學生解決工程問題能力培養(yǎng)方式探究

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摘要：為了提高網(wǎng)絡工程專業(yè)學生對于復雜工程問題的解決能力，本文提出了將爬蟲技術融合進企業(yè)場景的復雜工程問題的實訓方案。實踐的效果顯示，學生在基于企業(yè)場景的復雜工程問題解決過程中，培養(yǎng)了分析、檢索、解決、總結和合作的綜合能力。

關鍵詞：復雜工程問題；爬蟲；網(wǎng)絡工程

1引言

近年來，為了提高高等學校畢業(yè)生的職業(yè)能力，國家大力推進工程認證工作。工程認證著重于能力的培養(yǎng)，其教學目的是使得畢業(yè)生達到一定的能力要求。這種以學生為中心的教育理念，教學內(nèi)容的設計務必要聚焦學生能力的培養(yǎng)。網(wǎng)絡爬蟲是基于一定的規(guī)則，包括正則、xpath、字符串函數(shù)等方式，從互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)頁中抽取信息，包括文字、數(shù)據(jù)、圖片、視頻、音頻等。目前網(wǎng)絡爬蟲多數(shù)是用python語言實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡工程專業(yè)的學生，爬蟲項目完成的過程涉及python語言的所有基礎知識點，進一步應用則涵蓋諸多復雜工程問題領域。本文總結了在python程序設計課程中，通過爬蟲項目與后續(xù)網(wǎng)絡工程專業(yè)課程結合，依據(jù)企業(yè)場景設計相關的復雜工程問題。在復雜工程問題的逐步解決過程中，學生的分析、檢索、解決、總結及合作的能力得到了提高[1]。

2問題的重要性和必要性

2.1重要性

網(wǎng)絡工程專業(yè)畢業(yè)生需要面對網(wǎng)絡實施建設、運維巡檢過程中復雜多變的情況。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，虛擬化、云計算、SDN、信息安全等相關技術的大量出現(xiàn)，面對的工程問題越來越復雜，表現(xiàn)在技術和需求、成本和代價多個指標上的衡量，需要畢業(yè)生能快速梳理出解決的思路，找到最合適實施的方案。面對復雜問題，能夠快速判斷和決策是一種能力。復雜工程問題解決能力提供的就是這種能力。復雜工程問題解決能力大綱中對于系統(tǒng)思維角度有這樣的描述：（1）識別系統(tǒng)整體相關的全部因素。（2）識別整體系統(tǒng)中的驅(qū)動/關鍵因素或主要矛盾。（3）解釋為解決關鍵問題所進行的資源分配。（4）發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的緊張關系并應用妥協(xié)折中的方法尋找解決問題的途徑。以上描述指出了培養(yǎng)這種評估決策能力的大概方向，因此復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)極為重要。

2.2必要性

網(wǎng)絡工程中的復雜工程問題除了技術理論與實現(xiàn)的復雜性，還需要考慮企業(yè)實現(xiàn)中的需求、成本、實時性、健壯性、可擴展性等各種實際問題，務求最終的項目方案能夠滿足企業(yè)需求，性價比高，可擴展性和健壯性、實時性較好，保證系統(tǒng)可靠性和容錯性。因此在復雜工程問題解決上，也要教給學生使用上述工程評估準則。基于上述理念，工程教育認證強調(diào)課程教學和實踐內(nèi)容必須包含相應領域的工程原理。課程教授要達到一定的專業(yè)深度。這就意味著，教學內(nèi)容要包含基本的理論和知識點，還需要將工程實踐中的思想和方法融入教學實踐中，尤其是企業(yè)所需與實踐結合的可行性、高效率等思想和方法[2]。要培養(yǎng)學生以最小代價最好地完成企業(yè)工程設計目標。因此，教學不是只注重學生知識的培養(yǎng)，而是有必要培養(yǎng)學生對復雜工程問題的解決能力[3]。

3復雜工程問題場景

Python課程分為八個基本知識模塊，包括環(huán)境安裝、運算符、表達式與內(nèi)置對象、Python序列結構、程序控制結構、函數(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O計、字符串、文件與文件夾操作。根據(jù)網(wǎng)絡工程專業(yè)學生就業(yè)的SDN、網(wǎng)絡自動化運維、WEB開發(fā)、智能網(wǎng)絡等方向，基于python基礎知識，設計基于企業(yè)應用的復雜工程項目。在解決項目中復雜工程問題的完成過程中，培養(yǎng)學生的知識、能力、素養(yǎng)，實現(xiàn)工程能力的提升。在SDN、網(wǎng)絡自動化運維、WEB開發(fā)、智能網(wǎng)絡等方向，使用python語言的各種擴展包可完成以下應用場景：（1）爬蟲通過re、bs4、lxml、scrapy等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；（2）數(shù)據(jù)分析與智能網(wǎng)絡使用numpy、pandas、matplotlib、keras等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡負載均衡、擁塞的智能預測；（3）網(wǎng)絡流量分析使用pyshark、scapy等技術實現(xiàn)網(wǎng)絡流量的分析和異常流量的識別；（4）自動化運維使用ansible、paramiko等技術實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動化運維管理；（5）SDN使用pox、Ryu等技術開發(fā)應用層功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)管理；（6）pythonweb開發(fā)使用django、flask等技術實現(xiàn)web系統(tǒng)開發(fā)。上述應用中的若干場景的交叉融合，都可以設計為復雜工程問題。在這些場景教學過程中，指導學生利用較小代價提煉問題的本質(zhì)，并找到適合的解決辦法。在問題的解決過程中，資料查閱能力、問題解決的評價機制的判斷能力、團隊的協(xié)調(diào)溝通能力、自我表達能力、書面撰寫能力也能得到有效鍛煉。

