以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向的工科課程教學(xué)模式研究

趙秀栩，木尼布，付 鈺

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，社會(huì)需要大量具有扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)和能綜合運(yùn)用多種工程技術(shù)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的人才。新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命催生出了許多與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不同的新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)模式，也產(chǎn)生了許多用傳統(tǒng)工程方法難以單獨(dú)解決的復(fù)雜工程問(wèn)題。這類(lèi)工程問(wèn)題包含十分龐雜的要素，各要素之間具有強(qiáng)烈的非線性相互作用，這對(duì)工程教育提出了新的要求[1]。根據(jù)《華盛頓協(xié)議》，工程專業(yè)要通過(guò)工程教育認(rèn)證的條件是必須按照國(guó)際實(shí)質(zhì)等效原則來(lái)培養(yǎng)學(xué)生，并使其具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[2]。

但是，當(dāng)前的工程類(lèi)專業(yè)課程教學(xué)存在著幾個(gè)突出問(wèn)題，與新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略需求相矛盾。這些問(wèn)題主要包括：（1）目前的專業(yè)課程內(nèi)容是以工具為導(dǎo)向而不是以具體的工程問(wèn)題為導(dǎo)向，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)課程內(nèi)容時(shí)，有意識(shí)地將工具和方法從特定的問(wèn)題中抽象出來(lái)，以使方法和工具更具普遍性，但是卻導(dǎo)致了實(shí)際的教學(xué)重點(diǎn)從問(wèn)題本身向機(jī)械性的工具轉(zhuǎn)變，缺乏專門(mén)設(shè)計(jì)和傳授學(xué)生如何將課程中所學(xué)的知識(shí)用來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的手段；（2）各課程之間通常缺少聯(lián)系，使學(xué)生難以將所學(xué)課程知識(shí)用來(lái)解決具體問(wèn)題，例如，學(xué)生通常不能將其在運(yùn)籌學(xué)中所學(xué)的線性規(guī)劃知識(shí)用來(lái)表達(dá)并解決復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)管理問(wèn)題[3]。課程設(shè)計(jì)局限于理論知識(shí)的講授，缺乏與實(shí)際工程問(wèn)題之間的聯(lián)系，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和解決能力都相對(duì)不足[4]。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文以培養(yǎng)工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力為目標(biāo)，提出一種新的工科課程教學(xué)模式，并以工業(yè)工程專業(yè)的“單元制造理論與方法”課程為例進(jìn)行應(yīng)用和實(shí)踐。

1 復(fù)雜工程問(wèn)題的特征分析

復(fù)雜工程問(wèn)題主要包括工程知識(shí)、學(xué)科（專業(yè)范疇）、綜合因素（包括社會(huì)問(wèn)題）及解決手段等要素[5]。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證工作指南，“復(fù)雜工程問(wèn)題”除了應(yīng)具備基本特征之外，還應(yīng)同時(shí)具備多項(xiàng)非必備特征，其具體要求如表1所示。

表1 復(fù)雜工程問(wèn)題的特征

2 實(shí)例研究

2.1 課程樣本選取

下面選取工業(yè)工程專業(yè)本科課程“單元制造理論與方法”為樣本進(jìn)行研究。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，能夠掌握成組技術(shù)的原理，充分利用被加工對(duì)象之間的相似性進(jìn)行產(chǎn)品族的劃分，按照合理的分類(lèi)準(zhǔn)則組織制造單元，通過(guò)制造單元的設(shè)計(jì)與布局，使得同一類(lèi)產(chǎn)品能夠采用同一方法進(jìn)行處理，以便在滿足客戶多樣化需求的同時(shí)最大程度地提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，以近似批量生產(chǎn)的成本來(lái)生產(chǎn)多品種少批量產(chǎn)品[6]。通過(guò)對(duì)相關(guān)案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠把在其他專業(yè)課程中（如生產(chǎn)計(jì)劃與控制、設(shè)施規(guī)劃、先進(jìn)制造技術(shù)等）學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)融入到解決相應(yīng)的工程問(wèn)題當(dāng)中。通過(guò)其中各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)逐步引導(dǎo)學(xué)生將課程中所學(xué)到的理論知識(shí)、方法和工具應(yīng)用于分析和解決問(wèn)題的具體過(guò)程中。

