多方协作的建模仿真综合实践教学培养模式理论与实践

2022-12-16王彦锋黄美根

科教导刊 2022年25期

王彦锋，王涛，黄美根，周鑫

（国防科技大学系统工程学院湖南长沙 410073）

新工科背景下我国的研究生培养模式正面临着历史挑战和机遇。集成产品开发IPT（Integrated Product Team集成产品开发小组）是互联网时代的新型合作模式，它打破了传统垂直管理、固定分工、时间流程驱动的实践模式，而是采取分布式、并行作业、交叉分组的工作模式，极大地提升了工作效率，该模式也被很多大学、科研院所采用，例如美国海军研究生院、美国国防部高级研究计划局（DARPA）等[1]。如何将IPT 多方协作的模式与研究生实践课程相结合值得探索和研究。

1 当前研究生实践课程存在的问题

传统的研究生培养模式难以适应新时代发展要求，主要表现在：

能力培养输出滞后，难以满足实际工作需要。传统研究生培养侧重于学科经典理论和前沿知识的讲授，导致学生主要关注理论知识的掌握程度，很少关心知识迁移、能力提升和实践应用，造成学习阶段的“学无所用”和工作阶段的“用无所学”。

知识体系构建碎片化，难以综合求解复杂问题。传统研究生培养侧重于各个知识点的讲授和考核评价，导致学生主要关注独立知识点的掌握程度，造成知识体系构建的碎片化，很难综合运用所学知识求解复杂问题。

理论实践结合断裂化，难以学用相长主动创新。传统研究生培养的理论讲授环节与工程实践环节往往存在分离，导致学生即使掌握了大量理论知识，面对实践问题也难以有效运用，缺少理论指导下的实践提升和实践基础上的理论创新，进而缺乏主动创新的意识和习惯[2]。

“CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）构思-设计-实施-运行”模式是近年来工程院校探索实践的最新成果，具有科学性、系统性和可操作性等特点，与我国新工科发展内涵非常吻合，已经在国防科技大学、中国邮电大学等国内高等院校推广应用[3-4]。本研究和改革探索解决的核心问题是：探索研究生CDIO 培养模式，推进新工科背景下研究生培养模式创新实践。以重大工程为需求背景，牵引构建贯穿课程全程的案例问题，激发学生解决现实问题的学习兴趣和动力；以系统工程方法论为理论指导，实例化复杂问题求解的方法流程和环节步骤，增强学生的工程实践能力，激发学生的探索欲望；以IPT小组为组织形式，培养提升学生团队协作、分享交流、相互学习的经验和能力；以累积成效曲线为评价方式，通过持续跟踪、反馈和评价，助力学生能力稳步提升，并收获可衡量的成果。

2 多方协作的建模仿真综合实践教学方法

仿真工程综合实践课程涉及系统建模、仿真实验、数据分析等多个环节，传统方式讲授系统工程方法和仿真手段解决现实军事问题收效较弱，而多方协作的CDIO 培养模式却独具优势[5-6]，主要体现在：

注重工程实践与理论方法的平衡。教学大纲聚焦仿真实验、数据分析等工程实践能力的同时，强化应用导向的系统工程、建模仿真等理论方法培养。

注重工程设计与项目实施的平衡。在教学过程中，教师将教学目标分解为系列实践项目，实施成果导向的项目全寿命周期组织模式。

注重个人学习与团队协作的平衡。培养学员主动融入、引促提升的团队协作能力，实施目标导向的个人主动学习和角色分工合作。

团队大胆创新教学理念和方法，改革传统教学，形成了新工科背景下研究生CDIO 工程实践培养模式，主要包括重大工程需求牵引的教学目标设计、系统工程实例化的教学内容安排、“互联网+项目”团队协作攻关的教学实施、“即时反馈+累积式”教学考核评价等环节，具体如下：

2.1 重大工程需求牵引的教学目标设计

围绕教学团队承担的重大工程的现实需求，设置全景式一体化教学目标。教师使用AWAKEN 模型、《目标计划工作清单》等工具和方法，引导学生将所学工程实践理论与基本方法应用于未来岗位备战打仗实践问题，并确立强军兴国的学习奋斗目标[7]。

2.2 系统工程实例化的教学内容安排

对标美国MIT和NPS系统工程方向最新案例教学框架，实例化无人集群攻防装备发展战略管理问题，按照系统工程思想统筹设计问题定义、需求分析、方案生成、建模仿真、综合分析等教学环节，然后各环节根据项目全寿命周期管理标准设计项目申请、立项、开题、中期、结题等内容[8]。

2.3 多维体验自由创新的预实践教学环境

充分利用教学团队已经建成的睿德中心、仿真实验室等平台资源，打造教研用一体化教学环境，使用虚拟化、视觉化、沉浸式教学方法手段，激发学生的创新欲和内生动力[9-10]。

2.4 “互联网+IPT”团队协作教学实践

实践分组采取“互联网+IPT（Integrated Product Team）”团队协作模式，将跨学科、跨专业背景学员进行团队自由结合和任务分工，充分发挥学生的协作创新意识，有效调动学生的学习积极性。

2.5 “即时反馈+累积式”教学考核评价

课程各阶段按照“理论+案例+实践+评价”相结合的组织方式，各阶段考评采取学员质询、教师点评方式，学生根据反馈即时调整下阶段实施计划，最终个人成绩由各阶段团队和个人成绩累积构成。教员通过教学反馈进行即时教学反思，并将教学成果反馈于重大科研任务中。

3 主要创新做法

3.1 重大工程任务深度融入的教学构思新理念

科研任务与教学是相互促进的关系。科研创新也是教学案例创新的活水来源。因此，依托团队承担的重大工程任务，聚焦研究生工程能力培养需求，一是挖掘理论性与实践性并重的现实需求融入教学，透析重大工程背景历史点燃学员家国情怀与强国强军梦想，牵引提升学员的未知探索欲；二是运用重大工程项目管理方法，探索开展综合实践课程的项目化管理模式，大力提升学员的主观能动性；三是聚合重大科研建设任务成果，搭建“虚拟实验室”教学环境，加速科研成果进课堂、进教材、进实验，助力提升学员的渐进获得感。

3.2 复杂问题系统工程实例化求解的教学设计新模式

采用反向设计教学理念，运用建构主义理论，围绕课程教学目标，聚焦学员第一任职能力与长远发展素养需求，在重大工程需求牵引下，遴选复杂工程实践问题并实例化解构为课程教学综合案例，运用系统工程原理、过程和方法进行递进式解析，确保持续适配教学目标与计划，培养学员综合运用所学理论方法求解复杂现实问题的能力。

3.3 多学科交叉融合的教学组织新方法

以学生为中心、以教师为主导，创新多学科交叉融合的教学组织实施模式，组织具有不同学科背景、专业特长、兴趣爱好的学员构建IPT 小组，并采取项目全寿命周期管理模式，使小组在相对独立的环境中集智协作开展复杂仿真实践项目研究，并开放共享、共用优秀成果，通过学员互助进一步提升学习收获。

3.4 “即时反馈+累积式”的教学考核新机制

针对传统形成性考核形式时间维度缺乏系统性的问题，以认知发展理论为基础，遵循能力动态生成规律，通过实践问题的持续迭代升级，构建了“实践-反馈-再实践”的螺旋式演进能力培养方式，即时反馈学员的阶段性考评结果，并全过程、系统化关联生成学员能力培养的“累积成效曲线”，探索建立了“即时反馈+累积式”的教学考核新机制。