新工科背景下“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)研究
——以信息安全專業(yè)綜合實習(xí)為例

向 尕，張仰森，李 軍，呂金娜

（北京信息科技大學(xué)信息管理學(xué)院，北京 100192）

0 引言

2016 年6 月2 日，中國順利成為《華盛頓協(xié)議》正式會員，這是國際上對我國工程教育質(zhì)量的認(rèn)可，標(biāo)志著我國工程教育又邁出了重大步伐，從國際高等教育發(fā)展趨勢的跟隨者轉(zhuǎn)向領(lǐng)跑者［1］。為提高相關(guān)工程技術(shù)人才進(jìn)入工業(yè)界的從業(yè)預(yù)備教育質(zhì)量，很多學(xué)校都開展了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。截至2020 年底，全國共有257 所普通高等學(xué)校1 600 個專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證［2］。在工程教育本科專業(yè)認(rèn)證中，解決“復(fù)雜工程問題”是其區(qū)別于其他類型工程教育認(rèn)證的特征，也是我國高等院校本科工程專業(yè)達(dá)成工程教育認(rèn)證要求的重點和難點［1］。

工程教育認(rèn)證引領(lǐng)培養(yǎng)高水平的工程技術(shù)人才。在工程教育認(rèn)證中，從畢業(yè)要求到各專業(yè)課程目標(biāo)，以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向，著力培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”能力，這也是科研院所、企業(yè)等用人單位對工程技術(shù)人才培養(yǎng)的迫切要求［3］。解決復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵包括：必須運用深入的工程原理并經(jīng)過分析才可能解決；需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互存在一定沖突；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；不是僅靠常用方法就可以完全解決；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；問題相關(guān)各方利益不完全一致；具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題［4］。對于解決復(fù)雜工程問題內(nèi)涵的準(zhǔn)確理解及其映射在課程體系和具體課程中的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式建設(shè)，直接影響本科工程教育中“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)效果。

對于如何在具體的教學(xué)實踐中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和實踐方法各方面進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，已有很多探討。文獻(xiàn)［5］提出堅持“政府提供平臺、學(xué)校針對培養(yǎng)、企業(yè)全程協(xié)助”的應(yīng)用型人才“聯(lián)合”培養(yǎng)模式。文獻(xiàn)［6］從企業(yè)視角給出我國工程教育培養(yǎng)模式改進(jìn)思路。文獻(xiàn)［7］提出改進(jìn)的教學(xué)模式，從系統(tǒng)設(shè)計類課程層面，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。文獻(xiàn)［8］探索采用半開放式項目驅(qū)動教學(xué)方法進(jìn)行解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)。文獻(xiàn)［9］通過多種考核方式、選擇驗證數(shù)學(xué)物理模型問題和解決特定領(lǐng)域復(fù)雜工程問題兩個層級的題目作為教學(xué)內(nèi)容等方式，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。文獻(xiàn)［10］結(jié)合《MATLAB 在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用》課程，提出了一套以培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題能力為目的的教學(xué)改革方案。文獻(xiàn)［11］研究以解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為目標(biāo)的綜合實踐課程群建設(shè)。文獻(xiàn)［12］提出教學(xué)實踐、工程實踐、創(chuàng)新實踐和企業(yè)實踐協(xié)同互補。這些研究結(jié)合具體課程或者課程群，著力加強解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)，從教學(xué)框架、內(nèi)容和模式上進(jìn)行研究和探索。解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的方法和內(nèi)容，與具體專業(yè)和課程有較為緊密的聯(lián)系。此外，應(yīng)更多考慮工作模式的引入，讓學(xué)生更好地適應(yīng)真實的工作模式和流程，并加大對解決復(fù)雜工程問題意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

鑒于此，本文以信息安全專業(yè)實習(xí)實踐教學(xué)為例，分析目前存在的問題與不足，提出基于案例仿真的解決復(fù)雜工程問題能力提升教改方法，結(jié)合業(yè)界廣泛采用的敏捷開發(fā)Scrum 模式進(jìn)行項目實踐教學(xué)，提出解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)中意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)的重要性，并建立相應(yīng)的訓(xùn)練機(jī)制。

1 面向“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)現(xiàn)狀

北京信息科技大學(xué)信息安全專業(yè)2020 年通過教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證自評報告評審，2021 年5 月通過專家組入校檢查。在該過程中，針對解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)，在整個專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)體系范圍內(nèi)進(jìn)行全面審視和反思。大家認(rèn)為，要想真正落實解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)，需要建立整體框架，并在各課程中予以分解實施。本文開展新工科工程認(rèn)證背景下“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)研究，以信息安全專業(yè)綜合實習(xí)的實踐教學(xué)為依托，探索面向“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)改革。

