系統工程原理課程教學內容優化

李明輝，霍慧芝，雷濤

（1.貴州大學 省部共建公共大數據國家重點實驗室，貴州貴陽 550025；2.貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州貴陽 550025；3.貴州師范大學 大數據與計算機科學學院，貴州貴陽 550025）

系統工程原理是一門系統科學、工程技術學、經濟學、管理學等學科相結合的組織管理技術，是一門綜合性較強的課程[1-2]。學生要掌握這門科學，需要具備跨學科思維和多學科的知識儲備。但部分剛入學的研究生基礎知識不扎實，不具有思維拓展和全面認識問題的能力。且部分學生在入學之前，并沒有接觸過工程類課程，不具備工程實踐經驗，這些因素導致系統工程原理課程的授課效果欠佳。系統工程原理是二級學科工程管理下設的一門具有交叉學科性質的研究生課程，需要學生有數學、管理學和系統技術的知識儲備。系統工程原理的主要任務是根據總體目標的需要，把自然科學和社會科學中的基礎思想、理論、策略和方法等橫向聯系起來[3]，應用到實際系統工程中，這就需要學生具有全面認識問題和思維拓展的能力。本文針對教學中學生現有能力與課程教學需求不匹配問題開展研究，提出以現有知識儲備為起點、結合信息時代發展需要、與大科學工程有機結合的“三位一體”課程優化方法，以提高課程教學質量。

1 課程架構介紹

按照“以學生為主體、以教師為主導”的現代教育理念，以“思想、理論、方法和能力”（“思想”是指系統思想和觀點；“理念”是指系統工程的基礎理論；“方法”是指建模、仿真、分析、優化方法；“能力”是指應用系統思想、理論和方法解決實際問題的能力）有機結合的思路為指導，以系統工程目標問題為導向，將理論與實踐相結合，形成有機的整體，建立適用于系統工程原理的實踐教學方法，培養學生進行科學研究、解決實際系統工程問題的思維方式和能力。

系統工程原理課程由緒論、系統工程方法論、系統建模方法、系統分析、系統預測、系統評價、系統優化、系統決策8個模塊組成[4]。課程的整體結構如圖1所示，在此結構基礎上，對系統工程方法論和系統預測兩個模塊進行課程設計優化。系統工程方法論是對系統工程進行研究和探索的一般途徑，指導使用系統工程所涉及的各種方法，對學生學習其他6個模塊有協助作用，所以學生必須掌握系統工程方法論的內容[5-6]。系統預測的實質是充分分析系統發展變化的規律，根據系統的過去和現在估計未來，從而減少不確定性和風險性，減少系統決策的盲目性。隨著信息時代的發展，系統預測有了更專業、更高效的預測方法，例如大數據預測，因此優化系統預測模塊的教學內容，緊跟時代發展需求，進行大數據預測教學[7-9]。

圖1 課程整體結構

2 課程設計與優化

2.1 以學生現有知識儲備為起點

本優化方法的主旨是以學生已有知識儲備為基礎，運用“系統工程方法論”。以前，系統工程方法論模塊的授課內容為概念辨析和實例分析，概念辨析部分是對霍爾三維結構方法論和切克蘭德調查方法論的辨析，區分它們的應用場景、分析步驟和重難點。霍爾三維結構方法論將系統的整個管理過程分為時間維、邏輯維和知識維[10-11]。切克蘭德調查學習方法論適用于較難用數學模型描述的系統[12-13]。在講授書中實例時，用霍爾三維結構模型分析三峽工程。但是面對晦澀的概念和陌生的實際工程案例，學生對課程內容接受和掌握的程度不高。為了解決這個問題，對此模塊的教學內容進行優化，新的教學內容包括概念辨析、實例分析、運用系統工程方法論分析自己本科畢業論文、報告展示講述分析過程四個部分，將教師教學和學生展示結合起來。在報告展示過程中，教師發現學生聽課過程中沒有掌握的知識點和理解錯誤的地方，點評其報告在整體邏輯性和方法論實際應用方面的不足，通過如圖2所示的閉環教學模式，使學生完全掌握系統工程方法論的內容，為后續學習奠定堅實的基礎。

