新工科背景下“信息系统分析与设计”课程实践教学改革研究

罗爱民 张萌萌 刘俊先

摘    要：实践是“信息系统分析与设计”课程的重要环节。文章根据新工科人才培养的要求，分析现有实践教学中存在的问题，基于CDIO方法，开展课程实践教学设计，构建一体化实践教学平台，提出实践教学环节的考核方式，形成“以项目为驱动、学生为主体、创新为核心、平台为依托”的四维一体实践教学模式。

关键词：新工科;CDIO方法;实践教学;信息系统分析与设计

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2022）01-0001-03

一、引言

2017年以来，高等教育改革与发展的新工科教育研究与实践成为工程新热点^[1]。相对于传统的工科人才，新工科建设以产业需求为导向，注重学科交叉融合，注重实践能力与创新能力，目标是培养具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才^[2]。新工科人才培养对教师提出新的要求，广大教师要积极探索面向新工科人才的教学改革方法和培养新工科人才的新模式，力争培养工程实践能力强、具有较高创新能力的复合型新工科人才^[3]。

“信息系统分析与设计”是国防科技大学管理科学与工程和信息管理等专业的核心课程。该课程具有系统工程、软件工程、系统设计等多学科交叉的特点，课程的教学内容覆盖面广，对于系统开发经验较少，甚至没有相关经验的学生来说，常常会缺乏学习兴趣，存在对教学内容难以理解的情况。因此，实践教学一直是“信息系统分析与设计”课程教学的重要环节。在现行教学模式下，“信息系统分析与设计”实践教学主要存在以下问题。

（一）实践教学环节缺乏规划和设计

目前，各学校开设的“信息系统分析与设计”课程几乎都安排了实践环节，有些学校甚至还有专门的实践课。但是由于缺乏先进的教学理念指导和科学规划，部分高校实践教学环节常流于形式，选择的设计内容或设计过程以及最终实践效果都暂未达到实践教学的要求，未起到巩固知识、加深理解和提高学生能力的作用。对于国防科技大学学生来说，由于选用的军事信息系统实践项目离学生生活较远，学生往往无从下手。

（二）考核形式比较单一，缺少科学的评价机制

现有教学模式比较关注最终考试成绩，忽视对学习过程的评价与管理，对课程设计、综合实践这类创造性工作、开放式问题缺乏合理的评价手段，主要依靠教师给出成绩，学生往往只提交实践报告，不关注实践报告的优化以及其他项目组的设计方案，这种评价机制难以科学、公正地评价学生的成绩，也不利于学生在相互比较和相互交流中加深对教学内容的理解。

（三）缺少成体系的实践环境支持

现行的实践教学缺乏完善的实验平台支持。目前实验环境多依赖商用软件，如UML建模软件、DOORS、EA、VISIO等。这些软件主要是支持各种建模技术，大多缺乏对设计方案进行分析、优化的功能，单一软件无法支撑实验，各软件之间的数据无法有效调用。

在新工科背景下，教学团队期望通过学生自主设计与项目实践，帮助其消化、理解与掌握系统建模、设计与分析的基本方法，提升教学效果，培养学生创新能力、批判思维、实践能力、团队协作精神。CDIO创新工程教育模式的最大特点是倡导以问题为驱动，注重实践性教学和实际动手能力^[4]。针对“信息系统分析与设计”课程实践教学的特点，基于CDIO方法，探索采用“以项目为驱动、学生为主体、创新为核心、平台为依托”的四维一体实践教学模式，形成对学生实践活动指导作用的有效范式。

二、实践教学设计

针对目前课程实践与实验教学环节存在的问题，教学团队围绕教学知识点，以培养学生实践能力为出发点，对课程實践开展教学设计。在案例主导教学和项目驱动教学的基础上，建立包括单项项目和综合项目的渐进式实践教学体系，确保实践教学内容的系统性和连贯性。

