陳志旺 楊亞娜 李軍朋 胡碩 華長(zhǎng)春

[收稿日期]20190301

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61573305）;河北省研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例（庫(kù)）項(xiàng)目（KCJSZ2018025）;燕山大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG201809）

[作者簡(jiǎn)介]*陳志旺（1978），男，河北武清人。博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。

[摘要]針對(duì)“如何提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力”這一教學(xué)難題進(jìn)行了深入的研究，探討指導(dǎo)教師如何在研究生項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，最終得到切實(shí)可行的教學(xué)策略。首先，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的復(fù)雜性的特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)解析，提出了復(fù)雜性梯度定律;然后，論述了在項(xiàng)目教學(xué)中，教師依據(jù)復(fù)雜性梯度進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量的重要意義;最后，提出了在“實(shí)訓(xùn)教學(xué)”中，應(yīng)通過“細(xì)節(jié)性、動(dòng)態(tài)性和反饋性”3個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并以《飛行器視覺》實(shí)訓(xùn)課為例，進(jìn)行詳細(xì)的分析，以保證所提方法的可行性。

[關(guān)鍵詞]研究生教育;復(fù)雜工程問題;教學(xué)設(shè)計(jì);實(shí)訓(xùn)課程

[中圖分類號(hào)]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]10054634（2019）050110050引言

2009年，教育部下發(fā)了《教育部關(guān)于做好全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的若干意見（教研[2009]1號(hào)）》，目的是滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)高層次應(yīng)用型人才的迫切需要。在文件的第二節(jié)“創(chuàng)新全日制碩士專業(yè)學(xué)位研究生教育的培養(yǎng)模式，確保培養(yǎng)質(zhì)量”中，從“科學(xué)定位”“教學(xué)要求”“實(shí)踐要求”“學(xué)位論文”4個(gè)方面詳細(xì)闡述了對(duì)研究培養(yǎng)的要求。除第一部分“科學(xué)定位”外，其他3個(gè)部分“教學(xué)要求”“實(shí)踐要求”“學(xué)位論文”可以基本對(duì)應(yīng)專業(yè)碩士培養(yǎng)的3個(gè)環(huán)節(jié)：“課程”“實(shí)踐”“課題”（但不是準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，例如課程學(xué)習(xí)中也有實(shí)驗(yàn)等），這3個(gè)環(huán)節(jié)都具有不同的特征、模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)場(chǎng)所及組織形式等，且這3個(gè)環(huán)節(jié)將對(duì)工程碩士的就業(yè)能力產(chǎn)生不同的影響。其中，實(shí)踐環(huán)節(jié)目的性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有利于動(dòng)手能力的培養(yǎng)，但由于之前投入較少，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)成果不夠豐富。研究如何提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，來提高學(xué)生的相關(guān)能力，具有重要的實(shí)際意義。在課程環(huán)節(jié)中，教師只重視理論學(xué)習(xí);在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，通常教師只重視動(dòng)手能力。但在實(shí)際職業(yè)應(yīng)用中，面對(duì)復(fù)雜工程問題時(shí)，二者并不是分開順次應(yīng)用的。因此，本文將創(chuàng)新性地融合并分析了這兩個(gè)能力[1，2]，在研究生的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以達(dá)到提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力的研究目的。

如何提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力這一難題，已存在于許多相關(guān)文獻(xiàn)中。研究顯示，大多數(shù)專家只是羅列具體設(shè)計(jì)了哪些與復(fù)雜工程問題相關(guān)的教學(xué)項(xiàng)目，獲得了哪些成果。在具體教學(xué)操作過程中仍存在很多需要細(xì)化和解決的教學(xué)設(shè)計(jì)問題，學(xué)者們對(duì)這一方面未進(jìn)行深入研究，且缺乏針對(duì)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的具體途徑、方法等系統(tǒng)的理論研究。作者通過多年的教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一個(gè)重要的措施或思路就是讓“復(fù)雜工程問題”變“簡(jiǎn)單”，可以變成幾個(gè)簡(jiǎn)單問題，也可以讓學(xué)生理解起來覺得簡(jiǎn)單。而如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程問題的簡(jiǎn)單化是本文擬解決的主要問題。文章基于作者教學(xué)親身經(jīng)歷，從項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)中提煉心得，選擇具有真實(shí)感和時(shí)代感的教學(xué)項(xiàng)目，針對(duì)燕山大學(xué)控制工程研究生的《飛行器視覺》研究方向，設(shè)計(jì)了具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略[3]。