圖2 閉環式教學模式

2.2 結合信息時代發展需要

本優化方法的主旨是緊跟信息時代需求，借助學院算力優勢，開展“大數據預測”教學。在以往的系統預測模塊教學中，由于受到計算設備的限制，只給學生講授線性回歸預測方法、最大似然估計預測法和馬爾可夫預測，且局限于小數據樣本演示等。這樣的教學內容已經不能和大數據時代的預測需求相匹配。充分利用學院超算中心12Petaflops算力的硬件設備，對“系統預測”模塊教學內容進行優化，采用從簡入深、理論與實際相結合的方式，保留線性回歸預測和最大似然估計預測教學內容，讓學生從簡單的預測方法入手，了解系統預測的基礎數學思想，然后增加大數據預測算法內容的講授。例如，K最近鄰算法、樸素貝葉斯算法、關聯規則挖掘算法和隨機森林算法等[14]。課程實踐部分是以“中國天眼”饋源艙實時海量測量數據為樣本，訓練分類預測網絡模型，進而對任意時刻饋源艙的運動模式進行分類預測。

2.3 與大科學工程有機結合

以“中國天眼”——FAST工程為實例進行系統工程分析，培養學生全面認識問題的能力。系統工程學科的發展依賴大科學工程，正是因為其在復雜工程上的突出貢獻，才使得系統工程學科被深度研究，得以完善。為了讓學生更深刻理解系統工程原理課程所教授內容的本質，需要將課程教學內容與大科學工程有機結合。

位于貴州省黔南州平塘縣的500m口徑球面射電望遠鏡——FAST，被稱為“中國天眼”，它是我國“十一五”重大科技基礎設施，屬于大科學工程[15-16]。2021年，貴州大學與國家天文臺簽訂合作協議，以“中國天眼”為依托，在學校成立天文大數據實驗室，方便學生了解大科學工程。學生將系統工程原理的理論知識與大科學工程的預研、建設和維護相結合。教師為學生提供FAST預研期間的會議資料，通過分析資料，學生理解系統工程規劃階段中明確問題的重要性；教師通過講述望遠鏡反射面和饋源艙同時進行施工期間，二者交互作用、相互協調的流程，讓學生理解并行工程方法學的核心思想；帶領學生分析饋源艙海量測量數據，使其掌握用大數據方法進行系統預測的能力；教師展示望遠鏡建設過程中各種問題的數學模型和物理模型，幫助學生理解系統模型的建模方法和主要因素確定方法，等等。通過以“中國天眼”大科學工程為教學實例，將其在前期預研和工程實施過程中的系統建模、系統預測、系統分析、系統評價的工程實際案例貫穿在課程教學內容中，讓學生通過了解實體大科學工程，理解并掌握系統工程的概念和方法。

3 結語

系統工程原理課程具有綜合性，它的理論、方法和體系都處在發展優化階段，隨著計算機技術的發展，一些新的系統工程技術方法也應運而生。該課程的教學目的是培養學生運用“整體”或者“系統”思維處理問題和科學分析復雜工程的能力。綜上所述，本文提出對系統工程原理課程內容進行優化，學生通過學會運用系統工程方法論分析自己的本科畢業論文，達到從熟悉的內容入手、掌握課程重點內容的目的；通過用大數據預測技術開展系統預測，達到緊跟時代發展的目的；通過將“中國天眼”預研、建設、運行中所涉及的實際系統工程案例貫穿在課程每個章節的教學中，以達到理論與實踐相結合的目的。按以上方法對課程內容進行優化后，學生上課互動性強，對知識點的掌握更加扎實，更好地培養了學生系統性思維模式。