信息化技术在软科学课程中的应用与实践研究

王广彦　胡起伟　李经中

[摘 要]信息化技术在软科学课程中教学内容实证难度大、模型算法求解难度大、学习效果考核难度大。可以采用黑箱方式确定教学重点，用人机结合方式理顺教学流程，用知识模块复用方式强化课程重心，用知识管理平台组织管理模型算法四个角度，设计信息化技术在软科学课程中的应用策略。针对“改进的损伤树分析”教学内容，开展信息化技术在软科学课程中应用的实践研究。

[关键词]信息化；软科学；黑箱；人机结合；知识模块；知识管理

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0046-03

软科学是一门新的综合性的科学，其目的是阐明现代社会各种复杂的问题，并实现决策的科学化，对包括人和社会现象在内的广泛范围的对象进行跨学科的研究工作。[1]而以科学决策和科学管理为主要教学内容的软科学课程，也具有典型的跨学科性。相对于传统的自然科学类别课程，其在教学工作开展过程中不可避免地存在教学内容实证难度大、模型算法求解难度大、学习效果考核难度大等问题，而广泛引入相关信息化技术是破解上述问题的有效途径。

一、在软科学课程中采用信息化技术的必要性分析

软科学概念的产生，有着深刻的历史背景。第二次世界大战结束后，和平的国际环境为各国的发展提供了有利的机会和条件，各主要交战国纷纷改革战时体制，实现了战略转变，推动了科技、经济和社会的发展。随之，全世界进入了创造知识和应用知识的新时期。同时，国际市场日益激烈的竞争更促进了科学技术的发展，科学研究的问题层出不穷，涉及的因素急剧增多，研究对象日趋复杂化。对各种现实问题必须运用多种学科的知识进行综合研究，这样才有可能取得比较好的效果。尤其是那些涉及与决策科学化有关的政策问题更是如此。这类研究不仅涉及自然科学和社会科学本身的理论和方法，而且触及他们的社会功能。因此，难于达到严格定量化的程度，多处于定性研究和半定量化研究的水平[2]，于是人们把这种科学称为软科学。

根据以上分析可以看出，软科学课程主要以科学决策和科学管理作为教学内容。相对于传统的自然科学类课程，其本身不可避免地会存在教学内容实证难度大、模型算法求解难度大、学习效果考核难度大等问题。而随着信息化技术的不断发展和成熟及其在教学工作中的深入应用，上述问题将会迎刃而解。

1.信息化技术是解决软科学课程教学内容实证难度大问题的有效途径。软科学课程重点讲授科学决策和科学管理的相关内容，主要涉及分析流程、方案设计、模型算法等知识点，教学内容的时间维度和空间维度跨度非常大，教学内容难以实证，很多教学内容难以在课堂上完整地展现。由于缺乏教学内容实证化手段，学生对教学内容的理解不深刻，这在一定程度上影响了教学目的的实现。而信息化技术能够有效解决软科学课程教学内容实证难度大的问题。信息化技术主要体现在以计算机技术为核心的软件系统应用方面，各种建模仿真软件的出现为我们在计算机中搭建起了一个虚拟的数字化实验室。在这个虚拟实验室中，学生能够建立起针对各种场景的仿真模型，并分析各决策变量对系统运行效果的影响途径与程度。这解决了软科学课程教学内容实证难度大的问题，使学生能深度融入教学过程中，切实体会到复杂抽象事物的内部工作机理，并进行一定程度的探索分析。