綜合實習(xí)是信息安全專業(yè)重要環(huán)節(jié)，在專業(yè)實踐教學(xué)中具有重要作用。它是專業(yè)實踐教學(xué)的重要課程和高級階段，主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，解決較為復(fù)雜的信息安全問題。同時，它是解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的重要陣地，也是學(xué)生走上工作崗位之前，對實際工作的一次高仿真模擬。通過授課反思、教學(xué)團(tuán)隊討論、學(xué)生課程反饋和對企業(yè)的調(diào)研，以信息安全專業(yè)綜合實習(xí)實踐教學(xué)為例，加強“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)。在具體實踐中存在如下問題：

（1）實習(xí)內(nèi)容復(fù)雜度不夠，且與專業(yè)耦合度低。實習(xí)是信息安全專業(yè)實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，主要形式包括校外分散實習(xí)和校內(nèi)基地實習(xí)。學(xué)生分散在單位實習(xí)，雖然能夠親身體會實際工作環(huán)境和團(tuán)隊氛圍，但是限于各種條件（如工作崗位的內(nèi)容和性質(zhì)等）及實習(xí)時間較短，學(xué)生一般從事較為簡單和邊緣性的技術(shù)工作，較少接觸與前期專業(yè)知識學(xué)習(xí)緊耦合且具有綜合性的實習(xí)內(nèi)容；在校內(nèi)實習(xí)基地實習(xí)，存在實習(xí)環(huán)境和實習(xí)內(nèi)容仿真性和綜合性欠缺的問題。這些困難導(dǎo)致學(xué)生難以真正體會到信息專業(yè)復(fù)雜工程問題的解決過程，也難以將大學(xué)本科前三年多所學(xué)的專業(yè)知識綜合運用于較復(fù)雜專業(yè)技術(shù)問題的解決上。因此，需要定制面向信息安全專業(yè)且能綜合運用已學(xué)專業(yè)知識的實習(xí)內(nèi)容，以進(jìn)行具有綜合性質(zhì)的“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)。此外，需要提高校內(nèi)基地實習(xí)內(nèi)容的真實性，進(jìn)一步打造綜合性實習(xí)平臺，創(chuàng)設(shè)高仿真實習(xí)環(huán)境，以加強“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)。

（2）業(yè)界最新和主流研發(fā)模式融入較少。校內(nèi)綜合實習(xí)和一些課內(nèi)實踐中較少引入業(yè)界最新和主流的研發(fā)模式，而這些研發(fā)模式正是畢業(yè)生走上工作崗位所必須掌握的，也是培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的有力武器。因此，通過調(diào)研業(yè)界最新和主流的研發(fā)模式，經(jīng)過適當(dāng)裁剪，融入學(xué)生綜合實習(xí)，既對最新的研發(fā)流程和合作模式加以實踐運用，又有助于培養(yǎng)合作解決復(fù)雜工程問題的能力。

（3）對于解決復(fù)雜工程問題的意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)訓(xùn)練較少。目前，綜合實習(xí)及實踐教學(xué)側(cè)重對專業(yè)技術(shù)的運用訓(xùn)練，較少考慮對于解決復(fù)雜工程問題所需的意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)的訓(xùn)練和培養(yǎng)，而這是正是實際研發(fā)工作所必需的。

以上問題在其他實踐教學(xué)課程中也會存在，不利于新工科背景下“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)?！敖鉀Q復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)貫穿本科實踐教學(xué)全過程，需要多門課程有機(jī)結(jié)合，形成具有邏輯關(guān)系的實踐培養(yǎng)路線作支撐。

本文緊緊圍繞“解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)”的“邏輯主線”，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)模式調(diào)整和教學(xué)實踐改革展開研究，探索解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的可行方案。以綜合實習(xí)課程為例，基于案例仿真、采用面向解決復(fù)雜工程問題的方式，引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，展開復(fù)雜工程問題解決方案分析、實踐和歸納總結(jié)，從而持續(xù)提升“解決復(fù)雜工程問題”的能力，使學(xué)生畢業(yè)后具有較強的復(fù)雜工程問題解決能力，提高其核心競爭力和長久可持續(xù)發(fā)展力。