1復(fù)雜工程問題中的復(fù)雜性解析

教學(xué)系統(tǒng)的組成可按照有無(wú)生命分成兩類，有生命組成要素是“教師”和“學(xué)生”，無(wú)生命組成要素為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)媒體。目前，信息技術(shù)變革了課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體這4個(gè)要素的地位和作用轉(zhuǎn)變上。在有生命的要素中，教師由課堂的主宰者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者，教學(xué)資源的開發(fā)者、提供者;學(xué)生由被動(dòng)的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸?、知識(shí)內(nèi)化及情感體驗(yàn)的主體。

第5期陳志旺楊亞娜李軍朋胡碩華長(zhǎng)春基于復(fù)雜性梯度的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

教學(xué)研究2019

什么是復(fù)雜工程問題？國(guó)際高等教育《華盛頓協(xié)議》（以下簡(jiǎn)稱為《協(xié)議》）用如下7個(gè)特征進(jìn)行刻畫[4，5]：（1）必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決;（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。其中，第一條是必備的，它指出了復(fù)雜工程問題的本質(zhì);2～7條是可選的，它們可以看作是復(fù)雜工程問題在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的表象?！秴f(xié)議》是針對(duì)本科培養(yǎng)而提出的，本科生專業(yè)教育的目標(biāo)著重體現(xiàn)在一個(gè)“本”字?！氨尽闭?，“基本”也，即要求學(xué)生能較好地掌握本門學(xué)科的基礎(chǔ)理論、專門知識(shí)和基本技能。而研究生專業(yè)教育的目標(biāo)則有所偏重，著重體現(xiàn)在一個(gè)“研”字。正如有的學(xué)者所言：研究生，乃研究之生，研究方能生。言下之意，研究生專業(yè)教育之目標(biāo)主要是培養(yǎng)并使被教育者在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研究能力[6，7]。針對(duì)上述“復(fù)雜工程問題”的研究生培養(yǎng)中的側(cè)重點(diǎn)如下。

1） 研究生需要解決復(fù)雜工程問題的“復(fù)雜性”更強(qiáng)，即《協(xié)議》1、2、3、7條的程度要深入，例如《反饋控制理論》課程中的穩(wěn)定性概念，本科只要求判斷已知簡(jiǎn)單系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而研究生發(fā)表的科技論文要對(duì)設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行穩(wěn)定性證明。

2） 不僅僅解決“已知”復(fù)雜問題，還需要善于發(fā)現(xiàn)“未知”問題。即《協(xié)議》4、5、6條的程度要深入。愛因斯坦說過：“提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要”，這是因?yàn)樘骄孔匀坏膴W秘一般是始于發(fā)現(xiàn)并提出問題。從知識(shí)建構(gòu)模式來考慮，本科重概念建構(gòu)，碩士重問題探索建構(gòu)。研究生階段授課內(nèi)容則要重視教學(xué)內(nèi)容的前沿性與實(shí)踐性，即專業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)、重點(diǎn)以及尚存爭(zhēng)議性的問題和研究發(fā)展的新動(dòng)向。

3復(fù)雜性梯度定律在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

教師如何在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中達(dá)到較好的教學(xué)效果？根據(jù)復(fù)雜性梯度定律，可以從細(xì)節(jié)性、動(dòng)態(tài)性和反饋性3方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)：（1）細(xì)節(jié)復(fù)雜性可以等價(jià)于信息量很大，或完成操作步驟很多;（2）動(dòng)態(tài)性，不但要考慮教學(xué)內(nèi)容本身，還要全面考慮教學(xué)要素復(fù)雜互動(dòng)，教師在整合教學(xué)要素過程中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)作用，需具有系統(tǒng)思維，不是僅僅降低教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜度，還要調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性去降低理解復(fù)雜度，例如是否可以通過學(xué)生的協(xié)助、交流降低學(xué)生理解復(fù)雜度、進(jìn)行交叉解答、答辯展示時(shí)相互學(xué)習(xí)等;（3）反饋性可以看成動(dòng)態(tài)性的特例，除了包含動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)外，對(duì)教學(xué)中的新問題要給出“實(shí)時(shí)”的教學(xué)設(shè)計(jì)，這需要教師平時(shí)更多的經(jīng)驗(yàn)積累。

本文以燕山大學(xué)2017屆控制工程《飛行器視覺》實(shí)訓(xùn)課為例，論述實(shí)訓(xùn)過程復(fù)雜性梯度的設(shè)計(jì)考慮及提高學(xué)生解決工程問題的具體教學(xué)設(shè)計(jì)。本實(shí)訓(xùn)案例是根據(jù)現(xiàn)實(shí)中目標(biāo)跟蹤的實(shí)際問題，對(duì)相關(guān)知識(shí)或理論進(jìn)行整合而構(gòu)成的綜合工程項(xiàng)目。

