工程教育認(rèn)證中復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)、布局與實(shí)施

朱凱然 仵杰 王萍 賈惠芹 武曉朦

摘? 要：工程教育認(rèn)證中深刻理解和把握復(fù)雜工程問題，并精心設(shè)計(jì)、周密布局與有效實(shí)施復(fù)雜工程問題是高等教育工作者面臨的共性問題。文章依托西安石油大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)認(rèn)證，從明確復(fù)雜工程問題內(nèi)涵入手，提出反映本專業(yè)特征的復(fù)雜工程問題，并將布局到可執(zhí)行、可衡量以及可評(píng)價(jià)的課程教學(xué)當(dāng)中，在此基礎(chǔ)上能持續(xù)改進(jìn)本專業(yè)的復(fù)雜工程問題。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證;復(fù)雜工程問題;畢業(yè)要求;指標(biāo)點(diǎn)分解;教學(xué)布局

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）03-0091-04

Abstract： It is a common problem for higher education workers to understand and grasp complex engineering problems （CEPs） deeply， and design， arrange and implement them effectively in engineering education certification. In this paper， we start with the definition of CEP， and propose a CEP example of measurement and control technology and instrumentation （MCTI） of Xi'an Shiyou University （XSYU）， which reflects the characteristics of the profession. And then we decompose it into executable， measurable， and evaluable teaching course， and can continue to improve the professional CEPs. It is expected to provide a reference for the relevant college to do engineering education certification.

Keywords： engineering education professional certification; complex engineering problems; graduation requirements; index point decomposition; teaching arrangement

2016年6月，我國(guó)正式加入國(guó)際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國(guó)正在從工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)[1-3]。教育部評(píng)估中心積極構(gòu)建“五位一體”高等教育質(zhì)量評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)制度，讓教育質(zhì)量接受社會(huì)評(píng)價(jià)，教育成果接受社會(huì)檢驗(yàn)，教育決策接受社會(huì)監(jiān)督。2014年，教育部首次把質(zhì)量監(jiān)測(cè)重心進(jìn)一步下延到專業(yè)人才培養(yǎng)層面，聚集到學(xué)生和用人單位滿意度上，這種理念正好契合工程教育認(rèn)證理念：以產(chǎn)出為導(dǎo)向（Outcome Based Education， OBE），以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)[4]。

《華盛頓協(xié)議》與其他國(guó)際工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)議最大的不同體現(xiàn)在解決“復(fù)雜工程問題”的能力要求[1，5]。復(fù)雜工程問題和非技術(shù)因素是工程認(rèn)證畢業(yè)要求的兩大難題，也是專業(yè)認(rèn)證過程中達(dá)成評(píng)價(jià)不足的共性問題?！皬?fù)雜工程問題”在涉及工程技術(shù)問題的同時(shí)還涉及大量非技術(shù)因素。不同職業(yè)崗位所面對(duì)的“復(fù)雜工程問題”差異性很大，在實(shí)際工程中，解決“復(fù)雜工程問題”更是一種綜合素質(zhì)的體現(xiàn)，而不是就事論事的具體解決方法，這種能力學(xué)習(xí)應(yīng)該貫穿于學(xué)生的整個(gè)教育過程[6]。

2018年6月25日認(rèn)證專家組來(lái)西安石油大學(xué)開展測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)工程認(rèn)證工作并給予肯定，2019年6月17日教育部高等教育教學(xué)評(píng)估中心公布本專業(yè)已通過工程教育認(rèn)證。本文結(jié)合本專業(yè)工程認(rèn)證實(shí)際工作，就復(fù)雜工程問題展開討論，主要包括以下三個(gè)方面的目標(biāo)：明確復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵，并提出反映本專業(yè)共性特征的復(fù)雜工程問題;將所提出的復(fù)雜工程問題布局到課程教學(xué)當(dāng)中，并將之實(shí)施;依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果、行業(yè)發(fā)展和人才需求等因素，持續(xù)改進(jìn)本專業(yè)的復(fù)雜工程問題。

一、復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵

“復(fù)雜工程問題”既是工程教育專業(yè)認(rèn)證中的一個(gè)老問題，也是一個(gè)新問題?！度A盛頓協(xié)議》對(duì)其界定如下：是指沒有深入的工程知識(shí)就無(wú)法解決，需要進(jìn)行基礎(chǔ)性和原理性分析的問題，具有以下一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)，如表1所示。復(fù)雜工程問題的兩個(gè)關(guān)鍵詞是“復(fù)雜”和“工程”。根據(jù)我國(guó)工程教育標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“復(fù)雜工程問題”的界定[5，7-8]，可以發(fā)現(xiàn)“復(fù)雜”兩字在此處至少包含了三個(gè)層面的涵義，如表1所示。

