【研究生精品课程】系统工程与理论方法:从一面到一体,走出“盲人摸象”的误区

文:何乔 苟灵 学生记者团 鞠昀 / 来源:新闻中心 / 2021-06-11 / 点击量:881

编者按:为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院自2018年启动了研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分步实施,至2020年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了三批“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍航空航天学院邹焕副教授《系统工程与理论方法》课程中的教改探索。

在第一节课上,邹焕会给学生展示一张“盲人摸象”的图,来形象地告诉大家什么叫系统工程和整体思维。

《系统工程与理论方法》是航天航空学院针对硕士研究生开设的专业必修课。这门课有中文和英文教学班,邹焕作为课程负责人牵头课程建设,负责英文班教学,并将其打造成了富有特色的小班精品课。

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思维转变:从钻研局部到统揽全局

什么是系统工程?我国著名科学家钱学森给它的定义是:组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法,是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。系统工程不同于一般的传统工程学,它所研究的对象不限于特定的工程物质对象,而是任何一种系统。它是在现代科学技术基础之上发展起来的一门交叉学科。

事实上,系统工程的思想方法与实际应用可以追溯到远古时代。我们的祖先在了解和改造自然的实践和大量的社会活动中,早就有许多朴素的系统工程思想和应用实例。比如战国时期李冰父子组织修建的都江堰工程,巧妙地将分洪、引水和排沙结合起来,使各部分组成了一个有机整体,千百年来实现了防洪、灌溉、行舟等多种功能。现代,系统工程技术与理论已经应用到了宏观经济、交通运输、工程项目、工业生产、医药卫生、军事、信息技术等诸多领域,成为了大型复杂项目的“指挥棒”和“黏合剂”。

在航空航天领域,从1970年中国发射第一颗人造卫星东方红一号到神舟十一号载人飞船圆满完成任务,从嫦娥五号带回来自月球的“礼物”到天问一号成功着陆火星,我们探索浩瀚宇宙的广度和深度都在不断加大。而这些航空航天领域的“国之重器”,无一不是复杂的大系统、巨系统,它们具有跨学科、跨行业的特点,是成千上万人从事的集体事业。“这需要我们的学生要有系统思维,争取在未来成长为系统工程师,才能更好地服务国家重大需求。”邹焕说。当然,来上这门课的也并不都是航空航天学院的同学,还有其他专业的研究生出于兴趣也选了这门课。

在邹焕看来,《系统工程与理论方法》与很多传统的工科课程都大相径庭。“如果说硕士生要求在某一个领域里更专更精,那系统工程还要求获取知识的广度更广一点”。对于系统工程来说,一般有五层架构:第一层是系统级,第二层是子系统级,第三层是部件级,第四层是子部件级,最后一层是零配件级。对于一名系统工程师来说,他需要具备某个领域深厚的专业知识,但是更重要的至少是对系统的各个部件都要有所了解,才能做宏观上的把握和考量。

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在实际操作过程中,一个复杂的系统不仅要考虑需求、技术,同时还要考虑成本、时间等多种因素,最终形成一个相对最优化的系统解决方案。这不仅考验着系统工程师的知识面,同时还考验创新思维。邹焕举了手机设计的例子,比如为了有更长的待机时间,常规考虑是增大电池的容量,这带来的问题可能是手机更大更重,但是如果缩短充电时间,其实一样也解决了这个需求。

学以致用:既来源于生活又高于生活

《系统工程与理论方法》也面向留学生开放,中外学生共选共上,课堂国际特色显著。“这门课的核心目标是培养系统思维与创新思维”,邹焕认为,中外学生共同上课,可以让不同的文化和思维方式相互碰撞,更有利于激发同学们的灵感,让大家有更多收获。

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为了促进研讨式教学的实施,邹焕在第一堂课上会组织简短的破冰活动,让大家自我介绍,相互了解。“我们这门课是小班教学,很多课程任务是由大家自由组成的小组来完成,只有在彼此熟悉了解的情况下,才能找到志同道合的伙伴,才更有利于课程的学习。” 邹焕说。

等同学们自发组成小组以后,邹焕在课程不同的阶段给他们布置任务。这些课程任务,同学们可以选取跟生活密切相关能引起共鸣的主题,比如儿童电话手表、共享单车、留学生智慧生活大楼,甚至还有毕业以后的去向选择、假期规划等。当然,同学们也可以根据自己的研究方向确定选题,例如无人机组系统、多小车协同定位追踪系统、水下清洗机器人等。大家用系统生命周期的理论与方法,从概念开发阶段(需求分析、概念探索、概念确定)到工程开发阶段(高级开发、工程设计、集成与评价),再到后开发阶段,来分析这些实际生活中的问题,真正做到学以致用。