2 基于案例仿真的解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)方法

以提升解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為研究目標(biāo)，以信息安全專業(yè)實習(xí)教學(xué)為例，針對目前實踐教學(xué)中存在的問題，本文按照如下思路展開教學(xué)改進(jìn)研究：首先，建立基于案例仿真的實踐教學(xué)框架；然后，在此框架下基于網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺，以金融行業(yè)的省級集團(tuán)為實習(xí)背景，設(shè)計與專業(yè)耦合度高、具有綜合性和仿真性的綜合實習(xí)內(nèi)容；接著，引入敏捷開發(fā)Scrum 開發(fā)模式，組織學(xué)生以Scrum Team 為單位進(jìn)行仿真項目研發(fā)實踐；最后，在整個綜合實習(xí)的過程中，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題所必備的意志品質(zhì)，進(jìn)行核心素養(yǎng)訓(xùn)練。

2.1 基于案例仿真的實踐教學(xué)框架

為建立與專業(yè)耦合度高、具有綜合性和復(fù)雜性的實習(xí)內(nèi)容和環(huán)境，引入敏捷開發(fā)Scrum 開發(fā)模式，建立意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制。首先需建立基于案例仿真的實踐教學(xué)框架，如圖1所示。

Fig.1 Practice training framework based on case simulation圖1 基于案例仿真的實踐教學(xué)框架

（1）軟硬件平臺。搭建超融合一體機(jī)機(jī)群環(huán)境，部署網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺軟件和網(wǎng)絡(luò)攻防平臺軟件，為設(shè)計復(fù)雜問題場景提供軟硬件基礎(chǔ)。

（2）內(nèi)容設(shè)計層?；诰C合實習(xí)的軟硬件平臺，以設(shè)計與信息安全專業(yè)緊耦合的實習(xí)內(nèi)容為目標(biāo)，為學(xué)生提供具有綜合性與仿真性的實習(xí)內(nèi)容和仿真項目。具體可分為三大類：復(fù)雜場景的滲透測試及安全加固、信息安全相關(guān)軟件的開發(fā)和面向問題的技術(shù)研發(fā)。需要學(xué)生綜合運用前3 年所學(xué)專業(yè)知識，面向較為復(fù)雜的專業(yè)工程問題，自行思考解決方案并實施，并對實施結(jié)果進(jìn)行評價和測試，形成一個解決復(fù)雜工程問題的完整閉環(huán)。

（3）過程控制層。在實習(xí)的過程中，需要引入過程性控制方法和策略，讓學(xué)生將所學(xué)的軟件工程知識運用于具體復(fù)雜工程問題的合作開發(fā)，并引入企業(yè)廣泛采用的敏捷開發(fā)Scrum 過程進(jìn)行研發(fā)控制，使學(xué)生在仿真的研發(fā)流程中深入體會團(tuán)隊角色和團(tuán)隊合作。

（4）實施層。基于過程控制，在實施中采用分角色、分階段驗收，Scrum 開發(fā)管理等方法進(jìn)行項目實施，跟蹤問題解決過程以幫助和支持學(xué)生進(jìn)行項目實施。

（5）意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)訓(xùn)練。解決復(fù)雜工程問題所必備的意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)訓(xùn)練尤為重要，其在目前綜合實習(xí)訓(xùn)練中較為欠缺。在綜合實習(xí)中，應(yīng)建立系統(tǒng)性的訓(xùn)練機(jī)制，引導(dǎo)、培養(yǎng)和強化學(xué)生在面對問題時，敢于迎難而上，堅持對問題解決方案的探索，屢敗屢戰(zhàn)，直至找到妥善優(yōu)化的解決方案并實施。在該過程中，需增強技術(shù)自信，以更好地促進(jìn)解決復(fù)雜工程問題能力提升。

2.2 仿真實習(xí)環(huán)境與綜合實習(xí)內(nèi)容設(shè)計

2.2.1 仿真實習(xí)環(huán)境建立

校內(nèi)實習(xí)基地的集中實習(xí)，在定制與專業(yè)緊耦合的實習(xí)內(nèi)容方面具有優(yōu)勢。為了提高實習(xí)環(huán)境和內(nèi)容的真實性，盡可能接近真實實習(xí)單位的工作環(huán)境和內(nèi)容，可以利用合適的軟硬件平臺及虛擬技術(shù)，打造高度仿真的信息安全專業(yè)實習(xí)環(huán)境，親歷實際信息安全問題和大型安全項目研發(fā)及運維過程，在高度仿真的實習(xí)環(huán)境中，提高解決信息安全專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力。本專業(yè)的綜合實習(xí)軟硬件平臺包括網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺和網(wǎng)絡(luò)攻防演練平臺，網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺主要架構(gòu)如圖2 所示，主要分為3 部分：①由10 臺超融合一體服務(wù)器組成的網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺服務(wù)器系統(tǒng)；②教師及管理員客戶端；③學(xué)生分組客戶端。