“工程”是指數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程知識(shí)、技術(shù)和技能整體的、有目的性的應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過各種機(jī)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程，以最短的時(shí)間和精而少的人力做出高效率、高可靠且對(duì)人類有用的事物，工程包括四個(gè)方面的涵義如表1所示。

由此可見，這些特征是有別于具體技術(shù)問題的。通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定必須具備特征（1），還需要同時(shí)具備（2）-（7）特征的部分或全部[8-10]。具有“復(fù)雜性”的工程問題，并非一定是在技術(shù)層面難于理解或難于分析，而更多地因?yàn)檫@些問題可能是超越現(xiàn)有解決方法和標(biāo)準(zhǔn)、超越單一學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域甚至是超越技術(shù)范疇的問題。當(dāng)更多更紛雜的因素和利益方摻雜在問題中時(shí)，就會(huì)不可避免地存在沖突。工程教育培養(yǎng)的專業(yè)工程師需要在這種紛繁復(fù)雜的問題中找出平衡的解決方案，這正是“復(fù)雜工程問題”的“復(fù)雜”所在。“復(fù)雜工程問題”作為一類“工程”問題，從根本上是以應(yīng)用為目的的問題。解決“復(fù)雜工程問題”所需的知識(shí)、能力，以及所采用的分析、研究方法，都需要在社會(huì)應(yīng)用和工程應(yīng)用中形成。

二、確定本專業(yè)復(fù)雜工程問題

12項(xiàng)畢業(yè)要求中有8項(xiàng)涉及解決復(fù)雜工程問題的能力。要求必須明確表述反映本專業(yè)特質(zhì)的共性復(fù)雜工程問題，這就需要從以下幾個(gè)方面考慮：（1）由哪個(gè)機(jī)構(gòu)分析歸納出復(fù)雜工程問題？可以是學(xué)院教學(xué)委員會(huì)，專業(yè)教學(xué)委員會(huì)和第三方職能機(jī)構(gòu)。（2）該機(jī)構(gòu)由誰(shuí)負(fù)責(zé)？教學(xué)院長(zhǎng)和專業(yè)負(fù)責(zé)人。（3）依據(jù)（來(lái)源）有哪些？畢業(yè)生就業(yè)行業(yè)、崗位，行業(yè)/企業(yè)專家和本專業(yè)教師。通過問卷調(diào)查、走訪調(diào)研、座談紀(jì)要和研討會(huì)的形式獲得相關(guān)信息。通過合理性評(píng)價(jià)分析，應(yīng)體現(xiàn)專業(yè)、行業(yè)和工作環(huán)境特質(zhì)。

（一）專業(yè)特質(zhì)及體現(xiàn)

結(jié)合鉆井和測(cè)井儀器在石油領(lǐng)域的應(yīng)用，石油鉆、測(cè)井儀器所面對(duì)的復(fù)雜工程問題的主要特征有：非均質(zhì)性、環(huán)境未知性、高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)以及空間狹小所帶來(lái)的復(fù)雜性。石油鉆測(cè)儀器專業(yè)特質(zhì)如圖1所示，具有以下七個(gè)特征。

1. 鉆測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性，石油鉆測(cè)儀器面臨極端復(fù)雜的地上和地下環(huán)境，地上環(huán)境包括海水、荒漠和極地等，地下環(huán)境包括高溫、高壓、強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊和承載機(jī)體受到強(qiáng)烈的拉壓彎扭等。

2. 鉆測(cè)對(duì)象的復(fù)雜性，所探測(cè)地層的非均質(zhì)性和多樣性，包括砂泥巖、碳酸鹽巖、變質(zhì)巖和頁(yè)巖等。

3. 鉆測(cè)方法的多樣性，是指利用電、聲、核以及磁測(cè)井方法對(duì)地層信息進(jìn)行測(cè)量。地層中非電量信息到電量的轉(zhuǎn)化涉及直接和間接測(cè)量方式。直接測(cè)量如壓力溫度、振動(dòng)沖擊等;間接測(cè)量如多種地層參數(shù)的測(cè)量必須通過正演和反演方法得到。由此需要建立專用的測(cè)量模型和特殊的模擬裝置，并經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，最后才能將測(cè)量結(jié)果落實(shí)到測(cè)量模板上。

4. 信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)雜性，主要是指勘探、測(cè)井、鉆井、完井、固井和開采等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，地面設(shè)備與井下設(shè)備之間的信息傳輸。

5. 解釋評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，是指根據(jù)電、聲、核、磁測(cè)井模型對(duì)地層特性進(jìn)行準(zhǔn)確地解釋和評(píng)價(jià)，該過程涉及現(xiàn)代信號(hào)處理等學(xué)科知識(shí)。