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在课堂上,邹焕很注重启发式教学。为了能让学生更容易理解,她在讲具体知识点的时候会穿插很多案例,而在案例分析的过程中,她并不会直接给出解答思路或者标准答案,而是鼓励同学们思考和发言,以同学们现场给出的观点作为讨论点,结合课程内容进行讨论分析。比如在讲需求分析的时候,她会让同学们就儿童电话手表进行需求分析,让同学们在讨论中明白有时候系统的使用者和购买者并不相同,家长和孩子会有不同的需求。同时,她也会鼓励同学们进行头脑风暴,比如在讲到概念探索的时候,她会让同学们想象第六代战斗机应该有的样子和具备的功能,让大家在天马行空的想象中,搞懂知识点、培养创新力。

而这些来源于生活的题目和案例也让学生对课程内容更感兴趣,从而让课堂氛围也更加活跃,大家在课上踊跃发言、热烈讨论,碰撞出源源不断的思维火花。

能力提升:不仅学知识,更是提升领导力

强化学习过程考核是《系统工程与理论方法》课程建设的重要内容。从去年开始,经课程组充分讨论后,将平时成绩占比从30%提高至50%。平时成绩由学生课堂表现以及小组作业组成,小组作业需要同学们自主拟定或者选择老师给出的开放式课题,结合课程知识点并查找相关资料来完成,然后在课堂上做报告。而作业质量的考核也由老师和同学共同来完成,既有教师评价,也由小组间的互评,还有组内同学的互评。其中小组间互评考量的是各小组每次作业的完成情况、PPT制作、现场表现、问题回答等;组内同学的互评考量的是大家分任务的完成情况、纪律观念、学习态度和团队协作情况等。

比较特别的是,在这门课的课堂上,小组组长是不固定的。“我会要求每位同学都要做一次leader,”在邹焕看来,想要成为系统工程师,除了专业素养,领导力和表达能力也非常重要。让大家轮换着做组长,每一位同学都得到了锻炼,也能体会到不同岗位赋予的不同职责,相互之间的理解进一步增加,小组合作也更有效。

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航空航天学院2019级研究生刘晓琴去年上了这门课。让她印象最深的是最后一次大作业。“我们组做的是共享单车。项目主要分为几个大的部分,每个大部分又分为几个小部分。比如概念开发里面的需求分析部分,会涉及到对我们开发的这款共享单车进行需求调查,人们是否真的需要共享单车,共享单车的需求定位在哪里,现有的技术是否可以实现。PPT里面还会添加附件,里面的文档是对每个部分的实施细则说明。比如涉及的文档有Request for Proposal 、Generic Statement of Work、SEMP等。这些文档很多,有些很长,需要小组成员合作按照上课学到的知识与理论去完成。最后我们形成了包括共享单车需求调研、功能分析、方案对比、设计过程、人员管理、单车生产、系统集成、后期维护,以及期间的文件管理等整个系统生命周期的一个较为完整的规划和设计。”上完这门课,除了专业知识,她认为对自己的思维也有很好的锻炼,比如研二在做毕业设计的时候就有了系统思维,先列出一个大纲,然后分成不同的小部分,每确认完成一个部分打个勾,这样相对来说更从容不迫,思路也更加顺畅。

2019级研究生林辉感觉自己在这门课上对系统工程有了更深刻的理解。他说,大家轮换着做组长并相互评价可以很好地提高团队效率,有效地避免“一人干活,全组划水”的情况。“每个人各自承担自己部分的职责,然后为了共同的目标群策群力,这样才能出色地完成任务。”

系统工程是一门正在快速发展中的学科。邹焕希望不断改进,让课程与时俱进,让同学们学有所获,也让更多的人来选这门课。她准备制作更多的英文资源,进一步总结中外学生共选课程的特点并改革教学设计, 持续提升课程的深度、难度和强度,结合科研实践促进理论联系实际,让系统工程思维深入学生心底,使同学们通过学习课程,掌握系统工程的理论与方法,并能以系统工程的思维面对和解决生活和科研中的问题。


编辑:何乔  / 审核:何乔  / 发布者:陈伟