基于解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)

孫巍偉 郎需強(qiáng)

摘? 要 結(jié)合北京信息科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式進(jìn)行探討，從課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容、選題、教學(xué)等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得學(xué)生了解和掌握測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思想、原則、過程、方法，使課程設(shè)計(jì)符合解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的需求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的學(xué)生，提高其綜合能力，為以后設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 課程設(shè)計(jì);檢測(cè)技術(shù);復(fù)雜工程問題;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）22-0073-04

Curriculum Design based on Ability to Solve Complex Engi-neering Problems：Take Course Design of Detection Technology as Example//SUN Weiwei， LANG Xuqiang

Abstract Combining with the characteristics of our school of mecha-

nical and electrical professional， the course teaching mode of course

design of detection technology was discussed. And then the design was optimized in many aspects， including the content， topic selec-tion， teaching， and so on. The students could understand and master the software and hardware of test system design idea， principle， pro-cess and method. Meanwhile， it can make the curriculum design con-

forms to the requirements of cultivating the ability of solving com-plex engineering problems. Also， innovative design ability of stu-dents can be cultivated. And their comprehensive ability could be improved. Besides， it can lay a good foundation to solve practical problems of test system.

Key words curriculum design; detecting techniques; complex engi-neering problems; innovation ability

1 引言

中國(guó)高等教育的一個(gè)重要里程碑事件是于2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》[1]。按照《協(xié)議》中的要求，大學(xué)本科培養(yǎng)階段需培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力。

同時(shí)，隨著“新工科”的提出，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，更需要培養(yǎng)具備“新素養(yǎng)”“新視角”“新能力”“新思維”工程實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)動(dòng)手能力，使得學(xué)生能夠解決復(fù)雜工程問題[2-5]。

檢測(cè)類課程，如測(cè)試技術(shù)、傳感器技術(shù)與信號(hào)調(diào)理等課程，已作為北京信息科技大學(xué)機(jī)械電子和機(jī)器人工程專業(yè)的核心專業(yè)課程。其中，測(cè)試技術(shù)課程面向工程應(yīng)用，主要使學(xué)生了解并掌握基本的測(cè)試原理、傳感器信號(hào)分析、信號(hào)分析等內(nèi)容，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。理論聯(lián)系實(shí)踐，該課程可以很大程度上代表對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的需求。經(jīng)過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以初步掌握檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)理論知識(shí)。

為了能夠進(jìn)一步提高學(xué)生能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，解決更為復(fù)雜的工程問題，還需要設(shè)置檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生可以更多地使用理論知識(shí)，解決一個(gè)完整的檢測(cè)任務(wù)。讓學(xué)生動(dòng)手去完成傳感器的選型等工作，真正理解構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)的基本方法，進(jìn)而明白該課程的重要性。在實(shí)踐中運(yùn)用理論，可以加深學(xué)生的理解，起到事半功倍的效果。因此，合理的檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)的設(shè)置，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力具有非常重要的意義。

本文針對(duì)目前檢測(cè)技術(shù)課設(shè)中存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合北京信息科技大學(xué)機(jī)電專業(yè)的的特點(diǎn)，對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行探討，從課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容、選題、教學(xué)、考核等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立全新的實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練模式，最大限度提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 現(xiàn)狀分析

目前，檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)相比于課程實(shí)驗(yàn)，并沒有明顯的區(qū)別，通常設(shè)計(jì)任務(wù)書都比較明確，學(xué)生只需要按部就班地跟著做就可以，學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)。而且由于時(shí)間有限，很多檢測(cè)系統(tǒng)都是已經(jīng)制作完成的，因此，學(xué)生只是對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，實(shí)習(xí)相關(guān)功能即可，這樣就很難調(diào)度學(xué)生的主觀能動(dòng)性。目前存在下面幾個(gè)主要問題。

1）課程設(shè)計(jì)的差異性不夠。目前的課程設(shè)計(jì)中，很多學(xué)生一組，題目相對(duì)較少，因此，成果驗(yàn)收的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的情況，難以判斷學(xué)生是否真正動(dòng)手去制作。

