面向復(fù)雜工程問題的應(yīng)用型高校教學(xué)體系內(nèi)涵分析與實(shí)踐

夏金威 顧涵

摘? 要：基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力已成為應(yīng)用型高校教學(xué)改革的內(nèi)在要求。這要求各高校在人才培養(yǎng)過程中應(yīng)緊密聯(lián)系實(shí)踐，遵循OBE教育理念，以培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生為教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的學(xué)生。以常熟理工學(xué)院為例，在分析復(fù)雜工程問題基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了基于解決結(jié)構(gòu)不良問題的課程教學(xué)，同時探討了如何培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的改革舉措。

關(guān)鍵詞：專業(yè)認(rèn)證? 復(fù)雜工程問題? STEM? 教學(xué)體系

Abstract： Based on the background of engineering education specialized certification， cultivating the ability to solve complex engineering problems has become the internal requirement of teaching reform in applied universities. It is required that colleges should contact with practice in the process of talent cultivation， follow the OBE education concept， take cultivating students with strong practical and innovative ability as the teaching goal， and cultivate students with the ability to solve complex engineering problems. Taking Changshu Institute of Technology as an example， on the basis of analyzing the connotation of complex engineering problems， this paper puts forward the curriculum teaching based on solving the bad structural problems， and discusses some reform measures on how to cultivate the ability to solve complex engineering problems.

Key Words： Specialized certification; Complex engineering problem; STEM; Teaching system

復(fù)雜工程問題融合了現(xiàn)代社會工程中跨學(xué)科、多樣性及綜合性等特征，在2018年公布的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)解讀及使用指南》中規(guī)定的12條畢業(yè)要求中有8條明確了培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”能力的要求。但國內(nèi)不少高校還是局限于“知識+能力+素質(zhì)”的人才培養(yǎng)模式，對于目標(biāo)導(dǎo)向的OBE教育理念理解得不夠深入，各專業(yè)在課程設(shè)置、學(xué)科交叉及實(shí)踐訓(xùn)練等方面還是較難適應(yīng)現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展的需要，特別是缺失非技術(shù)因素能力的培養(yǎng)，這些導(dǎo)致了對理解如何培養(yǎng)具有“解決復(fù)雜工程問題”能力的偏差?；谶@樣的背景，該文剖析了復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵，提出如何構(gòu)建基于STEM理念的復(fù)雜工程問題，針對傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，提出了基于解決結(jié)構(gòu)不良問題的基本方法，同時還給出了如何培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”能力的一些舉措。

1 復(fù)雜工程問題的基本內(nèi)涵

在應(yīng)用型高校教育過程中，問題的不斷出現(xiàn)和解決就是實(shí)踐的過程，可以把問題分為結(jié)構(gòu)良好問題和結(jié)構(gòu)不良問題。問題的出現(xiàn)、初始條件、解決思路、目標(biāo)狀態(tài)清晰確定的稱為結(jié)構(gòu)良好問題，反之則為結(jié)構(gòu)不良問題[1]。在平時的傳統(tǒng)教育中，分析、解決問題主要以掌握知識為目的，大多為結(jié)構(gòu)良好問題。而按照工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于復(fù)雜工程問題的描述除了特征1以外，還必須具有特征2～7的部分或全部，特征點(diǎn)如下。

特征1：必須具備運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決;

特征2：涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并有可能相互有一定的沖突;

特征3：需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模的過程中需要體現(xiàn)創(chuàng)造性;

特征4：不是僅依靠常規(guī)方法就能完全解決的;

特征5：問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;

特征6：問題相關(guān)的各方利益不完全一致;

特征7：具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

與傳統(tǒng)教育中的結(jié)構(gòu)良好問題不同，復(fù)雜工程問題本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)不良問題。比如：與復(fù)雜工程問題特征2、4、5相對應(yīng)，問題的初始條件和原始數(shù)據(jù)是不確定的;與特征4、6、7相對應(yīng)，問題的解決方案可以有多種選擇，不具有規(guī)定性，是不確定的;與特征1、3、5相對應(yīng)，問題所涉及的概念、原理是比較復(fù)雜的，需要經(jīng)過一定的探索和研究才能解決的。在人才培養(yǎng)過程中，需要逐步形成將原來的結(jié)構(gòu)良好問題轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)不良問題，用以“解決復(fù)雜工程問題”的教學(xué)體系。

