解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實踐

喬美英 黃凱征 陶慧

摘? 要：培養(yǎng)學(xué)生具有“解決復(fù)雜工程問題”能力是工程教育改革中一個重要部分。論文從自動化專業(yè)的特點出發(fā)，首先對“解決復(fù)雜工程問題能力”特性進行了界定;其次通過對能力的分解，由頂層設(shè)計構(gòu)建了實現(xiàn)能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，形成環(huán)環(huán)相扣架構(gòu);最后，通過層層落實、形成合力的態(tài)勢實現(xiàn)能力培養(yǎng)。本體系可概括為：利用課堂教學(xué)環(huán)節(jié)保證能力的基本達成，利用多層次實踐環(huán)節(jié)進行強化達成，最后利用畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)完善達成。整套體系以培養(yǎng)學(xué)生“具有解決復(fù)雜工程問題”能力為核心，將工程教育認證理念貫徹于各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，實踐表明此體系行之有效。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng);復(fù)雜工程問題;培養(yǎng)體系;自動化專業(yè)

中圖分類號：C961? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0168-04

Abstract： Cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"is an important part of engineering education reform. In view of the characteristics of the automation profession， the ability to "solve complex engineering problems" are first defined; Secondly， through the ability decomposition， the teaching links of each ability are built through the top-level design， forming an interlocking structure; Finally， the training of each link is implemented， and capacity building is achieved through the formation of synergy. The system can be summarized as： the use of classroom teaching links to ensure the basic achievement of the ability， the use of multi-level practice links to strengthen the achievement， and finally the graduation designis linked to achieve perfection. The whole system is based on cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"， and the concept of engineering education certification is implemented in various teaching links. Practice shows that this system works well.

Keywords： talent cultivation; complex engineering problems; training system; automation major

引言

2006年，我國開始全面構(gòu)建國際實質(zhì)等效的工程教育認證體系，2016年6月3日正式成為《華盛頓協(xié)議》締約成員，一方面為我國工科專業(yè)畢業(yè)生進入國際市場提供了通行證，另一方面我國的工程教育也要按照國際實質(zhì)等效的原則培養(yǎng)具有“解決復(fù)雜工程問題”能力的學(xué)生[1，2]。而我國之前實施的“卓越工程師”1.0計劃也明確強調(diào)了實踐工程能力的培養(yǎng)[3-6]。

現(xiàn)代工程問題不再是單純的工程問題，而是協(xié)調(diào)多種非工程因素的綜合問題。文獻[7]對國際上學(xué)歷互認的三個主要協(xié)議進行對比，指出解決“復(fù)雜工程問題”對于工程教育的重要意義，并對“復(fù)雜”與“工程問題”進行了深入剖析，分析了培養(yǎng)“復(fù)雜工程問題”能力的難點[7]。文獻[8]從“復(fù)雜工程問題”的特性出發(fā)，將培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力分解到各個教學(xué)環(huán)節(jié)，并植入教學(xué)體系[8]。文獻[9]指出本科工程教育應(yīng)聚焦培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力[9]。由此可看出“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)在工程教育認證的推動下，在高等教育深化改革的進程中變得越來越重要[10]。

河南理工大學(xué)是全國第一所煤炭院校，也是河南省第一所創(chuàng)辦自動化專業(yè)的本科院校，依托學(xué)校服務(wù)于煤炭行業(yè)辦學(xué)定位，本專業(yè)從1989年開始就與平頂山煤業(yè)集團建立了長期的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，定期為該集團礦井提升機電控系統(tǒng)進行檢測與調(diào)試，并為其培訓(xùn)技術(shù)人員，同時研發(fā)了“JTK礦用提升絞車電控系統(tǒng)”“全數(shù)字礦井提升絞車隔爆兼本安四象限智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)”等設(shè)備，以此為基礎(chǔ)自動化專業(yè)與行業(yè)背景企業(yè)建立了廣泛深入的合作關(guān)系，同時也形成了注重學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的辦學(xué)傳統(tǒng)，2012年成為教育部第二批“卓越計劃試點專業(yè)”，2018年6月通過了教育部專業(yè)認證。