該平臺聚焦于培養(yǎng)學(xué)生的信息安全技術(shù)綜合運用能力和對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與管理能力，面向信息安全基礎(chǔ)教學(xué)后的進(jìn)階實訓(xùn)需求，為準(zhǔn)畢業(yè)生提供綜合實訓(xùn)平臺。實訓(xùn)內(nèi)容基于真實的項目案例，搭建靶場、還原真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包含行業(yè)背景介紹、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯罱?、防火墻、路由器等設(shè)備配置、系統(tǒng)設(shè)置、滲透攻擊測試、網(wǎng)絡(luò)防護(hù)等。

2.2.2 具有綜合性與仿真性的復(fù)雜工程問題設(shè)計

Fig.2 Architecture for cyberspace comprehensive exercise platform圖2 網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺架構(gòu)

基于搭建的仿真實習(xí)環(huán)境軟硬件平臺，進(jìn)一步為學(xué)生設(shè)計與專業(yè)耦合度高的實習(xí)內(nèi)容，如基于真實案例仿真的實習(xí)內(nèi)容。該實習(xí)內(nèi)容可以由綜合實習(xí)的軟硬件平臺承載，如網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺和網(wǎng)絡(luò)攻防平臺。設(shè)計的綜合實習(xí)內(nèi)容必須具有綜合性和仿真性的鮮明特點，能夠承載設(shè)計復(fù)雜工程問題供學(xué)生實踐，實現(xiàn)綜合運用所學(xué)知識解決專業(yè)復(fù)雜工程問題的基本目標(biāo)。在此框架下，可以設(shè)計3種類型的綜合實習(xí)內(nèi)容：

（1）綜合運用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、防火墻、滲透測試、網(wǎng)絡(luò)攻防、操作系統(tǒng)、信息安全等所學(xué)知識，解決面向金融行業(yè)省級集團(tuán)公司真實網(wǎng)絡(luò)安全組網(wǎng)、滲透測試和安全加固的復(fù)雜工程問題。學(xué)生可以在高度仿真的實習(xí)環(huán)境中綜合運用所學(xué)專業(yè)先修知識，進(jìn)行解決方案的嘗試和實踐，比如配置真實的防火墻、路由器，并進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)的長攻擊鏈路滲透和安全加固方案設(shè)計及實施。

（2）基于復(fù)雜行業(yè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的信息安全防護(hù)軟件開發(fā)項目。需要學(xué)生基于所學(xué)的計算機(jī)和信息安全知識，運用軟件工程中學(xué)習(xí)的軟件開發(fā)全生命周期（需求分析、設(shè)計、開發(fā)、測試和維護(hù)），進(jìn)行復(fù)雜工程問題開發(fā)和測試。

（3）開放性和動態(tài)問題解決。在進(jìn)行第（1）和第（2）類實習(xí)內(nèi)容時，大概率會碰到各種技術(shù)問題。這些問題的出現(xiàn)雖然具有一定的偶然性（由于編程缺陷、配置錯誤和不當(dāng)操作等），但在實際工作中，碰到這種開放性、動態(tài)的技術(shù)問題是必然的。對這些動態(tài)問題的定位、解決方案的探索和實施驗證，非常具有挑戰(zhàn)性，也是鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的好機(jī)會。面對沒有碰到過的技術(shù)問題，需要學(xué)生自行細(xì)心分析問題表征現(xiàn)象，然后抽絲剝繭尋找解決問題的線索，深入思考問題產(chǎn)生的邏輯，并逐漸提出解決問題的方案。在實施解決方案時，有時會發(fā)現(xiàn)未能有效解決問題，這正是培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的絕好機(jī)會。只有意志堅定、堅持不懈、持續(xù)努力地繼續(xù)尋找方案，才能最終戰(zhàn)勝困難、解決問題。這種體驗是非?？少F的，有這種實習(xí)體驗，能極大地幫助學(xué)生建立技術(shù)自信，提高解決問題的能力。

2.3 敏捷開發(fā)Scrum研發(fā)模式引入

基于設(shè)計的實習(xí)內(nèi)容，組織學(xué)生分組進(jìn)行綜合實習(xí)。在該過程中，運用業(yè)界流行的敏捷開發(fā)Scrum 流程，可以改善學(xué)生實習(xí)中缺少仿真的、面向?qū)I(yè)的實習(xí)環(huán)境，加大對大型項目研發(fā)過程的深入了解。