（一）实践目的与分类

根据提高学生实践能力的要求，明确课程实践的基本目的和目标，分析实践教学的基本分类。实践教学在理论方法教学的基础上，进一步加强建模、分析与评估三个方面能力的训练，通过动手实践环节，使得学生熟练掌握建模、分析和评估的基本方法，具备承担信息系统分析与设计工作的能力。通过项目实践，促进学生对课堂教学知识点的理解，提升学生独立分析和思考的能力，培养其团队协作能力，激发他们的创新意识，并且使学生积累一定的工程实践经验。实践教学以项目形式开展。实践项目分为两类：单项项目和综合项目。其中单项项目主要对特定的教学内容和知识点开展实践，综合项目则在单项项目的基础上，进行设计方案综合分析与评判。

（二）实践内容与要求

在实践教学中，明确各环节的内容组成以及各实践内容的基本要求。

单项项目主要包括三个环节：建模、分析和优化。其中建模环节主要针对不同的内容（流程、功能、结构、组织和数据）建立相关的模型;分析环节主要针对建立的各类模型进行性能分析，判断建立模型的优劣;优化环节根据模型分析的结构，修改相关模型，再进行模型分析，直至各项指标达到要求。例如流程设计主要针对信息系统支持下的应用，分析该系统的应用模式，并利用IDEF0建模工具或活动图建模工具设计应用流程。分析环节中对建立的流程模型进行时间、负载、信息流等性能分析。如果发现设计存在问题，则要分析设计缺陷并修改模型中的相关内容。

综合项目需要结合具体背景，针对具体背景设计完整的信息系统开发方案。综合性项目主要包括需求、体系结构、解决方案设计等内容。按照需求、体系结构和方案三个环节综合运用流程、组织、功能、结构等设计方法，进行典型背景下信息系统设计。需求、体系结构和方案三个环节的设计结果须进行分析与评估，并对最终得到的设计方案进行综合评估，包括性能、效能、结构、韧性等内容。

（三）实践教学组织与实施方法

针对实践教学的分类，研究各类实践教学的组织、管理方式以及具体实施要求。实践教学组织以学生为中心，单项项目主要由学生独立完成，并提交设计模型和设计报告。综合项目以小组形式完成，每组选择一个背景开展信息系统方案设计，按照需求分析、架构设计和方案设计过程进行。综合实验需要提交的成果包括设计模型、设计报告并进行PPT汇报。在每个实践项目开始前，教师将结合案例讲解实践内容和工具的基本使用方法。为加深学生对实践任务的理解，选择国防动员为背景，针对设定的单项项目和综合项目开发相关案例。

三、构建实验平台

在分析优化后教学内容对实验环境的需求基础上，利用科研成果进行实验环境方案设计，并集成各功能软件形成敏捷系统分析设计实验环境。实验环境组成如图1所示。

实验环境分为三个部分：基础环境、单项设计实验环境和综合分析与设计实验环境。基础环境主要是提供基础的建模功能、仿真功能以及系统管理等。单项设计实验环境主要支持功能、结构、流程、数据等内容开展设计、分析与优化，主要配合各知识点的教学活动，同时为综合实验环境提供支撑。综合分析与设计实验环境主要支持课程综合实践设计，支持学生完成项目综合设计与分析。该实验环境具有以下特点：支持基于模型的系统工程设计过程;涵盖服务化建模手段;支持教学知识点的多种建模分析与评估方法;应用智能和优化技术支持系统分析与设计;构建敏捷分析环境，支持敏捷开发;支持单个知识点的实践和课程设计实践等。

与现有的实验环境相比，该环境增加分析、优化和仿真评估等功能，可以实现对设计方案的实时分析、及时优化、综合评估等，支持系统的敏捷开发。例如在功能设计中，通过功能建模形成功能设计方案，方案的好坏、是否满足约束条件和要求则可以通过功能分析模块进行分析，根据分析结果学生可以自主优化方案。同时利用智能优化方法自动进行优化设计，以达到培养学生分析、设计能力的目的。同时，单项项目的成果可以灵活运用到综合实验环境中，提高实验效率，并通过从单项设计到综合方案设计锻炼学生整体分析与设计能力。

