代的到来以及社会计算在各项社会活动领域中的应用与推广，高等教育理念与教学模式也在经历着深刻的改革.为了促进卓越工程师教育培养计划的实施，本文阐述了当前卓越工程师培养的主要作用及社会背景，对影响当前卓越计划发展的因子进行了分析，以土木工程高等教育为例，在结合土木工程生产特点和管理要求的基础上，研究了一种主动式面向“卓越土木工程师”培养的网络教学模式.依托大数据所带来的丰富、优质数据资源优势，并按照企业导师与学校导师分布式协同工作的策略，这种网络教学模式不仅具备主动应用与定制业务的管理优点，而且能够克服卓越计划在初期发展阶段所存在的影响因子，以满足社会对高层次技术人才的培养要求，期望为卓越工程师教育培养计划参与高校进行的教学改革提供借鉴和参考，为卓越工程师培养的可持续性发展奠定基础.

社会计算;卓越工程师;土木工程;网络教学模式

在当前信息技术飞速发展的背景下，人类的社会活动逐渐呈现出社会化、网络化的互联趋势，正是在这种社会群体性的人与人之间的互联过程中，信息的互联互通也日益密切、交叉而融合.在社会网络环境中，广大用户主动“贡献”内容，或分享数据，每天都有大量的社会行为数据被保存在网络空间中，数据正以巨大的速度迅速增长和积累［1］.社会计算作为一种数据密集型学科，在收集和分析数据的广度、深度以及规模上都产生了巨大的影响［2］.同时，社会计算作为一种信息科学与社会科学相互交叉的新学科，也会对于人类的社会活动及其社会问题的解决带来深刻的正面影响.教育作为社会科学的一个分支领域，必将受到社会计算这一新的计算范式的有力推动，引起高校教育理念和教学活动的实质性变革.

随着大数据时代的到来，面向教育教学活动的社会数据也会在人类的群体性社会活动的交互过程中，以日新月异的速度迅速增长和集聚.本文正是从社会计算的角度出发，以土木工程本科专业高等教育为例，建立一种面向卓越土木工程师教育培养的网络教学理论模式.这种教学模式突出社会计算借助社会数据对教育活动及其教学问题，所采取的调查与分析、预判与评估、调控与解决的管理方法，并微观地体现社会计算对大数据的应用和处理能力，希望能够支撑工科高校卓越工程师教育培养计划的可持续发展.

1 我国卓越工程师教育培养计划的社会发展背景

我们国家的高校工科领域正在积极推行“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)，这是为贯彻落实党的十七大提出的走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人力资源强国等战略部署，贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010－2020年)》实施的高等教育重大计划.卓越计划对高等教育面向社会需求培养人才，调整人才培养结构，提高人才培养质量，推动教育教学改革，增强毕业生就业能力具有十分重要的示范和引导作用.

为了切实执行卓越计划，教育部在2010年批准清华大学等61所高校为第一批卓越计划实施高校，2011年又批准中国石油大学(北京)等133所高校为第二批卓越计划实施高校.经过近几年的探索发展，各高校结合本校特色、面向行业企业需求，已经建立或逐步完善本校的卓越工程师教育培养标准，相关的院系也制订了参与卓越计划的本科人才专业培养方案，而且与卓越计划发展相关的学校政策、院系措施也已陆续出台或调整，这就进一步促进参与高校卓越工程师人才培养平台的形成.

2 卓越计划所面对的学校与社会底层次问题

无论是对于卓越计划的通用标准、行业标准，还是对于卓越计划的学校标准［3］，这些标准对于相关院系所制订的参与卓越计划本科专业的人才培养方案来说，都是属于参与高校在人才培养过程中需要贯彻执行的顶层设计和上层设计.为了按照卓越工程师的标准培养学生，让学生成为行业企业所需要的卓越工程师后备人才，卓越计划要求本科层次的学生要有一年左右的时间在企业学习，学习企业的先进技术和先进企业文化，深入开展工程实践活动，参与企业技术创新和工程开发，培养学生具备现场工程师、设计开发工程师和研究型工程师的基本能力.同时，各个高校也针对卓越计划加大了人才培养方式与途径的改革力度［4］，主要包括实行学校导师与企业导师联合指导模式，基于问题、案例和项目的探索、研究性教学模式，以及实行产学研一体化培养模式.