3.1細(xì)節(jié)性

教學(xué)設(shè)計(jì)中，確定案例時(shí)的復(fù)雜工程問題細(xì)節(jié)性（可以和《協(xié)議》復(fù)雜問題7個(gè)特征相關(guān)條款對(duì)應(yīng)）考慮如下。

1） 該項(xiàng)目涉及數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺、模式識(shí)別等深入的工程原理，還包括C++、OpenCV、Linux、ROS程序設(shè)計(jì)、大疆SDK編程等知識(shí)，經(jīng)過分析才可能實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)，這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的理論應(yīng)用問題。

2） 項(xiàng)目任務(wù)涉及到多個(gè)領(lǐng)域工程知識(shí)，某些性能有一定沖突。例如，課題要求方案的實(shí)用性，即要滿足實(shí)時(shí)性（manifold控制器性能約束），也還要考慮可靠性，即識(shí)別的準(zhǔn)確性（算法計(jì)算量大）。這兩個(gè)要求是存在一定沖突的，需要充分考慮系統(tǒng)的需求，經(jīng)過不斷地分析與測(cè)試后才有可能給出合理的解決方案。

3） 本項(xiàng)目案例具有真實(shí)感和時(shí)代感，所選平臺(tái)為大疆公司2016～2017年研發(fā)的先進(jìn)產(chǎn)品，主要案例算法為2015年發(fā)表在IEEE PAMI（IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence）上的KCF（Kernelized Correlation Filters）算法，這使得課程具有一定的前沿性，及時(shí)把學(xué)科最新的發(fā)展和企業(yè)最新的產(chǎn)品引入課堂。

4） 項(xiàng)目不是僅靠常用方法就可以完全解決的，還存在多方案的選擇和決策問題。例如，可以基于ROS和不基于ROS開發(fā)，Guidance的兩個(gè)攝像頭可以只選一個(gè)和兩個(gè)全用，這就需要學(xué)生根據(jù)需求深入分析從而做出決策。

5） 課題具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。例如，Guidance模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì);KCF目標(biāo)跟蹤代碼設(shè)計(jì);跟蹤代碼的移植和調(diào)試等。

基于復(fù)雜性梯度定律，傳授知識(shí)的復(fù)雜性梯度應(yīng)與學(xué)生能力相匹配。因此，一些細(xì)節(jié)性措施為：將復(fù)雜的知識(shí)“分解”成簡(jiǎn)單知識(shí)，由易到難;對(duì)復(fù)雜知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)性組織，揭示其中內(nèi)在聯(lián)系;提煉要點(diǎn)和關(guān)鍵概念，宏觀上進(jìn)一步縮小知識(shí)量;利用已知的事物理解新的事物，與學(xué)生頭腦中的已知進(jìn)行“對(duì)接”等。

3.2動(dòng)態(tài)性

實(shí)訓(xùn)中的動(dòng)態(tài)性體現(xiàn)在教學(xué)過程的教學(xué)設(shè)計(jì)中。

1） 教師首先向?qū)W生說明將要完成的各子任務(wù);學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，在課下選取相應(yīng)的先修知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不必將機(jī)器視覺、模式識(shí)別等課程所有的知識(shí)全部學(xué)習(xí)完，有的放矢地學(xué)習(xí)需要的知識(shí);對(duì)學(xué)過的課程進(jìn)行復(fù)習(xí)。

2） 布置項(xiàng)目作業(yè)，作業(yè)具體細(xì)節(jié)將在下文進(jìn)行論述。

3） 指導(dǎo)學(xué)生閱讀案例代碼，進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)分小組討論，在完成過程中記錄出現(xiàn)的問題，并向教師提出問題。

4） 教師對(duì)與實(shí)際案例相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做，通過分組討論的形式完成任務(wù)。

5） 建立實(shí)訓(xùn)QQ群，課程教師把授課過程中遇到的共性問題整理成文字上傳群里供大家分享，為大家的學(xué)習(xí)提供即時(shí)反饋;一些有助于大家學(xué)習(xí)的新資料共享到群文件;發(fā)布新通知。網(wǎng)絡(luò)化過程管理對(duì)提高學(xué)習(xí)效果幫助很大。

6） 課程報(bào)告為該項(xiàng)目的軟件說明文檔，要求覆蓋相關(guān)的課程、特定的知識(shí)點(diǎn)。

7） 答辯PPT為該項(xiàng)目移植總結(jié)。同時(shí)，答辯公開進(jìn)行，所以學(xué)生都參加，這樣可以使學(xué)生從別人的項(xiàng)目中學(xué)習(xí)，開拓視野和思路。

