依托科創(chuàng)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力

吳常鋮 費(fèi)飛 楊德華 朱永凱

摘要：本研究是在工程教育認(rèn)證背景下，以指導(dǎo)南京航空航天大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生參加科創(chuàng)項(xiàng)目為例，進(jìn)行以科創(chuàng)項(xiàng)目為契機(jī)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的探索。文章圍繞復(fù)雜工程問(wèn)題的特征，從選題、項(xiàng)目分析、項(xiàng)目指導(dǎo)等方面入手，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用多門課程知識(shí)來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題。探索過(guò)程有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)本專業(yè)知識(shí)的理解和應(yīng)用，提升其分析、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證;科創(chuàng)項(xiàng)目;復(fù)雜工程問(wèn)題

中圖分類號(hào)：

G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-5995（2021）01-0084-04

工程教育是我國(guó)高等教育的重要組成部分。工程教育專業(yè)認(rèn)證是保證教育質(zhì)量、提升教育國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)教育的國(guó)際互認(rèn)的重要舉措。我國(guó)自2016年加入《華盛頓協(xié)議》起就采用了國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程教育進(jìn)行認(rèn)證。截止2019年年底，我國(guó)已有240余所普通高校的1353個(gè)專業(yè)通過(guò)了工程教育認(rèn)證。

南京航空航天大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)于2017年通過(guò)專業(yè)認(rèn)證，將工程教育理念貫徹落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐中是進(jìn)一步促進(jìn)專業(yè)發(fā)展的重要手段，同時(shí)也是提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障。

復(fù)雜工程問(wèn)題是工程教育專業(yè)認(rèn)證重點(diǎn)考察的內(nèi)容之一，2018版公布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12條畢業(yè)要求中，有8條是涉及“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求。南京航空航天大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)中明確指出，本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具有分析和解決測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力[1]。這些充分說(shuō)明在教學(xué)中落實(shí)復(fù)雜工程問(wèn)題的必要性。

目前，我國(guó)全日制高等教育的教學(xué)活動(dòng)主要有理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩種形式。實(shí)踐是課堂理論教學(xué)的補(bǔ)充，能夠幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，是知識(shí)融會(huì)貫通的重要過(guò)程。參與科創(chuàng)項(xiàng)目是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的一個(gè)重要途徑，有目的地設(shè)立科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供綜合應(yīng)用多門課程知識(shí)來(lái)解決具體問(wèn)題的機(jī)會(huì)，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的重要途徑。本文面向南京航空航天大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生發(fā)布科創(chuàng)項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的探索。

一、復(fù)雜工程問(wèn)題簡(jiǎn)介

復(fù)雜工程問(wèn)題是工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求中的核心內(nèi)涵，具有如下七個(gè)特征：（1）必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決;（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)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(wèn)題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（6）問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題[2]。

二、 指導(dǎo)科創(chuàng)項(xiàng)目實(shí)踐

（一）選題

為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，學(xué)校每年定期遴選一批學(xué)有余力的本科生參與科創(chuàng)項(xiàng)目并提供經(jīng)費(fèi)支持。這些科創(chuàng)項(xiàng)目的來(lái)源分為學(xué)生自由探索選題和專業(yè)教師發(fā)布科創(chuàng)題目?jī)煞N形式。

本文進(jìn)行以科創(chuàng)項(xiàng)目為契機(jī)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的探索，由于學(xué)生自由探索選題大多以興趣為導(dǎo)向，不利于落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，因此，采用教師有目的性發(fā)布的科創(chuàng)題目來(lái)進(jìn)行探索。專業(yè)教師發(fā)布科創(chuàng)題目應(yīng)綜合考慮學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐能力，合理設(shè)置復(fù)雜工程問(wèn)題要素，同時(shí)為了激發(fā)學(xué)生的研究熱情，選題還應(yīng)結(jié)合當(dāng)前科技熱點(diǎn)。

此次探索圍繞機(jī)器人人機(jī)交互技術(shù)這一當(dāng)前研究熱點(diǎn)，面向本專業(yè)大三學(xué)生發(fā)布題為“面向人機(jī)交互的可穿戴數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)”的科創(chuàng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目組成框圖如圖1所示，主要包含以下任務(wù)：

1.采用彎曲電阻傳感器進(jìn)行手指彎曲角度的測(cè)量，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將手指的彎曲信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào);

2.選用自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)采集調(diào)理電路輸出的信號(hào)并將其通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給計(jì)算機(jī);

