學(xué)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(luò)工程專業(yè)學(xué)生對于復(fù)雜工程問題的解決能力，本文提出了將爬蟲技術(shù)融合進(jìn)企業(yè)場景的復(fù)雜工程問題的實訓(xùn)方案。實踐的效果顯示，學(xué)生在基于企業(yè)場景的復(fù)雜工程問題解決過程中，培養(yǎng)了分析、檢索、解決、總結(jié)和合作的綜合能力。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；爬蟲；網(wǎng)絡(luò)工程

1引言

近年來，為了提高高等學(xué)校畢業(yè)生的職業(yè)能力，國家大力推進(jìn)工程認(rèn)證工作。工程認(rèn)證著重于能力的培養(yǎng)，其教學(xué)目的是使得畢業(yè)生達(dá)到一定的能力要求。這種以學(xué)生為中心的教育理念，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計務(wù)必要聚焦學(xué)生能力的培養(yǎng)。網(wǎng)絡(luò)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(luò)爬蟲多數(shù)是用python語言實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生，爬蟲項目完成的過程涉及python語言的所有基礎(chǔ)知識點，進(jìn)一步應(yīng)用則涵蓋諸多復(fù)雜工程問題領(lǐng)域。本文總結(jié)了在python程序設(shè)計課程中，通過爬蟲項目與后續(xù)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)課程結(jié)合，依據(jù)企業(yè)場景設(shè)計相關(guān)的復(fù)雜工程問題。在復(fù)雜工程問題的逐步解決過程中，學(xué)生的分析、檢索、解決、總結(jié)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(luò)工程專業(yè)畢業(yè)生需要面對網(wǎng)絡(luò)實施建設(shè)、運維巡檢過程中復(fù)雜多變的情況。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬化、云計算、SDN、信息安全等相關(guān)技術(shù)的大量出現(xiàn)，面對的工程問題越來越復(fù)雜，表現(xiàn)在技術(shù)和需求、成本和代價多個指標(biāo)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(fù)雜問題，能夠快速判斷和決策是一種能力。復(fù)雜工程問題解決能力提供的就是這種能力。復(fù)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(guān)的全部因素。（2）識別整體系統(tǒng)中的驅(qū)動/關(guān)鍵因素或主要矛盾。（3）解釋為解決關(guān)鍵問題所進(jìn)行的資源分配。（4）發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的緊張關(guān)系并應(yīng)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(fù)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(luò)工程中的復(fù)雜工程問題除了技術(shù)理論與實現(xiàn)的復(fù)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(kuò)展性等各種實際問題，務(wù)求最終的項目方案能夠滿足企業(yè)需求，性價比高，可擴(kuò)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(fù)雜工程問題解決上，也要教給學(xué)生使用上述工程評估準(zhǔn)則。基于上述理念，工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)課程教學(xué)和實踐內(nèi)容必須包含相應(yīng)領(lǐng)域的工程原理。課程教授要達(dá)到一定的專業(yè)深度。這就意味著，教學(xué)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(xué)實踐中，尤其是企業(yè)所需與實踐結(jié)合的可行性、高效率等思想和方法[2]。要培養(yǎng)學(xué)生以最小代價最好地完成企業(yè)工程設(shè)計目標(biāo)。因此，教學(xué)不是只注重學(xué)生知識的培養(yǎng)，而是有必要培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜工程問題的解決能力[3]。