2.信息化技术是解决软科学课程模型算法求解难度大问题的有效途径。当前软科学研究呈现出明显的跨学科特性，为了提高决策和管理研究的精确化和定量化程度，人们开始有意识地采用多种模型算法对软科学问题进行描述并求解。注重定量化手段的应用已成为当前软科学研究的典型特征，各种模型算法也成为软科学课程中的重要教学内容。模型算法理论性强，学习难度大，是软科学课程中的学习难点，但并不是学习重点。模型算法讲授过多会冲淡核心教学内容，讲授不足又会影响学生对于模型算法的理解。因此，如何根据软课程的核心教学需求，恰当地讲授并使用这些模型算法是当前软科学课程教学过程中亟待解决的问题。信息化技术是解决上述问题的有效途径。信息化技术将复杂的数据分析处理过程转化为自动化的程序运行过程，学生只需掌握软件系统的输入条件和输出参数即可，可无视其内部工作机理的存在。这可以将学生从繁琐的模型解算工作中解脱出来，使学生能将更多的精力集中在如何应用理论知识方面，有效解决了模型算法与软科学教学内容之间学习比重协调难度大的问题。

3.信息化技术是解决软科学课程学习效果考核难度大问题的有效途径。软科学课程中的预测和决策理论学习难度大，不但要求学生能够理解相关工作实施流程，还要求学生能够针对具体问题构建相应的分析模型，并进行求解。相对于传统的自然科学课程，这种考核要求实现难度更大，只凭卷面考试无法深入考核学生对于教学内容的掌握程度，而信息化技术能够在一定程度上有效解决上述问题。可以信息化技术为依托，将教学内容转化为相应的程序模块，通过程序运行的方式对学生学习效果进行考核。这就要求学生必须深入骨髓地掌握公式模型中的每个字符、每个序号，来不得半点含糊；同时要求学生采用数据的方式对相关问题做出解答，这避免了试题答案空洞无物、流于表面的现象。可見，这是一种更加彻底、更加全面的考核方式。

二、信息化技术在软科学课程中的应用策略设计

采用信息化技术实施教学活动，应立足于原有教学体系，深入分析信息化技术特点，合理设计信息化技术应用策略，对传统教学体系进行改造。

1.采用“黑箱”方式确定教学重点，突出应用型人才培养导向。学生在课程学习阶段，会接触到各种理论、方法与技术，要想把每一项内容都学精、学透是不现实的，在这种情况下，可采用“黑箱”教学应用策略。对于理论难度大、短期内难以深入掌握的教学内容，可将其封装为黑箱，学生只需要深入了解教学内容的输入条件与输出参数即可，而对于黑箱内部复杂的数据处理过程可“点到为止”。这样学生能够快速掌握相关技术的应用流程。而采用信息化技术是支持黑箱教学应用策略的最佳途径。可根据教学需求将相关信息化技术引入教学工作，利用其自动解算功能将模型求解方法封装为黑箱。这样在信息化技术的支持下，学生在学习过程中可“观其大略”，只需深入掌握其输入条件和输出参数即可，复杂的解算过程交由计算机自动完成，并且在信息化技术支持下，学生能够采用工程化的信息化技术自行解决相关问题，这更加突出了应用型人才培养的导向。[3]

2.采用人机结合的方式理顺教学流程，降低复杂理论知识的学习门槛。采用信息化技术并不意味着降低理论知识学习的要求，相反，为了提高信息化技术的运用水平，学生也需要对相关理论知识有深入地了解。[4]为提高学生的学习效率，本文设计了人机结合的教学应用策略以理顺教学流程，降低复杂理论知识的学习难度。“人”指的是采用手工方式解算相关问题；“机”指的是采用信息化工具解算相关问题。这两种方式相互印证，既降低了复杂理论知识的学习难度，又提高了学生使用信息化工具的水平。人机结合的教学方式提高了相关理论知识学习的系统性，使学生在使用信息化工具时不但知其然，还知其所以然，使信息化工具真正转化为学生知识体系结构中的有机组成部分。

3.采用知识模块复用方式强化课程重心，突出核心知识对课程整体的支持作用。任何一门课程，都有一定的核心方法和技术，这些核心方法和技术穿插在整个课程体系之中，起着基础支撑的作用。在信息化技术深入发展的今天，相关信息化工具已成为支撑软科学课程教学工作开展的重要基础，掌握这些信息化工具的使用方法已成为课程学习的基本要求。在这种背景下，可将相关信息化教学内容提炼成为相应的知识模块，并将使用频度较高的模块确定为教学重点，然后根据教学需求，创造教学场景，多次引用这些教学模块，突出学生核心技能的培养。