2基于STEM理念復(fù)雜工程問題的構(gòu)建

STEM理念[2]的核心是圍繞真實(shí)的項(xiàng)目和問題，設(shè)置真實(shí)的場景和參數(shù)，有機(jī)融合科學(xué)理論、工程技術(shù)和數(shù)學(xué)模型的一個整體。復(fù)雜工程問題屬于結(jié)構(gòu)不良問題，特征與STEM理論相符。如何把基于良好結(jié)構(gòu)問題的傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)不良的復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)，如圖1所示，通?？梢园凑障旅娴牧鞒虂慝@取復(fù)雜工程問題。

基于STEM 理念構(gòu)建復(fù)雜工程問題可以分為三步：第一，教師應(yīng)先進(jìn)行實(shí)際情況分析，主要包括學(xué)情分析和資源分析，掌握學(xué)生的專業(yè)知識基礎(chǔ)。第二，構(gòu)建出與實(shí)際教學(xué)內(nèi)容相符的真實(shí)應(yīng)用場景模型或能體現(xiàn)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容的問題模型;第三，教學(xué)設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)為例，在模擬真實(shí)參數(shù)的情況下，要弄清解決的原理和方案，要預(yù)測和分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。整個過程中，還需要考慮技術(shù)難度、投入成本、結(jié)構(gòu)工藝等約束因素，同時還要考慮社會環(huán)境、安全、法律等非技術(shù)因素[3]等的制約，綜合技術(shù)因素和非技術(shù)因素的整體考慮后，最終構(gòu)建出STEM理論的復(fù)雜工程問題。

3 面向復(fù)雜工程問題的課程教學(xué)

3.1以綜合項(xiàng)目形式加強(qiáng)基礎(chǔ)課程的能力培養(yǎng)

專業(yè)基礎(chǔ)課是后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，起到了前期鋪墊的作用，應(yīng)注重從專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)中來凝練學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)。以電子信息工程專業(yè)為例，模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)為兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的教學(xué)可以結(jié)合電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)立綜合項(xiàng)目教學(xué)環(huán)節(jié)，并提高總評成績占比，結(jié)合課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，選取綜合性項(xiàng)目案例[4]，如表1所示，列出了2019—2020年秋季學(xué)期綜合項(xiàng)目的案例選題。

表1中的選題從復(fù)雜工程問題主要特征的角度來分析，主要體現(xiàn)在：（1）選題在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時需要借助仿真軟件來完成調(diào)試和驗(yàn)證;（2）每個選題的設(shè)計(jì)方案不是唯一的，學(xué)生需要通過前期分析、查閱資料、交流探討后才能確定最為合適的方案;（3）在方案實(shí)現(xiàn)過程中，需要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，建立相關(guān)的模型，綜合考慮整體性能和制約關(guān)系后才能完成。

3.2基于學(xué)科競賽的研究性學(xué)習(xí)

研究性學(xué)習(xí)是為了更好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高解決實(shí)際工程問題的能力，由傳統(tǒng)單一的接受性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鞫鄻拥膭?chuàng)新性學(xué)習(xí)的方式。學(xué)科競賽的開展正是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，學(xué)生通過把學(xué)到的理論知識運(yùn)用到學(xué)科競賽的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，理論聯(lián)系實(shí)際。圖2為學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加全國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽時設(shè)計(jì)完成的圖書館分揀機(jī)器人3D效果圖，該機(jī)器人系統(tǒng)由書籍分揀子系統(tǒng)和路徑自動識別與運(yùn)行規(guī)劃子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)由36 V鋰電池組通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換后進(jìn)行24 V電壓的供電。其中書籍分揀子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制及組態(tài)屏與輸入之間的數(shù)據(jù)傳遞;路徑自動識別與運(yùn)行規(guī)劃子系統(tǒng)通過尋找磁釘位置來實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行，同時能夠通過CAN通信方式獲取書籍分揀子系統(tǒng)所掃描的書籍信息，從而實(shí)現(xiàn)路線的自動規(guī)劃。

3.3實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革

以電子信息工程專業(yè)為例，“單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程[5]在改革前，教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展脫節(jié)嚴(yán)重。原先以51系列單片機(jī)開發(fā)為主，工程實(shí)踐內(nèi)容復(fù)雜程度低，滿足不了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用人才的培養(yǎng)要求;針對以上情況，從2018年秋季學(xué)期開始，開展了實(shí)踐教學(xué)改革：在教學(xué)講義上，依托學(xué)校自制儀器項(xiàng)目開發(fā)了基于Cortex-M3內(nèi)核的自編實(shí)驗(yàn)手冊，“理實(shí)一體”授課同步采用Corex-M3處理器。