2）設(shè)計(jì)任務(wù)書中解釋得相對(duì)詳細(xì)，因此，學(xué)生只需要看結(jié)果，并不會(huì)去理解原因，知其然不知其所以然，不能夠靈活運(yùn)用。

3）很多設(shè)計(jì)以模擬為主，缺少對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)，不能夠與實(shí)際生活緊密聯(lián)系。因此，學(xué)生即使做完課程設(shè)計(jì)，也不理解為什么，不具有實(shí)際價(jià)值。

4）在課程設(shè)計(jì)過程中，很多學(xué)生缺乏紀(jì)律意識(shí)，也缺乏團(tuán)隊(duì)意識(shí)，分組不合理的情況時(shí)常發(fā)生，就會(huì)造成整個(gè)課程設(shè)計(jì)僅僅只有幾個(gè)能力較強(qiáng)的學(xué)生完成，其他學(xué)生“蹭吃蹭喝”的情況，這樣就嚴(yán)重違背了課程設(shè)計(jì)的初衷。

5）課程設(shè)計(jì)的成績(jī)手段相對(duì)單一，評(píng)價(jià)手段以教師打分為主，教師的主觀意愿可能占較大比重，不能從根本上反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)效果。

3 解決復(fù)雜工程問題能力的需求

新工科背景下，培養(yǎng)學(xué)生具備哪些能力，才能使其能夠解決復(fù)雜工程問題？

必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決? 實(shí)際的工程中，沒有問題是能夠直接解決的，都需要經(jīng)過多次的分析和處理，因此需要培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，要學(xué)會(huì)對(duì)問題進(jìn)行分解，找到每個(gè)分解點(diǎn)的解決方法。實(shí)踐教學(xué)需要注重該能力的培養(yǎng)，加深學(xué)生對(duì)所掌握的理論知識(shí)的理解，經(jīng)過實(shí)際工程的運(yùn)用，加強(qiáng)對(duì)原理的理解，進(jìn)而能夠分析復(fù)雜的工程問題。

需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突? 目前科技的發(fā)展是多元化的，因此，學(xué)生掌握的知識(shí)也應(yīng)該是綜合的。以機(jī)電專業(yè)為例，鼓勵(lì)學(xué)生跨專業(yè)選修課程，比如計(jì)算機(jī)類的編程等課程，要掌握多領(lǐng)域和學(xué)科的知識(shí)，不能把專業(yè)教育限定在一個(gè)非常窄的方向上。

需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? 在實(shí)際工程中，很多問題相對(duì)比較抽象，需要學(xué)生有很強(qiáng)的創(chuàng)新思維能力。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力，能夠根據(jù)實(shí)際問題構(gòu)建合適的數(shù)學(xué)模型，由抽象聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)而進(jìn)行工程應(yīng)用，解決相對(duì)復(fù)雜的問題。

具有較高的綜合性? 通常，一個(gè)實(shí)際的工程問題會(huì)包含諸多環(huán)節(jié)，問題大都也是互相關(guān)聯(lián)的。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的大局觀，使得學(xué)生的思考能夠從全局出發(fā)，以整體解決方案的角度看問題，不能僅僅針對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)或細(xì)節(jié)進(jìn)行問題的解決，防止以偏概全現(xiàn)象的出現(xiàn)。

總之，培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力，需要培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力，包括分析能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作能力等。

4 檢測(cè)技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式

課題內(nèi)容和方案設(shè)計(jì)? 在安排培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)能力的時(shí)候需要做到：實(shí)踐教學(xué)必須選擇恰當(dāng)?shù)妮d體;要形成一個(gè)完整的體系，能夠讓學(xué)生從簡(jiǎn)單問題入手，逐漸解決復(fù)雜問題，有一個(gè)循序漸進(jìn)的過程;要根據(jù)學(xué)生的畢業(yè)要求，對(duì)選題和內(nèi)容進(jìn)行安排，與理論教學(xué)緊密聯(lián)系，爭(zhēng)取取得“1+1>2”的效果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

