专业课课程设计的开放式课题设计与实践

谢新连，钟铭，赵家保，桑惠云

(大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026)

专业课课程设计的开放式课题设计与实践

谢新连，钟铭，赵家保，桑惠云

(大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026)

高年级本科生专业课的课程设计选题和内容安排既涉及投入的资源多少也涉及教学效果的好坏。为了提高学生学习的主动性和创造性，改善实践教学效果，针对“航运管理”课程的实践环节开发实验了一种只给出少量的已知条件，让学生根据对行业发展现状的调查结果补充其他必要条件和计算参数的开放式课题课程设计模式，系统介绍该开放式课程设计的设计思想、设计难点、求解思路及教学效果等。

专业课课程设计；开放式课题设计；航运管理

一、引言

高年级大学生的专业课程通常理论性、前沿性和实践性都很强。为了提高学生的学习兴趣，改善教学效果，增强学生的实践动手能力，安排具有一定复杂程度和工作量的课程设计，作为教师课堂讲授理论知识的补充，让学生学着自己动手解决问题是必要的。特别是在行业特色明显的高校教学中，设计出既能让学生了解如何解决行业部门的专业问题，又能够发挥学生的创新能力，为行业部门提供合理有效的科学方案的课题式实践教学环节十分必要。在基础教育的基础上实施课题式教育，也是行业性高校的特色教育模式。[1]

“航运管理”课程是海运类院校交通运输专业本科生的主要专业必修课程之一，与前边学过的运筹学、船舶货运、航运经济学等理论基础课和专业基础课联系紧密。该课程特点是理论性、专业技术性都较强、知识点多。在实践教学方面，拟制小的练习题往往过于简单，与实际差距太大，使学生从思想上轻视实践教学环节，既达不到训练学生解决实际问题的能力，也难以提振学生的探索兴趣；但拟制与实际问题比较贴近的课题，又过于复杂、难以求解，也难以调动学生的积极性，因此常常存在两难问题[2]。此外，如果练习题目具有相同的标准答案，则可能存在抄袭行为；如果让每位学生的练习题目具有不同的答案，则教师批改工作量大，特别是当学生人数较多时，教师更是不堪重负。如何对多个班级上百名学生设计出既能客观反映专业实际问题、又能启发学生创造能力的课题式实践环节一直是一个难题。许多专业课程都有类似的问题。本文通过科学、恰当的拟制开放式课题并借助计算机技术尝试突破这种困境。

二、教学目的与课题设计思想

课程设计的基本目的是让学生运用已经学过的基本理论和专业知识解决一个贴近实际且具有一定复杂性的问题，也是交通运输(航运管理方向)专业本科生的重要实践性教学环节之一。航运管理课程设计安排在第三学年学生学习完“航运管理”课程后进行，是结合学过的专业理论知识做一次综合性训练，以便加深对专业知识的理解和掌握。要求学生能够综合运用以前学过的知识，具有必要的想象力和系统优化思想，在教师的指导下解决一个源于实际的管理决策问题。

根据多年的专业课授课经验分析，认为将“多型船在多条航线上的优化配置问题”选定为课程设计内容较为合适。这一选题不仅是航运企业经营管理活动中的一项经常性重要决策，而且涉及知识面广、与以前学过的课程知识联系紧密，具有足够的复杂性和难度。但如果对于这样一个比较复杂且有难度的课题，列出全部已知条件和计算参数，则与航运企业实际经营管理业务操作环境有较大差异，同时学生既不能明确这些参数如何得到，也会质疑其中许多参数的取值。因此，为了保证训练效果，采用开放式课程设计的形式，即任务书中只给出最基本的要求和少量的控制性已知条件，让学生自己查阅相关资料和数据，补充其他必要条件和计算参数。其基本设计思想和希望达到的效果为：(1)学习和掌握航线配船的步骤和方法，将航线配船的理论知识和运输生产实践有机结合，培养学生运用所学知识独立分析、解决实际问题的能力；(2)将本课程学过的航线配船和其他课程学过的相关基础知识，如航运经济学、运筹学、计算机应用等理论紧密联系起来，并使这些知识融会贯通，得到进一步拓展；(3)进行综合技能的训练，对设计案例、收集资料、处理数据、趋势预测、运用数学优化软件计算(如Excel、Lingo、Matlab等)以及进行计算机编程等方面的基本技能做一次综合训练，提高学生的自主学习和实践操作能力；(4)通过对全过程的总结分析、独立撰写课程设计报告，提高学生的书面表达水平和研究报告撰写能力。希望这一课程设计不仅能够达到理论联系实际、巩固专业知识、锻炼实践能力的基本目的，还能够调动学生的学习主动性、积极性和部分潜力大的学生的创新能力。对数量较多的学生群体，将应用型与研究型教学方式融于一体培养学生的实践能力和动手能力[3]。

