培養(yǎng)高校工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索與實踐

路世青 何苗 袁博 黎波 丁軍

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7727

摘? 要：復(fù)雜工程問題的解決能力是高校工程類專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)具備的核心能力，項目驅(qū)動式教學(xué)模式符合復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)的規(guī)律和路徑。以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo)，結(jié)合高校機械類專業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計課程，分析了教學(xué)改革中存在的重點問題。研究了利用項目驅(qū)動式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力過程中教學(xué)案例的構(gòu)建方法、教學(xué)組織設(shè)計及教學(xué)評價方法。在機械創(chuàng)新設(shè)計課程教學(xué)中實施與驗證，取得了較好效果，為相關(guān)課程的教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題? 項目驅(qū)動? 機械創(chuàng)新設(shè)計? 教學(xué)組織設(shè)計? 教學(xué)評價

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0129-04

The exploration and practice? in Cultivating students' ability to solve complex engineering problems

——Taking the course of Mechanical Innovation Design as an example

LU Shiqing? HE Miao? YUAN Bo? LI Bo? DING Jun

（College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing， 400054 China）

Abstract： The ability of solving complex engineering problems is the core ability that college engineering graduates should have. The project-driven teaching mode conforms to the law and path of cultivating students' ability to solve complex engineering problems. With the goal of cultivating students' ability to solve complex engineering problems， and based on the course of mechanical innovation design， the key problems existing in the educational reform are analyzed. The teaching mode of project-driven to cultivate students' ability to solve complex engineering problems is discussed. The methods of teaching case construction， instructional design and teaching evaluation have been studied and put into practice. This study has obtained good effect on teaching， and provides a reference for related courses.

Key Words： Complex engineering problems; Project driven; Mechanical innovative design; Instructional design; Teaching evaluation

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，是當(dāng)前我國高校開展工程教育專業(yè)認證的基本要求[1]，也是新形勢下經(jīng)濟社會發(fā)展對現(xiàn)代工程教育提出的新的要求。因此，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，應(yīng)作為一種目標(biāo)背景和規(guī)格主線，貫穿于各類課程教學(xué)的全過程。這就要求教學(xué)過程應(yīng)該從傳統(tǒng)的單純按照內(nèi)容分工方式轉(zhuǎn)向按照能力培養(yǎng)的方式進行。其中，項目驅(qū)動式教學(xué)模式是實現(xiàn)這一教學(xué)過程轉(zhuǎn)變的主要途徑之一。項目驅(qū)動式教學(xué)即教師借助項目的拓展進行課程教學(xué)的方法。項目驅(qū)動式教學(xué)的特點是以學(xué)生為中心，以項目為載體，以問題為導(dǎo)向。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過采取各種靈活和個性化的學(xué)習(xí)方式，激勵和引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，并且通過查閱資料、動手實踐、綜合分析等過程，最終解決問題并得出結(jié)論[2]。項目驅(qū)動式教學(xué)符合復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)和形成的規(guī)律和路徑，是傳統(tǒng)教學(xué)方式所不具備的。

《機械創(chuàng)新設(shè)計》是我國高校機械類專業(yè)學(xué)生進行素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的專業(yè)課程。該課程開設(shè)時間、課程內(nèi)容體系，以及綜合性、實踐性強的特點都適合在教學(xué)中植入高等級的復(fù)雜工程問題。本校本課程開設(shè)以來，一直采用項目驅(qū)動式教學(xué)模式，教學(xué)設(shè)計注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的能力，教學(xué)過程中除了教師對機械設(shè)計創(chuàng)新思維與技法的針對性講解外，還包括工程案例研討、項目方案設(shè)計和項目答辯等項目訓(xùn)練環(huán)節(jié)，使學(xué)生在解決工程問題的過程中學(xué)習(xí)到知識和研究方法，獲得多方面豐富的體驗。本文分析探討了機械創(chuàng)新設(shè)計課程教學(xué)過程中進行復(fù)雜工程問題的案例庫建設(shè)、教學(xué)設(shè)計、課程評價體系的優(yōu)化等問題。