經(jīng)過長期的實踐與不斷的積累，自動化專業(yè)已逐漸形成了一整套培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的教學(xué)體系，可概括為“頂層構(gòu)建、能力分解、各環(huán)落實、綜合強化，環(huán)環(huán)相扣、形成合力、完善達成”。

一、復(fù)雜工程問題的特性及實現(xiàn)途徑

根據(jù)2015版的《工程教育認證標準》中關(guān)于“復(fù)雜工程問題”特征的說明[7]。我校自動化專業(yè)根據(jù)行業(yè)特色、人才培養(yǎng)定位與培養(yǎng)目標，多次組織校內(nèi)外專家進行研討，對本專業(yè)的“復(fù)雜工程問題”進行了界定：

1. 必須是來源于自動化專業(yè)領(lǐng)域的工程實際問題。

2. 體現(xiàn)知識的廣度和深度，著重系統(tǒng)機理分析與工程實現(xiàn)，必須運用基本原理經(jīng)過深入分析才可能得到解決的工程問題。

3. 具有非線性、時變性、隨機性、不確定性、含有已知和未知干擾，無法用經(jīng)典方法建立被控對象數(shù)學(xué)模型的問題。

4. 體現(xiàn)矛盾和沖突，存在多方案比較與選擇的問題。

5. 無法用單一課程的理論和知識解答的問題。

為使學(xué)生具有以上描述的“解決復(fù)雜工程問題”能力，首先需要頂層構(gòu)建、能力分解，其次是各環(huán)落實、綜合強化，以達到環(huán)環(huán)相扣，形成合力的態(tài)勢，最后通過畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)來完善達成。具體可概括為：

1. 將“解決復(fù)雜工程問題”能力分解為知識、能力與素養(yǎng)的培養(yǎng)，貫穿于整個四年的教學(xué)體系中，包括各個體系中的各個環(huán)節(jié)，如基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課、實踐環(huán)節(jié)和綜合課程設(shè)計環(huán)節(jié)對各個能力點的培養(yǎng)。

通過以上環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，形成合力，使得所有學(xué)生基本具備解決復(fù)雜工程問題的能力。

2. 在不同學(xué)年設(shè)置不同的實訓(xùn)環(huán)節(jié)，對所有學(xué)生，通過實訓(xùn)手段，強化解決復(fù)雜工程問題能力目標的達成。

3. 通過“畢業(yè)設(shè)計”綜合環(huán)節(jié)，完善此目標的達成。

二、頂層構(gòu)建能力分解，確?；具_成

由于解決“復(fù)雜工程問題”能力是一項綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生具備此能力需要一個完善的教學(xué)體系[11-13]。為此本專業(yè)通過將所有環(huán)節(jié)根據(jù)其教學(xué)內(nèi)容相關(guān)性歸類為10個基本的課堂教學(xué)體系，而每一個體系承擔一個能力指標，其分解結(jié)果見圖1所示。每種能力又被分解到所在課程體系中的各門課程目標中，課程目標通過掌握教學(xué)知識點與課內(nèi)實驗知識點來達成，所有學(xué)生在達成每一門課程的同時基本具備了“解決復(fù)雜工程問題”的能力。

為了確保此能力的基本達成，還需要從以下方面予以保障。

1. 按支撐“復(fù)雜工程問題”能力需要，安排教學(xué)內(nèi)容。強調(diào)課程內(nèi)容應(yīng)包含相應(yīng)的自動化領(lǐng)域的深入原理。強調(diào)能力不是簡單知道，簡單計算，需達到一定的深度，更重要的是要強調(diào)具有工程思想與工程分析能力[14，15]。對應(yīng)能力要求在各個教學(xué)大綱都有明確的要求。

2. 按支撐“復(fù)雜工程問題”能力需要，開展教學(xué)活動。教學(xué)活動需落實大綱規(guī)定，確保學(xué)生深入基本原理，理解精髓，將基本原理與工程問題有機地結(jié)合，討論應(yīng)用方法，體驗知識應(yīng)用于實踐中產(chǎn)生的效果[16]。再通過綜合實驗或?qū)嵱?xùn)進行能力鞏固。