三、课程设计内容与特点

1.课程设计问题简述

“多型船在多条航线上的优化配置问题”是“航运管理”课程的重点内容，特点是涉及的知识面较广，求解过程中要用到线性代数、运筹学、航运经济、船舶货运等多门学科的知识，而且计算中还要根据经验和市场环境对大量的计算参数做出合理的分析、估计和预测。

为了更加直接地让学生接受课程设计中涉及的操作原理和专业知识，了解行业发展状况，训练和强化学生解决问题的能力，课程设计任务书中只给出少量的控制性已知条件，形成一个已知条件不完善的开放式课题。学生必须根据已经学过的专业知识查阅、补充必要条件和数据，设计航线配船优化方案。

课程设计任务书中主要给出三类基本参数，包括船舶参数(各型船的数量、载重量、净吨位、航速、燃油消耗率、柴油消耗率、船价、船员定编等)、港口参数(各装货港名称、各卸货港名称、船舶在各港的装卸效率范围等)、航线运输需求参数(如表1所示)，同时任务书中设定每位学生的这一参数都有所差异，以保证每位学生求解时应用的基础数据有所不同(见表1中第6行、第3列)，以便消除同学之间互相抄袭课程设计报告的可能性。除了这些基本参数之外，再根据选题涉及的航区情况设定一些特殊限制，以便训练学生的逻辑思维能力和做事周密性。如任务书中注明“因某种客观原因，某型船不能配置在某航线上营运；如果将某型船配置在某航线上，则该型船每个航次需要增加等潮或减载时间若干天”等类似限制条件，让学生思考怎样用数学方法去处理这些实际中常常遇到的特殊情况。

设计任务书给定后，要求学生根据这些确定但不充分的已知条件，查阅相关文献，根据实际情况补充必要的数据参数，制订这一船队的年度货运配船计划，使船队总的营运效果最好，并给出合理的专业解释。

表1 运输需求参数示例：各航线煤炭运输量

对于这样一个较为复杂且贴近实际的课题，课程设计任务书和说明书中仅给定问题中的控制性技术、经济参数，而将大量与管理水平、市场波动相关的计算参数留给学生去查阅、分析、估算、解释。这对于已习惯于教师给出完善的已知条件、完全按照预定套路解题的本科生来说，具有较大的难度和挑战性。但在互联网和学校图书馆的支持下学生完全具备开展这些工作的客观条件。

2.解决问题的思路和方法

按照传统授课模式，对于这一复杂问题教师会在课上讲授“大船配大线”的原则，让学生按照这一原则用既定的求解方法试探求解。但是根据已学相关专业课知识和相关计算机技术，完全可以要求学生根据开放式课题的属性及要求，建立航线配船优化数学模型，并设计对应的算法求解这一问题。

在教材中已经给出了求解这类问题的一个线性规划数学模型，优化模型目标函数是船队营运总费用最低，如公式(1)-(3)所示[4]。

目标函数：

(1)

约束条件：

第1组：保证完成各航线的运输量Wh

(2)

第2组：保证各型船的使用数量与闲置数量之和与船队中拥有的这型船的数量Aj相等

(3)