1? 基于解決復(fù)雜工程問題能力的課程改革重點問題

隨著我國高校不斷推進工程教育專業(yè)認證，工程類專業(yè)教師認識到建立復(fù)雜工程問題案例庫以支撐課程教學(xué)的重要性及緊迫性，但由于很多課程教師在工程實踐方面的參與度有限，課程又缺少企業(yè)專家深度參與等，很難在短時間內(nèi)提煉出典型的、足夠多的復(fù)雜工程問題并反饋到課程教學(xué)各環(huán)節(jié)，導(dǎo)致在開展教學(xué)過程中，尤其是在項目驅(qū)動式教學(xué)時學(xué)生開展項目訓(xùn)練受到很大限制。其次，由于新形勢下企業(yè)技術(shù)需求更新比較快，復(fù)雜工程問題也需要同步更新。復(fù)雜工程問題儲備的不足直接影響到課程教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容的改革。

同時，很多工程類專業(yè)在開展專業(yè)認證以前，由于缺乏對畢業(yè)要求及各課程目標(biāo)的理解與整體規(guī)劃，各門課程教學(xué)設(shè)計“自成體系”的問題比較嚴重，造成教學(xué)設(shè)計與復(fù)雜工程問題融合不夠，也導(dǎo)致“培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力”教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)受到很大影響。

另外，在復(fù)雜工程問題融入課程教學(xué)后，如何合理分解具備“復(fù)雜工程問題”特征的指標(biāo)點并進行合理的“能力”達成度考核，目前可參考的研究成果還較少。同時，很多課程還缺少形成性評價過程，導(dǎo)致未及時獲得教學(xué)過程中學(xué)生的連續(xù)反饋，對開展進一步的教學(xué)改革及持續(xù)改進工作造成阻礙。上述問題都是在開展項目驅(qū)動式教學(xué)改革中需要不斷探索和解決的重點問題。

2? 機械創(chuàng)新設(shè)計項目驅(qū)動式教學(xué)整體設(shè)計

以工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)下的機械創(chuàng)新設(shè)計課程教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點，通過開展企業(yè)調(diào)查、社會調(diào)查并結(jié)合專家咨詢等方式，進行典型復(fù)雜工程問題案例的歸納、提煉、修改與補充，構(gòu)建課程典型復(fù)雜工程問題案例庫。在開展項目驅(qū)動式的課堂教學(xué)過程中，注重問題情境的引入，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，進而構(gòu)建并不斷完善學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境。通過形成性評價與終結(jié)性評價結(jié)合的方式，完善課程的評價體系，并根據(jù)評價結(jié)果，對課程教學(xué)設(shè)計、案例庫更新、教學(xué)目標(biāo)等進行持續(xù)改進。機械創(chuàng)新設(shè)計課程的項目驅(qū)動式教學(xué)模式與實施的整體思路如圖1所示。

3? 復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵及其案例庫的構(gòu)建

要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，必須首先深入理解“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵。根據(jù)我國工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)對“復(fù)雜工程問題”的界定，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜工程問題包含“復(fù)雜”和“工程”兩個方面的內(nèi)涵?！皬?fù)雜”指的不僅是從技術(shù)層面上難于理解或分析，更多是指問題涉及多個范疇以及多因素混合帶來的沖突，從而導(dǎo)致問題沒有規(guī)定的答案，也沒有約定的解決方法，從而要求培養(yǎng)學(xué)生從復(fù)雜的問題中找出最優(yōu)解決方案的能力?！肮こ獭笔侵笇W(xué)生在解決問題過程中能夠綜合地、有目的性地應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和專業(yè)知識，以及相關(guān)技術(shù)和技能，同時還要考慮到社會、環(huán)境等各方面因素的優(yōu)化和平衡，因此復(fù)雜工程問題的解決一般需要較多的人力、物力及團隊協(xié)作才能完成[3]。