根據(jù)工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和定位，其中所涉及的復(fù)雜工程問(wèn)題應(yīng)當(dāng)是與工程實(shí)際需求相關(guān)并涉及工程技術(shù)多個(gè)方面的因素，具有非線性、不確定性、復(fù)雜性和綜合性，必須運(yùn)用相關(guān)的工程原理、采用多學(xué)科融合的方法、通過(guò)合適的抽象模型才能得以解決；要求學(xué)生應(yīng)具備提出問(wèn)題和通過(guò)文獻(xiàn)查閱分析問(wèn)題的能力，能夠綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)和方法分析問(wèn)題，能夠以科學(xué)原理為依據(jù)并采用多種技術(shù)工具解決問(wèn)題，能夠在解決復(fù)雜工程問(wèn)題的過(guò)程中開(kāi)展有效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、進(jìn)行有效的溝通、表達(dá)和展示。

2.2 課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的課程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以知識(shí)點(diǎn)為主，分布在各個(gè)章節(jié)中的單個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)通常與一個(gè)簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題相對(duì)應(yīng)，通過(guò)這些問(wèn)題讓學(xué)生了解相關(guān)工具和方法。但是，由于各個(gè)工程問(wèn)題較為獨(dú)立，未形成一定的連續(xù)性，使得學(xué)生難以形成系統(tǒng)觀。因此，在以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力為導(dǎo)向進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要為學(xué)生提供來(lái)自工程實(shí)際中的典型問(wèn)題，還要設(shè)法讓解決問(wèn)題的過(guò)程與課程知識(shí)點(diǎn)有機(jī)融合，使各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)、問(wèn)題連貫，并設(shè)計(jì)與課程內(nèi)容、工程問(wèn)題相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

按照這一思路，論文以“單元制造理論與方法”課程為例進(jìn)行了應(yīng)用研究，首先對(duì)課程當(dāng)中的所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其中相關(guān)度高的子知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行合并形成主要知識(shí)點(diǎn)，再對(duì)各主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合，形成體系，具體如圖1所示。

圖1 知識(shí)點(diǎn)劃分與集成

其次，根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程知識(shí)點(diǎn)，選取與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的復(fù)雜工程問(wèn)題。本課程所選復(fù)雜工程問(wèn)題為“企業(yè)A的單元制造生產(chǎn)方式構(gòu)建”，其中可拆分成的子工程問(wèn)題以及涉及的復(fù)雜問(wèn)題特征如表2所示，主要知識(shí)點(diǎn)與一級(jí)子工程問(wèn)題相對(duì)應(yīng)，子知識(shí)點(diǎn)與二級(jí)子工程問(wèn)題對(duì)應(yīng)。

表2 問(wèn)題的分解與特征列表

根據(jù)表2中的問(wèn)題層次，以解決一個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題為主線，將其拆解為主要的一級(jí)子問(wèn)題，再將一級(jí)子問(wèn)題拆解成多個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)子問(wèn)題，設(shè)置相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)，并以解決工程問(wèn)題為核心凝煉形成課程核心知識(shí)點(diǎn)，在課程教學(xué)過(guò)程中提供解決該問(wèn)題所使用的工具或方法，引導(dǎo)學(xué)生采用所學(xué)其他課程的方法或工具解決問(wèn)題，以一級(jí)子問(wèn)題為例，如下頁(yè)表3所示。

表3 一級(jí)子工程問(wèn)題課程內(nèi)容構(gòu)建

然后，基于課程知識(shí)體系與復(fù)雜工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)踐內(nèi)容，形成知識(shí)層、實(shí)踐層、問(wèn)題層3個(gè)層面。例如，在Q1問(wèn)題階段，為了便于學(xué)生理解機(jī)器-零件矩陣的形成，基于SPSS軟件，設(shè)計(jì)了0-1矩陣的上機(jī)實(shí)驗(yàn)；在Q3問(wèn)題階段，為了驗(yàn)證廠房?jī)?nèi)的制造單元布局的合理性，設(shè)計(jì)了基于Flexsim的實(shí)驗(yàn)與展示環(huán)節(jié)，具體的層次結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

從圖2可以看出，以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題，使各個(gè)問(wèn)題間具有一定的關(guān)聯(lián)，層層遞進(jìn)，且與課程內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)建立聯(lián)系，將知識(shí)、問(wèn)題有機(jī)貫連，同時(shí)結(jié)合一定的工程實(shí)踐內(nèi)容將加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，有利于他們未來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。

