基于解決復(fù)雜工程問(wèn)題的課程教學(xué)實(shí)踐

高秀華 袁國(guó) 邱春林 張曉明

摘 要 培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力是工程教育中一個(gè)重要方面。本文論述了復(fù)雜工程問(wèn)題的特征要求，介紹了材料成形工藝學(xué)課程中基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐，開(kāi)展復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的評(píng)價(jià)措施。這種課程改革方式促進(jìn)了材料成型及控制工程專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，促進(jìn)了本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成度的達(dá)成。

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目學(xué)習(xí) 復(fù)雜工程問(wèn)題 教學(xué)實(shí)踐 工程教育認(rèn)證

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.03.048

Teaching Practice Based on Solving Complex Engineering Problems

GAO Xiuhua， YUAN Guo， QIU Chunlin， ZHANG Xiaoming

（State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract It is an important to cultivate students' ability of solving complex engineering problems in engineering education. This paper discussed the characteristics and requirements of complex engineering problems， introduced the practice of cultivating college students' complex engineering problems based on project learning in the course of material forming technology， and the evaluation measures for developing the ability of solving complex engineering problems. This kind of curriculum reform promoted the cultivation of the ability of solving complex engineering problems for undergraduates majoring in material forming and control engineering， and also promotes the achievement of graduation requirements of students in this major.

Keywords project learning; complex engineering problems; teaching practice; engineering education certification

隨著我國(guó)加入華盛頓協(xié)議，工程教育認(rèn)證工作在我國(guó)高等院校已進(jìn)入如火如荼的階段。工程教育認(rèn)證對(duì)于提升我國(guó)高等教育質(zhì)量具有非常重要的意義，是國(guó)際工程教育學(xué)歷互相任課的前提。通過(guò)申請(qǐng)工程教育專業(yè)認(rèn)證，可以進(jìn)一步推進(jìn)工程教育標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè)，建立有效的教育質(zhì)量保障體系，促進(jìn)工程專業(yè)建設(shè)持續(xù)發(fā)展。[1-3]東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)其前身金屬壓力加工專業(yè)始建于1950年，是全國(guó)高等學(xué)校特色專業(yè)，在長(zhǎng)期辦學(xué)過(guò)程中逐漸形成了自己的特色，2011年材料成型及控制工程專業(yè)進(jìn)入卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，2012年通過(guò)了國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證，[4-5]這對(duì)于我校材料成型及控制工程專業(yè)的發(fā)展和一流學(xué)科建設(shè)具有指導(dǎo)意義，2019年本專業(yè)獲批國(guó)家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，工程教育認(rèn)證工作進(jìn)一步助推了本專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。

工程教育認(rèn)證中，培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力是一個(gè)新的突出特點(diǎn)，將學(xué)生工程能力的培養(yǎng)提高到了十分重要的位置，凸顯了對(duì)工程能力培養(yǎng)的高度重視，如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力是工程教育畢業(yè)要求的重要方面。材料成形工藝學(xué)課程是本專業(yè)重要的平臺(tái)課程之一，多年來(lái)一直在積極探索如何在課程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，探索新的教學(xué)方法，改進(jìn)考核評(píng)價(jià)方式等。這些探索對(duì)于培養(yǎng)大批材料成型及控制工程專業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型本科人才起到了很好的推動(dòng)作用，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高，對(duì)加強(qiáng)畢業(yè)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要意義。

