工程概論課程中學(xué)生挖掘工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)探索

顧 隴 劉金妹 崔暖洋 周 楠

一、工程概述

1794年，在老卡諾、蒙日、貝托萊、拉普拉斯等科學(xué)家的發(fā)起下成立的法國(guó)巴黎綜合工藝學(xué)校，是第一所授予工程學(xué)位的學(xué)校。自此，“工程”這個(gè)詞在歐洲開(kāi)始出現(xiàn)。初期的工程多指土木工程和水利工程，包括建造房屋、橋梁，制造機(jī)械設(shè)備，開(kāi)發(fā)新的工業(yè)產(chǎn)品及技術(shù)改造等。隨著人們生活和探索領(lǐng)域的擴(kuò)展，新的科學(xué)技術(shù)和知識(shí)不斷地被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用于生產(chǎn)生活，新的工程領(lǐng)域被不斷地開(kāi)辟出來(lái)，如航天工程、生物工程、食品工程、軟件工程、金融工程、交通工程等。如今，工程已成為將自然科學(xué)原理應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中去而形成的各學(xué)科的總稱，通過(guò)集成科學(xué)和技術(shù)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

二、工程特征

工程具有復(fù)雜性。與科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)不同，工程實(shí)踐強(qiáng)調(diào)在一定時(shí)限內(nèi)利用有限資源解決實(shí)際問(wèn)題。完成一項(xiàng)工程除了需要專業(yè)技術(shù)外，更需要經(jīng)濟(jì)管理方面的方法和技能，因此工程活動(dòng)是復(fù)雜的。此外，工程活動(dòng)所包含的群體數(shù)量越來(lái)越多，構(gòu)成也越來(lái)越復(fù)雜。這些參與者共同構(gòu)成了工程活動(dòng)復(fù)雜的行動(dòng)者網(wǎng)絡(luò)。不同類型的行動(dòng)者之間的交互作用，構(gòu)成我們通常所說(shuō)的工程共同體。同一類型的行動(dòng)者之間的交互作用，構(gòu)成工程師共同體，使得工程更加復(fù)雜。因此，要完成復(fù)雜的工程活動(dòng)，需要一批具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的工程師[1]。

三、工程問(wèn)題

工程教育要培養(yǎng)具有國(guó)際視野的行業(yè)骨干和引領(lǐng)者，使畢業(yè)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。同濟(jì)大學(xué)的陳以一教授從三個(gè)層次闡述了工程專業(yè)要培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的工程師人才，分別是：工程師（Engineer）、技術(shù)專家（Technologist）、技師（Technician）。陳以一教授從兩個(gè)方面舉例說(shuō)明了他們的區(qū)別。從“創(chuàng)新性”角度來(lái)看：工程師能夠?qū)⒐こ淘磉M(jìn)行創(chuàng)造性應(yīng)用，并建立基于研究的知識(shí)和新方法；技術(shù)專家能夠應(yīng)用新材料、新技術(shù)和尚未標(biāo)準(zhǔn)化的新工藝；技師僅需應(yīng)用既有材料、技術(shù)和有所改進(jìn)的工藝。另外，從“對(duì)社會(huì)與環(huán)境的影響程度”來(lái)看：工程師能處理復(fù)雜背景下和難以預(yù)測(cè)或避免的重大問(wèn)題，技術(shù)專家能夠合理預(yù)測(cè)并處理對(duì)局部影響重大、對(duì)全局有一定影響的問(wèn)題，而技師僅需處理對(duì)局部有較大影響但影響有限的問(wèn)題[2]。在校本科生通過(guò)學(xué)習(xí)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)與開(kāi)展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，已然具備第一層次的能力。在提升高層次能力的過(guò)程中，本科生只有充分認(rèn)識(shí)并靈活應(yīng)用既有材料和技術(shù)，且在改進(jìn)工藝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找到問(wèn)題，才能夠向著應(yīng)用新材料、新技術(shù)和尚未標(biāo)準(zhǔn)化的新工藝的層次邁進(jìn)，進(jìn)一步深度剖析工程，預(yù)測(cè)問(wèn)題，處理問(wèn)題，從而創(chuàng)新性地利用工程知識(shí)。然而，復(fù)雜的工程活動(dòng)本身并不是問(wèn)題，工程師要能夠透過(guò)工程活動(dòng)表面現(xiàn)象找到問(wèn)題根源，以便解決問(wèn)題。國(guó)際工程聯(lián)盟（IEA）對(duì)工程師的職業(yè)能力（工程勝任力）要求的第三條就是界定、研究和分析復(fù)雜工程問(wèn)題。因此，能夠在復(fù)雜的工程活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)和識(shí)別工程問(wèn)題是非常重要的。