圖2 課程的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要以知識(shí)點(diǎn)、工具為導(dǎo)向，采取一對(duì)多的課堂知識(shí)傳遞，課堂教學(xué)過(guò)程較為枯燥，學(xué)生知識(shí)獲取效率有限。為了讓學(xué)生真正成為教學(xué)活動(dòng)的主體，提高他們的學(xué)習(xí)積極性和課堂參與的主動(dòng)性，就需要對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)與培養(yǎng)能力，按照工程問(wèn)題應(yīng)具備的特征以及涉及的知識(shí)點(diǎn)將其進(jìn)行難易程度劃分，教學(xué)方法也需要根據(jù)問(wèn)題的難易程度進(jìn)行相應(yīng)的選擇，具體類(lèi)型包括以下3個(gè)。

（1）簡(jiǎn)單子工程問(wèn)題。教師講解所涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，提出解決問(wèn)題的思路，傳授解決問(wèn)題的工具和方法，若涉及其他學(xué)科也一并點(diǎn)出。在課堂上由師生共同完成工程問(wèn)題的分析、解答。通過(guò)互動(dòng)在引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，提高他們分析問(wèn)題的能力。

（2）難度較大或涉及知識(shí)點(diǎn)較廣的工程問(wèn)題。教師在引出問(wèn)題后，對(duì)其中涉及的知識(shí)點(diǎn)以及方法進(jìn)行初步講解，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)習(xí)的專業(yè)課程知識(shí)在課下進(jìn)行問(wèn)題的分析和討論。對(duì)于其中的疑難點(diǎn)也可以通過(guò)線上QQ群和老師進(jìn)行交流。目的是通過(guò)這樣的過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行綜合分析的能力。

（3）復(fù)雜的子問(wèn)題。在講解了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)以及案例后，以分組的形式進(jìn)行課下討論與實(shí)踐，并整理形成文檔，在課上以PPT等形式展示解決該問(wèn)題的思路、手段，以及遇到的問(wèn)題和克服該問(wèn)題的方式，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)分工協(xié)作來(lái)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

根據(jù)上述問(wèn)題類(lèi)型，設(shè)計(jì)與其所對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在整個(gè)工程問(wèn)題解決之后，布置小論文的撰寫(xiě)任務(wù)，要求學(xué)生進(jìn)行課堂展示與答辯，目的是加深學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)的理解，對(duì)其中涉及的所有知識(shí)點(diǎn)、工具與方法進(jìn)行梳理和總結(jié)，達(dá)到融會(huì)貫通的效果。

2.4 課程考核模式設(shè)計(jì)

以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向的課程考核需要與教學(xué)內(nèi)容的多樣性相適應(yīng)，重新設(shè)計(jì)的多元化教學(xué)考核指標(biāo)體系如圖4所示。

課程考核根據(jù)教學(xué)活動(dòng)主要分為兩大類(lèi)：（1）平時(shí)考核，占比50%，分為A，B兩類(lèi)。A為課堂教學(xué)類(lèi)，主要考察工程問(wèn)題理解分析、課堂知識(shí)、工具與方法掌握等能力，占比20%，由教師進(jìn)行評(píng)價(jià)。B為小組實(shí)踐展示類(lèi)，考察分工協(xié)作能力，工程問(wèn)題分析、解決能力，創(chuàng)新能力，成果展示能力，占比30%。綜合考慮諸多工程要素，由教師與學(xué)生共同分析和評(píng)價(jià)一個(gè)工程項(xiàng)目方案的合理性和可行性。（2）期末考核，占比50%。結(jié)合專業(yè)論文寫(xiě)作規(guī)范以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題應(yīng)具備的能力制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由教師評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

針對(duì)工科學(xué)生對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和解決能力不足問(wèn)題，本文提出了一種以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式，并通過(guò)工業(yè)工程專業(yè)的“單元制造理論與方法”課程進(jìn)行了應(yīng)用研究。結(jié)果表明，以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為導(dǎo)向的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各課程知識(shí)的綜合應(yīng)用和實(shí)踐能力，同時(shí)能夠促進(jìn)課程內(nèi)容的有效集成，引導(dǎo)學(xué)生形成解決工程問(wèn)題的思路，活化基本的學(xué)科知識(shí)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)于工程的興趣，為培養(yǎng)解決復(fù)雜問(wèn)題能力為導(dǎo)向的新工科課程教學(xué)模式設(shè)計(jì)提供了參考。