3.計(jì)算機(jī)上基于Unity3D平臺(tái)開發(fā)可視化人機(jī)交互軟件。

圖1項(xiàng)目組成框圖

（二）項(xiàng)目分析

由研究?jī)?nèi)容可知，該科創(chuàng)項(xiàng)目主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件兩個(gè)部分，涉及本專業(yè)的《傳感器原理》《模擬電子技術(shù)》《高等數(shù)學(xué)》《單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》《工程應(yīng)用軟件》等課程知識(shí)。依據(jù)復(fù)雜工程問(wèn)題的特征和學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)在項(xiàng)目中提煉出若干具有復(fù)雜工程問(wèn)題特征的典型問(wèn)題，如表1所示。

（三）項(xiàng)目指導(dǎo)

本文以調(diào)理電路設(shè)計(jì)中“如何設(shè)計(jì)電路參數(shù)，使得測(cè)量靈敏度最大化”為例，采用“問(wèn)題+分析指導(dǎo)”的形式引導(dǎo)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題。具體過(guò)程包括以下三個(gè)階段。

1.引導(dǎo)知識(shí)應(yīng)用，完成電路設(shè)計(jì)

問(wèn)題：本項(xiàng)目將彎曲電阻片作為傳感器進(jìn)行手指彎曲信息的測(cè)量，其測(cè)量原理是什么，如何設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路？

分析指導(dǎo)：

該傳感器具有阻值隨彎曲角度增加而增加的特點(diǎn)。根據(jù)傳感器的這一特點(diǎn)，可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用《電路》和《模擬電子技術(shù)》課程知識(shí)，設(shè)計(jì)基于串聯(lián)分壓、同相比例放大器、反相比例放大器等原理的多種信號(hào)調(diào)理電路。圖2所示為基于串聯(lián)分壓的信號(hào)調(diào)理電路，該電路的輸出為：

Vo=R0R0+RxVref（1）

其中，Vref為傳感器的供電電壓，Rx為傳感器的阻值，R0為分壓電阻。

2.建立數(shù)學(xué)模型，分析影響結(jié)果的因素

問(wèn)題：《傳感器原理》課程中指出，靈敏度是傳感器的一個(gè)重要靜態(tài)指標(biāo)。本項(xiàng)目中彎曲電阻用于測(cè)量手指的彎曲角度，那么它的靈敏度是多少、與哪些因素有關(guān)？

分析指導(dǎo)：

根據(jù)圖2所示的電路和靈敏度定義，建立彎曲角度測(cè)量靈敏度的數(shù)學(xué)模型為：

k=Vomax-Vominθmax-θmin=R0Vrefθmax-θmin（1R0+Rx_min-1R0+Rx_max）（2）

其中， Rx_min和Rx_max分別為手指伸直和完全彎曲時(shí)傳感器的阻值，θmin和θmax分別為手指的最小、最大彎曲角度。

由該模型可知：測(cè)量手指彎曲角度的靈敏度與供電電壓Vref和分壓電阻R0有關(guān)。

3.分析問(wèn)題本質(zhì)，尋求多種解決方案

問(wèn)題：由（2）可知，測(cè)量的靈敏度與多個(gè)電路參數(shù)有關(guān)，如何選擇電路參數(shù)，使得測(cè)量靈敏度最大？

分析指導(dǎo)：

該問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)函數(shù)求極致的問(wèn)題，本項(xiàng)目在指導(dǎo)學(xué)生過(guò)程中選擇了作圖法和求導(dǎo)法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。

方法一：作圖法

步驟1：取θmax=90°，θmin=0°，并分別測(cè)量電阻片伸直和彎曲90°時(shí)的電阻阻值。

步驟2：令Vref=1V，R0的取值從0開始，每間隔2kΩ取一個(gè)點(diǎn)，帶入式（2）求得測(cè)量靈敏度，并利用Matalb軟件繪制靈敏度與R0的關(guān)系曲線。

步驟3：分別令Vref=2/3/4/5V，重復(fù)步驟2，得到不同Vref下靈敏度與R0的關(guān)系曲線，如圖3所示。

步驟4：在圖3中挑選靈敏度最大的點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的R0及Vref即為調(diào)理電路的最優(yōu)參數(shù)。

方法二：求導(dǎo)法

由式（2）可知，測(cè)量靈敏度與Vref成線性關(guān)系，增大Vref可以提高傳感器的靈敏度。選定Vref后，靈敏度僅與R0有關(guān)，而且測(cè)量靈敏度與R0呈非線性關(guān)系。由《高等數(shù)學(xué)》可知，非線性函數(shù)的最大值出現(xiàn)在一階導(dǎo)數(shù)為0的位置。對(duì)式（2）求導(dǎo)數(shù)，得：

f （R0）=Vrefθmax-θminR0（R0+Rx_max）2

-R0（R0+Rx_min）2+1R0+Rx_min-1R0+Rx_max〗 （3）

令f （R0）=0，得R0=Rx_min×Rx_max，此時(shí)傳感器的測(cè)量靈敏度最大。

由上述分析可知，選定Vref后只需要測(cè)量出手指在伸直和完全彎曲時(shí)電阻片的阻值即可得到最優(yōu)的R0取值。將求得的R0帶入式（1），并令Vo≤AD轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，即可得到Vref的最優(yōu)取值。