合理的復(fù)雜工程問題設(shè)計是課程教學(xué)中必須重視的首要工作。復(fù)雜工程問題的層次應(yīng)符合學(xué)校及專業(yè)人才培養(yǎng)的定位，同時還要符合工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)的界定。根據(jù)工程教育專業(yè)認證的要求，復(fù)雜工程問題要具備7個基本特征，主要包括深入的工程原理、多因素的干預(yù)、方法與模型的復(fù)雜性、利益的多樣性、問題的綜合性等幾方面[4]。因此，在教學(xué)過程中設(shè)計復(fù)雜工程問題案例時，要從工程問題的真實性、復(fù)雜性梯度[5]、學(xué)生狀態(tài)等方面綜合分析，要緊密圍繞企業(yè)需求和社會需求的原則，在引入復(fù)雜工程問題時要強調(diào)工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化與執(zhí)行力的培養(yǎng)，要強調(diào)創(chuàng)新力的培養(yǎng)。

機械創(chuàng)新設(shè)計課程組教師通過深入企業(yè)調(diào)研、社會調(diào)查等方式，收集、整理了大量具有典型代表性及前瞻性的復(fù)雜工程問題，結(jié)合本課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)組織形式，對復(fù)雜工程問題進行篩選、提煉及修改，建立了復(fù)雜工程問題的典型案例庫，并以每學(xué)期持續(xù)改進的方式進行案例庫建設(shè)，為機械創(chuàng)新設(shè)計項目驅(qū)動式教學(xué)的組織開展提供源源不斷的項目案例支持。

4? 教學(xué)組織優(yōu)化設(shè)計

“復(fù)雜工程問題”是項目驅(qū)動式教學(xué)組織中設(shè)計的“問題”，同時，通過項目驅(qū)動式這種教學(xué)及學(xué)習(xí)方式能夠達到解決復(fù)雜工程問題的“目的”。因此，教學(xué)組織設(shè)計與復(fù)雜工程問題之間存在著雙向關(guān)系。教學(xué)組織設(shè)計要緊密圍繞復(fù)雜工程問題展開，設(shè)計復(fù)雜工程問題引入的情境[6]，并不斷優(yōu)化課程解決復(fù)雜工程問題的教學(xué)組織設(shè)計，拓展解決復(fù)雜工程問題的學(xué)習(xí)環(huán)境，使復(fù)雜工程問題與課程教學(xué)活動產(chǎn)生深度融合的效果。

以機械創(chuàng)新設(shè)計課程為例，依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐基地、校內(nèi)工程訓(xùn)練中心、專業(yè)實驗室等實踐教學(xué)平臺，結(jié)合仿真模型、多媒體演示，以及機械專業(yè)前沿發(fā)展報告等渠道，以“新型機構(gòu)設(shè)計”“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計”等問題為導(dǎo)向，通過一系列與復(fù)雜工程問題相關(guān)的子問題，構(gòu)建了整個復(fù)雜工程問題的情境，著重培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，從而激發(fā)學(xué)生的項目設(shè)計興趣。

對課程講授內(nèi)容和講授方式也進行了優(yōu)化。課程中創(chuàng)新思維特征、TRIZ理論、實例剖析等難點問題進行課堂講授，基本創(chuàng)新技法、機構(gòu)組合、造型創(chuàng)新等內(nèi)容利用專題討論、師生互動等方式開展，項目訓(xùn)練環(huán)節(jié)通過合作學(xué)習(xí)、教師解惑、學(xué)生展示并答辯的方式完成。教學(xué)組織中既要注重與教學(xué)各環(huán)節(jié)相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜工程問題的引入，又要注重篩選學(xué)生在分析和解決復(fù)雜工程問題中遇到的普遍性問題并進行分析解答。

教學(xué)組織中要考慮為學(xué)生解決復(fù)雜工程問題創(chuàng)造良好學(xué)習(xí)環(huán)境。機械創(chuàng)新設(shè)計課程從學(xué)習(xí)資源與人際關(guān)系兩方面進行了建設(shè)。課程組教師整理了與專業(yè)信息資源（各類專業(yè)數(shù)據(jù)庫）、課程相關(guān)資源（課件、文獻資料、MOOCs）、專業(yè)現(xiàn)代工具（Solidworks、Adams）等學(xué)習(xí)資源。同時，通過QQ群、微信公眾號等方式，為學(xué)生建立了與同學(xué)、教師及其他與解決復(fù)雜工程問題相關(guān)人員之間的人際交往渠道，使學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題過程中能夠得到及時、有效的幫助。