3. 按支撐“復(fù)雜工程問題”能力需要，實施教學(xué)評價。強調(diào)多種形式的能力考核，將能力點對應(yīng)于目標點，通過對目標點考核評價能力達成情況。

如“三電”基礎(chǔ)課程學(xué)完后，要求基本具備了電子設(shè)計與應(yīng)用能力，理論課程通過課堂來考核，基本運用知識能力通過各門課程課內(nèi)實驗來考查，而綜合運用知識的解決復(fù)雜工程問題能力，通過綜合實訓(xùn)課程來考查，教師提供通用電路板、變壓器、二極管、小電機等基本元器件與工具，要求學(xué)生通過查資料自行完成不同電壓等級的電源設(shè)計并實現(xiàn)、完成收音機安裝與調(diào)試，利用示波器分析電源特性、電機特性以及收音機調(diào)試中的各種現(xiàn)象，通過答辯給出學(xué)生成績，在答辯中一方面考察學(xué)生的工程知識能力，另一方面考查學(xué)生的表達、溝通與交流的能力。

三、多層次實踐環(huán)節(jié)構(gòu)建，實現(xiàn)強化達成

在強化達成環(huán)節(jié)，構(gòu)建實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將“解決復(fù)雜工程問題”的能力轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)目標貫穿在實踐教學(xué)的全過程，實現(xiàn)環(huán)環(huán)相扣態(tài)勢，最終形成從多層次課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、實習(xí)環(huán)節(jié)、工程實訓(xùn)到科技競賽項目的實踐教學(xué)體系。實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（一）構(gòu)建多層次實驗教學(xué)體系，將創(chuàng)新意識貫穿到實踐教學(xué)中

實驗項目的設(shè)置上增加設(shè)計型和研究型實驗的比重，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。在此類項目中，教師只提出實驗要求和任務(wù)，由學(xué)生自己確定實驗方法步驟、設(shè)計實驗電路、選擇測量儀器儀表。充分發(fā)揮學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力，綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識，自主設(shè)計實驗電路、安排實驗步驟，從而培養(yǎng)了學(xué)生綜合素質(zhì)。

如“DSP原理與應(yīng)用”中在AD轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)過程中，由學(xué)生自行設(shè)計模擬信號發(fā)生電路，并通過DSP的AD采集過來，引導(dǎo)學(xué)生分析模擬信號發(fā)生變化時的轉(zhuǎn)換結(jié)果，以及模擬信號加噪聲時的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將CCS7.3寄存器讀取的數(shù)據(jù)與外部件器件（如示波器）測量數(shù)據(jù)比較分析其誤差，并給出減小誤差的設(shè)計方案。

這些環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，使學(xué)生能獨立自主分析具體問題，并通過實際動手解決具體工程問題，并能表達對工程問題的見解，由此可將學(xué)生的探索性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為實踐經(jīng)驗，將“知識掌握”提升到了“知識應(yīng)用”，是一個將知識轉(zhuǎn)化為能力的一個強化環(huán)節(jié)。

（二）構(gòu)建“基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計型和研究創(chuàng)新型”多層次實訓(xùn)項目群

結(jié)合我校國家級電工電子示范中心每年度的實驗室開放基金項目，優(yōu)化實踐課程內(nèi)容，構(gòu)建基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計型和研究創(chuàng)新型多層次實訓(xùn)項目群，開展以項目驅(qū)動方式的系列實踐環(huán)節(jié)。

首先，將工程訓(xùn)練中心的礦用絞車提升機電控系統(tǒng)裝置接線實訓(xùn)作為基礎(chǔ)型實踐環(huán)節(jié)引入到教學(xué)中，提供基本實驗臺與實驗用器件，包括：斷路器、熔斷器、空氣開關(guān)、各類繼電器、行程開關(guān)等，要求學(xué)生通過接線實現(xiàn)三個電路正反轉(zhuǎn)設(shè)計，從而實現(xiàn)貨物的六自由度運行，并考慮啟動時的自鎖與互鎖功能，實現(xiàn)點動與自動運行模式，在自動運行模式下，對于左右行與前后行時考慮運行到終點自動返回等功能，整個過程中需自學(xué)器件的基本工作原理及使用方法，并根據(jù)應(yīng)用場合對熔斷器進行選型，整個設(shè)計過程需要團隊分工合作才能完成。

