面向復(fù)雜工程問題解決能力的多元化實踐教學(xué)體系構(gòu)建

李艷+王海梅+吳益飛+彭棟

摘 要： 基于自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)能力通用標準的要求，建立一套與自動化類工程師基本素質(zhì)訓(xùn)練內(nèi)容相銜接、循序漸進的實踐教學(xué)模式，并按照專業(yè)基本技能、系統(tǒng)設(shè)計能力、研究創(chuàng)新能力三個層面，逐層遞進地培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的能力，為提高大學(xué)生工程實踐能力和工程素質(zhì)，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的工程創(chuàng)新人才提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞： 復(fù)雜工程問題 工程實踐能力 自動化

引言

工程教育認證制度是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)，也是連接工程教育界和工業(yè)界的橋梁。2015版工程教育認證標準中，對普通高等學(xué)校本科生的畢業(yè)要求通用標準共12條，其中有8條提及“復(fù)雜工程問題”，這種對于復(fù)雜工程問題的解決能力，不僅需要全面扎實的理論知識功底，更需要工程實踐能力的積累，全面體現(xiàn)出工程教育的實踐性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性。因此，認證專業(yè)必須要求教育過程合理地規(guī)劃與實現(xiàn)在工程資源范圍、系統(tǒng)相互作用的層次水平、工程實施的社會環(huán)境后果、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論應(yīng)用于復(fù)雜工程問題等方面的工程教育活動[1]。本文以南京理工大學(xué)自動化專業(yè)為例，立足本專業(yè)培養(yǎng)目標，在深入剖析復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵與特征的基礎(chǔ)上，對本科培養(yǎng)過程進行重新規(guī)劃，在教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié)中設(shè)計并實施培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的工程教育活動，以滿足工業(yè)界對現(xiàn)代工程人才的需求。

1.面向工程教育專業(yè)認證需求，剖析復(fù)雜工程問題內(nèi)涵

所謂“復(fù)雜工程問題”，是指必須運用深入的工程原理，并經(jīng)過分析才可能得到解決的問題，須同時具備下列6個特征中的部分或全部：（1）它涉及多個工程、技術(shù)及其他方面的因素，各因素間可能會有一些沖突；（2）需通過建立適當合理的并能體現(xiàn)出一定的創(chuàng)造性抽象模型才能將沖突問題予以解決；（3）問題中涉及的部分因素沒能完全包含在本專業(yè)工程實踐的標準或規(guī)范中；（4）不是僅靠一般的方法就能夠?qū)栴}完全解決的；（5）問題相關(guān)各方利益不完全一致；（6）包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題并有一定的綜合性[2]。

從上述對“復(fù)雜工程問題”的解釋可以看出，解決復(fù)雜工程問題是工程教育認證對學(xué)生畢業(yè)能力的要求。工程教育的培養(yǎng)過程要求學(xué)生：有深厚的工程知識，會解決復(fù)雜性工程問題的某一或某幾個方面，會創(chuàng)造性地分析建模與解決問題，會解決涉及工程與其他方面及不同利益相關(guān)者的多樣化需求，能深入工程標準與規(guī)范涵蓋之外的可能不太常見的問題，能開展研究以解決高水平且包括多個組成部分或子問題的問題[1]。

2.針對解決復(fù)雜工程問題的能力需求，構(gòu)建多元化實踐教學(xué)培養(yǎng)體系

面向國家工程教育專業(yè)認證目標，針對解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)需求，自動化專業(yè)對本科教育的實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)進行了梳理與重新規(guī)劃，按照基本技能訓(xùn)練、系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)及研究創(chuàng)新能力培養(yǎng)三個層面，重組了實踐教學(xué)內(nèi)容，合理安排不同類型實驗的比例，優(yōu)化了基礎(chǔ)性實驗，加強綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗，構(gòu)建了多層次、多元化實踐教學(xué)培養(yǎng)體系，如圖1至圖4所示：

3.“科教融合，校企協(xié)同”，構(gòu)建高層次校內(nèi)學(xué)生實踐創(chuàng)新平臺

所謂科教融合，是指以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為前提，使科研與教學(xué)在形式和內(nèi)容上相互滲透而形成的人才培養(yǎng)的新路徑，它是對我們普遍倡導(dǎo)的“科研與教學(xué)相結(jié)合”的更深層含義的表達[3]。如何使科研資源、科技成果及前沿課題不斷有效地轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。針對這一問題，本專業(yè)在具體實踐過程中，一方面，結(jié)合專業(yè)教師高水平科研項目，通過自制與購買相結(jié)合的方式，多渠道開展實驗室建設(shè)。另一方面，通過與國內(nèi)外著名企業(yè)建立聯(lián)合實驗室和創(chuàng)新實踐基地，構(gòu)建一系列高層次實踐創(chuàng)新平臺。一流的實踐平臺、一流的實驗環(huán)境為大學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)提供了堅實的保障。