以下研究中，以溫度測(cè)量?jī)x為例，對(duì)課程設(shè)計(jì)展開說明。溫度測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)要求為：擬定測(cè)試方案和設(shè)計(jì)步驟;設(shè)計(jì)完整的溫度測(cè)量?jī)x的電路，當(dāng)溫度超出設(shè)定值時(shí)，能夠預(yù)警提示;根據(jù)設(shè)計(jì)畫出完整電路圖，并在仿真軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，完成中期答辯;根據(jù)需求，完成傳感器、放大器等電子元器件參數(shù)及型號(hào)的選擇;實(shí)物制作并進(jìn)行調(diào)試;完成最后答辯，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。

課程設(shè)計(jì)主要包含兩部分：軟件與硬件設(shè)計(jì)。軟件主要是培養(yǎng)學(xué)生的仿真能力，使用Proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行仿真;在仿真的基礎(chǔ)上，利用放大器、電阻等電子元器件搭建實(shí)物，最終完成演示，完成課程設(shè)計(jì)。

課程設(shè)計(jì)的課題難度分級(jí)? 根據(jù)學(xué)生選題的不同，根據(jù)題目設(shè)置有不同的難度分級(jí)，完成度一樣的情況下，難度越大，得分越高;同一個(gè)題目下，也會(huì)有不同的分?jǐn)?shù)。以溫度測(cè)量?jī)x為例，在前一小節(jié)總體設(shè)計(jì)任務(wù)的基本要求上，另外增加有設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求：Protel畫出印制板圖;自行設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高電路穩(wěn)定性，如加入防抖電路等。通過此種方式，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行更大難度的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方法

1）結(jié)合《厲害了，我的國(guó)》《大國(guó)重器》等視頻，通過觀看視頻，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我國(guó)在經(jīng)濟(jì)、科技等各方面進(jìn)入迅猛發(fā)展時(shí)期，進(jìn)而舉例說明檢測(cè)技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，讓學(xué)生明確課程設(shè)計(jì)的重要性，從主觀上重視起來。

2）強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性，提出總體設(shè)計(jì)任務(wù)，由學(xué)生自行決定設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行資料的搜集和論證工作。

3）設(shè)計(jì)方案定型后，需要對(duì)各自的方案進(jìn)行匯報(bào)，由教師和其他學(xué)生共同驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生開展討論，對(duì)每組的設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行論證，確保其正確性，并明確每組題目的關(guān)鍵點(diǎn)。

4）課程設(shè)計(jì)過程中，要學(xué)生對(duì)自己采用方法所用到的理論知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)，而不只是拿結(jié)果來運(yùn)用。同時(shí)，遇到問題時(shí)要相互討論，遇到解決不了的問題的時(shí)候再去向教師請(qǐng)教。教師需要做好相關(guān)的記錄工作，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中提出的問題也是后期評(píng)分的一個(gè)重要參考，通過這種方式，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

5）課程設(shè)計(jì)的過程中也要注重學(xué)生的思想培養(yǎng)，鼓勵(lì)師生之間的互動(dòng)，營(yíng)造一種相對(duì)輕松的氛圍，有助于提高學(xué)生的積極性。

課程設(shè)計(jì)考核方式的設(shè)計(jì)? 檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生采用分組方式，每組由兩個(gè)學(xué)生組成，針對(duì)軟件和硬件兩部分，協(xié)作完成設(shè)計(jì)與制作。

課程設(shè)計(jì)的考評(píng)方式應(yīng)該是多元化的，而且應(yīng)該重視學(xué)生課程設(shè)計(jì)過程中能力的體現(xiàn)，不能僅僅以最后的實(shí)物制作為標(biāo)準(zhǔn)。成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（主要是出勤）、過程表現(xiàn)（主要是問題的提出與解決、團(tuán)隊(duì)意識(shí)等記錄）、中期答辯（主要是軟件仿真、配合提問）、實(shí)物答辯（功能實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合元器件的布局等）和設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)五部分組成。成績(jī)要包含學(xué)生從課程設(shè)計(jì)開始的各項(xiàng)，而不只局限于最終成績(jī)，這樣可以促進(jìn)學(xué)生提高自己的各項(xiàng)素質(zhì)。

