顏偉 張振政 李美燕

［摘 要］ 以系統(tǒng)工程知識元為節(jié)點，以其先學關(guān)系為連邊，構(gòu)建系統(tǒng)工程有向知識網(wǎng)絡(luò)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對系統(tǒng)工程知識元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進行分析，分析網(wǎng)絡(luò)的出度與入度、聚類系數(shù)與密度等特性，尋找系統(tǒng)工程知識元網(wǎng)絡(luò)中的核心與難點。針對系統(tǒng)工程知識元的類型進行劃分，為理論知識元與實踐類知識元設(shè)計不同的教學模式和優(yōu)化教學結(jié)構(gòu)，不僅對學生學習系統(tǒng)工程提供了科學的依據(jù)，也對后續(xù)系統(tǒng)工程教材的編寫與教學模式的改進提供了理論和實踐指導。

［關(guān)鍵詞］ 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；知識元；教材知識結(jié)構(gòu)；教學改革

［基金項目］ 2020年度山東科技大學教育教學研究項目“面向新工科的項目型課程體系重構(gòu)——以工業(yè)工程專業(yè)為例”（QX2020M04）；2021年度煤炭高等教育“十四五”規(guī)劃教材建設(shè)項目“系統(tǒng)工程”（中煤教協(xié)〔2021〕3號）；2021年度山東省教育教學研究課題“山東省一流本科專業(yè)建設(shè)路徑與效果評價體系研究”（2021JXY058）

［作者簡介］ 顏 偉（1980—），女，山東臨沂人，管理學博士，山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院副教授，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程、資源效率評價研究；張振政（1998—），男，山東濟寧人，山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院2021級工業(yè)工程與管理專業(yè)碩士研究生，研究方向為工業(yè)工程與管理；李美燕（1978—），女，山東青州人，管理學博士，山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院教授，主要從事煤炭物流大系統(tǒng)優(yōu)化、城市共同配送系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）27-0141-04 ［收稿日期］ 2022-06-08

教材應(yīng)具有核心知識點突出等特點，有助于更好地實施教學活動［1］，讓學生全面掌握知識。建立客觀有效的教材分析方法，可幫助教材編寫者快速而準確地把握教材知識的整體特征，確定教材內(nèi)各個知識的類別，保證教材質(zhì)量與教學效果。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法已應(yīng)用到教學、教材編寫及個性化教育等方面［2］。合理利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建知識元關(guān)系，對教學改革及教材內(nèi)容的探究具有重要意義。教師利用成型的知識元網(wǎng)絡(luò)既可以判斷出系統(tǒng)工程的核心知識點，創(chuàng)新教學模式，又能為學生提供學習“導航”。

一、系統(tǒng)工程知識元網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析

知識元網(wǎng)絡(luò)模型以各單元的知識元作為節(jié)點，以知識元之間的相互關(guān)系為連邊，以知識元之間的先學后學關(guān)系表示連邊的方向。

（一）知識元網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

準確地理解各知識元的根底定義與內(nèi)涵是建立知識元網(wǎng)絡(luò)的重要前提［3］。為使各知識元之間的關(guān)系更加明確，本文采取便于量化與收集的問卷調(diào)查法對系統(tǒng)工程專業(yè)的多名教師進行問卷調(diào)查，通過問卷調(diào)查確定知識元之間的相互關(guān)系，最終提取了“系統(tǒng)工程概述”等99個知識元作為該網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點，之后生成系統(tǒng)工程知識元有向網(wǎng)絡(luò)圖。

（二）知識元網(wǎng)絡(luò)的特性分析

運用Ucinet軟件制作可視化的知識元網(wǎng)絡(luò)圖，并計算出知識元網(wǎng)絡(luò)的基本屬性，尋找網(wǎng)絡(luò)的核心知識。

1.度值、出度及入度。度值Ki是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中最基本的特性，表示的是與節(jié)點Si相關(guān)聯(lián)的節(jié)點的數(shù)量。在有向網(wǎng)絡(luò)圖中，度又分為出度Kiout和入度Kiin兩種。通過對知識元網(wǎng)絡(luò)的分析，在考慮出度和入度的情況下，出度較大的知識元多為基礎(chǔ)性、理論性較強的課程，如“系統(tǒng)工程的概念”等，此類知識元應(yīng)作為教材中的理論重點來學習；針對入度較大的知識元，如“系統(tǒng)工程的應(yīng)用”“系統(tǒng)動力學仿真”等綜合性、應(yīng)用型較強的知識元，應(yīng)放在教材的實踐部分進行學習。