相对于传统的高校工科人才培养方式，如果按照上述卓越计划的培养标准和要求来具体执行，让参与卓越计划的工科学生3年在学校学习，累计1年在企业实习和源于企业的实际问题选择毕业设计选题，并结合真实的工程环境，“真刀实枪”的干工程、搞专业、做课题，相信这样培养出来的专业本科学生，其分析问题和解决问题的能力会得到切实的提高，能够面向相关行业和技术领域的基层业务与管理岗位，具备在企事业单位基层和生产一线解决实际问题的知识、能力和素质，为企业创造、增加真实的价值.但是随着卓越计划发展进程的深入，一些相对于顶层设计而言属于底层次的具体问题也日益突出，从参与卓越计划的专业教师与学生的切身体验来看，具体存在以下影响因子严重制约卓越计划的深入发展:

(1)参加学生:本科招生规模扩大，生源质量参差不齐.

(2)学校导师:往往熟练课本专业知识的讲解，普遍缺乏长期、真实的工程训练背景，在课程教学过程中缺少“工程元素”的渗透与融合，导致学生对理论知识的掌握和工程实际的理解无法对接，不能主动、灵活应用.

(3)企业导师:虽然具有丰富实践经验、较强理论基础和一定指导能力，但是大多数企业导师能够登上讲台进行授课的教学能力达不到要求，缺乏丰富的教学手段，而仅仅局限于生产现场“有限教学空间”的亲身示范或只言片语，就学生自身的参与主动性和学习深入能力来讲，若不进行多次强调或者示范，也同样达不到应有的规模性效果.

(4)合作形式:学生在企业进行工程实践的过程中，部分单位简单按照现场工人的要求对待学生，有些单位考虑现场安全环境复杂与学生自身防护意识差等原因，不安排学生深入现场从事具体工作.

(5)合作愿望:在指导、培养学生的过程中，学校导师占主导地位，而合格企业导师的数量、参与愿望也比较少，培养学生的工作态度不积极，导致学校的聘用往往流于形式［5］.

(6)合作力度:由于政府支持政策的力度不够，企业考虑自身的生产规模、成本、质量和进度等现实因素，导致企业的积极性不高，无法拿出更多、较好的工程资源，提供给众多的高校工科学生实习实训，甚至部分企业就不欢迎学生来现场实践.

这些底层次问题对于学生到企业进行实践的初期是可以的，但等到时间一长，就会流露出厌烦、浮躁、失望、无所事事等情绪，导致卓越计划无法按标准实施.此外，对于高校土木工程专业的本科学生毕业之后，能够去设计院从事设计工作、在科研机构从事研究工作、到建管部门从事管理工作等的机会不多，其中的大部分将来都要去与土木工程施工相关的工作岗位上去，那么学生在上学期间由于上述影响因子的存在，而没有严格受到卓越计划培养标准的工程训练，将来走上工作岗位就无法尽快适应企业的工作节奏及其对于卓越工程师的内在价值要求.

3 卓越计划发展影响因子的社会解决途径与相应对策

目前，我国卓越计划的实施尚处于初期阶段，企业对卓越计划参与积极性并未达到高校所期望的要求，这一现状无疑会在一定程度上打击卓越计划参与师生的情绪［6］，而且也不会在短期内得到有效的改变.但是，应当看到高校工科专业推行卓越计划的道路和方向是不会改变的，全社会各个行业企业的可持性科学发展也需要高校所培养的大批卓越工程师后备人才.因此，在卓越计划的初期阶段，参与高校不应仅局限于学校的“内在”传统，还应广泛联系社会利用企业的“外在”资源，让高校与企业找到一个切实可行的结合点，形成双方需求互补、合作共赢的新局面，促进卓越计划更好、可持续地发展下去.

