基于过程域能力模型和课程基线的专业综合设计教学改革

［摘 要］ 借鉴CMM理念，建立专业综合设计的核心过程域能力模型和课程基线，改进教学过程。过程域能力模型是设计开发过程改进的最佳实践集，包括团队管理、项目论证与计划、项目监督与控制、需求开发、技术解决方案、决策分析与解决、验证、原因分析与解决、评审九个过程域，能力等级体现了对设计准则、质量特性、评审等的能力要求，课程基线使课程技术状态文件规范化和过程可视化，过程域能力模型和课程基线使课程的量化评价及成绩认定有理有据。通过几个学期的实践，过程域能力模型和课程基线不断改进，学生的工程实践能力不断提高。

［关键词］ 能力成熟度模型；过程域能力模型；课程基线；技术状态文件

［基金项目］ 2020年度湘潭大学第十一批校级教学改革研究项目“以‘西门子杯’挑战赛驱动PLC课程教学改革和评价”

［作者简介］ 刘魏宏（1970—），男，湖南湘潭人，工学硕士，湘潭大学自动化与电子信息学院讲师，主要从事高等工程教育教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）03-0077-04 ［收稿日期］ 2024-03-14

2024年1月19日，中共中央、国务院《关于表彰国家卓越工程师和国家卓越工程师团队的决定》指出，工程师是推动工程科技发展的创新主体，是国家战略人才力量的重要组成部分，为推进新型工业化、推进中国式现代化提供了基础性、战略性人才支撑。培养造就大批德才兼备的卓越工程师，是国家和民族长远发展大计［1］。高校是培养高层次人才的重要阵地，需要引领新时代科技进步的新工科，新工科需要回归工程教育，工程教育需要回归工程实践。“西门子杯”中国智能制造挑战赛是在教育部与西门子公司战略合作框架下的一项国家级A类赛事，是目前国内智能制造领域规模最大的一项比赛，挑战赛倡导的理念是“在竞赛中练就成为未来的新工程师”，新工程师必须具备技术能力、管理能力、商业能力和人文能力四个方面的综合能力，与基于产出的教育部工程教育认证的工程教育理念高度契合［2-3］。CMM是美国卡内基梅隆大学软件工程研究所发布的软件能力成熟度模型，是系统工程和软件工程能力成熟度模型的最佳实践，广泛应用于教学过程改进中。文献［4］构建了反映团队整体综合能力指标体系和基于CMM的教学团队能力成熟度等级模型TT-CMM，并基于二者建立了教学团队能力评估体系和评估方法。本文介绍湘潭大学自动化专业在专业综合设计中，借鉴CMM理念，建立课程过程域能力模型和课程基线、改进教学过程的探索。

一、“专业综合设计”课程目标

自动化“专业综合设计”是一门综合性实践课程，涉及系统硬件设计及软件程序开发，是系统设计能力的训练课程，旨在提高学生解决复杂工程问题的实践能力。制定了基于能力产出的教学大纲，其中课程目标如下：（1）培养学生综合运用所学的专业知识，查阅文献资料，深入分析工程原理；围绕复杂工程问题能够考虑各种社会因素，提出系统解决方案。（2）能够进行系统设计、分析、测试，并且有自己独立的见解。（3）培养学生在图样设计和实验装置的制作过程中树立职业道德和职业规范的意识。（4）培养学生在课程设计团队中能够完成个人的任务并协助团队成员。（5）培养学生在课程设计团队中总体设计和协调成员分工与合作。（6）培养学生在多学科组成的设计团队中沟通交流的能力，能够协调配合完成设计任务。（7）能够针对复杂工程问题的制约因素，理解相关工程活动中涉及的经济与管理因素。（8）能够在多学科背景下，对工程管理原理与经济决策方法进行合理应用。

二、建立过程域能力模型和课程基线的必要性分析

“专业综合设计”课程以往的教学过程主要有以下四方面不足：（1）系统性。设计开发过程缺乏监督、控制和评审。（2）工程性。缺乏从设计准则和质量特性上进行需求挖掘与开发。（3）规范性。课设报告内容简单，技术文件不规范。（4）考核评价机制。成绩评定的依据只有课设报告，缺乏过程考核和评价量规。能力成熟度模型是为开发更好的产品与服务而改进过程的最佳实践，覆盖了项目管理、过程管理、系统工程、硬件工程、软件工程与其他用于开发和维护的支持过程。课程基线是课程的技术状态基线，是在课程周期内的某一特定时刻，被正式确认并作为后续活动基础，以及技术状态改变判定基准的课程技术状态文件。因此，践行工程教育回归工程实践的思想，借鉴CMM基本理念，根据实验室环境和课程特点，制定过程域能力模型和课程基线，规范教学过程和技术文件，提高学生的工程系统设计能力，是很有必要的。

三、过程域能力模型

本文以学生的实践过程为关注点，建立九个核心过程域能力模型，过程域之间存在前后、穿插、交互和迭代。每个过程域中的子过程实践活动编号由过程域英文缩写、能力等级、小数点和序号组成。根据过程域子实践活动的复杂程度，能力等级用1～4进行编号，表示能力等级的逐级提高，序号表示在此过程域中的顺序号，例如RD3.6表示需求过程域中能力等级为3级，第6个子过程实践活动。能力等级1级，描述完成课程目标必需的基本过程；能力等级2～4级，描述完成课程目标必需的准则、规范、质量特性和评价等逐步深入以及能力要求逐步提高的过程。