4.采用知识管理平台组织管理模型算法，固化并活化教学试验成果。软科学课程重点讲授相关学科领域的预测与决策问题，具有典型的软科学特征，教学试验成果主要体现为信息化的模型与算法。为了提高教学试验成果的管理水平，突破传统的纸质试验报告管理模式，本文设计开发了通用知识管理平台，用于固化和活化教学试验成果。所谓固化，是指学生根据教学要求，将相关试验成果转化为接口形式规范的程序模块，并导入到该平台中，以程序模块形式固定试验成果；所谓活化，是指入库的程序模块具有灵活的可用性，其既可以独立运行，又可以与其他程序模块进行组合，实现更为复杂的数据分析功能，使静态的纸质报告转化为动态的“活”的可用程序。利用该平台不但提升了以模型算法为核心的教学试验科目管理水平，还有利于学生试验成果的积累与使用。相对于传统的纸质试验报告管理方式，这是一种创新。目前，该平台开发了模型管理、算法建模、协同分析、响应分析、模型成熟度分析等功能。

三、信息化技术在软科学课程中应用的实践研究

本文针对装备战场抢修理论与技术课程中的“改进的损伤树分析”教学内容，采用信息化技术开展了教学工作，从实践层面验证了信息化技术对于改进软科学课程教学效果的重要价值。该实践研究立足于课程原有教学需求，合理设置信息化技术切入时机，以便实现良好的教学效果。

（一）课程教学分析

本讲教学内容来自于48学时研究生学位课程装备战场抢修理论与技术。本课程是学习装备战场抢修基本理论、方法和技术的一门课程，围绕装备战场抢修预测和决策问题，讲授战时装备维修保障的基础理论知识，具有典型的软科学特征。

学生在前面的课程中已经学习了传统的损伤树分析方法，但随着研究生培养需求的不断调整，以及装备战场损伤分析技术的不断发展，传统的损伤树分析教学内容面临着扩充与改进的挑战。首先，从研究生培养需求角度来看，我们更需要向学生讲授面向装备使用阶段的教学内容，以便满足学生将来的部队任职需求。但传统的损伤树分析方法侧重于装备研制设计阶段，主要用于分析和评估装备的可靠性与安全性水平，而对装备使用阶段的维修保障工作只有少量支持作用。为满足研究生将来部队的任职需求，迫切需要改进损伤树分析教学内容。其次，从装备战场损伤分析技术发展角度来看，相关技术的发展为改进损伤树分析教学内容提供了丰富的素材。结合本讲教学需求，我们将贝叶斯网络技术引入到损伤树分析中，并将信息化工具Hugin（贝叶斯网络建模软件）引入到教学环节，这有效扩充了損伤树分析的教学内容。采用贝叶斯网络技术，可定量衡量各部件的损伤概率，有助于提高损伤定位分析活动的精度和自动化程度。该教学内容面向装备使用阶段，符合研究生的部队任职培训需求。

（二）教学基本过程

根据本文第2节提出的信息化技术应用策略，本次课设计了由问题剖析、技术破解、目标达成三个环节构成的教学过程。

首先进行问题剖析。在上次课损伤树学习的基础上，分析其主要功能，包括全面分析导致系统损伤的各种原因、全面描述元部件损伤与系统损伤之间的逻辑关系、定量计算复杂系统的损伤概率，同时点出损伤定位分析也是损伤树的功能之一，但不是关键功能。然后点出损伤树存在的“教学危机”，即侧重于装备研制设计阶段，对学生将来的部队任职支持作用有限，从而进一步点明本次课的重点“改进的损伤树分析”，从损伤定位分析角度入手，对传统的损伤树分析方法进行改进。这种改进是一种创新，而研究生将来的学位论文撰写工作也强调创新。借此教学契机，可以向学员提示研究工作创新的两条主要途径，即需求推动（研究生培养需求调整）和技术拉动（战场损伤技术发展），为研究生的学位论文撰写工作提供指导。