多元化的考核方式，可以避免部分學(xué)生“混日子”的現(xiàn)象，也可以激勵(lì)學(xué)生的能動(dòng)性，提高學(xué)生的參與度，保證學(xué)生能夠綜合發(fā)展。

5 檢測(cè)技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)內(nèi)容分析

以溫度測(cè)量?jī)x的一種解決方案為例，所設(shè)計(jì)電路圖由電壓采集、放大電路、報(bào)警電路組成。

電壓采集? 分為兩部分，2.5 V恒壓源電路，以及橋式電壓采樣電路，如圖1所示。該部分對(duì)學(xué)生提出要求：對(duì)恒壓源電路的理解;電橋電路的作用及其求解方式。這些問題都屬于在答辯的時(shí)候需要學(xué)生解答的問題中的一部分。

放大電路? 同樣，該電路也分為兩部分，即放大電路及比較電路，分別如圖2和圖3所示。

圖2中為兩級(jí)放大電路，分別是差動(dòng)放大和同相比例放大，要求學(xué)生學(xué)會(huì)放大倍數(shù)的推導(dǎo)過程，并在后期進(jìn)行考核。在課程設(shè)計(jì)期間，只需要提出一個(gè)放大比例的要求，比如放大20～30倍，要求學(xué)生進(jìn)行不同放大倍數(shù)的組合，或者選型三級(jí)、四級(jí)放大的形式來完成，不能夠形式一致。

圖3為比較電路，主要是用于設(shè)定溫度閾值，并以此來控制后續(xù)報(bào)警電路的運(yùn)行。

報(bào)警電路? 如圖4所示，該報(bào)警電路主要由繼電器驅(qū)動(dòng)電路及報(bào)警燈控制電路組成。

總體的設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

6 實(shí)物要求

學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真后，基于解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的需求，增強(qiáng)動(dòng)手能力也是一個(gè)必備環(huán)節(jié)。具體要求：

請(qǐng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的放大電路，自行挑選電阻。課程設(shè)計(jì)提供有100 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、100 kΩ的電阻，10 kΩ的滑動(dòng)變阻器，LM358若干，TL431、1N4007

二極管等元器件。根據(jù)電路圖確定元器件的擺放等;進(jìn)行焊接等相關(guān)工作;實(shí)物調(diào)試，完成相應(yīng)的功能演示;通過最終答辯環(huán)節(jié)。

其中兩組學(xué)生的課程設(shè)計(jì)如圖6所示。從圖片中可以看出，在實(shí)際制作過程中，學(xué)生的差異性還是存在的，如不同的電子元器件的布局、布線方式等。差異性的存在也可以側(cè)面反映學(xué)生是自主思考和動(dòng)手制作的。根據(jù)布局方式及焊點(diǎn)的情況也可以給出不同的分?jǐn)?shù)，反映到最終的成績(jī)中。

7 結(jié)語

1）通過對(duì)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)的研究和改革，將基于解決復(fù)雜工程問題能力的人才培養(yǎng)方法應(yīng)用于實(shí)踐課程教學(xué)中。

2）提出一種機(jī)電專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)基于解決復(fù)雜工程問題能力教學(xué)模式的具體實(shí)施方式，可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力。

3）本研究實(shí)踐性強(qiáng)，受益面寬，一旦獲得成功，可以為其他工科專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周凌波，王芮.從《華盛頓協(xié)議》談工程教育專業(yè)建設(shè)[J].高等工程教育研究，2014（4）：6-14.

[2]閻群，李擎，等.大學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（11）：178-181，186.

[3]彭文慶，朱永健，彭剛.基于“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力”的工程教育專業(yè)認(rèn)證探討[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2017（6）：14-18.

[4]林健.運(yùn)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.

[5]楊毅剛，王偉楠，孟斌.以提升解決“復(fù)雜工程問題”能力為目標(biāo)的工程教育培養(yǎng)模式改進(jìn)研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.