四、工程問(wèn)題分析中的思維力培養(yǎng)

工程概論課程一直在強(qiáng)調(diào)通過(guò)專業(yè)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力，即要能夠?qū)I(yè)技術(shù)知識(shí)和非技術(shù)工程基礎(chǔ)知識(shí)相融合，設(shè)計(jì)出滿足社會(huì)需求、面向?qū)嶋H應(yīng)用的解決方案，且解決方案具有產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)回報(bào)的可能；了解產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)周期和流程，制定完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方案[3]。那么這種能力是否通過(guò)專業(yè)課結(jié)合通識(shí)課的學(xué)習(xí)就能夠獲得呢？工程概論課程是否能夠加深或者拓寬學(xué)生對(duì)本專業(yè)畢業(yè)要求或者自我學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)認(rèn)知？答案是不確定的。主要原因在于，在學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中主要沿用研究性思維，注重技術(shù)方案本身，往往追求部分技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)和突破。而產(chǎn)出導(dǎo)向的工科教育目標(biāo)不僅僅是技術(shù)員，還是工程師，不僅要會(huì)設(shè)計(jì)、編碼，還要具有全面、有高度、有深度、可持續(xù)發(fā)展的工程師思維，在追求部分技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)的同時(shí)，更關(guān)注在產(chǎn)品（復(fù)雜工程）開(kāi)發(fā)的全生命周期過(guò)程中，在發(fā)生多重因素的沖突后，對(duì)產(chǎn)生惡化的技術(shù)指標(biāo)性能的識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)的排除。因此，對(duì)于復(fù)雜工程概念的掌握和分析，在學(xué)生的認(rèn)知和培養(yǎng)中非常關(guān)鍵。

（一）教學(xué)策略

在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上能夠定義問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述和演示，并能舉例分析之前的工程，指出問(wèn)題所在，這是學(xué)生學(xué)習(xí)能力的體現(xiàn)，也是《華盛頓協(xié)議》認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工科畢業(yè)生工程知識(shí)和問(wèn)題分析能力的要求[4]。工程概論課程涵蓋的內(nèi)容繁多，包括認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、工程與科學(xué)和技術(shù)、工程理念與工程思維、工程方法特點(diǎn)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)、工程風(fēng)險(xiǎn)等，包括工程中的非技術(shù)性問(wèn)題、工程倫理、相關(guān)行業(yè)法規(guī)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，涉及非常龐雜的知識(shí)理論體系。教學(xué)內(nèi)容中，需要了解與理解的知識(shí)占了大部分。學(xué)習(xí)過(guò)程比較平淡，會(huì)降低學(xué)生的參與度，難以吸引學(xué)生進(jìn)行深度思考。西安電子科技大學(xué)是一所具有鮮明電子信息特色的工科院校，學(xué)生在大一階段就開(kāi)始學(xué)習(xí)C程序設(shè)計(jì)課程。結(jié)合這一背景，采用圖框來(lái)表示各種操作的流程圖直觀形象且易于理解。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）對(duì)一些常用的流程圖符號(hào)做了相關(guān)規(guī)定，通過(guò)C程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握算法和流程圖?；诮?gòu)主義的任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，根源于杜威的“從做中學(xué)”的教學(xué)理念，能夠改變傳統(tǒng)教師講、學(xué)生聽(tīng)的狀態(tài)，讓學(xué)生積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，完成任務(wù)，發(fā)散思維。因此，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)“確立目標(biāo)—分析需要收集的數(shù)據(jù)—描述參與的任務(wù)—分析任務(wù)數(shù)據(jù)”的步驟繪制任務(wù)流程，對(duì)問(wèn)題層層剖析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力[5]。