2.聚類系數(shù)用于表示節(jié)點的聚集情況，平均聚類系數(shù)表示所有節(jié)點聚類系數(shù)的均值，用以描述整個網(wǎng)絡(luò)的緊密度。經(jīng)過計算得知，課程網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)為0.32，說明各知識元之間的關(guān)系并不密切，需要教師在教學過程中針對現(xiàn)有教學模式進行改革，使學生建立各知識元之間的連接。

3.在已構(gòu)建的知識元網(wǎng)絡(luò)中，將知識元分為實踐類知識元與理論知識元。實踐類知識元是指學生在學習的過程中需要思考“做什么”“怎么做”來接受知識［4］，不僅要求學生掌握該知識元的理論，還要在對應(yīng)的實踐平臺或?qū)嵺`環(huán)境中上手操作。教師應(yīng)針對不同類別的知識元分解教學目標，進一步完善教學體系。

二、以知識元網(wǎng)絡(luò)為依據(jù)分解教學目標

實踐類知識元與理論知識元雖然同屬于系統(tǒng)工程的教學內(nèi)容，但是實踐類知識元強調(diào)學生的“做”，理論知識元強調(diào)學生的抽象理解能力。教師如果在教學時采用同一種教學方式，會使得學生難以掌握系統(tǒng)工程的全部內(nèi)涵。因此，想要更加完善的講授系統(tǒng)工程的全部知識，就需要對系統(tǒng)工程的知識元進行劃分，以知識元網(wǎng)絡(luò)為依據(jù)分解教學目標。

（一）以“系統(tǒng)工程的概念”為核心的理論知識元網(wǎng)絡(luò)

通過前節(jié)對系統(tǒng)工程知識元網(wǎng)絡(luò)模型的探究，發(fā)現(xiàn)知識元模型中出度較大的知識元為概括性較強的理論知識，而這些知識元以“系統(tǒng)工程的概念”為核心。由于傳統(tǒng)的教學模式按照理論知識進行講授，因此，針對此類知識元無須改進教學模式，但需要對建模模式的效果進行評估，通過教學評估查看學生的知識接收能力與應(yīng)用能力，在后續(xù)的教學中強調(diào)教師與學生的溝通，以確保教學效果。

（二）以“系統(tǒng)工程的應(yīng)用”為核心的實踐知識元網(wǎng)絡(luò)

入度較大的知識元是注重學生“怎么做”的實踐類知識，這一類知識需要學生通過實際操作切身體會知識點的內(nèi)涵。通過知識元網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)實踐類知識元以“系統(tǒng)工程的應(yīng)用”為核心，主要包括仿真類知識元等4類實踐知識元。

1.仿真類知識元。仿真是利用模型復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)發(fā)生的本質(zhì)過程。這一類知識元不僅需要學習仿真的理論知識，還要在仿真平臺中設(shè)計仿真實驗，利用仿真效果解決實際問題。

2.編程類知識元。編程類知識元主要包括“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”“遺傳算法”“Python基礎(chǔ)”等知識元。現(xiàn)行的教學方法是教師先進行PPT講解，之后學生再上機操作。此類教學模式中先教后學的順序容易存在學生前期失去學習興趣、后期實際操作時不能及時溝通等問題。

3.應(yīng)用類知識元。應(yīng)用類知識元是實踐類知識元的一種，主要包括“主成分分析”“相關(guān)性分析”“聚類分析”等知識元。此類知識元與“編程類知識元”類似，學生需要先學習基礎(chǔ)理論，掌握計算步驟之后進行實際操作。與編程類知識元不同的是，此類知識元強調(diào)選取合適的方法解決問題，而非強調(diào)編程過程的嚴謹性。

4.綜合類知識元。綜合類知識元主要包括“數(shù)學建?！钡戎R元。這一類知識元不是單一的知識點，而是強調(diào)學生能融會貫通與解決實際問題的能力。學生不僅需要熟練掌握系統(tǒng)工程的理論知識與實踐知識，還要強調(diào)學生面對問題時有“選擇適當?shù)慕鉀Q方法”的能力?！皵?shù)學建?！敝R元是綜合性、應(yīng)用型較強的知識元，與“系統(tǒng)工程的應(yīng)用”密切相關(guān)。

不僅是系統(tǒng)工程的教學模式，幾乎所有的課程在教學時都側(cè)重理論知識的講解而忽略實踐知識元的探究［5］。但是理論和實踐相結(jié)合才能使學生獲取全面的知識，實踐類知識的忽略導致現(xiàn)階段的教學模式存在一定的缺陷。所以教學模式需要針對實踐類知識進行改革。