大型項目的完成必須是團(tuán)隊多人合作完成，有的項目甚至是異地多點的工程師共同合作完成。因此，團(tuán)隊合作在解決復(fù)雜工程問題中非常重要。綜合實習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作能力的一個合適陣地，但是以往團(tuán)隊合作常常流于形式，學(xué)習(xí)主動性強、動手能力強的學(xué)生經(jīng)常做得多，而主動性弱、動手能力弱的學(xué)生參與較少。因此，考慮引入真實的項目團(tuán)隊合作管理方式，如敏捷開發(fā)的Scrum 項目開發(fā)管理過程進(jìn)行管理，以學(xué)生為主體，明確每人的分工和產(chǎn)出，每天通過15 分鐘的晨會進(jìn)行全組項目進(jìn)展匯報，實現(xiàn)全程過程性跟蹤，讓學(xué)生明白團(tuán)隊合作的意義和有效方式，也能督促學(xué)習(xí)主動性弱、動手能力弱的學(xué)生更多地參與項目實踐。

本文開展基于敏捷開發(fā)Scrum 的綜合實習(xí)過程研究與落地實踐。通過調(diào)研國際和國內(nèi)優(yōu)秀的大型技術(shù)性公司的開發(fā)流程和采用的軟件開發(fā)模型，針對實踐教學(xué)需求，進(jìn)行適當(dāng)裁剪，采用基于敏捷開發(fā)Scrum 的仿真研發(fā)模式，如圖3所示。

Fig.3 Agile Scrum model for practice teaching圖3 面向?qū)嵺`教學(xué)的敏捷開發(fā)Scrum過程模型

按照Scrum 流程定義，教師承擔(dān)Product Owner（PO）角色，負(fù)責(zé)項目需求定義；學(xué)生按5-6 人一組分別組隊Scrum Team；每隊選出一名Scurm Master（SM）。具體分為4 個階段：

（1）項目計劃階段。在實習(xí)開始之初，由Product Owner 給出項目需求定義，給出Product Backlog，并將需求分發(fā)給Scrum Team。

（2）Sprint 計劃階段。Scrum Master 根據(jù)需求，跟組內(nèi)成員充分討論，分解為Task List，細(xì)化任務(wù)，并為每一個task分配一位成員。

（3）Daily Run 階段。每天進(jìn)行Standup Meeting，每位小組成員總結(jié)自己已完成的工作，給出下一步工作計劃，并將自己碰到的技術(shù)問題拿出來討論，一起商討可行的技術(shù)方案及實施方案。

（4）項目小結(jié)（Review）階段。在項目收尾或?qū)嵺`教學(xué)結(jié)課階段，以Scrum Team（學(xué)生）為單位向Product Owner（教師）進(jìn)行項目小結(jié)匯報，闡述項目實施情況，碰到的技術(shù)問題、解決問題的過程和實施結(jié)果，以及綜合實習(xí)的收獲和體會等。

以綜合實習(xí)為例，在教學(xué)實踐中引入敏捷開發(fā)Scrum流程，幫助學(xué)生完成從學(xué)校學(xué)習(xí)到崗位工作的順利過渡，使團(tuán)隊合作不流于形式，讓學(xué)生能體會到團(tuán)隊合作的重要意義和真正作用。

2.4 意志品質(zhì)與核心素養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)制建立

目前，實踐教學(xué)多側(cè)重對專業(yè)技術(shù)的綜合運用，很少考慮對解決復(fù)雜工程問題所需意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)的訓(xùn)練和培養(yǎng)。鑒于此，本文構(gòu)建一套對于解決復(fù)雜工程問題所需意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)的訓(xùn)練機(jī)制，提供較為系統(tǒng)且面向解決復(fù)雜工程問題的意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)訓(xùn)練及實踐。

以綜合實習(xí)為例，在開始之初，介紹實習(xí)內(nèi)容的主要目標(biāo)、技術(shù)路線和復(fù)雜度，明確提出在自身面對技術(shù)問題和難題時，應(yīng)具有堅定不移、屢敗屢戰(zhàn)的意志品質(zhì)。實際上，在長期的研發(fā)工作中，這是成為優(yōu)秀工程師的必備素養(yǎng)。在實習(xí)過程中，鼓勵學(xué)生通過獨立思考、小組討論及動手實踐等方式持續(xù)探索技術(shù)問題的解決方案，并教授相應(yīng)的方法。這些有助于學(xué)生體驗技術(shù)問題的復(fù)雜性、獨當(dāng)一面解決問題的艱巨性，以及獲得技術(shù)自信，提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 實施情況分析