四、实践教学环节考核方法

实践课程选择开放式问题，以激发学生的创造力为目标。公正、科学地评估学生的成绩是提高教学效果的重要环节。

（一）考核内容与标准

针对所建立的教学内容体系，确定考核和评价的知识点，明确各知识点考核的具体内容和要求。教学考核内容和标准应重点关注以下问题。

1.开放式问题的考核内容。针对建立的教学内容，分析并明确哪些内容属于开放式考核内容与该考核内容的具体要求。以往这类考核的对象主要是学生提交的课程设计报告，教师根据提交的课程报告评分。因此，开放式问题考核内容也要注重和加强过程的考核，不断丰富考核内容，学生在实践过程中的工程能力、协作能力和创新能力等都应该是考核内容。

2.建立评价标准。与标准知识点考核不同，信息系统设计本身是创造性工作，没有标准答案。因此，建立科学、公平的评价标准至关重要。通过分析教学知识点的特点，针对不同知识点建立定量化的评判标准，特别是分组形式完成的综合设计成绩评级标准。由于综合分析設计的课程设计一般采用分组形式，多人协作完成，教师难以掌握各组人员在项目中的作用与贡献，因此需要制定量化的科学评价标准。

“信息系统分析与设计”课程实践的最终成绩由单项项目成绩、综合项目成绩、成果汇报（报告、提问、回答）等组成，其中单项项目成绩占30%，综合项目成绩占45%，成果汇报占25%。设计内容的基本评价标准包括：第一，模型。从内容和形式上考核，内容主要考核是否详细、合理;形式主要考核其规范性和完整性。第二，报告。主要考核报告的粒度、规范性、评估结果等。第三，汇报交流。主要考核报告水平、回答问题是否正确、提问数量等。

（二）考核方式与过程

现有考核组织方式主要是教师参与，以提交的报告为主。为培养学生综合素质和能力，成绩评定要求全员参与考核，打破传统的考核方式，采取开放式问题的考核。全员参与考核方式体现在以下方面。

1.教师和学生共同参与考核。考核采取教师打分、学生互评的方式。除了教师给学生打分，各小组之间也要相互打分。小组间相互打分不采用绝对分数，采用排序形式，最终成绩综合教师和各小组的打分。

2.考核对象和内容随机抽取。小组汇报人员随机选择，保证小组每个成员都积极参与实践，杜绝少数人不参与的现象。各组回答问题的人员也不固定，现场随机选择，保证分组项目时每个成员都积极参与。

3.学生交流、相互提问。当一个小组汇报完，其他小组依次提问，提问人员也采用随机点名的方式，保证每个学生都认真听取其他小组的方案，并积极思考。在报告、提问和答问环节的成绩代表小组成绩。全员参与考核方式可以使得学生在参与考核过程中进一步提高对知识的理解与认识，积累知识的运用经验，提高创造力，培养协作和交流沟通能力。

五、结语

实践表明，对于教师来说，指导学生开展实践目标更明确，对学生成绩评级更客观和合理，学生对知识点的掌握以及实践能力明显提高，基本具备信息系统设计能力。通过改革后的实践教学，学生投入实践的精力更多，使其加深了对理论知识点的理解，并在创新能力、分析能力、协作能力、动手能力等方面得到明显提高。在后期的教学过程中，还需要进一步完善实验环境中分析与评估的相关算法，逐步实现系统自动评分。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[2]张绍全，刘兴茂，邓昌建.新工科背景下案例教学设计与实践——以“电力拖动基础”课程为例[J].教育教学论坛，2020（20）.

[3]高腾刚.浅谈新工科背景下《数据库原理与应用》课程教改探讨[J].电脑知识与技术，2020（12）.

[4]张士辉，祁芸，严玮.基于CDIO的卓越工程师订单班课程改革实践[J].高等工程教育研究，2014（5）.

[责任编辑  杨    波]

收稿日期：2021-06-24

作者简介：罗爱民（1970—），女，湖南邵阳人，国防科技大学信息系统工程重点实验室教授，博士，主要从事复杂信息系统工程研究。

基金项目：2020年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“新工科背景下基于CDIO的指挥信息系统分析与设计课程改革与实践”（202009）