三、改進教學模式，提高學生實踐能力

通過對現(xiàn)階段教學模式及知識元網(wǎng)絡(luò)模型的分析，可以發(fā)現(xiàn)學生獲取實踐類知識的能力較弱。完善教學模式，針對實踐類知識元的教學方式進行改革，有利于提升學生的實踐能力。

（一）關(guān)注實踐知識，引導學習方式

設(shè)計教學問題，引導自主學習。實踐類知識需要學生自主操作。在教學中需要通過設(shè)計課堂問題引導學生自主學習。如在“主成分分析法”知識元中，課堂教學僅介紹了主成分分析的基本定義及計算方法，如果學生僅學習課本中的內(nèi)容，會難以理解主成分分析過程中“降維”等操作的實際意義。因此，在講授“主成分分析法”的基本定義及計算方法后，還應(yīng)設(shè)計一系列的教學問題。針對“主成分分析法”這一知識元，改進后的教學方案設(shè)計了“利用主成分分析法分析貸款客戶的信用程度”這一問題，借助客戶能力、客戶資本、客戶環(huán)境及客戶擔保關(guān)系等4種因素分析客戶違約的可能性。學生需要科學地套用“主成分分析法”的探究過程，將具有實際意義的數(shù)據(jù)代入主成分分析的降維矩陣之中。在計算矩陣的過程中，學生會發(fā)現(xiàn)將理論知識應(yīng)用到實際問題中不僅是簡單地套用公式，還需要對所得數(shù)據(jù)進行歸一化等操作，讓學生在解決實際問題中更加深入地學習這一知識元。教學實踐證明，學生在解決此問題后，理解了此知識元的內(nèi)涵，意識到使用該方法能較好地解決數(shù)學建模中的問題，并達到了引導學生自主學習的目的。

（二）搭建實踐平臺，注重實際操作

實踐類知識在教學環(huán)境上與理論知識也有不同，實踐類知識更加注重教學平臺。如教師在講授“系統(tǒng)仿真”等的知識時需要讓學生真實接觸仿真類軟件、物流實驗室及仿真實驗室等，在講授編程類語言時則需要學生上機操作。只有在實際操作過程中，學生才能發(fā)現(xiàn)自身的不足，教師才能有目的地改進教學方案。

1.設(shè)計仿真實驗。仿真類知識元不僅需要學生理解“步長”“精度”等知識的定義，還需要在仿真軟件中進行實際操作。系統(tǒng)工程內(nèi)講授的仿真知識為“系統(tǒng)動力學仿真”，為了確保“系統(tǒng)動力學仿真”教學效果，在教學過程中引入仿真軟件Vensim，設(shè)計“使用Vensim探究二階庫存模型中庫存量與利潤的關(guān)系”這一問題，讓學生在軟件中構(gòu)建“庫存—利潤”因果圖，并利用因果圖構(gòu)建“庫存—利潤”的DYNAMO方程，使學生真正了解系統(tǒng)動力學仿真的建構(gòu)過程與解決方法。

2.強調(diào)學生上機操作。傳統(tǒng)的教學方式在講授“遺傳算法”“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等知識元時，先在課堂上進行PPT講解。雖然這一教學方法可以使學生在進行上機操作前充分學習理論知識，但是學生在PPT的學習時會失去興趣［6］，進而影響后續(xù)的上機操作。學生面對的編程問題復(fù)雜多樣，在實際操作過程中卻發(fā)現(xiàn)問題難以排查。因此，改進后的教學模式將此類知識元的講解改為在計算機教室進行，教師一邊講解知識元的原理，一邊進行代碼的編寫，在課堂中設(shè)計“十進制轉(zhuǎn)二進制”“列表的刪除與替換”等問題，使用交互式學習提高學生的學習興趣。同時，交互式學習也為學生提供了及時解決所發(fā)現(xiàn)問題的條件。

3.鍛煉學生的建模能力。數(shù)學建模是鍛煉學生解決實際問題能力的一種方法，它不是單一的知識元，而是需要學生具有強大的知識儲備與解決問題的能力。針對此類知識元，學生可以參與全國大學生數(shù)學建模等競賽鍛煉實際能力。教學成果證明，學生利用仿真設(shè)計、物流實驗、存儲論及多目標優(yōu)化等知識元，妥善地解決了競賽中的“無人機—運輸車協(xié)同運輸”“車間多目標調(diào)度優(yōu)化”等問題，并取得了優(yōu)異成績。