6. 鉆測(cè)控制的復(fù)雜性，主要是指構(gòu)建油氣生產(chǎn)通道過程中的工程導(dǎo)向控制和地質(zhì)導(dǎo)向控制。所謂工程導(dǎo)向就是利用智能鉆井工具按照設(shè)計(jì)軌跡完成井眼鉆進(jìn);所謂地質(zhì)導(dǎo)向是指在工程導(dǎo)向的基礎(chǔ)上利用儀器探測(cè)的地層信息，將井眼導(dǎo)向資源最富集區(qū)域。

7. 涉及學(xué)科的多樣性，是指石油鉆測(cè)儀器涉及學(xué)科面廣，極具交叉性，包括測(cè)井、鉆井、地質(zhì)油藏、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、電子信息、自動(dòng)控制、機(jī)械及機(jī)電一體化等。

依據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)雜工程問題的描述，本專業(yè)的復(fù)雜工程問題更多地體現(xiàn)在以下三方面：（1）環(huán)境的極端復(fù)雜;（2）通信的復(fù)雜;（3）測(cè)量對(duì)象無(wú)法直接觀測(cè)，更多的工程問題要采取間接測(cè)量。

（二）復(fù)雜工程問題舉例

本專業(yè)在1980年恢復(fù)招生后的“應(yīng)用地球物理勘探儀器”專業(yè)基礎(chǔ)上組建。堅(jiān)持石油特色與地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)相結(jié)合的科學(xué)研究方向，在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、隨鉆測(cè)井和電磁測(cè)量技術(shù)等方面形成了鮮明的學(xué)科發(fā)展特色。根據(jù)專業(yè)、行業(yè)和工作環(huán)境特質(zhì)，以行業(yè)內(nèi)一個(gè)共性復(fù)雜工程問題為例：隨鉆測(cè)量（Measurement While Drilling， MWD）與數(shù)據(jù)傳輸[11]。

MWD是定向鉆井中一種先進(jìn)的技術(shù)手段，可以不間斷定向鉆進(jìn)而測(cè)量近鉆頭地層信息，并將信息即刻傳送到地表的過程。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)較電纜測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)時(shí)進(jìn)行地層評(píng)價(jià)和鉆井地質(zhì)導(dǎo)向，在解決水平井或大斜度井、困難測(cè)井環(huán)境等的地層評(píng)價(jià)問題方面，展現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是在地層剛鉆井后不久測(cè)量得到的，此時(shí)地層還未受到鉆井液污染或侵入尚淺，測(cè)井響應(yīng)受鉆井液侵入影響小，能較真實(shí)地反映原始地層特性。隨鉆測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸方式一般包含兩種：有線和無(wú)線方式，如圖2所示。

三、復(fù)雜工程問題在教學(xué)環(huán)節(jié)中的布局

畢業(yè)要求是復(fù)雜工程問題在教學(xué)環(huán)節(jié)中布局的“指揮棒”，而教學(xué)體系（包括課程和實(shí)踐教學(xué)）是實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求的。因而“復(fù)雜工程問題”最終都要落實(shí)于相關(guān)的課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)[12]。

將復(fù)雜工程問題布局到教學(xué)環(huán)節(jié)中的方式如表2所示。復(fù)雜工程問題可以分解成多個(gè)子問題，每個(gè)子問題又可以落實(shí)到具體教學(xué)環(huán)節(jié)，所以依據(jù)畢業(yè)要求的層次性，分解復(fù)雜工程問題并設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)遵循三個(gè)原則：對(duì)應(yīng)原則，層次原則和支撐原則。

復(fù)雜工程問題的教學(xué)布局與實(shí)施步驟如下：

（1）問題設(shè)計(jì)，提出本專業(yè)共性的“復(fù)雜工程問題”;（2）課程布局，安排能支撐子問題的教學(xué)環(huán)節(jié);（3）教學(xué)實(shí)施，在課程大綱中必須明確說明能夠支撐具體復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)、方法和考核方式，并通過課程評(píng)價(jià)來(lái)證明課程目標(biāo)的達(dá)成。其中，課程評(píng)價(jià)主要通過教師自評(píng)、課程組評(píng)價(jià)與第三方評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式來(lái)完成。該評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)的主體包括任課教師、課程組負(fù)責(zé)人及督導(dǎo)組?？筛鶕?jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，形成閉環(huán)以提高教學(xué)質(zhì)量。