其中：Z——目标函数，年度船队总费用；Xjh——决策变量，在h航线上配置的j船数量；Oj——决策变量，j型船闲置的数量；Rjh——计算参数，j型船在h航线上的单船年营运费用；Fj——计算参数，j型船闲置的单船年度闲置费用；Vjh——计算参数，j型船配在h航线上营运时的单船年运量；Wh——计算参数，h航线上要求完成的年运输量；Aj——计算参数，船队中拥有的j型船数量；K——计算参数，船型总数；G——计算参数，航线总数。

根据Oj和Xjh的定义可知，所有决策变量不能取负值，满足非负要求。因此，公式(1)～(3)构成了一个完整的线性规划数学模型，通过初等变换转换成标准形式后，在计算机上用单纯形法求解十分方便。

在解决问题的方法上，将课上讲过的数学模型(1)～(3)作为制订这一船队的年度货运航线配船计划的基本方法，同时鼓励学生根据课堂上讲授的建模原理另行建立数学模型、设计求解算法，以调动学生的学习积极性和开发新方法的创造性。

3.课程设计的特点和难点

上述开放性课题对学生来说存在四个难点：

一是要将以往所学的知识融会贯通，针对这样一个复杂的具体问题设计求解方法。在基础课程学习和课后练习中往往是针对假定的简单情况进行求解。例如，在学习线性规划时，例题和课后练习题目一般只有几个变量和几个约束条件，规模较小，可以通过手工计算求解，以便深刻理解其基本原理。但在航运管理课程设计中一般设有4～6个船型、5～6条航线，例如，当问题中设有4种船型(K=4)、5条航线(G=5)时，根据数学模型(1)—(3)形式的特点，在该问题中就有K×G+K=24个变量，K+G=9个约束条件，针对如此规模的实际问题，用手工计算则比较困难，必须借助计算机求解。这就要求学生不但要综合运用以前学过的知识，还要具有运用理论知识解决实际问题的能力。

二是学会运用数学方法模拟解决实际问题。根据给定的少量已知条件求解该类开放式课题，要么从根本上理解教材中的数学模型，要么自己尝试建立新的数学模型，两者都有一定的难度。

三是如何查阅、分析、估算、选定、解释任务书中没有给出的大量参数，特别当由不同渠道获得的数据有所不同、甚至互相矛盾时，如何处理、怎样取舍？这对于没有实践经验的学生来说是非常困难的。任务书对于如何选定计算参数没有给出统一的规定，但要求每位学生必须对参数的选定或取舍给出合理解释。

四是当求出问题的最优解后如何验证结果的正确性。由于课题中涉及的实际问题约束条件多、模型中变量和参数数量较多、求解过程繁琐，而且学生数量较多、每位学生的基本数据也不同，使得指导教师和学生都难以检验计算结果的正确性，这样可能会造成实践训练效果不佳、事倍功半。这就需要指导教师(或课题组)和学生寻找验证求解方法正确性的简便途径。

四、保证教学效果的基本措施

1.采取的措施

这种只给出一些控制性基本参数，而允许学生根据实际情况确定其他计算参数，或者说在一定的框架下给出一些已知条件，允许学生自主确定相关数据的做法与现实中航运企业经营管理业务的操作环境较为接近。显然，对这样的求解过程及结果既有统一的评价尺度，又能发挥学生的个性。但这种由学生自主选定一些已知条件的开放性课题与常规做法相比也存在一些突出的问题，如果处理不好，就达不到预期效果。因此需要采取有效措施来保证教学效果。

(1)由于开放性课题的基础数据、求解过程与方法、最终结果可能存在差异，教师检查、批改的工作量很大。为此，课题组针对本课程设计编制了应用型决策支持系统——船队规划决策支持系统(FPDSS)，在课程设计中期检查阶段下发软件，便于师生验证计算结果的正确性。通过操作标准验证软件、对比自己的计算过程和结果，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

(2)为避免同年级学生互相抄袭，设定每位同学求解时应用的基础数据不同(如给出的案例中采用每个学生的学号作为其中某一航线的运输需求量)，已知条件这一微小的变化会使计算结果出现较大差异，加之每人选定的其他已知参数也各有不同，使得结果的差异性规律难以猜出，这就迫使每位学生必须独立求出结果。