8） 指導(dǎo)教師從工程應(yīng)用和解決問題能力的角度，就方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)、移植效果和答辯情況等，對(duì)學(xué)生完成復(fù)雜工程問題的過程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，給出成績(jī)。

9） 精選學(xué)生中較典型案例，然后移植到manifold上，作為下屆案例。

3.3反饋性

由于是第一次進(jìn)行該項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)，該項(xiàng)目的反饋性體現(xiàn)在課下作業(yè)的難度調(diào)整上。

1） 最初筆者的命題是在github、csdn等網(wǎng)站選擇與計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)的案例代碼，1人1題，不許重復(fù)，確定題目的學(xué)生把代碼下載后先傳到QQ群文件，占有開發(fā)權(quán)，其他學(xué)生不得開發(fā)相同題目。

2） 弄明白基本原理，看懂代碼，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有創(chuàng)意的代碼改進(jìn)和設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)從應(yīng)用創(chuàng)新的角度去思考設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺工程應(yīng)用代碼;然后移植到大疆的manifold計(jì)算機(jī)上。該任務(wù)限制了移植平臺(tái)，比較難，大家完成作業(yè)的積極性不高，在選修該項(xiàng)目的23人中，僅1人完成。

3） 進(jìn)行第二次設(shè)計(jì)時(shí)，降低了難度要求，下載的代碼與計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)，且必須有較復(fù)雜的模式識(shí)別算法（例如《圖像處理》課上僅用簡(jiǎn)單原理的“直線檢測(cè)”案例等不行），移植平臺(tái)不限，但該代碼必須調(diào)試成功，且可以演示。這次余下學(xué)生選擇自己的筆記本作為移植平臺(tái)，都完成了作業(yè)。

3.4實(shí)訓(xùn)心得

第一，學(xué)生在整個(gè)研學(xué)過程中都要充分投入。（1）課上由實(shí)訓(xùn)案例引領(lǐng)，打好基礎(chǔ);（2）文獻(xiàn)資料，代碼搜集整理;（3）相關(guān)原理學(xué)習(xí)，精讀代碼;（4）移植代碼調(diào)試，同時(shí)可向能力高的同學(xué)咨詢交流，或組成團(tuán)隊(duì);（5）撰寫報(bào)告;（6）總結(jié)心得體會(huì);（7）PPT答辯并相互學(xué)習(xí)。上述過程側(cè)重體現(xiàn)“學(xué)生為主體”，淡化“教師為主導(dǎo)”。

第二，教師在整個(gè)項(xiàng)目中不僅考慮“知識(shí)復(fù)雜性”（細(xì)節(jié)性），還要考慮動(dòng)態(tài)性和反饋性，這些考慮在信息過載和信息多樣性等方面有不同的影響。因此，需要教師付出更高層次的認(rèn)知努力，通過創(chuàng)新性的教學(xué)設(shè)計(jì)降低實(shí)訓(xùn)中學(xué)生學(xué)習(xí)的復(fù)雜性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以提高研究生解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)，針對(duì)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了考慮復(fù)雜性梯度的教學(xué)策略，即實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，應(yīng)通過“細(xì)節(jié)性、動(dòng)態(tài)性、反饋性”教學(xué)設(shè)計(jì)來使學(xué)生能力和教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜性梯度相匹配。教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體作用是辯證統(tǒng)一的，兩者相互聯(lián)系，相互促進(jìn)。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，復(fù)雜性只是考慮維度之一。俗話說：“兵無(wú)常勢(shì)，水無(wú)常形”，只要有利于學(xué)生接受知識(shí)的方法，教師都可以從中汲取教學(xué)營(yíng)養(yǎng)，以改善教學(xué)行為。

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[責(zé)任編輯孫菊]

Project internship teaching design based on complexity analysis

CHEN Zhiwang，YANG Yana， LI Junpeng，HU Shuo， HUA Changchun

（Department of Electrical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

AbstractThis article makes an indepth study on how to improve graduates′ ability to solve complex engineering problems. By discussing how to guide teachers to innovate teaching design in the "training" of graduate students， this paper presents ?practical teaching strategies. Firstly， the complexity of teaching content is analyzed， and the complexity gradient law is proposed. Furthermore， it stresses the significance for teaching quality in the teaching design based on complexity gradient law in project teaching.Finally， this article puts forward a teaching design for internship teaching which includes details， dynamics and feedback. To check the feasibility of the proposed method， the practical training course of "Aircraft Vision" is taken as an example to implement the teaching design.

Keywordspostgraduate education; complex engineering problems; teaching design; practical training courses.