（二）教學(xué)內(nèi)容

在工程概論課程中實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，所布置的任務(wù)要符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)水平，可以多設(shè)置與生活密切聯(lián)系的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，但要具有較強(qiáng)的真實(shí)性、實(shí)踐性和趣味性，要注意區(qū)別于習(xí)題。例如，可燃性氣體對(duì)于材料學(xué)科教學(xué)與實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的因素。材料專業(yè)的學(xué)生通過(guò)物理、化學(xué)及材料領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)基本掌握了滅火器種類及填充材料、火災(zāi)種類及滅火要點(diǎn)等相關(guān)的理論知識(shí)[6]。為此，教師可以通過(guò)真實(shí)場(chǎng)景的提煉與模擬，引導(dǎo)學(xué)生基于原有經(jīng)驗(yàn)建立聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，展開(kāi)思考。首先向?qū)W生介紹傳感器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的功能，使學(xué)生清楚傳感器的概念及作用，了解傳感器不同的分類方式，以及傳感器的選用原則；之后，引導(dǎo)學(xué)生思考在氣體傳感器中，傳感器與氣體之間的作用過(guò)程，分析傳感器的構(gòu)成。針對(duì)可燃性氣體監(jiān)測(cè)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，依據(jù)安全與精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念，確定設(shè)計(jì)思路。

在討論分析中，可以不斷增加問(wèn)題復(fù)雜度，推動(dòng)學(xué)生深度分析問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生分析化學(xué)氣相沉積法制備半導(dǎo)體材料的原理、燒結(jié)工藝等[7]。綜合分析材料制備流程和影響因素，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)、固體物理、納米材料與納米器件、納米電子學(xué)等材料學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的回顧與應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生內(nèi)化所學(xué)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出問(wèn)題：如何提高所設(shè)計(jì)氣體傳感器的性能？首先向?qū)W生介紹傳感器的基本特性，包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?？梢越Y(jié)合影視資料讓學(xué)生了解氣體傳感器的工作原理，清楚在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中首先獲得的是動(dòng)態(tài)特性曲線，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)圖進(jìn)行多維度分析才能獲得特定的靜態(tài)特性值。然后帶領(lǐng)學(xué)生分析影響傳感器響應(yīng)特性的兩大方面：敏感材料與轉(zhuǎn)換單元。引導(dǎo)學(xué)生探索納米材料與二維材料等學(xué)科前沿研究，提示學(xué)生特別關(guān)注相關(guān)研究中氣敏材料的種類、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體特性、材料的表征與性能分析方法、測(cè)試氣體等[8]。通過(guò)不斷豐富情境，促進(jìn)學(xué)生分析問(wèn)題，自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生明白材料的合成工藝路線會(huì)顯著影響材料結(jié)構(gòu)和缺陷，而結(jié)構(gòu)和缺陷又會(huì)影響材料的性質(zhì)，進(jìn)一步會(huì)影響其使用性能。對(duì)于知識(shí)的刨根問(wèn)底和信息的深度挖掘，是學(xué)生形成大視野、系統(tǒng)性思維方式，培養(yǎng)面向復(fù)雜問(wèn)題時(shí)分析問(wèn)題、應(yīng)對(duì)問(wèn)題能力的有效途徑。需要注意的是：在繪制任務(wù)流程圖的時(shí)候，需要清楚界定任務(wù)流程圖每一步的關(guān)鍵詞，以及每一步發(fā)生的條件或者是觸發(fā)操作，獲得多個(gè)任務(wù)之間的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性信息，來(lái)幫助制定設(shè)計(jì)方案?？扇夹詺怏w傳感器設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始，我國(guó)高等院校面向各個(gè)專業(yè)的大學(xué)生開(kāi)展計(jì)算機(jī)教育。因此，本文提到的教學(xué)方法具有較強(qiáng)的可操作性，適用于具有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生。繪制任務(wù)流程圖是一項(xiàng)引發(fā)積極思維的活動(dòng)，靈活有趣。設(shè)置豐富的生活情境，進(jìn)行任務(wù)分析的過(guò)程就是培養(yǎng)科學(xué)思維方法的過(guò)程，繪制相應(yīng)的任務(wù)流程圖能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維與分析問(wèn)題的能力，使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，同時(shí)能夠起到動(dòng)手能力與動(dòng)腦能力同步培養(yǎng)的效果。此外，繪制任務(wù)流程圖還有助于充分地了解任務(wù)信息，使學(xué)生在討論中能夠更好地表達(dá)與溝通，極大地提升處理復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。