4.指導(dǎo)要點(diǎn)

“如何設(shè)計(jì)電路參數(shù)，使得測(cè)量靈敏度最大化”具備了多個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題的特征，指導(dǎo)學(xué)生過(guò)程中應(yīng)著重幫助學(xué)生建立以下意識(shí)：

◆建立數(shù)學(xué)模型有助于分析問(wèn)題;

◆影響結(jié)果的因素往往是多個(gè)的，各因素間有可能存在相互制約;

◆解決問(wèn)題的方案不唯一;

◆分析解決問(wèn)題需要涉及多門課程的知識(shí)。

三、評(píng)價(jià)機(jī)制

常規(guī)的科創(chuàng)項(xiàng)目考核評(píng)價(jià)主要包括實(shí)物驗(yàn)收、設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯等幾個(gè)環(huán)節(jié)，并根據(jù)各環(huán)節(jié)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算項(xiàng)目最終得分。

除了常規(guī)考核環(huán)節(jié)外，此次探索中新增了“復(fù)雜工程問(wèn)題回應(yīng)表”的填寫分析環(huán)節(jié)，即項(xiàng)目完成后，學(xué)生填寫復(fù)雜工程問(wèn)題回應(yīng)表，要求分條目描述項(xiàng)目中符合復(fù)雜工程問(wèn)題特征的研究?jī)?nèi)容及相關(guān)解決方案。評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)學(xué)生填寫的條目數(shù)及內(nèi)容的正確性計(jì)算得分，并設(shè)置權(quán)重系數(shù)計(jì)入項(xiàng)目總分。

四、項(xiàng)目成效

（一）科創(chuàng)項(xiàng)目成果

圖4所示為學(xué)生完成科創(chuàng)項(xiàng)目過(guò)程中設(shè)計(jì)制作的數(shù)據(jù)手套及開發(fā)的人機(jī)交互軟件。

（二）探索效果

（1）科創(chuàng)項(xiàng)目中有目的性地設(shè)置復(fù)雜工程問(wèn)題，有助于學(xué)生建立復(fù)雜工程問(wèn)題的意識(shí)。

（2）項(xiàng)目指導(dǎo)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行建模分析，有助于提升學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（3）評(píng)價(jià)機(jī)制引入復(fù)雜工程問(wèn)題回應(yīng)表，有利于了解學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)情況，為后續(xù)設(shè)立科創(chuàng)項(xiàng)目和科創(chuàng)指導(dǎo)提供依據(jù)。

五、結(jié)論

本文以指導(dǎo)南京航空航天大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生參與科創(chuàng)項(xiàng)目為例，進(jìn)行提升學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的探索。在介紹復(fù)雜工程問(wèn)題特征的基礎(chǔ)上，從科創(chuàng)項(xiàng)目選題、項(xiàng)目分析、指導(dǎo)過(guò)程、評(píng)價(jià)機(jī)制等幾方面進(jìn)行實(shí)踐探索，突出學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)和評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

吳常鋮，費(fèi)飛，楊德華，朱永凱.強(qiáng)調(diào)課程目標(biāo)和復(fù)雜工程問(wèn)題的“嵌入式測(cè)控系統(tǒng)”課程改革[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2020（3），65-67.

[2]工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（試行） [EB/OL]. http：//www. moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3861/201110/125 419.html.

Cultivating Students ?Ability to Solve Complex Engineering Problems in

Science and Innovation Project

Wu Chang-cheng， Fei Fei， Yang De-hua， Zhu Yong-kai

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu 211106）

Abstract：

Under the background of engineering education certification， this paper takes the junior students majoring in measurement and control technology and instrument of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics participate in the scientific innovation project as an example to explore how to train the students ?ability of solving complex engineering problems. The exploration process focuses on the characteristics of complex engineering problems， and starts from the aspects of topic selection， project analysis and implementation， etc.， to guide students to comprehensively apply the knowledge of multiple courses to solve practical engineering problems. The exploration process of this paper is conducive to promoting the students ?understanding and application of knowledge and improving their ability to analyze and solve complex engineering problems.

Keywords：

engineering education certification; science and innovation project; complex engineering problems