（一）团队管理（team management， TM）

团队的有效管理，有助于项目完成和成绩评定。

TM1.1：组建团队。

TM1.2：明确团队职权与职责。

TM2.3：建立沟通和考核的方法。

TM3.4：明确团队负责人的选择规则。

（二）项目论证和计划（project demonstration and plan， PDP）

对课题项目的必要性和可行性，总体功能和性能指标等进行论证。

PDP1.1：在项目工程背景和发展趋势的基础上，进行必要性分析。

PDP1.2：分析项目的主要任务。

PDP1.3：分析系统的使用要求和技术指标。

PDP1.4：分析系统组成部分的信息交互关系。

PDP2.5：分析技术难点，开展可行性分析。

PDP2.6：提出技术路径和实验要求。

PDP3.7：制定项目策划参数。

PDP1.8：制定项目开展的计划进度安排。

（三）项目监督与控制（project monitoring and control， PMC）

对项目进展进行监督、沟通和控制，在项目绩效显著偏离计划时采取适当的纠正措施。

PMC2.1：跟踪项目策划参数执行情况。

PMC3.2：项目进展偏离时，采取纠正措施。

（四）需求开发（requirement development， RD）

需求开发的目的在于挖掘、分析并建立客户需求和技术解决方案需求以及验证需求。

RD1.1：分析项目相关方的需要、期望、约束、接口等，并将其转化为顾客需求。

RD1.2：与需求提供者就需求理解达成共识。

RD1.3：建立运行方案及场景，借助运行场景帮助相关方理解、确认相关需求。

RD1.4：开发项目的功能、性能、接口需求。

RD2.5：开发项目的设计约束需求，包括实验平台需求、开发工具要求等。

RD3.6：开发项目的质量特性需求，包括安全性、可靠性、可维修性、可维护性等。

RD4.7：分析需求的必要性和充分性，文档化需求开发，和相关方一起评审、确认需求。

RD4.8：管理需求变更，包括评估变更的必要性和可行性、评审变更和记录变更。

（五）技术解决方案（technical solution， TS）

技术解决方案的目的在于选择、设计并实现对需求的解决方案。

TS1.1：确定设计方法和工具，包括结构化设计、面向对象设计等。

TS1.2：确定设计方案和体系结构，包括结构关系、接口规则等。

TS1.3：进行概要设计，包括接口设计、算法设计、运行设计等。

TS1.4：详细设计，包括完善和确定最终架构、完成部件/单元和接口设计等。

TS2.5：依据准则进行系统设计，包括系统架构设计、时序设计、接口设计等。

TS3.6：技术审查证实设计符合需求并遵循设计准则，包括设计展示、演练等。

TS4.7：依据质量特性要求进行可配置设计、可维护设计、可测试性设计、安全设计、可靠性设计等。

TS1.8：文档化设计，包括系统/子系统说明、接口设计说明、软件设计说明等。

（六）决策分析与解决（decision analysis and resolution， DAR）

遵循准则和方法对备选方案进行客观评价，确保选择最佳解决方案。

DAR1.1：识别需要决策过程的重大事项。

DAR2.2：建立评价备选方案的准则。

DAR1.3：制定解决重大事项的备选方案。

DAR3.4：根据准则选择评价方法。

DAR3.5：评价并选择解决方案。

（七）验证（verification， VER）

验证的目的在于确保设计开发解决方案满足其规定的需求。

VER1.1：明确验证的对象，包括需求、设计、代码、软件、接口等。

VER1.2：明确验证的范围，并且描述条目化。

VER1.3：明确验证的方法，如仿真、测试、联调、联试、演示等。

VER1.4：文档化验证规程，包括输入、期望输出和实施步骤等。

VER3.5：验证规程评审。

VER1.6：执行验证，并记录验证的操作过程、数据、结论等，便于进行分析、审查、追溯和复现。

VER2.7：分析验证结果，标识存在的缺陷，追踪缺陷的处理结果。

VER2.8：分析验证是否充分，若存在遗漏，提出补充验证与确认的措施。

VER2.9：迭代开展回归验证，直到缺陷都得到处理。

VER3.10：分析和评价验证工作，对验证各过程中的异常进行分析总结。

VER4.11：检查可靠性、安全性、可维护性等特性需求或设计是否被识别。

VER4.12：基于可靠性、安全性、可维护性等特性需求，采用适宜的方法开展验证。

（八）原因分析与解决（cause analysis and resolution， CAR）

识别问题的原因并采取行动，防止问题再次发生，确保得到积极的结果。

CAR1.1：选择并分析问题，确定原因。

CAR2.2：针对问题原因，提出解决方案。

CAR3.3：确定并实施解决方案。

CAR4.4：评价实施效果并提出改进意见。

（九）评审（review， REV）

课程组教师一起评审基线技术文件，识别并解决问题，确认满足要求。

REV1.1：建立评审规程和准则。

REV1.2：准备评审材料。

REV1.3：实施评审，形成评审结论。

REV2.4：分析评审数据，评价评审的有效性。

四、课程基线及成绩评定

过程域能力模型是课程的最佳实践集，实践活动的工作成果经评审成为课程技术状态文件，确定了课程基线，课程基线技术状态文件是成绩评定的主要依据。