然后进行技术破解，向学生讲授支持损伤定位分析活动开展的贝叶斯网络技术。这是本次课的难点，但不是重点。因此，如何向学生深入浅出地讲明贝叶斯网络技术要点，是确保授课任务完成的关键。首先，可以引入一个有趣的问题。有3个门，主持人将奖金藏在其中某1个门的后面，然后让观众随意选择1扇门，若选中，奖金归观众所有。假设观众选择了1号门，然后主持人打开另外2扇门中没有奖金的那扇门，假设打开2号门，问此时观众是否有必要改变选择。学生通常会认为没有必要，因为奖金藏在1号门和3号门后面，概率各为1/2。实际上，考虑到主持人因素后，改变选择的获奖概率将为上升为2/3，应当改变选择。而后通过Hugin软件分析这一问题，证实获奖概率的确为2/3。通过这种直觉推测和理论分析的差异激起学生学习贝叶斯网络的热情，在此基础上趁热打铁，向学生讲授贝叶斯网络的基础知识。贝叶斯网络理论体系庞大，在讲授中不可能面面俱到，这里只讲授最为关键的链路定理。尽管讲授内容不多，但能确保教学内容的封闭性，即根据这些教学内容，能够实现网络建模、网络解算、网络应用一个较为完整的贝叶斯网络使用流程，麻雀虽小，五脏俱全。而Hugin软件正是构建这一麻雀的关键，因为它有效降低了网络解算难度。当然只依靠Hugin软件进行计算，学生还会产生“雾里看花，水中望月”的模糊感觉，依然不解渴，此时趁势而上向学生讲授两种解算方法，分别是理论分析和数值计算，以增强学生的学习满足感。

通过技术破解环节，以Hugin软件为支撑，学生初步掌握了贝叶斯网络应用的基本流程，最后进入目标达成阶段，即利用贝叶斯网络如何进行损伤定位分析。首先对损伤树与贝叶斯网络从结构上进行对比，说明二者都是知识的图形方式描述方式。然后从二者的相同和不同角度入手展开教学工作。先分析相同点，这是本次课的重点内容。损伤树中的事件对应于贝叶斯网络中的结点，损伤树中的逻辑门对应于贝叶斯网络中的联接强度，并向学生讲授二者之间的转换方法。利用这些知识，学生能够将损伤树转化为贝叶斯网络，并开展损伤定位分析，从而实现本次课的主要教学目的。接下来分析不同点。损伤树中的事件只能描述二态性：要么正常，要么损伤，而贝叶斯网络的结点可描述多态性：正常、轻损、重损等。损伤树中的逻辑门只能描述确定性，肯定损伤或者肯定正常，而贝叶斯网络的联接强度能够描述模糊性，即可能损伤、可能正常，从而证明损伤树是贝叶斯网络的一种特例。通过差异性对比进一步加深学生对于贝叶斯网络特点的理解。

四、结束语

信息化技术已广泛应用于软科学研究领域，如何将信息化技术有效移植于软科学课程教学工作，是每一名教师应当深入思考的问题。采用信息化技术开展教学工作，并不会从根本上改变原有教学目的。因此，应当合理设计教学应用策略，使信息化要素合理融入整个教学体系之中，避免“有了信息化技术就可以抛弃传统教学模式”的错误认识，正确认识信息化技术在课程教学中的地位和作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王建国，李海波，丁其涛，等.中国软科学研究机构评估指标体系构建探讨[J].科技管理研究，2013（9）：71-75.

[2] 杨爱华.软科学研究方法存在的问题与创新路径[J].科技管理研究，2013（7）：243-246.

[3] 俞君宝，呼梦洁.高职院校信息化教学研究[J].职业教育，2015（12）：84-85.

[4] 许志勇.信息化教学对提高教学有效性的分析与思考[J].2015（18）：27-28.

[责任编辑：陈 明]