4爬蟲在能力培養(yǎng)中的作用

學生在基于爬蟲的python程序設計課程項目實施中，最常見三個應用場景為：（1）應用爬取的數(shù)據(jù)開發(fā)一個web系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的各種增刪改查功能，通過爬蟲定時器自動更新數(shù)據(jù)，同時完成web后臺和前端app多種應用；（2）將爬取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析的各種機器學習或者深度學習模型，進行分類、聚類、回歸等綜合分析，并通過圖表進行展示；（3）將爬取的網(wǎng)絡流量信息，進行網(wǎng)絡負載、網(wǎng)絡漏洞等功能分析，并使用flask等web框架進行展示。通過將爬蟲與其他不同應用場景復雜工程問題相融合，在問題解決過程中可以培養(yǎng)學生以下幾個方面的綜合能力：（1）發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力，將復雜工程問題的場景進行總結并概述；（2）獲取信息和搜集資料的能力，根據(jù)總結和提出的問題通過教材或互聯(lián)網(wǎng)搜集相關解決方案；（3）對研究對象及其相關資料和信息進行分析與思考的能力，即對搜集到的資料進行分析并通過思考提出自己的見解，包括比較各種方法的優(yōu)缺點、可行性、成本與效率等；（4）提出新思想、新方法和新結果的能力。通過不同方法的比較，結合工程實際，對多種方法融合提出新的適合工程的解決方案；（5）對研究成果進行轉(zhuǎn)化的能力。這一步就是實施，按照選擇的方案解決工程的技術問題。這是重點也是難點，很多學生選擇了適合的方法后，在實施時遇到問題難以解決，需要教師予以指導；（6）對科研活動的過程與結果進行表達的能力。這是對工程各個步驟的總結與提升，也是企業(yè)中必需的能力之一[4]。使用爬蟲與企業(yè)應用場景相融合，學生解決復雜問題的能力得到提升。比較優(yōu)秀的學生案例包括Reader小說閱讀器、動漫電影查詢系統(tǒng)、“后疫情時代”輿情演變分析、輔助人臉識別機器學習的圖片爬蟲等。以動漫電影查詢系統(tǒng)的完成來分析學生能力提升過程。這是爬取動漫電影并開發(fā)web端系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)中按名字、評分進行查詢。學生經(jīng)過分析，認為可以完成一個動漫爬取網(wǎng)站，做成web端系統(tǒng)。第一步發(fā)現(xiàn)問題，包括：數(shù)據(jù)庫的選擇、選擇Web開發(fā)框架、如何爬取、如何定時自動獲取新的動漫信息等問題。第二步搜集資料，使用baidu、github、知網(wǎng)搜集各種資料。第三步對資料進行分析，比較不同的數(shù)據(jù)庫mysql、sqllite、sqlserver，不同的開發(fā)框架flask、django，不同的動漫網(wǎng)站的爬取難度以及定時器的不同使用方案。第四步最終選取sqllite這個輕量級數(shù)據(jù)庫；考慮到開發(fā)難度和任務時間，選擇flask的pythonweb開發(fā)框架；由于內(nèi)容比較豐富且爬取難度低，選擇使用網(wǎng)站進行動漫爬取；選擇多線程定時器定期調(diào)用爬取新動漫并存儲。第五步實施過程。小組分工負責爬蟲、定時器、web開發(fā)、數(shù)據(jù)庫設計、ppt制作及答辯等任務，合作完成任務。第六步最終合作完成任務報告，包括任務概述及各部分開發(fā)說明文檔。通過上述分析，可以明確看出，通過爬蟲與web開發(fā)結合的方式，學生解決了一個復雜工程問題，鍛煉了查詢、分析、解決、合作、總結的能力。2018年至今，在山東科技大學網(wǎng)絡工程專業(yè)4屆共500多名學生中進行爬蟲與企業(yè)場景融合的實訓方案。與之前未進行該方式的學生相比，采用了爬蟲融合企業(yè)場景的實訓方案的學生在科創(chuàng)比賽、就業(yè)創(chuàng)業(yè)中取得的成績優(yōu)于未實施該方案的學生，具體數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出采用了爬蟲融合企業(yè)場景的實訓方案后，學生的解決復雜問題的能力有所提升，從而帶動了學生的科創(chuàng)獲獎數(shù)量和就業(yè)率的提升，因此這種方法是有效的。

5結束語

本文以python爬蟲融合多種應用場景培養(yǎng)學生復雜工程問題解決能力的研究，通過實踐使學生認識到理論知識與生產(chǎn)實踐的密切關系，從而提高應用基本觀點和方法分析和解決實際問題的能力。學生面向爬蟲融合企業(yè)場景的課題，面對能夠反映工作和生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種實際情況時，通過發(fā)現(xiàn)并提出問題、搜集資料、分析資料、提出新方法、實施、總結等環(huán)節(jié)，最終解決問題完成工程[5]。通過復雜工程問題的解決，學生在團隊合作、分析、技術實施、總結等多方面的綜合能力得到提升。通過實踐證明，通過python爬蟲融合多種應用場景進行復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)思路是切實可行并且有效的。

作者:孫琳 徐文正 武瑩瑩 單位:山東科技大學智能裝備學院