(3)为了避免低年级抄袭高年级学生课程设计报告，设计出了工作量、深度、难度都基本相同的航运管理课程设计任务书系列，对每一年级的学生都更换课题内容。由于任务书中给定的控制参数较少，更换课题内容也显得相对容易。

(4)为了保证课程设计的效果，提高效率，设定了集中指导答疑的时间和地点，并规定了中期检查时间，要求所有学生必到，接受统一检查，并根据检查结果给出中间成绩，确保每位学生确实自己经历了数据处理过程。

2.基本要求

(1)由于课程设计任务书中给出的数据是不充分的，要求学生查阅相关船舶、港口、航线、费用等方面的资料，通过适当方法将原始调查数据转换成数学模型中需要的规范计算参数。

(2)提示学生可以应用Matlab、Lingo、Excel等软件求解数学模型，但不限定求解方法，且鼓励学生自主编程计算。计算结果保留两位小数。

(3)为了便于指导和检查，原定所有学生都到学校机房统一上机，但考虑到学生都配有计算机，为了提高效率仅设定每天答疑时间和地点，学生根据自己需求确定是否需要前来答疑，不需要参加答疑的学生可自行安排作业地点。但在规定的集中检查时间，所有学生必须到场，接受统一检查，给出中间成绩。

(4)为了保证实践教学效果，在最后一次集中检查、给出中间成绩之后再下发FPDSS软件，要求学生将自己独立获得的计算结果与用FPDSS软件计算出的结果做出比较。如果存在差异，必须找到原因，并做出合理的解释和说明。

(5)按学校制定的实验设计报告格式撰写实验报告，完善课程设计报告，至少包括问题描述、参数准备、方法说明、设计结果和总结建议5个部分。下发指导书后两周上交课程设计报告。

五、教学效果分析与评价

1.成绩评定

实践教学环节也需要有与之相适应的考核原则来检验学生的学习质量，否则，难以检验实践性教学是否达到预期的效果。[5]

对课程设计结果的成绩评定分为优、良、中、及格、不及格5个等级。对于每一个等级都给出明确的评价标准。例如,优：自己独立设计数学模型、求解方法或求解程序，按要求的格式撰写课程设计报告，并按时提交课程设计报告；同时利用FPDSS优化求解航线配船问题，比较分析了求解结果可能存在的差异和原因，并写出客观、真实的总结、体会和建议。又如,及格：按要求的格式撰写课程设计报告，并按时提交课程设计报告；利用FPDSS软件求解航线配船问题，结果基本正确。

2.效果分析

显然，学生花30个学时认真做完这样一个具有一定复杂性和难度的课题后，都希望得到指导教师的客观评价，以便知道自己对知识的理解程度和解决问题的能力。而对于教师来说，当学生数量较大时通常在课程设计的成绩评定方面存在一定困难。近些年来，“航运管理”课程每年级的学生数在150～220人之间，一般配置2～3名指导教师，可以想象成绩评定的工作量之大。如果不能及时给学生反馈课程设计中的问题，就会使教学效果大打折扣、事倍功半。检查验证软件FPDSS的开发应用使得每位学生可以自己检查计算结果的正确与否，大大减轻了教师评定成绩的工作量。在此基础上，指导教师可以根据每位同学撰写的课程设计报告、总结与体会和书写的完整性及规范性，对每份课程设计报告的质量迅速做出客观、准确的评价。

从整个课程设计过程观察，学生出现的比较普遍现象是，接到任务书开始感觉有些迷茫、不太适应，但大多数学生对未知的专业问题表现出浓厚的探询兴趣；中期面对大量的不确定性问题有些不知所措、深感困惑、急于试探；后期随着分析结果浮现，渐渐理出头绪，但还不清楚自己获得的结果的正确性；等到用FPDSS软件验证了自己的结果后，就会有思路豁然清晰、大功告成的成就感和喜悦感。这种开放式课程设计在锻炼学生自主学习能力、激发学习探索热情方面的效果非常显著。多数学生反映的收获包括：