以隨鉆測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸為復(fù)雜工程問題實(shí)例。將隨鉆測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸這一復(fù)雜工程問題，按照通用標(biāo)準(zhǔn)的特征描述分解開來(lái)并做特征符合說明，以及分解點(diǎn)在教學(xué)環(huán)節(jié)中的布局。其所涉及的知識(shí)點(diǎn)將分解在每門課程中，具體如表3所示。例如，針對(duì)特征1可分解為：

（1）井斜、方位、工具面和溫度等參數(shù)測(cè)量，在確定井下傳感器選型及參數(shù)測(cè)量時(shí)需具備相應(yīng)傳感器工作原理，并考慮工作環(huán)境因素對(duì)井下特殊環(huán)境中信號(hào)拾取進(jìn)行分析，其支撐課程為《傳感器原理》。

（2）誤差放大器、低通濾波器，涉及信號(hào)電壓放大及濾波原理，支撐課程為《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》。

（3）井下與地面通信，涉及數(shù)據(jù)異步傳輸工作原理和電磁干擾與抗干擾技術(shù)，課程布局為《數(shù)字傳輸原理與系統(tǒng)》。

（4）地面信號(hào)檢測(cè)，涉及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，課程布局為《數(shù)字信號(hào)處理》。

（5）井下儀器控制，涉及自動(dòng)控制工作原理相關(guān)知識(shí)，課程布局為《自動(dòng)控制原理》。

再如特征3，需要對(duì)井下信號(hào)建立模型，從非電量到電量的物理量模型轉(zhuǎn)化，該過程中涉及模型抽象并存在創(chuàng)新的可能，其支撐課程有《測(cè)井儀器方法及原理》和《數(shù)字信號(hào)處理》。另外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)也是圍繞解決復(fù)雜工程問題開展的，由于篇幅有限，在此不再贅述。

總之，提煉出反映專業(yè)特質(zhì)的復(fù)雜工程問題并將其分解布局到教學(xué)環(huán)節(jié)中，是“知”的層面。在具體的教學(xué)活動(dòng)中，如何體現(xiàn)復(fù)雜工程問題并將之付諸于工程實(shí)踐之中，是“行”的層面。

四、復(fù)雜工程問題在教學(xué)過程中的實(shí)施

根據(jù)本專業(yè)復(fù)雜工程問題及教學(xué)布局制定合理的教學(xué)大綱是保障教學(xué)實(shí)施的重要基礎(chǔ)，是復(fù)雜工程問題在教學(xué)中達(dá)到“知行合一”境界的重要一環(huán)。教學(xué)大綱是教師與學(xué)生之間的“契約”，它必須明確地包含以下幾點(diǎn)：教什么？通過什么方式教？能夠得到什么？得到的程度如何？除此之外，還需要考慮以下幾個(gè)問題：（1）教學(xué)大綱由誰(shuí)制定、評(píng)審？（2）課程目標(biāo)必須明確表述培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題的哪些能力。（3）如何安排對(duì)應(yīng)相關(guān)子問題的教學(xué)內(nèi)容？（4）采用何種教學(xué)方法？（5）相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容如何評(píng)價(jià)？

這些問題都是具體問題，因課程的不同而不同，應(yīng)遵循實(shí)事求是，因材施教，具體問題具體分析的原則。當(dāng)然，復(fù)雜工程問題和對(duì)應(yīng)的教學(xué)大綱都不是一成不變的。隨著知識(shí)和技術(shù)的更新，依據(jù)社會(huì)和行業(yè)發(fā)展需求，持續(xù)改進(jìn)本專業(yè)的復(fù)雜工程問題，修訂教學(xué)大綱以適應(yīng)人才培養(yǎng)需求的發(fā)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著堅(jiān)持以本為本，推進(jìn)四個(gè)回歸教育理念的提出和工程教育認(rèn)證工作的開展，建設(shè)工程性人才培養(yǎng)機(jī)制以匹配國(guó)家發(fā)展趨勢(shì)和人才需求。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的意識(shí)和方法是重要的一部分。OBE教學(xué)模式的關(guān)鍵點(diǎn)在于明確了教學(xué)活動(dòng)中所有可衡量和可評(píng)價(jià)的教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)環(huán)節(jié)又服務(wù)于畢業(yè)要求能力的培養(yǎng)。這對(duì)科學(xué)合理地評(píng)價(jià)教學(xué)質(zhì)量、持續(xù)地改進(jìn)教學(xué)具有重要意義。鑒于此，在人才培養(yǎng)過程中需要深刻理解和把握復(fù)雜工程問題，并精心設(shè)計(jì)、周密布局與有效實(shí)施復(fù)雜工程問題。結(jié)合本專業(yè)工程認(rèn)證的實(shí)際工作探討了上述問題，以期為“復(fù)雜工程問題”的教學(xué)體系改革提供參考。

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