以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“城市智慧光影”為例，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：打破常規(guī)的流水燈設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)一款汽車轉(zhuǎn)向燈控制系統(tǒng)，要求學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)時必需掌握多個LED驅(qū)動、GPIO口控制、定時器、矩陣鍵盤掃描4種電路的設(shè)計(jì)能力，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)了“解決復(fù)雜工程問題”的特征。

（1）不是靠常規(guī)方法就能解決的，需要用到多種工具軟件（keil4與Proteus軟件），對應(yīng)特征4。

（2）必須深入分析系統(tǒng)工程原理，經(jīng)過分析才能解決，結(jié)合輔助工具軟件和工程參數(shù)設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)才行，對應(yīng)特征1。

（3）具有較高的綜合性，復(fù)雜程度高，包含多個子問題（定時器、矩陣鍵盤、LED驅(qū)動等），對應(yīng)特征7。

4 培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的舉措

應(yīng)用型高校特別是以理工科為主的應(yīng)用型高校更應(yīng)該注重學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)。以常熟理工學(xué)院為例，學(xué)校堅(jiān)持服務(wù)地方，積極深化產(chǎn)教融合，共建行業(yè)學(xué)院，推進(jìn)新工科、新文科建設(shè)，探索跨學(xué)科、跨專業(yè)的復(fù)合型應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式。主要包括以下3個方面.

4.1加強(qiáng)課程體系建設(shè)

強(qiáng)化工程能力是應(yīng)用型高校面向?qū)W生培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”能力的重要舉措。學(xué)?；诠こ探逃J(rèn)證，進(jìn)一步完善課程體系，在課程體系的制定中堅(jiān)持邀請企業(yè)和行業(yè)專家共同參與，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)“工程知識傳授”到“工程能力培養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變。

如圖3所示，學(xué)校采用“自頂向下落實(shí)，自底向上實(shí)現(xiàn)”的方式[6]構(gòu)建了“解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)過程。培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要畢業(yè)要求來支撐，畢業(yè)要求的達(dá)成需要課程體系的支持，可見課程設(shè)置的重要性。其中實(shí)踐類課程的建設(shè)尤為重要，以電子信息工程專業(yè)為例，實(shí)踐類課程占比達(dá)到30%，為此，學(xué)校實(shí)施了“五合一”基地方案[7]，讓專業(yè)教師參與到學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的整個過程中，學(xué)生通過參與教師和企業(yè)導(dǎo)師共同的科研項(xiàng)目來不斷提升實(shí)習(xí)的成效，也有利于滿足學(xué)生復(fù)雜工程問題能力的提升在工程領(lǐng)域的需要。

4.2提升教師工程實(shí)踐能力

具有一支具有工程背景，實(shí)踐動手能力強(qiáng)的教師團(tuán)隊(duì)是培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的重要前提。以電子信息工程學(xué)院為例，共有專業(yè)教師85人，其中90%以上的主干課授課教師具有電子信息類專業(yè)相關(guān)的教育背景;80%以上的教師進(jìn)企業(yè)研修過，承擔(dān)或參與了企業(yè)中的工程項(xiàng)目，具有“工程背景”;50%以上的教師具有指導(dǎo)學(xué)生學(xué)科競賽項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，并都取得了不錯的成績。教師普遍具有堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，能夠深入理論開展研究，同時也具備較強(qiáng)的將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的工程能力。

5結(jié)語

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景，培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”的能力已成為應(yīng)用型高校教學(xué)改革的內(nèi)在要求，是人才培養(yǎng)領(lǐng)域的一個重要趨勢。這要求各高校在人才培養(yǎng)過程中應(yīng)緊密聯(lián)系實(shí)踐，在課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面都必須進(jìn)一步探索和改革。高校的各專業(yè)不論是否申請專業(yè)認(rèn)證，都必須遵循學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE教育理念，以培養(yǎng)動手能力強(qiáng)、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生為教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)具有“解決復(fù)雜工程問題”能力的學(xué)生。該文以常熟理工學(xué)院為例，在分析復(fù)雜工程問題基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了基于解決結(jié)構(gòu)不良問題的課程教學(xué)，同時探討了培養(yǎng)“解決復(fù)雜工程問題”能力的一些舉措，希望可以為相關(guān)院校提供借鑒。

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