3.1 綜合性仿真項目實習(xí)內(nèi)容實踐分析

基于案例仿真的綜合實習(xí)實踐教學(xué)框架設(shè)計實習(xí)內(nèi)容，具體以面向金融行業(yè)省級集團(tuán)公司真實網(wǎng)絡(luò)為實習(xí)背景，在網(wǎng)絡(luò)空間綜合演練平臺上，設(shè)計具有綜合性和仿真性的實習(xí)內(nèi)容，結(jié)合信息安全專業(yè)特點，設(shè)計需要綜合運用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、防火墻、滲透測試、網(wǎng)絡(luò)攻防、操作系統(tǒng)等所學(xué)知識，解決安全組網(wǎng)、滲透測試和安全加固的復(fù)雜工程問題實習(xí)內(nèi)容。實習(xí)內(nèi)容包括兩類：面向金融行業(yè)省級集團(tuán)公司真實網(wǎng)絡(luò)安全組網(wǎng)、滲透測試和安全加固的復(fù)雜工程問題；開放性和動態(tài)問題的解決實施。

為評估開展基于案例仿真的解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)效果，對北京信息科技大學(xué)信息安全專業(yè)2018級學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，共發(fā)放問卷66 份，收回有效答卷42份。結(jié)果顯示，59.52%的學(xué)生認(rèn)為此綜合實習(xí)課程內(nèi)容有趣，40.48%認(rèn)為比較有趣，如圖4 所示。對于實習(xí)內(nèi)容綜合性的反饋，19.05%的學(xué)生認(rèn)為所學(xué)的多門專業(yè)課程完全能夠用上，47.62%能夠用上，33.33%認(rèn)為基本能夠用上，如圖5 所示。這表明綜合實習(xí)內(nèi)容設(shè)計具有綜合性，同時也可以看出還需繼續(xù)改進(jìn)實習(xí)內(nèi)容設(shè)計，以契合學(xué)生綜合實習(xí)需求，提高他們的參與興趣。

Fig.4 Survey for course interest圖4 課程內(nèi)容興趣度調(diào)查結(jié)果

Fig.5 Comprehensive survey and feedback of internship content圖5 實習(xí)內(nèi)容綜合性調(diào)查反饋

3.2 敏捷開發(fā)Scrum過程實施分析

基于敏捷開發(fā)Scrum 流程對不同的實習(xí)內(nèi)容采用不同的實施策略和過程控制。對于面向金融行業(yè)省級集團(tuán)公司真實網(wǎng)絡(luò)安全組網(wǎng)、滲透測試和安全加固的復(fù)雜工程問題，采用學(xué)生分組形成Scrum 團(tuán)隊、按模塊進(jìn)行，分步進(jìn)行過程性驗收。對于基于復(fù)雜行業(yè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的信息安全防護(hù)軟件開發(fā)項目，基于軟件開發(fā)全生命周期和仿真實研發(fā)團(tuán)隊的角色劃分，按照敏捷開發(fā)Scrum 過程模型進(jìn)行實施。進(jìn)行Story 定義，分解為task，明確分到具體團(tuán)隊成員，進(jìn)行task 狀態(tài)跟蹤。開放性和動態(tài)問題的解決實施，也可以采用敏捷開發(fā)Scrum 過程進(jìn)行組織實施和過程性驗收。除進(jìn)行task 狀態(tài)跟蹤，還可以由教師引導(dǎo)周期性進(jìn)行Scrum 團(tuán)隊每次15 分鐘的項目會議，幫助學(xué)生熟悉項目進(jìn)展匯報、團(tuán)隊交互等具體研發(fā)活動。

此次教改中，教師結(jié)合綜合實習(xí)的具體內(nèi)容，先介紹敏捷開發(fā)Scrum 的基本概念、角色劃分和主要流程，讓學(xué)生先對敏捷開發(fā)Scrum 有個基本的了解；然后并將學(xué)生分為5～6 人一組，組成Scrum 團(tuán)隊，按照Scrum 流程，與綜合實習(xí)內(nèi)容結(jié)合，進(jìn)行按角色的實踐，教師分時參與到每個Scrum 團(tuán)隊中，結(jié)合實踐闡述敏捷模型的特點和優(yōu)點，引導(dǎo)進(jìn)行Scrum 團(tuán)隊的周期性項目會議，幫助學(xué)生熟悉項目進(jìn)展匯報、團(tuán)隊交互等具體研發(fā)活動。

從學(xué)生反饋中可以看到，7.14%的學(xué)生認(rèn)為自己理解了敏捷開發(fā)Scrum 的特點和主要流程，71.43%的學(xué)生基本了解，另有21.43%的學(xué)生不太了解，如圖6所示。