3復(fù)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(dá)式與內(nèi)置對象、Python序列結(jié)構(gòu)、程序控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、字符串、文件與文件夾操作。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生就業(yè)的SDN、網(wǎng)絡(luò)自動化運維、WEB開發(fā)、智能網(wǎng)絡(luò)等方向，基于python基礎(chǔ)知識，設(shè)計基于企業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜工程項目。在解決項目中復(fù)雜工程問題的完成過程中，培養(yǎng)學(xué)生的知識、能力、素養(yǎng)，實現(xiàn)工程能力的提升。在SDN、網(wǎng)絡(luò)自動化運維、WEB開發(fā)、智能網(wǎng)絡(luò)等方向，使用python語言的各種擴(kuò)展包可完成以下應(yīng)用場景：（1）爬蟲通過re、bs4、lxml、scrapy等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；（2）數(shù)據(jù)分析與智能網(wǎng)絡(luò)使用numpy、pandas、matplotlib、keras等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、擁塞的智能預(yù)測；（3）網(wǎng)絡(luò)流量分析使用pyshark、scapy等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化運維管理；（5）SDN使用pox、Ryu等技術(shù)開發(fā)應(yīng)用層功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管理；（6）pythonweb開發(fā)使用django、flask等技術(shù)實現(xiàn)web系統(tǒng)開發(fā)。上述應(yīng)用中的若干場景的交叉融合，都可以設(shè)計為復(fù)雜工程問題。在這些場景教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)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(jī)制的判斷能力、團(tuán)隊的協(xié)調(diào)溝通能力、自我表達(dá)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(xué)生在基于爬蟲的python程序設(shè)計課程項目實施中，最常見三個應(yīng)用場景為：（1）應(yīng)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(yīng)用；（2）將爬取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析的各種機(jī)器學(xué)習(xí)或者深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行分類、聚類、回歸等綜合分析，并通過圖表進(jìn)行展示；（3）將爬取的網(wǎng)絡(luò)流量信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)漏洞等功能分析，并使用flask等web框架進(jìn)行展示。通過將爬蟲與其他不同應(yīng)用場景復(fù)雜工程問題相融合，在問題解決過程中可以培養(yǎng)學(xué)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(fù)雜工程問題的場景進(jìn)行總結(jié)并概述；（2）獲取信息和搜集資料的能力，根據(jù)總結(jié)和提出的問題通過教材或互聯(lián)網(wǎng)搜集相關(guān)解決方案；（3）對研究對象及其相關(guān)資料和信息進(jìn)行分析與思考的能力，即對搜集到的資料進(jìn)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(jié)果的能力。通過不同方法的比較，結(jié)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(jìn)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(shù)問題。這是重點也是難點，很多學(xué)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(dǎo)；（6）對科研活動的過程與結(jié)果進(jìn)行表達(dá)的能力。這是對工程各個步驟的總結(jié)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(yīng)用場景相融合，學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力得到提升。比較優(yōu)秀的學(xué)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(jī)器學(xué)習(xí)的圖片爬蟲等。以動漫電影查詢系統(tǒng)的完成來分析學(xué)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(jìn)行查詢。學(xué)生經(jīng)過分析，認(rèn)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(jìn)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(wù)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(jìn)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(fù)責(zé)爬蟲、定時器、web開發(fā)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、ppt制作及答辯等任務(wù)，合作完成任務(wù)。第六步最終合作完成任務(wù)報告，包括任務(wù)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(jié)合的方式，學(xué)生解決了一個復(fù)雜工程問題，鍛煉了查詢、分析、解決、合作、總結(jié)的能力。2018年至今，在山東科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)4屆共500多名學(xué)生中進(jìn)行爬蟲與企業(yè)場景融合的實訓(xùn)方案。與之前未進(jìn)行該方式的學(xué)生相比，采用了爬蟲融合企業(yè)場景的實訓(xùn)方案的學(xué)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(xué)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(xùn)方案后，學(xué)生的解決復(fù)雜問題的能力有所提升，從而帶動了學(xué)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(jié)束語

本文以python爬蟲融合多種應(yīng)用場景培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的研究，通過實踐使學(xué)生認(rèn)識到理論知識與生產(chǎn)實踐的密切關(guān)系，從而提高應(yīng)用基本觀點和方法分析和解決實際問題的能力。學(xué)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(jié)等環(huán)節(jié)，最終解決問題完成工程[5]。通過復(fù)雜工程問題的解決，學(xué)生在團(tuán)隊合作、分析、技術(shù)實施、總結(jié)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(yīng)用場景進(jìn)行復(fù)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(xué)智能裝備學(xué)院