3.1依照多層次實踐教學(xué)模式，實施實驗中心功能整合。

校內(nèi)實驗室是學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)的搖籃，在教學(xué)投入上應(yīng)高度重視實驗室的建設(shè)，及時更新相關(guān)實驗設(shè)備及軟件，在加大投入的同時，也應(yīng)該對實驗室資源進行有效的整合，避免重復(fù)、閑置等現(xiàn)象，以提高實驗室的質(zhì)量和效率。以“自動化省品牌專業(yè)”建設(shè)及?！耙辉阂黄贰苯ㄔO(shè)為契機，對自動化實驗教學(xué)中心進行全面整合，將中心實驗室全部調(diào)整到同一樓層，按功能整合成四個區(qū)域：基礎(chǔ)實驗區(qū)、專業(yè)綜合實驗區(qū)、智能運動體控制實驗區(qū)（含開放和創(chuàng)新實驗區(qū)）、聯(lián)合建設(shè)實驗室區(qū)，并明確各實驗室在學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)過程中的作用。圖5為按功能進行整合的自動化實驗中心體系結(jié)構(gòu)。

3.2自制與購買相結(jié)合，多渠道開展實驗室建設(shè)。

實驗室的建設(shè)與改善是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的必備條件。本專業(yè)在實驗室建設(shè)的具體實踐中，一方面，利用教師長期從事本行業(yè)軍民品科技項目的優(yōu)勢，通過將最新技術(shù)與成果轉(zhuǎn)化為實驗裝置，自行開發(fā)研制了10余種，160余套高水平、綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型實驗裝置。如：利用國防科研成果開發(fā)了“高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)”；結(jié)合橫向科研課題，針對一類典型控制系統(tǒng)，研制出“組合式過程控制系統(tǒng)”?；谏鲜鲈O(shè)備進行實驗，能夠使學(xué)生在成功案例的分析過程中獲取實踐經(jīng)驗、擴大認知面，進而激發(fā)學(xué)生探究解決實際問題的愿望，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和主動思維的習(xí)慣。將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，同時促進了科研項目與科研訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計等培養(yǎng)環(huán)節(jié)的結(jié)合，增強了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的工程背景，有效提高了學(xué)生的工程實踐能力。另一方面，利用自動化省品牌專業(yè)建設(shè)專項資金與國家修購經(jīng)費，添置了100多臺套高水平的實驗裝置（近2年），包括三維姿態(tài)采集分析系統(tǒng)、無人機DIY設(shè)備、多種競賽機器人、加拿大Quanser運動控制平臺等。這些設(shè)備代表了控制學(xué)科的技術(shù)前沿，某些設(shè)備本身即為典型的復(fù)雜控制系統(tǒng)，包含了復(fù)雜的控制工程問題，能夠為本科生科研訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計和相關(guān)學(xué)科競賽等提供一流的創(chuàng)新實踐平臺。

3.3引進自動化相關(guān)企業(yè)的設(shè)備，建立校企聯(lián)合實驗室。

自動化專業(yè)是電氣工程與自動控制、計算機與信息技術(shù)等新技術(shù)相結(jié)合的寬口徑專業(yè)，其鮮明的特點就是學(xué)科交叉。在專業(yè)實驗室建設(shè)方面，要充分考慮各類相關(guān)學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，突出培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。為此，本專業(yè)先后與西門子數(shù)控（南京）有限公司、飛思卡爾半導(dǎo)體（中國）有限公司、羅克韋爾自動化（中國）有限公司、德州儀器公司（TI）等企業(yè)建立了聯(lián)合實驗室。校企聯(lián)合共建實驗室，能夠為學(xué)生提供最先進的、具有明顯行業(yè)背景的、系統(tǒng)性強的實驗平臺?；谏鲜銎脚_，學(xué)生可以接觸世界領(lǐng)先的工業(yè)自動化設(shè)備、控制和技術(shù)解決方案。所引進的企業(yè)設(shè)備，都是實際運行的自動化設(shè)備，縮小了教學(xué)實驗與社會實際應(yīng)用的差距。借此展開各類綜合、創(chuàng)新實驗項目，極大地增強了學(xué)生多學(xué)科知識交叉融合與科技創(chuàng)新能力。

3.4以科技競賽為牽引，構(gòu)建開放式大學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺。

科技競賽既能體現(xiàn)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)能力，又能極大地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，是提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的有效途徑。本專業(yè)成立了一支由教學(xué)、科研第一線教師組成的大學(xué)生科技競賽專業(yè)指導(dǎo)團隊。團隊成員實踐教學(xué)能力強、科技競賽經(jīng)驗豐富，熱心于大學(xué)生科技活動事業(yè)，創(chuàng)設(shè)的全校機器人大賽已經(jīng)連續(xù)組辦11屆，學(xué)生參與度極高。

