面向“解決復雜工程問題”的教學改革與實踐

姜香菊， 劉二林

(蘭州交通大學 a.自動化與電氣工程學院；b.機電工程學院，蘭州 730070)

引言

“華盛頓協(xié)議”(Washington Accord，簡稱 WA)是國際工程師互認體系中最具權威性，國際化程度較高，體系較為完整，針對國際上本科工程學位(一般為四年)的資格互認體系。WA以培養(yǎng)專業(yè)工程師為主要目標。要求所培養(yǎng)的專業(yè)工程師能夠應對復雜性、全局性的問題，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運用基礎知識和基本理論，在綜合考慮多因素的場景下通過分析、研究、評估、設計、實施等活動帶領多學科背景團隊高效完成工程目標。因此，“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題”的能力是WA的核心。

工程認證的目的是看高校教學工作是否符合WA的運行要求，是否有良好的制度、措施來保證“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”，而且這些制度措施能不斷完善、持續(xù)改進。所以，制定符合WA要求的、符合學校定位和專業(yè)特色的培養(yǎng)目標；通過科學的、能客觀評價的、可以持續(xù)改進的方法進行教學工作管理；并通過圍繞教學目標的、能具體培訓學生“解決復雜工程問題”的教學內(nèi)容開展教學工作，才是WA的實質(zhì)。工作流程框圖見圖1[1]。 “課程”或者說“教學過程”是真正落實培養(yǎng)目標的具體抓手，是真正面對學生的、提高其能力的措施和手段。因此，如何在教學中體現(xiàn)“復雜工程問題”，從而培養(yǎng)學生“解決復雜工程問題的能力”是每一位老師不得不思考的問題。

1 檢測技術課程教學中的不足

自開展工程認證以來，蘭州交通大學自動化學院積極準備認證工作，提煉培養(yǎng)目標，調(diào)整課程體系。同時全體教師也認真學習WA對于本科教育的具體要求，積極開展教學改革，去適應新形勢下的教學工作。通過自動化教指委安排的工程教育專業(yè)認證學習，對檢測技術課程問題進行梳理，認識到檢測技術課程教學過程中還有很多不足。歸納起來，針對“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”方面的不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 OBE教育模式下的育人環(huán)節(jié)關系框圖

(1)教師對“復雜工程問題”理解不到位

按照2015版的《工程教育認證標準》(2017年11月修訂)對“復雜工程問題”的定義?！皬碗s工程問題”必須同時具備下述特征②-⑦的部分或全部：① 必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決；②涉及多方面的技術、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突；③ 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性；④ 不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤ 問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中；⑥ 問題相關各方利益不完全一致；⑦ 具有較高的綜合性，包含多個相互關聯(lián)的子問題[2]?！皬碗s工程問題”不同于“復雜技術問題”，教師對復雜工程問題理解存在偏差，所以在教學中無法體現(xiàn)“復雜工程問題”，更不能培養(yǎng)學生解決“復雜工程問題”的能力[3]。

(2)教師工程能力不足

要想培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力，教師至少要滿足兩個條件。①教師有提出基于課程本身的“復雜工程問題”的能力，且提出的問題來源于工程實踐(這些工程問題可以是沒有解決的實際工程問題，也可以是已經(jīng)解決了的實際工程問題)。②教師有能力分析、研究、解決這些問題，且能引導學生進行創(chuàng)新性思維。但是由于中國高校自身的問題，高校老師大多是碩士、博士畢業(yè)直接留校任教，工程能力差是不爭的事實[4]。

(3)課程自成體系，無法交叉應用問題

國內(nèi)高校經(jīng)過這么多年的發(fā)展，有一些問題已經(jīng)根深蒂固，例如“課程自成體系”問題就非常明顯。以高等數(shù)學為例，高校老師在向?qū)W生傳授高等數(shù)學知識時，很少會告訴學生數(shù)學對于解決實際問題有什么作用，更不會用數(shù)學的方法分析實際工程問題。檢測技術課程也存在這些問題。傳統(tǒng)的授課主要講解信號的處理、傳感器的基本原理；至于如何將檢測技術的知識與其他的知識結合在一起解決實際問題，教學中講的很少或者基本不講?；谝陨显颍趥鹘y(tǒng)教學中，“培養(yǎng)學生解決復雜工程的能力”的目標難以實現(xiàn)。