由于大多数参与卓越计划的高校对于本科生的培养采用3+1的教学模式，3年在校学习，累计1年在企业实践和做毕业设计，可见卓越工程师的校内培养占据了大部分的培养时间.为此，在认识当前发展困难的同时，也要坚持高等教育与工程实践必须要密切结合的教学原则.在当前阶段，需要看到高校与企业所拥有的优势资源，学校导师具有熟练的理论教学经验，社会企业导师具有丰富的工程实践经验，卓越计划的实施需要以“工程”为介质，而“工程”可以将学校导师与企业导师的业务领域给紧密结合.

在参与卓越计划本科生的3+1教学模式下，高校既要尽量抓住“争取更多的合作企业为学生提供真实的工程实践环境”这一育人方向不变，又要更加重视和加强“学生3年在校学习”的教学主阵地.以土木工程本科教育为例，由于土木工程具有项目实体大、业务综合性强、条件变异性多、生产流动性强、施工周期长等技术经济特点，如果要让高校教师去企业进行短期的学习或培训来增加课程教学过程中的“工程元素”，也并不见的成效显著，而且对于师资力量比较短缺的院系，这种需要长期的企业生产训练活动又会打乱正常的课堂教学安排.既然学校导师和企业导师各自拥有工程理论与工程实践的资源优势，在卓越工程师开设课程的教学过程中，就要在学校导师尽量结合“工程元素”进行课程教学的基础上，充分拓宽校企合作平台，让企业导师为高校基于问题、案例和项目并面向实际应用的教学模式，提供源于真实工程环境的课程备课素材或问题解决思路、方案.这样的校企合作成本不大，对于当前卓越计划发展初期阶段的社会企业及其企业导师来说能够做到.

在这种从社会“外在”角度解决高校“内在”问题的策略下所构建的课程教学内容和课堂讲解过程，对于参与卓越计划培养的学生来讲，不仅符合土木工程本科专业人才培养方案关于知识、能力和素质的规格要求，又能够直接渗透来自于企业导师的专业见解与问题思路.这对于学生今后深入工程现场，会起到与真实的工程环境、企业导师进行直接对接的作用，能够促进卓越工程师的培养效果，满足社会企业对于卓越工程师后备人才的市场需求.

4 面向“卓越土木工程师”培养的网络教学管理模式

社会计算作为一种新的计算范式，更加强调社会计算以信息技术和社会理论为指导，对计算机交互系统加以设计和开发，以更具人性化和社会化的交流平台来达到人们之间高度有效的社会协作和交往［7］.在基于计算机网络的教学中，教师、学生可以借助于网络教学支持平台开展课程教与学活动，一个完整的网络教学支持平台通常有三个系统组成:网上课程开发系统、网上教学支持系统和网上教学管理系统.目前，相关业界的教育软件公司已经开发了一些网络教学平台，并在学校的日常教学活动中进行了应用，但是这种网络教学系统的应用通常是局限于教师与学生之间的内在交互，不具有对社会外在的开放性.

在这种网络支持平台上，教师可以完成教学设计、教学内容的组织、教学过程的实施、作业的布置与批改、答疑、组织课堂讨论、课外辅导、教学效果评估等教学活动，学生能够完成听课、学习课程内容、完成作业、参与讨论、参加考试等学习活动.这些教与学的活动相对于传统的教学过程来说，只是借助于网络教学支持平台来开展教与学的活动，而无法基于上述的卓越工程师培养的课程教学策略，让管理跨区域、生产流动性的企业导师参与进来，提供源自于真实工程环境的课程备课素材或问题解决思路、方案，深化基于问题、案例和项目的研究性教学模式.

面向业务的网络管理是一个以网络业务为被管对象的网管系统，通过提供给客户端模拟用户请求服务的方法，测试网络服务，监测和分析业务的运行状况，达到监视网络业务的运行和变化规律的目的.主动网络作为一种允许用户对网络中间节点进行编程的智能网络体系结构，能够提供主动代码ANC (Active Network Code)运行所需要的相关服务和节点资源，可适时地为用户提供业务管理服务.本文以主动网络技术为支撑，从面向业务的角度研究面向“卓越土木工程师”培养的网络课程教学模式，这种模式具有主动服务和定制业务的特点，是分布式面向业务用户的，能够满足包括土木工程专业在内的卓越工程师培养课程的教学管理需求.