Fig.6 Knowledge mastering degree for agile scrum圖6 敏捷開發(fā)Scrum知識掌握情況

此外，對于Scrum 的實踐，對自己理解“團(tuán)隊合作完成項目”是否有幫助，16.67%的學(xué)生認(rèn)為“有很大幫助”，80.95%的學(xué)生認(rèn)為有幫助，2.38%認(rèn)為沒有幫助，如圖7所示。

Fig.7 The impact for applying agile scrum practice圖7 敏捷開發(fā)Scrum項目實踐的作用

可以看到，采用這種理論與具體實踐同時并進(jìn)的方式，對于學(xué)生理解大型項目中的開發(fā)流程、項目管理和團(tuán)隊合作的原則、方法和工具，有良好效果（78.57%的學(xué)生認(rèn)為基本理解或者理解敏捷開發(fā)Scrum 的特點和主要流程；97.62%的學(xué)生認(rèn)為Scrum 的實踐對自己理解“團(tuán)隊合作完成項目”有很大幫助或者有幫助）。如果只是介紹敏捷開發(fā)Scrum 理論，則難以獲得如此效果。綜合實習(xí)中碰到的很多復(fù)雜技術(shù)問題，都是以小組為單位，經(jīng)過合作分析、互相啟發(fā)解決思路、合力實施完成的，在解決問題受挫時，更是團(tuán)隊互相鼓勵，角色互相支持，最終自行解決問題，獲得巨大的成就感和技術(shù)自信，提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.3 開放性和動態(tài)問題的解決實施情況分析

在綜合實習(xí)中，每個Scrum 團(tuán)隊都會碰到很多技術(shù)問題，有的問題與操作有關(guān)，有的問題與軟件平臺有關(guān)，還有的與操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和防火墻配置有關(guān)。這些問題有的比較簡單，有的分析起來十分復(fù)雜，需要學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識“打硬仗”，這是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的大好機(jī)會。在教學(xué)實踐中，教師提供恰當(dāng)支持，進(jìn)行技術(shù)路線的邏輯分析和解決思路的支持，具體問題解決則盡可能交由學(xué)生完成，讓他們充分體驗“面對問題”—“獨立思考解決方案”—“實施解決方案”—“解決問題”的過程，在反復(fù)迭代和螺旋式上升過程中，提高解決復(fù)雜工程問題的能力和自信。如圖8 所示，通過學(xué)生反饋可知，95.24%的學(xué)生認(rèn)為在綜合實習(xí)中體驗到了“面對問題”—“獨立思考解決方案”—“實施解決方案”—“解決問題”的過程，并提升自己解決復(fù)雜工程問題的能力和自信。

Fig.8 Survey for solving complex engineering problem ability promotion圖8 解決問題能力提升調(diào)查

3.4 交叉分析

通過對學(xué)生各項反饋關(guān)聯(lián)項的交叉分析，得到以下有趣結(jié)果。如圖9 所示，在認(rèn)為“本課程有趣”的學(xué)生中，72%的學(xué)生能夠理解或者完全理解本實習(xí)中的復(fù)雜滲透技術(shù)思路，28%的學(xué)生基本理解；而在認(rèn)為本課程“比較有趣的學(xué)生”中，僅35.29%能夠理解或者完全理解本實習(xí)中的滲透思路，58.82%的學(xué)生基本理解，另有5.88%的學(xué)生基本不理解。

Fig.9 Cross analysis1：course interest and penetration test knowledge mastering圖9 交叉分析1：實習(xí)課程內(nèi)容興趣度和滲透思路理解與掌握

由此可以看出，學(xué)生對于課程的興趣能在很大程度上影響其對課程主要技術(shù)思路的理解，因此提高趣味建設(shè)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索心理十分重要。

在體驗到“面對問題”—“獨立思考解決方案”—“實施解決方案”—“解決問題”過程的學(xué)生中，97.5%的學(xué)生認(rèn)為自己解決技術(shù)問題的能力有提升；沒有體驗到面對問題、解決問題過程的學(xué)生中，只有50%認(rèn)為自己解決技術(shù)問題的能力有提升。如圖10 所示。這充分顯示，讓學(xué)生面對技術(shù)問題，甚至是正確答案未知的問題，讓學(xué)生綜合運用所學(xué)自行探索問題的解決方案，是培養(yǎng)解決問題能力的有效途徑之一。

Fig.10 Cross analysis2：solving problem experiences and solving problem ability promotion圖10 交叉分析2：解決問題過程體驗和解決問題能力提升