(4)缺乏創(chuàng)新教育，學生墨守成規(guī)

創(chuàng)新是一個民族的靈魂，是一個民族進步的不竭動力。中國工程教育認證協(xié)會指出：復雜工程問題不同于普通問題，解決復雜工程問題需要建立合適的抽象數(shù)學模型，同時在建模過程中要體現(xiàn)創(chuàng)造性。同時在設計與開發(fā)復雜工程系統(tǒng)時更需要創(chuàng)新理念。由于國內(nèi)高校教育基本為“教師講、學生聽”的模式，學生除了被動地接受知識以外，很少會質(zhì)疑，也很少有自己的想法。同時，實踐教學淪為傻瓜式教學——“手持實驗指導手冊，按照規(guī)定將實驗完成，并觀察實驗結果”。這種實驗模式的實驗過程及實驗結果都是預制好的，學生在實踐的過程中也完全處于被動狀態(tài)。因此，創(chuàng)新教育在國內(nèi)傳統(tǒng)專業(yè)課程授課過程中的體現(xiàn)度較低[5]。

基于以上四個原因，要使檢測技術課程的授課緊密圍繞“學生培養(yǎng)目標”，按照WA的“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”要求開展教學工作，必須進行教學改革，授課效果進行評估、評價，并對教學工作進行持續(xù)改進。

2 教學改革實踐與探索

通過分析，當前面臨的問題可以分為兩類，一為教師自身在解決“復雜工程問題”中存在的不足；二為教學過程中面對“復雜工程問題”存在的不足。對這兩類問題，蘭交大自動化學院都在工程認證過程中進行了實踐探索。

2.1 強化教師培訓，統(tǒng)一思想認識，提升工程能力

“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”是工程認證的最終目標，也是今后國家高等教育本科工程專業(yè)要做好的工作。所以，只有理解了什么是復雜工程問題，才能理解“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”的重要性，進而意識到工程認證不是一種形式，而是高校及每一位老師應該認真對待的工作，是改進教學方法，提升教學效果的必然。

(1)界定復雜工程問題

復雜工程系統(tǒng)是人類為了自身更好地生存和發(fā)展而在改造客觀世界的過程中研究、設計、生產(chǎn)或制造的工程系統(tǒng)。復雜工程問題的復雜體現(xiàn)在四個方面：①系統(tǒng)規(guī)模大，②系統(tǒng)層級多，③系統(tǒng)非線性，④系統(tǒng)不獨立(不封閉)?，F(xiàn)代工程問題必然是個復雜工程問題，其特征見表1[6]。培養(yǎng)合格工程師作為目標的WA把“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”作為終極任務，畢業(yè)生也只有具備了這種“解決復雜工程問題的能力”，才能為現(xiàn)代社會的發(fā)展做出自己的貢獻。

(2)明確學生能力培養(yǎng)重點

要培養(yǎng)合格的、符合WA基本要求的畢業(yè)生，就要明確學生需要什么樣的能力。根據(jù)WA規(guī)定的畢業(yè)要求，可以將畢業(yè)生應該具備的能力總結歸納為以下幾個方面(見表2)。表2中與專業(yè)課教學相關的能力要求有：①多學科知識應用能力；②復雜工程問題分析能力；③復雜工程系統(tǒng)設計開發(fā)能力。即要求“培養(yǎng)的學生要能應用多學科知識，分析復雜工程問題，提出合理的解決方案，并能通過實踐圓滿解決該問題”[6]。

表2 解決復雜工程問題需要具備的能力和素質(zhì)

(3)提升自身工程能力

目前國內(nèi)高校老師工程能力薄弱是不爭的事實，提升老師的工程能力是工作重點。蘭交大自動化學院自參加認證工作以來，不斷派老師外出學習，讓老師進入企業(yè)與現(xiàn)場人員交流，設置是短期實踐。通過學習，老師逐漸理解了企業(yè)對工程師的要求，同時也明確了培養(yǎng)的目標。