(1)加深了对船舶资源优化配置知识的理解，更加清晰地认识到所学数学优化方法在解决专业实际问题中的应用；

(2)通过查阅数据、汇总整理资料，不仅锻炼了查阅、分析、处理实际数据资料的能力，而且接触、了解了与本行业相关的专业性数据库、网站和港航企业、管理机构的基本情况，为以后踏入工作岗位奠定了良好的基础；

(3)在求解过程中同学之间积极展开交流，探讨针对复杂的具体问题如何建立行之有效的数学模型并设计相应的优化求解方法，实践了课堂上、书本上学到的理论知识，提高了分析问题、解决问题的能力；

(4)在课程设计中，大量使用Excel、Matlab、Lingo等软件处理数据、实现算法，掌握了常用软件的运用技能，积累了相关软件的应用经验，提高了运用现代技术手段进行实际操作的能力；

(5)在课程设计的过程中，深刻体会到细心、耐心、专心和统筹思考的重要性，前期工作任何小的疏忽都可能对后期结果有较大的影响。

此外，下发FPDSS软件的时间选在学生完全准备好计算参数并已经初步求出计算结果之后。这一方面给学生验证求解结果是否合理提供了依据，为学生提供一个练习和检验各种专门计算方法的捷径，使其具有自我纠错能力；另一方面也避免学生从开始就有依赖思想，训练学生独立动手解决问题的能力。

六、结语

在大学本科教学中，实践性课程设计内容的复杂程度和难度常常不易把握。若选题深度浅、工作量小，则达不到预定的教学效果；若选题深度大、工作量大，则会造成有些学生知难而退、放弃独立完成的原则，而且教师检查、批改的工作量也很大。特别是采用传统的直接给出比较完备的已知条件、统一解题程序、统一标准答案的确定性课题设计方式，会使学生沿着一个传统的单一固定模式思考问题，并可能存在互相抄袭的现象。开放式课程设计能够激发学生的专业兴趣，产生主动学习和掌握专业知识的愿望，锻炼学生的探索和动手能力；同时将专业课内容与所学基础课内容紧密联系，并将后者作为解决复杂专业问题的有效手段。这种课程设计模式已经实践了四届，每次课程设计后学生都反映良好，认为既掌握了专业知识，又锻炼了解决实际问题的能力；查阅数据、汇总整理资料，不仅锻炼了查阅、分析、处理实际数据资料的能力及从大量信息中提取关键信息的能力，而且接触和了解了港航企业、管理机构的实际情况，对航运市场现状及变化有了相应的了解，引起对行业发展现状的关注。学生做过的这些工作和尝试也为以后踏入工作岗位提供了初步研究经验和基础。

开放式课程设计也对指导教师提出了更高的要求。例如，要求指导教师深刻了解行业发展现状，掌握大量专业信息、要开发出实用的电化辅助教学工具，以利于准确指导、客观评价。同时要求指导教师致力于研究如何改进传统的实践教学模式、如何充分利用新出现的现代技术设施和手段创新教学方法,从而使本科教育改革建立在未来社会发展需要的基础上[6]。

[1] 凌萍萍.行业性高校课程设计研究[J].江苏高教，2012(3)：81-83.

[2] 严丽萍.应用型本科教育课程设计中的两难问题[J].江苏高教，2013(3)：85-87.

[3] 费康.基于研究性学习理念的课程设计[J].教育教学论坛，2013(9)：1-3.

[4] 谢新连.船舶运输管理与经营[M].大连：大连海事大学出版社，2009.

[5] 邓江英，彭水兰.高职应用法律课程实训教学环节考核方法的思考[J].教育与职业，2011(36):159-160.

[6] 戚业国.对本科教育思想、模式、方法的再思考[J].中国高等教育，2009(2)：47-49.

2014-06-19

高等学校博士学科点专项科研基金(20102125110002)；大连海事大学教学改革项目(2011K05)；大连海事大学教学改革重点项目(2012Z05)

谢新连(1956-)，男，教授，博士生导师，主要从事交通运输规划与管理研究。

G642 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1006-8724(2015)01-0028-05