1 復(fù)雜工程問(wèn)題具備特征

培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，需要首先明確什么是符合本校材料成型及控制工程問(wèn)題的復(fù)雜工程問(wèn)題特征，并且在材料成形工藝學(xué)課程中涉及和體現(xiàn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題具有明確的說(shuō)明，要求涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題必須具備特征1和部分或全部特征2-7。（1）復(fù)雜工程問(wèn)題是必須包含深入的工程原理，需要經(jīng)過(guò)深入細(xì)致地分析和細(xì)致地研究才可能得到解決。（2）復(fù)雜的工程問(wèn)題涉及很多方面的技術(shù)、工程以及其他因素等方面，并且這些因素會(huì)存在一定程度的沖突。（3）復(fù)雜工程問(wèn)題沒(méi)有明確的解決方案，需要建立一些抽象模型才能得以解決。（4）復(fù)雜工程問(wèn)題是并非一般常見(jiàn)的方法可以完全解決的問(wèn)題。（5）針對(duì)復(fù)雜工程涉及的因素，目前還沒(méi)有成熟的規(guī)范。（6）復(fù)雜工程問(wèn)題具有較高綜合性。（7）復(fù)雜工程問(wèn)題具有較高綜合性。

材料成型及控制工程專業(yè)涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題特性：（1）復(fù)雜工程問(wèn)題來(lái)源于金屬材料塑性加工過(guò)程中工程實(shí)際難題;（2）這些問(wèn)題是非線性、多因素;（3）沒(méi)有明顯的解決方案，需要深入分析和建立抽象的數(shù)學(xué)模型才得到解決;（4）針對(duì)某些復(fù)雜工程涉及的因素，目前還沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);（5）具有較高綜合性的問(wèn)題，涉及多門(mén)課程，無(wú)法一門(mén)課程得以解決。

2 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)課程的復(fù)雜工程問(wèn)題

材料成形工藝學(xué)（下）課程主要內(nèi)容包括軋制過(guò)程基本原理、工藝過(guò)程及成形規(guī)律，成形過(guò)程的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)計(jì)算方法，軋制過(guò)程力能、工藝參數(shù)計(jì)算，材料軋制過(guò)程工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，材料成形工具設(shè)計(jì)，高精度材料成形與質(zhì)量控制方法以及軋制新技術(shù)等。課程教學(xué)方法包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于復(fù)雜工程問(wèn)題培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)等等。教學(xué)過(guò)程中貫穿以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向工程認(rèn)證教育理念，確定了4個(gè)課程目標(biāo)，對(duì)應(yīng)3個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，分別是指標(biāo)點(diǎn)3.2、9.2和12.2。指標(biāo)點(diǎn)3.2能夠針對(duì)材料成形過(guò)程中的復(fù)雜工程問(wèn)題，確定明確的設(shè)計(jì)要求，提出設(shè)計(jì)的解決方案。指標(biāo)點(diǎn)9.2能在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用，承擔(dān)團(tuán)隊(duì)成員以及團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的角色。指標(biāo)點(diǎn)12.2具有終身學(xué)習(xí)的知識(shí)基礎(chǔ)，具有跟蹤本學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的能力。