5? 課程評價方法

課程評價的目的是為了改進教學(xué)，即通過閉環(huán)反饋來保證教學(xué)活動始終不偏離教學(xué)目標(biāo)并促進目標(biāo)更好達成。復(fù)雜工程問題融入課程教學(xué)后，通過合理分解具備“復(fù)雜工程問題”特征的指標(biāo)點并設(shè)計合理的“能力”達成度考核方式，結(jié)合形成性評價，及時獲得教學(xué)過程中學(xué)生的連續(xù)反饋。項目驅(qū)動式教學(xué)模式下課程評價體系要體現(xiàn)“項目訓(xùn)練”全過程的能力指標(biāo)，并著重突出課程設(shè)定的解決復(fù)雜工程問題能力的指標(biāo)。

機械創(chuàng)新設(shè)計課程圍繞“復(fù)雜工程問題”，在項目驅(qū)動式教學(xué)模式下，注重從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到解決問題全過程能力的培養(yǎng)，采用了全過程評價方式。課程評價體系突出設(shè)定的復(fù)雜工程問題能力考核指標(biāo)，建立了每一個指標(biāo)相應(yīng)的考核目標(biāo)，并根據(jù)課程目標(biāo)給予不同權(quán)重的量化分值。結(jié)合課程已建立的“平時作業(yè)”“設(shè)計方案”“項目答辯”等考核指標(biāo)，共同夠成課程的終結(jié)性評價體系;同時，為了獲得更好的課程持續(xù)改進支持，建立了形成性評價體系。結(jié)合機械創(chuàng)新設(shè)計課程目標(biāo)，重點在學(xué)習(xí)自主性、溝通合作能力、小組團隊管理等方面做出發(fā)展性評價，幫助學(xué)生規(guī)范學(xué)習(xí)過程，提升信心與合作精神，并通過“細致觀察”“交流談話”“問卷調(diào)查”等方式，廣泛征集、分析、梳理學(xué)生的意愿、要求、意見等，對教學(xué)各環(huán)節(jié)進行形成性評價，獲得教學(xué)全過程反饋，明確了教學(xué)持續(xù)改進的目標(biāo)和策略。

6? 實施效果

本校機械創(chuàng)新設(shè)計課程開課多年以來，堅持以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向，不斷探索、實踐項目驅(qū)動式教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，開展自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)。課程教學(xué)中設(shè)置的“機電液系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計”等項目訓(xùn)練環(huán)節(jié)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，在項目訓(xùn)練過程中也培養(yǎng)了學(xué)生團隊合作意識、溝通交流能力和自主學(xué)習(xí)能力。課程建設(shè)取得了較好的效果，涌現(xiàn)出許多的優(yōu)秀學(xué)生作品。僅上一學(xué)年依托該課程學(xué)生取得的成果中，已有7個學(xué)生小組取得了學(xué)校的大學(xué)生科研立項資助，12個小組參加了全國大學(xué)生“機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”，獲得全國一等獎、二等獎各1項，省部級獎多項，其中5個小組設(shè)計作品還申報了國家專利。整體來說，課程的課堂教學(xué)與課外實踐環(huán)節(jié)都有效培養(yǎng)提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，很好地達成了課程教學(xué)目標(biāo)，也促成了專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

7? 結(jié)語

探索實踐了面向復(fù)雜工程問題的項目驅(qū)動式課程教學(xué)模式，相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，該模式具有“復(fù)雜工程問題貫穿教學(xué)始終，教師講授與學(xué)生項目實踐并重，教學(xué)評價系統(tǒng)科學(xué)”的特點，能夠較全面培養(yǎng)提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是一項系統(tǒng)工程，不是僅僅靠一兩門課程所能達到的，必須將“復(fù)雜工程問題”按照其復(fù)雜性梯度貫穿融入到專業(yè)人才培養(yǎng)的課程教學(xué)及實踐體系各環(huán)節(jié)，尤其是要重視在實踐性較強的專業(yè)課程中植入梯度等級較高的復(fù)雜工程問題。機械創(chuàng)新設(shè)計課程教學(xué)改革的方法與成果，為工程類專業(yè)各課程開展復(fù)雜工程問題的設(shè)計、教學(xué)設(shè)計、課程評價等方面提供方法支持，對其他課程相關(guān)教學(xué)改革也有一定的借鑒作用。

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