組建了“無限自動”科技俱樂部，先后創(chuàng)建了智能車、機器人、無人機等5個本科生創(chuàng)新平臺，吸引了跨專業(yè)、跨學(xué)科的學(xué)生積極參與到課外科技活動中。俱樂部由學(xué)生自己組織、自我管理，可充分展示學(xué)生的個性，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探知欲，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識。專業(yè)為“科技俱樂部”配備了有經(jīng)驗的指導(dǎo)教師，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與專業(yè)指導(dǎo)緊密結(jié)合。大學(xué)生科技創(chuàng)新平臺實驗條件優(yōu)越、經(jīng)費充足，為學(xué)有余力、勤于動手的學(xué)生提供了實現(xiàn)自己設(shè)想的實踐場所，為培育新時代拔尖人才創(chuàng)造了條件。

針對學(xué)生層次差異及各科技競賽對學(xué)生能力培養(yǎng)的側(cè)重點不同，大學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺設(shè)計了由興趣培養(yǎng)→動手能力培養(yǎng)→主動實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三層次能力培養(yǎng)模式：對于大一、大二學(xué)生，通過機器人競賽引導(dǎo)學(xué)生實踐動手的興趣和積極性；對于進入專業(yè)課程學(xué)習(xí)的大三學(xué)生，通過創(chuàng)新杯、電子設(shè)計競賽和科研訓(xùn)練等，提高學(xué)生的實踐動手能力；對于大四學(xué)生，主要通過參加國家級科技競賽項目，引導(dǎo)學(xué)生主動實踐，進而提高其實踐創(chuàng)新能力。

4.校企合作打造實訓(xùn)實習(xí)基地，有效提高學(xué)生的工程實踐能力

專業(yè)與多個國內(nèi)知名企業(yè)建立了長效的合作機制，通過邀請具有豐富工程實踐經(jīng)驗的企業(yè)高端人才或高級管理人才來校授課講學(xué)，組織學(xué)生到優(yōu)秀企業(yè)參觀、實訓(xùn)或?qū)嵙?xí)等方式，建立校企合作人才培養(yǎng)機制。專業(yè)所建立的實訓(xùn)實習(xí)基地具有技術(shù)研發(fā)工程實驗條件和明確的產(chǎn)品研發(fā)方向，學(xué)生參與企業(yè)項目，能夠接受企業(yè)導(dǎo)師與校內(nèi)導(dǎo)師的共同指導(dǎo)。學(xué)生在項目實施過程中，通過將自己的知識和技能用于實踐，體驗創(chuàng)業(yè)的過程，并在學(xué)習(xí)過程中掌握項目的設(shè)計、實施和管理方法，在企業(yè)項目的驅(qū)動下提高解決復(fù)雜工程問題的能力。校企合作也將帶動項目驅(qū)動型校企實訓(xùn)實習(xí)基地的“共建、共享、共管、共贏”。自動化專業(yè)目前已與南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司、江蘇銀河電子股份有限公司、中國衛(wèi)星海上測控中心、南京地鐵運營有限責(zé)任公司等多家企業(yè)建立了實訓(xùn)實習(xí)基地。

在上述實訓(xùn)實習(xí)基地中，南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司由夏普提供全方位技術(shù)支持，具有GDM技術(shù)、4次光罩技術(shù)、光配向技術(shù)等該領(lǐng)域世界最新技術(shù)，擁有工藝技術(shù)最先進的第六代液晶面板生產(chǎn)線。該公司為本專業(yè)學(xué)生開設(shè)了“液晶器件制造工藝”、“光電子技術(shù)概論”、“電路CAD及印制電路板設(shè)計技術(shù)”三門課程的教學(xué)，并承擔(dān)學(xué)生的畢業(yè)實習(xí)任務(wù)。學(xué)生在企業(yè)環(huán)境中接受訓(xùn)練，由經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人員上課，邊學(xué)習(xí)邊實踐，實踐創(chuàng)新能力得到了普遍提高。南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司于2014年被評為“國家級工程實踐教育中心”。

結(jié)語

實施工程教育認證標準過程中，加強學(xué)生培養(yǎng)全過程中面向“復(fù)雜工程問題”的訓(xùn)練與能力培養(yǎng)，注重工程實踐能力的積累，是保證我國高等工程教育的質(zhì)量的重要條件。本文在剖析復(fù)雜工程問題內(nèi)涵與特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于“基本技能、系統(tǒng)設(shè)計能力、研究創(chuàng)新能力”的實踐課程培養(yǎng)體系，通過“科研成果轉(zhuǎn)化與購買相結(jié)合，校企共建，高水平建設(shè)校內(nèi)學(xué)生實踐創(chuàng)新平臺；以科技競賽為牽引，構(gòu)建開放式大學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺；校企合作，打造實訓(xùn)實習(xí)基地”等途徑，設(shè)計了多元化實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方案，全面體現(xiàn)了工程教育的實踐性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性，確保了大學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的穩(wěn)步提高。

參考文獻：

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基金項目：自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)教育教學(xué)改革研究項目，批準號：2014A09。