在材料成形工藝學(xué)課程中涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題包括熱軋板帶、冷軋帶鋼、型材和管材產(chǎn)品軋制成形過(guò)程中產(chǎn)品形狀和質(zhì)量缺陷控制、工藝過(guò)程控制等等。例如熱軋板帶產(chǎn)品質(zhì)量控制：瓢曲、局部邊裂、翹皮和麻點(diǎn)缺陷、翹頭、板形不良、頭尾形狀不規(guī)則。冷軋帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量：邊裂缺陷、屈服紋、黑帶和粘結(jié)缺陷、“鐮刀彎”缺陷、“橘皮”和“褶皺”。型材質(zhì)量控制方面：冷鐓鋼開(kāi)裂現(xiàn)象、軸承鋼網(wǎng)狀碳化物、彈簧鋼脫碳原因;鋼管質(zhì)量控制：內(nèi)壁折疊缺陷、外圓內(nèi)多邊形缺陷和拉凹缺陷等質(zhì)量問(wèn)題。例1“某熱連軋廠采用半連續(xù)軋制方式，在生產(chǎn)3.5mm的板卷時(shí)發(fā)現(xiàn)存在邊浪缺陷。經(jīng)測(cè)量板卷邊部厚度出現(xiàn)了如下情況：距邊部40mm內(nèi)測(cè)量，其厚度較中部略厚，即并沒(méi)有出現(xiàn)邊部減薄現(xiàn)象。需要同學(xué)們根據(jù)從控制模型、工藝和設(shè)備多角度分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因及解決措施?！崩?“某中厚板企業(yè)采用雙機(jī)架生產(chǎn)中厚板，在生產(chǎn)過(guò)程中存在蛇形和翹頭等問(wèn)題?！崩?“某企業(yè)采用CDCM機(jī)組生產(chǎn)DC04冷軋鋼板，產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的單邊浪形，經(jīng)技術(shù)人員測(cè)量，鋼板橫向兩側(cè)厚度存在較大偏差。并且縱向厚度存在周期性變化，且在長(zhǎng)度方向上的波長(zhǎng)大約是工作輥徑的3倍。試從鋼鐵生產(chǎn)全流程分析其原因及解決措施?！贝笞鳂I(yè)所涉及的這些問(wèn)題均來(lái)自實(shí)際科研實(shí)踐或?qū)嶋H生產(chǎn)中遇到的典型問(wèn)題。學(xué)生并不能從書(shū)本上利用單一的知識(shí)單元來(lái)解決問(wèn)題，需要通過(guò)認(rèn)真思考，結(jié)合工藝、設(shè)備等知識(shí)綜合分析才能找到解決問(wèn)題的思路。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)能夠細(xì)致的梳理、有效的應(yīng)用，活學(xué)活用，大大提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.2 項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)踐

在教學(xué)過(guò)程中以提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，以學(xué)生成果為導(dǎo)向，以完成學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成度為目標(biāo)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，創(chuàng)新多種形式的教學(xué)方法。本課程在2015年引入了以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為主的項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題。以小組形式，每組由4～6名同學(xué)組成，在課下完成，每組一個(gè)命題，這些問(wèn)題都來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際遇到的難題以及共性問(wèn)題。具有復(fù)雜工程問(wèn)題特征。最終完成一個(gè)作品或者綜述論文，包括對(duì)問(wèn)題的描述，解決問(wèn)題方法以及提出解決方法等等。在完成綜述論文中，需要同學(xué)們靈活運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、材料成形力學(xué)、金屬學(xué)等相關(guān)知識(shí)，分析實(shí)際工程問(wèn)題，并提出解決措施。在完成大作業(yè)過(guò)程中，小組成員要明確各自承擔(dān)的任務(wù)和責(zé)任，開(kāi)展多次小組討論，共同協(xié)作完成最終作品，最終以PPT形式在課堂進(jìn)行匯報(bào)和回答評(píng)委提出的問(wèn)題。

通過(guò)這種大作業(yè)形式，調(diào)動(dòng)了每個(gè)小組同學(xué)的積極性，相互之間通過(guò)分工協(xié)作，在鍛煉獨(dú)立思考能力的同時(shí)，也提高了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，體會(huì)到了合作的重要性，形成了團(tuán)隊(duì)合作精神。在完成作業(yè)過(guò)程中學(xué)生積極性很高，并充分利用課余時(shí)間和指導(dǎo)老師溝通探討。除當(dāng)面交流外，也利用手機(jī)等現(xiàn)代通訊工具和老師交流研討，甚至爭(zhēng)論。此外，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，難免碰到學(xué)生思路出現(xiàn)嚴(yán)重偏離題目主旨的情況，這時(shí)教師可以及時(shí)引導(dǎo)和糾正，使學(xué)生的思路步入正軌，提高了學(xué)生利用所學(xué)到的知識(shí)解決復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題能力。

2.3 評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)