同时，结合近期教育部关于地方本科高校转型发展的教改思路，在形成专业集群、应用技术型大学(学院)联盟以及组建社会行业企业与高校共管的教育集团的系统平台上，学校所获取的来自群体性企业导师的社会数据就会迅速海量集聚，其中包括文本、图像、音视频等数据，这就意味着该种网络课程教学模式在实施教学业务管理的同时，也在同步地对上述的教学数据进行着主动、定制式的专业化管理.

5 主动式面向网络教学业务管理的工作机制与理论分析

5.1 主动代码ANC的分发机制

在主动网络中，程序和数据的传输主要有两种方式，分别为封装和可编程交换.基于封装的，程序和数据绑定在一起，形成主动信包AP(Active Packet)进行传输;基于可编程交换的，程序和数据分开传输，用户预先将ANC传送到目的主动节点ANN(Active Network Node)并存储，以后相同信包中只需包含相应ANC的指针及必要参数.

图1 DCCAN结构

结合上述两种传输技术，形成一种分布式主动代码存储机制DCCAN(Distributed Code Caching for Active Network)，用于实现ANC分发.网络上传递的主动信包中不再包含完整的ANC，而只包含相应ANC的指针及状态参数.将各种ANC分布存储于主动代码服务器ACS(Active Code Server)或驻留在ANN中，当ANN接收到某个主动信包后，执行环境EE对主动信包进行解析，首先检测指针所指示的ANC在本地代码库中是否存在，若存在，就立即调用;否则，请求从ACS中下载并存储在本地代码库中，以便后来到达的信包能够直接加载使用，其结构如图1所示.

5.2 网络教学业务管理的工作过程

在本网络教学管理机制的设计中，将基于网络教学支持平台的网络课程系统所涉及的网络教学应用，包括校内导师的教学设计、教学内容的组织、教学过程的实施、作业的布置与批改、答疑、组织课堂讨论、课外辅导、教学效果评估等教学活动，学生的听课、学习课程内容、完成作业、参与讨论、参加考试等学习活动，企业导师对于卓越工程师培养课程的教学参与活动，均可视为网络服务(Web Service)，并将网络服务理解为网络业务.这样，把业务定义为由一组网络层功能支持的面向终端用户的应用，其中包含教学业务.同时，将网络教学所涉及的校内导师、参与卓越计划的学生、企业导师等视为业务用户，进一步扩展网络教学业务的服务与应用范围.

基于上述工作机制，预先将教学业务管理代码分布存储于ACS中，这些代码包含根据用户的要求，实现有关网络教学业务信息的适时检索、教学活动的变更、增加和删除等定制功能.在教学业务管理时，根据用户的指令，一般仅限于校内导师的权限、企业导师和学生的部分权限，直接加载本地对应存在的主动代码ANC来实现教学业务的变更、增加和删除等管理功能，从而将企业导师的教学参与业务加入进来，以实现校内导师与企业导师的分布式协同教学;否则，优先选择该节点上设置的相邻节点最近的缺省下载位置;或者按照主动信包中所封装的代码指针，再从ACS中调用、执行相应的ANC，主动节点加载后就可解决网络教学业务.

如果主动节点ANN没有找到相应的业务管理代码，那么ANN就将未解决的这类业务作为一种新业务，上报给服务端的主动节点ANN，请求面向该网络教学业务的新管理代码.客户端的主动节点ANN接收到新的主动代码ANC并执行、解决后，再将主动代码ANC存于本地主动代码服务器ACS中，以作为历史记录进行存储.

5.3 网络教学业务管理的信包丢失率分析

建立一个具有n－1个中间节点的网络路径模型，如图2所示，然后在这种通信模型的基础上，对网络数据链路的信包丢失率进行分析.

图2 具有n－1个中间节点的网络路径模型

在主动式网络教学业务管理下，主动节点D从其本地代码库、缺省的邻近主动节点或主动代码服务器ACS中调用、执行相应的主动代码，进行网络教学业务管理，而不必总是向业务管理中心请求并等待下达的管理代码.在没有出现新的网络教学业务的条件下，这就会有效地缩短许多通信链路，从整体上减少网络上的信息流量.