（三）與企業(yè)接軌，進一步提升實踐能力

想要完善課程體系，改進教學模式，進一步提升學生的實踐能力，學校不僅需要構(gòu)建適合學生實踐的平臺，還要進一步拓寬學生與教師之間的溝通渠道，認真收集學生的課堂反饋，并與優(yōu)秀工業(yè)企業(yè)接軌，不斷引進前沿實踐平臺。改進后的教學模式將課堂與實踐相結(jié)合，積極聯(lián)系優(yōu)秀工業(yè)企業(yè)，在教學周期中加入“小學期”等教學規(guī)劃，在確保學生安全的前提下，讓學生在企業(yè)內(nèi)進行實習，并且參與企業(yè)內(nèi)的小組會議，與企業(yè)內(nèi)的專業(yè)人員共同探討生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的各類問題，利用所學知識解決企業(yè)難題。

實踐出真知。學生在實踐過程中能更加準確地尋找自身的不足并加以改正，教師也能根據(jù)學生的實踐發(fā)現(xiàn)教學中的不足與教材中的缺陷。實踐平臺的建設(shè)和運用，使學生能夠更早地接觸工作內(nèi)容，更快地適應(yīng)今后的工作［7］。

（四）拓寬溝通渠道，確保實踐效果

在實際教學過程中應(yīng)根據(jù)學生接受程度調(diào)整授課內(nèi)容與授課方式，形成授課、記錄、調(diào)整的良性循環(huán)。針對實踐知識中的經(jīng)典應(yīng)用與前沿應(yīng)用要制訂不同的教學計劃，使學生能夠完全理解經(jīng)典知識并自主接受系統(tǒng)工程學科的前沿知識。改進后的教學模式不局限于課堂教學與實踐操作，還會搭建供學生和教師交流的平臺，讓學生在企業(yè)實習時能夠及時聯(lián)系教師，得到教師的指導。溝通渠道要向已經(jīng)走入社會的學子開放，在適當?shù)臅r機還可邀請優(yōu)秀畢業(yè)學子回校為學生答疑解惑，使學生更早地了解社會需要什么樣的知識人才，引導學生做出改變，不斷地向社會輸送優(yōu)秀人才。

結(jié)語

本文使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究方法，探究了系統(tǒng)工程知識元網(wǎng)絡(luò)中的核心、難點與重點，并將系統(tǒng)工程的知識元分為實踐類知識元與理論類知識元，按照知識元類型設(shè)計了相應(yīng)的教學方式，根據(jù)知識元模型改善的教學使得學生在學習理論知識時獲得更加深刻的理解，建立的各類實踐平臺提升了學生的實踐能力。改進后的教學既為學生的學習提供了科學的依據(jù)，使學生更有側(cè)重地學習，為學生在學習系統(tǒng)工程時提供精確的“導航”，又為系統(tǒng)工程教材的編寫與教學提供了參考。

參考文獻

［1］彭征，郭玉英.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的教材知識結(jié)構(gòu)模型研究：以初中物理教材為例［J］.教育理論與實踐，2017，37（20）：42-45.

［2］張琳，胡一川，盧詩潔，等.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的本科課程網(wǎng)絡(luò)分析［J］.科學通報，2017，62（Z2）：3277-3284.

［3］白描，秦玉芝，楊國順，等.大學生系統(tǒng)性知識網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)：以“園藝生物技術(shù)”課程為例［J］.教育教學論壇，2020（43）：342-345.

［4］孫紅章，琚偉偉，蘇向英，等.在大學物理本科教學引入非線性物理知識的嘗試［J］.教育教學論壇，2015（36）：164-165.

［5］孫逸明.化學教科書知識點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征研究［D］.上海：華東師范大學，2018.

［6］袁禹惠，陳再忠，李松林.“雙一流”學科研究生課程體系建設(shè)的探索與思考：以上海海洋大學水產(chǎn)學科為例［J］.教育教學論壇，2022（27）：85-88.

［7］田巧芝.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下“法理學”課程育人功能與教改實踐研究［J］.教育教學論壇，2022（17）：85-88.

Research on System Engineering Teaching Model Based on Complex Network

YAN Weia，b， ZHANG Zhen-zhenga ， LI Mei-yana，b

（a. College of Energy and Mining Engineering， b. National Demonstration Center for Experimental

Mining Engineering Education， Shandong University of Science and Technology， Qingdao，

Shandong， 266590， China）

Abstract： The system engineering knowledge element （SGE） is taken as the node and its pre-learning relation as the link. The structure of SGE knowledge element （SGE） is analyzed by complex network theory， and its characteristics such as degree value， clustering coefficient and density are analyzed， so as to find the core and difficult points of SGE knowledge element. The engineering knowledge is divided into different types， different teaching models are designed for theory and practice and the teaching structure is optimized， which not only provides scientific basis for students learning， but also provides guidance for textbook revising and teaching mode improving.

Key words： complex network; knowledge elements; knowledge structure of teaching materials; teaching reform