3.5 可量化的評價量表設(shè)計

基于案例仿真的實踐教學(xué)框架，根據(jù)內(nèi)容設(shè)計和過程控制兩層內(nèi)容，設(shè)計評價量表如表1所示。

Table 1 Evaluation Scale表1 評價量表

基于案例仿真實踐教學(xué)框架的評價量表充分考慮客觀、可量化和過程性3 個方面，設(shè)計三大類10 個觀測指標(biāo)點。在此之前，是通過平時成績和實驗成績進(jìn)行評價，比較主觀和籠統(tǒng)，同時也缺乏對過程的評價。表1 中設(shè)置3個評價大類（分階段的過程性驗收、小組展示、實習(xí)報告）；對每一類再進(jìn)行細(xì)分，并落實到10 個具體觀測指標(biāo)點。其中，觀測點①-④，完全可以采用客觀評價標(biāo)準(zhǔn)，每個實驗階段都有具體的技術(shù)驗證方法判斷該階段是否成功完成，可量化地覆蓋實踐過程（實驗階段一、二、三）和最終結(jié)果評價（實驗階段四）；觀測點⑤-⑥、⑧-⑩也能客觀量化評價；觀測點⑦評價答辯陳述情況，主觀性稍強，但可以通過制定細(xì)致的評價標(biāo)準(zhǔn)加以一定程度的彌補。

通過以上基于案例仿真實踐教學(xué)框架設(shè)計的可量化評價量表，可以客觀、細(xì)致地觀察學(xué)生實踐學(xué)習(xí)中的過程性成果和最終成果，能可量化地覆蓋實踐過程和最終的實踐結(jié)果評價。此外，可以進(jìn)一步細(xì)粒度地分析學(xué)生在綜合實習(xí)項目實踐中的學(xué)習(xí)情況，便于調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)重點，幫助教師為學(xué)生提供更好的教學(xué)引導(dǎo)和支持，從而提高實踐教學(xué)效果。

3.6 意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)訓(xùn)練

解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)除注重技術(shù)素質(zhì)培養(yǎng)，也應(yīng)開展必備的意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)訓(xùn)練。本研究結(jié)合綜合實習(xí)課程的教與學(xué)，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的、面向解決復(fù)雜工程問題的意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)訓(xùn)練。從學(xué)生給出的調(diào)查反饋和實習(xí)總結(jié)中，選取部分內(nèi)容分析意志品質(zhì)及核心素養(yǎng)訓(xùn)練效果，如表2所示。

Table 2 Student feedback表2 學(xué)生感受反饋

可以看到，有不少學(xué)生真切感受到了在解決復(fù)雜工程問題的過程中，如下幾種意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)幫助他們戰(zhàn)勝了困難，最終解決了復(fù)雜的技術(shù)問題：①積極思考、善于觀察；②直面問題不放棄、戒驕戒躁；③團(tuán)結(jié)互助、團(tuán)隊合作。有這樣的心理體驗，對于學(xué)生們將來走上工作崗位，成為解決復(fù)雜技術(shù)問題的能手，具有非常重要的意義。

4 結(jié)語

本文研究“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)，以信息安全專業(yè)實習(xí)實踐教學(xué)為例，提出基于案例仿真的解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)教學(xué)改進(jìn)方法，并結(jié)合敏捷開發(fā)的Scrum模式進(jìn)行項目實踐實施，同時注重相關(guān)意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)培養(yǎng)。根據(jù)實踐和反饋數(shù)據(jù)，本文所提方法能有效提升解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)。實踐表明：①貼近專業(yè)、基于案例仿真的內(nèi)容設(shè)計，是解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)；②面向問題解決的實踐，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑；③解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)中，還須同步進(jìn)行必備的意志品質(zhì)和核心素養(yǎng)訓(xùn)練和培養(yǎng)。這些方法及其在綜合實習(xí)中的實踐經(jīng)驗可以向其他相關(guān)課程推廣應(yīng)用，以提升解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)。

下一步研究方向：①設(shè)計更能激發(fā)學(xué)生興趣的、貼近技術(shù)發(fā)展和實際需求的實習(xí)內(nèi)容和技術(shù)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生的興趣；②融合實習(xí)內(nèi)容和意志品質(zhì)訓(xùn)練，建立更為系統(tǒng)的“面對問題”—“獨立思考解決方案”—“實施解決方案”—“解決問題”訓(xùn)練場景，讓學(xué)生綜合運用所學(xué)自行探索問題的解決方案，培養(yǎng)解決問題能力。