在連續(xù)6年項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，持續(xù)改進(jìn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制，進(jìn)行畢業(yè)要求達(dá)成度的評(píng)價(jià)與分析，進(jìn)而不斷改進(jìn)措施，提高學(xué)習(xí)效果。如2017年規(guī)范了作業(yè)格式要求，培養(yǎng)學(xué)生撰寫(xiě)科技論文的能力;2018年加入了組內(nèi)自評(píng)得分，根據(jù)完成過(guò)程中小組成員表現(xiàn)給出組內(nèi)自評(píng)分，充分考慮每個(gè)學(xué)生在小組中的貢獻(xiàn)度，調(diào)動(dòng)每位同學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)性、創(chuàng)造性，以便正確評(píng)估每位同學(xué)，給出合理的評(píng)價(jià)。2019年制定了大作業(yè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生考核更加客觀。目前最終成績(jī)中既包含作品內(nèi)容成績(jī)又包括現(xiàn)場(chǎng)答辯成績(jī)。現(xiàn)場(chǎng)答辯成績(jī)中即包含小組整體成績(jī)又含有個(gè)人成績(jī)。個(gè)人成績(jī)包含小組內(nèi)成員互評(píng)得分又包含指導(dǎo)教師給出成績(jī)。這種評(píng)價(jià)方式可以更加客觀地評(píng)價(jià)每位學(xué)生學(xué)習(xí)效果，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自覺(jué)性和創(chuàng)造性。并在基礎(chǔ)上建立了評(píng)價(jià)機(jī)制，制定了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，更加客觀準(zhǔn)確。在每次結(jié)束后都和同學(xué)們交流，反饋執(zhí)行過(guò)程中還存在的問(wèn)題情況;同時(shí)開(kāi)展形成性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)不足之處，持續(xù)改進(jìn)。

通過(guò)小組項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)形式，針對(duì)每個(gè)組對(duì)于工程實(shí)踐問(wèn)題完成度，評(píng)估學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握情況。這種方式鍛煉了同學(xué)們綜合分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)閱讀能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，小組成員團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)，為同學(xué)們后續(xù)開(kāi)展課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的學(xué)習(xí)奠定了良好基礎(chǔ)。這種大作業(yè)形式充分調(diào)動(dòng)了同學(xué)們學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)了理論知識(shí)、原理與工程實(shí)踐的結(jié)合，受到了同學(xué)們的歡迎和肯定。

3 課程思政實(shí)踐

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過(guò)程中引入典型思政案例，將思政元素與教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。通過(guò)思政元素案例，探尋把課程知識(shí)點(diǎn)和理想信念、奉獻(xiàn)精神和創(chuàng)新精神有機(jī)結(jié)合。增加教學(xué)的趣味性，實(shí)現(xiàn)育人潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的效果，讓專業(yè)課成為鑄魂育人的生動(dòng)課堂，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造。

小組項(xiàng)目學(xué)習(xí)的題目存在一定的難度，在完成過(guò)程中需要遇到多方面的復(fù)雜問(wèn)題，要對(duì)工藝?yán)碚摵蜕a(chǎn)實(shí)際都十分了解，做到全面掌握問(wèn)題的本質(zhì)才能完成，其過(guò)程是較為困難而且復(fù)雜的。在其中引入“超級(jí)鋼”、港珠澳大橋、建國(guó)70周年我國(guó)鋼鐵工業(yè)成就等思政元素激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷、創(chuàng)新精神、科學(xué)精神，培育創(chuàng)新底蘊(yùn)塑造創(chuàng)新思維，助力學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造。實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素質(zhì)三位一體式的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和高級(jí)思維。

4 結(jié)語(yǔ)

解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力是工科專業(yè)學(xué)生必備能力，本文總結(jié)了本課程在項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)以及考核評(píng)價(jià)方式。通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式提高了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，同時(shí)在文獻(xiàn)查閱能力、總結(jié)分析能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、科技寫(xiě)作能力、終身學(xué)習(xí)能力等方面獲得了提高，為材料成型及控制工程相關(guān)人才的能力培養(yǎng)提供了新思路。

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