由此，相对于传统的集中式网管条件下的信包传输丢失率PS－D，主动节点D接收业务管理代码的信包传输丢失率PD就会大大减小，这样就能够有效解决网络教学业务管理的延迟问题，以适应参与卓越计划的校内导师与社会企业导师对于网络教学业务的分布式协同工作要求.

6 面向“卓越土木工程师”网络课程教学业务的管理模式

6.1 网络课程教学业务的管理模型

根据上述网络教学业务管理的工作机制，用户或节点编写定制的管理代码ANC，并将其嵌入主动信包，使主动代码ANC随主动信包AP(Active Package)在网络中传输，网络中的目标节点ANN收到主动信包后，利用主动节点的计算能力，进行解析、执行这段代码，从而完成定制的针对卓越工程师培养课程的网络教学业务的管理任务.

在网络教学业务管理中，业务层是按照高校参与卓越计划专业课程的教学活动内容来划分的，包括教学设计、教学内容的组织、教学过程的实施、作业的布置与批改、答疑、组织课堂讨论、课外辅导、教学效果评估等教学业务.面向“卓越土木工程师”培养的网络教学业务管理模型如图3所示.其中，业务层每类业务对应着面向用户的教学功能模块.

图3 面向“卓越土木工程师”培养的网络教学业务管理模型

6.2 主动节点ANN1和ANN2之间的通信自动机建模

主动节点ANN1和ANN2之间利用UDP协议通信.由于主动节点ANN2负责对网络层的网络管理者Mgr.的交互和管理工作，以实现定制的管理功能，同时网络管理者Mgr.负责对网元层的网元代理Element Proxy的管理工作，这样把主动节点ANN1作为业务层的代表元，同时，将主动节点ANN2作为网络层和网元层的代表元.

主动节点ANN1和ANN2之间的通信，就能实现业务层与网络层的交互，建立业务与网络的联系.首先，考虑当主动信包AP流经主动节点时，ANN1和ANN2对主动信包进行解析、执行，这样ANN1和ANN2就会由于主动信包的输入输出Input/Output而发生节点状态改变;其次，如果把主动节点ANN1和ANN2分别看作Client和Server两端的自动机，那么ANN1和ANN2这两个节点状态的改变，就会体现出两个自动机之间的信息交互关系.

下面给出了ANN1和ANN2之间基于UDP协议的通信模型－有限自动机UDP_M.

(1)定义有限自动机UDP_M

定义:UDP_M是一个七元组:UDP_M=(Q，∑i，∑o，δ，q0，F，C)，其中，

Q—通信状态的非空有限集合.

∑i—有限的输入字母表，对于Client_ANN1的输入字母表是指Client端下达的主动代码和Server端上传的数据报;对于Server_ANN2的输入字母表是指所接收的主动代码和网络层中的网络管理者Mgr.采集的网络数据.

∑o—有限的输出字母表，对于Client_ANN1的输出字母表是指对Client端上传的数据报和对Server端下达的主动代码;对于Server_ANN2的输出字母表是指对Client_ANN1上传的数据报和对Client_ANN1下达指令代码执行的输出.

δ—状态转移函数，δ:Q×∑i×∑o→Q.

q0—UDP_M的开始状态，且q0∈Q.

F—UDP_M的终止状态集合，且F⊆Q.

C—限定条件集合.在ANN1和ANN2之间进行数据通信时，应当设置关于数据传输的属性，即Free (闲置时间)、TimeOut、TTL或Delay等.

(2)构造有限自动机Server_ANN2_UDP_M

有限自动机Server_ANN2_UDP_M=(Q，∑i，∑o，δ，q0，F，C)，其中:

(3)构造有限自动机Client_ANN1_UDP_M

对于有限自动机Client_ANN1_UDP_M=(Q，∑i，∑o，δ，q0，F，C)，同理，按照上述有限自动机Server_ANN2_UDP_M进行构造.