為什么要認證，認證的好處是什么，這個看似簡單的問題其實很多參與認證的老師也不能清楚闡述，所以導致認證工作浮于表面，流于形式，進而出現(xiàn)了為了認證而認證的情況。通過討論與調(diào)研蘭交大自動化學院的老師逐漸形成共識，認識到工科畢業(yè)生最終要通過企業(yè)來檢驗培養(yǎng)效果。企業(yè)需要工程技術人員在開發(fā)產(chǎn)品時、在進行技術創(chuàng)新時考慮經(jīng)濟回報率，考慮研發(fā)、中試、生產(chǎn)、銷售、安裝甚至是售后所有的問題。也就是說“解決復雜工程問題”是社會、企業(yè)對高校人才培養(yǎng)提出的要求。

2.2 進行課程改革，引入工程概念，注重綜合應用

“培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”在具體的教學中不能是一句空話，要在教學的過程中體現(xiàn)出來，并成為教學的中心問題?！敖鉀Q復雜工程問題”如何體現(xiàn)，如何貫徹，如何落實是一線教師要考慮的具體問題。

(1)挖掘凝練復雜工程問題

“培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力”的前提是在學習的過程中接觸復雜工程問題，并能在老師的帶領下解決復雜工程問題?！皬碗s工程問題”是學生學習的對象和載體，教師必須能提出復雜工程問題。經(jīng)過實踐，目前項目組獲得復雜工程問題的途徑有兩條通過具體的工程實踐項目和各種專業(yè)類比賽。

在工程實踐項目方面，一方面是老師走出去與企業(yè)交流，一方面是將企業(yè)工程師引進來進行講座。通過這種方式，項目組逐漸提煉了一些能滿足教學要求的“復雜工程問題”。例如項目組老師承擔的實際工程項目“磁力攪拌器用高精度溫度控制儀表設計”。溫度控制儀表是一款智能執(zhí)行器，對于實驗儀器而言，溫度控制儀表要求響應時間快，過沖小，穩(wěn)定性高，精度達標，成本低，而且要有價格優(yōu)勢，同時更要有較高的安全性。在具體應用中，要建立從被控溫的介質(zhì)到加熱器件的完整數(shù)學模型，要考慮外部溫度變化對其控制效果的影響，要考慮安裝的實際尺寸限制，要考慮企業(yè)的投入產(chǎn)出比等等問題。此類題目可以作為授課時學生訓練之用。

在各種專業(yè)類比賽方面，近幾年項目組成員都承擔了學校的各種專業(yè)競賽的指導任務，在指導的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些可以讓學生鍛煉的復雜工程問題。如“全國大學生電子設計競賽控制類項目”，競賽題目都是國家級教育專家出的經(jīng)典題目，對學生的訓練是全方位的，而且沒有超出學生的能力范疇。電子設計競賽題目缺少實際工程應用的背景，但是具有發(fā)展眼光和前瞻性，略加整理就可以成為“復雜工程問題”的案例。例如17年的控制類題目“板球控制系統(tǒng)”，經(jīng)過老師的修改，就變成了“激光引導運行系統(tǒng)”，題目不但有趣味性，而且具有復雜性，深受學生喜歡。

(2)以復雜問題為線，有主有次地開展教學工作

在教改過程中，項目組以復雜問題為主線，以檢測技術課程為重點，整合相關課程，有主有次地開展教學工作。將“老師講，學生聽”的教學模式改變?yōu)椤耙园咐灤┙虒W始終，講授與實踐并重，多種考核方式并用”的教學模式，實踐框圖見圖2。通過“圍繞復雜工程問題，授課，實物、分析討論三位一體的授課模式”的改革，學生的學習興趣增加了，動手能力提高了，學習壓力減小了，多學科綜合應用的能力提高了，教改起到了有益的作用[7]。

圖2 教學過程及評價模式框圖

總結

工程認證是今后高校必須開展的工作，是高校發(fā)展的必然?！芭囵B(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力”是市場、企業(yè)給高校提的要求，是對高校教育質(zhì)量評價的重要方面。界定“復雜工程問題”，認清工程認證工作的重要意義，提高老師的工程能力是教改工作的基礎和前提；在教學工作中體現(xiàn)“復雜工程問題”，以案例為主線，引導學生分析、解決復雜工程問題，是教改工作中心；圍繞復雜工程問題，授課、實物制作、分析討論三位一體開展教學工作是教改的具體做法。