其次，將基本嵌入式系統(tǒng)的智能穿戴產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計作為綜合設(shè)計型的工程實訓(xùn)項目，采用嵌入式系統(tǒng)的最小核心板，通過自行設(shè)計外圍接口電路，通過相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境，利用I2C或SPI接口實現(xiàn)外接各類傳感器（如陀螺儀、加速度計和磁強計）的數(shù)據(jù)采集，分析、補償與濾波，并對數(shù)據(jù)進行特征分析與特征提取。項目需團隊協(xié)作才能完成。

最后，將智能車競賽中的“電磁組直立行車”的項目思路引入，開發(fā)了基于DSP控制器的自平衡小車實訓(xùn)項目，兩輪自平衡小車工程實訓(xùn)項目是集成機械、電子、通訊、自動控制、嵌入式芯片技術(shù)于一體的小型智能機器人，是一個典型的非線性、強耦合、多變量和不穩(wěn)定系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)的被控對象，它是一個理想的教學(xué)實驗設(shè)備，許多抽象的控制概念都可以通過兩輪平衡小車直觀地表現(xiàn)出來;本項目的完成不僅要求學(xué)生具有一定的理論知識儲備，如自動控制理論中系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、收斂速度和抗干擾能力，傳感器技術(shù)及信號處理的濾波技術(shù)等，還需要學(xué)生掌握DSP芯片在控制中運用的基本功能與實現(xiàn)方法。此項目必須是學(xué)生在團隊協(xié)作、交流溝通及查找文獻的基礎(chǔ)上才能完成。

（三）建立人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會服務(wù)“三位一體”的科技競賽模式

為了與企業(yè)展開合作，平頂山煤業(yè)集團、焦作煤業(yè)集團及晉城煤業(yè)集團建立合作協(xié)議，鄭州光力科技股份有限公司、焦作華飛電器有限公司、運城職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)礦井實踐基地等多家企業(yè)簽訂了同建大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實踐基地的協(xié)議。由我校優(yōu)秀校友創(chuàng)辦的焦作華飛電器股份有限公司，于2011年11月與自動化專業(yè)簽訂協(xié)議，10年內(nèi)每年投入10萬元人民幣，設(shè)立“華飛獎學(xué)金”，開展“華飛杯”科技競賽活動，目前此項活動已成功舉辦6屆。

此外，為保證課外科技活動能夠穩(wěn)定持續(xù)地開展，學(xué)校和企業(yè)共同設(shè)立科技競賽創(chuàng)新基金，每年撥?？钣糜趯W(xué)生參加各類科技創(chuàng)新和發(fā)明創(chuàng)造活動的資助和成果獎勵。在學(xué)生科技競賽方面，聘請企業(yè)中的優(yōu)秀技術(shù)人員和高級工程師來擔任科技競賽的指導(dǎo)老師，結(jié)合競賽題目的專業(yè)方向為參賽師生開展專題講座和指導(dǎo)。各類活動極大地開闊了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生參與科技競賽的積極性，最大限度地提高了學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力。

四、強化畢業(yè)設(shè)計管理，實現(xiàn)完善達成

本專業(yè)專門開發(fā)了一套畢業(yè)設(shè)計管理系統(tǒng)，把對學(xué)生的整個指導(dǎo)過程都用管理系統(tǒng)詳細記錄，用工程教育認證的標準進行過程考核，強化過程管理，從而嚴把畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量關(guān)，畢業(yè)設(shè)計管理主要包括六個方面分別是：課題管理（申報與審核）、任務(wù)書（下達與審核）、過程管理（開題、中期、外文閱讀、工程圖紙、輔導(dǎo)答辯等）、論文審核、畢業(yè)答辯（申請審核、評閱教師指派、答辯分組管理等）、材料歸檔（材料審核、質(zhì)量評價、各類匯總報表）。