这样，业务层ANN1根据上传的数据报决定和下达实现业务管理的主动代码，网络层ANN2依据接收的主动信包来解析、执行这段主动代码，就可解决面向“卓越土木工程师”培养课程的网络教学业务.

6.3网络教学业务管理的工作流程

该网络教学业务管理的工作流程如图4所示.

图4 网络教学业务管理的工作流程

在上述面向“卓越土木工程师”教育培养的网络教学业务管理的工作流程中，网络层中的用户节点监测教学业务运行情况，对于教学业务中需要企业导师与学校导师进行交互协作，增加源自于真实工程环境的教学业务变更、增加和删除等请求，则视为影响网络教学业务系统正常运行的异常情况，允许学校导师与企业导师进行教学业务管理的实施，以达到分布式协同工作的目的.

7 总结

本文在当前影响卓越计划深入发展的社会与高校底层次问题基础上，将社会计算应用于教育教学活动领域，给出在卓越计划发展的初期阶段，针对高校卓越工程师的教育培养问题所应当采取的解决策略，研究面向“卓越土木工程师”培养的网络教学模式.该种网络教学模式的构建使得教学业务的管理呈现出高效、分布式的特征，具备主动服务和定制业务的管理功能，这就使得高校教学业务在实施专业化管理的同时，也迅速扩大了企业导师既有工程数据的社会价值，提高学校导师对教学数据的快速处理与融合能力，降低高校工科专业本科教育的教学难度，以实现学校导师与企业导师对卓越计划教学业务进行分布式协同工作，为参与卓越计划的学生提供真实工程背景的丰富教学数据，体现出大数据的应用与管理在“廉价、迅速、优化”这三方面的综合成本优势.此外，这种主动式的网络教学业务管理模式，对于加大包括土木工程本科专业在内的卓越工程师培养课程教学活动的深入力度、促进参与高校卓越计划的进一步发展都具有重要的理论意义.

［1］刘挺.社会计算［J］.中国计算机学会通讯，2011，12(7):6－7.

［2］孟小峰，李勇，祝建华.社会计算:大数据时代的机遇与挑战［J］.计算机研究与发展，2013，50(12):2483－2491.

［3］林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制［J］.高等工程教育研究，2010(4):21－29.

［4］张安富，刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考［J］.高等工程教育研究，2010(4):56－59.

［5］中国工程院课题组.中国新型工业化进程中的工程管理教育问题研究(上)［J］.高等工程教育研究，2010(4):1－9.

［6］孙颖，陈士俊，杨艺.推进卓越工程师孵化的现实阻力及对策性思考［J］.高等工程教育研究，2011(5):40－45.

［7］王璐璐.社会计算及其在教育教学中的应用［J］.软件导刊，2010(9):187－188

Social Computing in the Era of Big Data:Outstanding Engineers＇Training－Oriented Network Teaching Mode

HONG Jing
(School of Machinery and Engineering，Taishan University，Tai＇an，271000，China)

With the arrival of the era of big data，and social computing application and popularization in the regions of various social activities，higher education idea and teaching mode are also experiencing a profound reform.In order to promote the implementation of the plan for educating and training outstanding engineers，this paper states the main effect and social background about the outstanding engineers＇training，analyses the factors affecting the outstanding plan＇s development at present，and studies an active network teaching mode for outstanding civil engineers＇training，which is exemplified by higher education of civil engineering and based on productive characteristics and managing request of civil engineering.Relying on the advantages of rich，high－quality data resources brought by big data，and in accordance with distributed and cooperative working＇s strategy between enterprise teacher and school teacher，the network teaching mode not only has the managing advantages of active applications and customized services，but also overcomes the influenced factors of outstanding plan existing in the early stage of development.These can satisfy the social demands about high－level technical talents＇training，in the hope of providing the references for the plan for educating and training outstanding engineers involved universities to carry out the teaching reform，laying the basis for the sustainable development of outstanding engineers＇training.

Social computing;outstanding engineers;civil engineering;network teaching mode

TP399;G420

A

1672－2590(2016)03－0136－09

2016－04－12

洪晶(1974－)，男，山东泰安人，泰山学院机械与工程学院讲师.