首先，從題目與任務(wù)書中針對設(shè)計內(nèi)容多偏向于理論與仿真研究、針對往年本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計選題中控制思想體現(xiàn)較弱的問題，專業(yè)教學(xué)委員會組織教師在選題初期通過對題目與任務(wù)書的內(nèi)容進行研討，將從整體系統(tǒng)考慮，加強整個設(shè)計過程中對控制與決策的思想的體現(xiàn)，使畢業(yè)設(shè)計的選題更科學(xué)化、規(guī)范化和合理化，從而符合本專業(yè)的培養(yǎng)目標;其次，加強開題審查、中期檢查及輔導(dǎo)答疑等過程管理與控制，確保畢業(yè)設(shè)計過程無漏洞，以確保畢業(yè)設(shè)計的進度與質(zhì)量;最后，通過完善環(huán)節(jié)的考核細節(jié)，來嚴把畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量關(guān)，考核主要分為兩個方面：總結(jié)性考核（包括：評閱書、評定書及畢業(yè)答辯）與形成性考核（開題報告、中期檢查），而每個方面又分別從分析研究、工程設(shè)計、溝通交流、技術(shù)規(guī)范、工程倫理五個角度，這五個角度也體現(xiàn)了工程教育認證的標準要求，最終對每位同學(xué)都形成一份質(zhì)量分析報告。從所有學(xué)生的質(zhì)量分析報告中，又可以總體分析本專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。

五、結(jié)束語

從培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力出發(fā)，從能力的分解、達成途徑、達成過程進行初步實踐與探索，限于目前的實際情況，離完全達到華盛頓協(xié)議指標，尚有一定的距離，這也將是一個長期的、不斷完善、持續(xù)改進的過程，需要政府、社會與高校共同努力。從培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求確立、課程體系建設(shè)、師資力量的強化、保障制度完善等各個方面著手，將培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題能力作為核心，始終貫徹以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向和持續(xù)改進的理念于各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，為我國的工程技術(shù)人員走出國門，參與國際事務(wù)培養(yǎng)人才。

參考文獻：

[1]林健.如何理解和解決復(fù)雜工程問題-基于《華盛頓協(xié)議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26+38.

[2]林健.運用研究性學(xué)習(xí)培養(yǎng)復(fù)雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.

[3]楊亞璪，楊林.卓越工程師教育培養(yǎng)計劃下分層次模塊化課程體系的構(gòu)建——以重慶交通大學(xué)交通運輸專業(yè)為例[J].教學(xué)研究，2014（1）：85-88+124.

[4]陳景波，王偉，王飛等.自動化專業(yè)汽車零部件自動檢測技術(shù)企業(yè)課程群建設(shè)與實踐[J].高教學(xué)刊，2018（4）：60-62.

[5]任建民，謝禹鈞，張麗.基于卓越計劃過程裝備與控制工程專業(yè)課程體系構(gòu)建研究[J].大學(xué)教育，2016（8）：22-23.

[6]林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.

[7]楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關(guān)“復(fù)雜工程問題”的難點——基于企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新視角[J].高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[8]周克寧，羅朝盛，康敏.植入“復(fù)雜工程問題”的教學(xué)體系改革探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（10）：51-54.

[9]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（11）：27-30+84.

[10]李振松，李學(xué)華，王亞飛.面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的移動通信實訓(xùn)方案[J].實驗室研究與探索，2017，36（7）：235-238+272.

[11]耿俊浩，田錫天，馬炳和.工業(yè)界視角下面向?qū)I(yè)認證的工程實踐類課程教學(xué)改革[J].高等工程教育研究，2018（2）：136-141.

[12]顧容，等.面向能力培養(yǎng)的課群結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].高等工程教育研究，2018（01）：54-57+87.

[13]王保建，陳花玲，楊立娟，等.工程教育認證標準下的課程教學(xué)設(shè)置[J].實驗室研究與探索，2018（8）：162-166+298.

[14]李剛，秦昆，陳江平.基于工程教育認證的“遙感應(yīng)用綜合實習(xí)”課程改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索，2017（11）：220-224.

[15]李振松，李學(xué)華，王亞飛.面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的移動通信實訓(xùn)方案[J].實驗室研究與探索，2017，36（7）：235-238+272.

[16]謝勝利，李衛(wèi)軍，蔡述庭，等.以復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程體系改革——以廣東工業(yè)大學(xué)自動化專業(yè)為例[J].高教學(xué)刊，2017（22）：4-9.