基于解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的課程體系建設(shè)

曲云霞，張建輝，郭蘭申，張小俊

（河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401）

引言

我國高等工程教育專業(yè)認證開始于20世紀90年代初的建筑專業(yè)認證。2006年3月，教育部成立了全國工程教育專業(yè)認證專家委員會，先后成立機械工程、電子工程、化工、計算機等四個專業(yè)試點工作組，并于2006年完成了對清華大學等8所高校的試點認證。2013年6月，我國成為《華盛頓協(xié)議》預(yù)備會員，2016年6月，成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式成員。

我國開展工程教育專業(yè)認證工作時間不長，很多高等工程院校對建立具有國際等效性的認證體系研究和認識還不夠充分，對工程教育專業(yè)認證與高校評估的區(qū)別認識不足，仍延續(xù)著本科教學評估的工作思路和方法，強調(diào)該專業(yè)擁有多少資源和什么樣的學科優(yōu)勢，而不是以培養(yǎng)學生能力為辦學宗旨，以學生學到什么為驗證手段，以大多數(shù)受教育者達成的質(zhì)量水平證明其辦學效果［1］。

《華盛頓協(xié)議》的等效性從實質(zhì)上承認了通過工程專業(yè)教育的學生所具備的能力，學生能力是教育質(zhì)量最直接也是最有力的證明［2］。質(zhì)量認證則是中國工程類學生走向世界的通行證，中國工程教育在迅速走向國際化。如何進一步推動工程教育改革，促進多樣化工程人才培養(yǎng)，提高公眾工程文化素養(yǎng)，就成為十分緊迫的問題［3］。

工程教育專業(yè)認證要求學生能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題，針對復雜工程問題具備分析能力、設(shè)計和開發(fā)解決方案能力、研究能力、使用現(xiàn)代工具能力、溝通能力等，能夠理解與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響，以及針對復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響等。

一、基于解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的課程體系構(gòu)架

不斷提高教育質(zhì)量是高等教育追求的永恒“不動點”。特別是我國的高等教育在較短時間內(nèi)從精英教育跨入大眾化教育后，目前正處于從以規(guī)模擴張為主的外延式發(fā)展轉(zhuǎn)向以質(zhì)量提高為主的內(nèi)涵式發(fā)展的轉(zhuǎn)型過程中，這個“不動點”的地位更加突出［4］。

緊緊圍繞目前高等工程教育的需求，基于OBE工程教育理念，制訂了我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標及畢業(yè)要求，致力于培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，具有創(chuàng)新能力、團隊精神、國際視野、不斷學習與適應(yīng)專業(yè)技術(shù)發(fā)展的能力，具備較高的社會責任感、良好的道德修養(yǎng)和人文科學素養(yǎng)，并能夠在機械設(shè)計、制造及其自動化領(lǐng)域從事機械產(chǎn)品設(shè)計、制造、技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用研究、工程項目管理、生產(chǎn)管理等工作的高級工程技術(shù)人才。

解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)貫穿于全周期的人才培養(yǎng)過程，從科學與人文基礎(chǔ)、工程及專業(yè)基礎(chǔ)理論到專業(yè)技術(shù)方法等各個教學環(huán)節(jié)，并在各實踐教學環(huán)節(jié)集中體現(xiàn)和評價，如圖1所示。

圖1 解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的課程體系框架

二、教學環(huán)節(jié)支撐解決復雜工程問題能力培養(yǎng)

（一）解決復雜工程問題能力內(nèi)涵探析

隨著現(xiàn)代社會、科技和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工程問題更加復雜化，對工程技術(shù)人員的要求也越來越高。為適應(yīng)現(xiàn)代社會、科技的飛速發(fā)展對人才的高要求，高等工程教育以O(shè)BE的教育理念為核心，旨在能力和技能培養(yǎng)：優(yōu)秀的分析能力、實踐能力、創(chuàng)造力、溝通能力、商業(yè)和管理知識、領(lǐng)導力、道德水準、專業(yè)素養(yǎng)、終身學習；社會技能、系統(tǒng)技能、解決復雜工程問題的技能、資源管理技能、技術(shù)技能等復合交叉技能［5-6］。

解決復雜工程問題是工程教育專業(yè)認證要求學生畢業(yè)必須具備的一種能力，其內(nèi)涵是指必須運用深入的工程原理，并經(jīng)過分析才可能解決問題，且同時須具備下列6個特征之一或多個特征：（1）涉及多方面的工程、技術(shù)及其他因素，各因素間可能會存在沖突；（2）需要通過建立合適的抽象模型才能將沖突問題予以解決，在建模過程中能夠體現(xiàn)創(chuàng)造性；（3）不是僅靠常用方法就可以將問題完全解決的；（4）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在本專業(yè)工程實踐的標準或規(guī)范中；（5）問題相關(guān)各方利益不完全一致；（6）包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題，并具有較高的綜合性［7-8］。

在高等工程教育專業(yè)人才培養(yǎng)中，解決復雜工程問題的知識、能力、素質(zhì)的綜合能力培養(yǎng)，體現(xiàn)在人才培養(yǎng)過程各個階段的方方面面。在教學環(huán)節(jié)的實踐中，怎么發(fā)現(xiàn)、定義復雜工程問題是首要的，之后再基于復雜工程問題的內(nèi)涵，按照工程問題、復雜工程問題的概念對其進行問題重構(gòu)——改變以往僅僅關(guān)注技術(shù)問題解決的傳統(tǒng)，改為按照復雜工程問題的基本內(nèi)涵對于典型專業(yè)問題進行封裝，提出新要求，設(shè)置新障礙，進行非技術(shù)性因素的設(shè)計約束和限制，使其盡可能地模擬、逼近實際的復雜工程問題，最終形成工程專業(yè)各自典型的復雜工程問題［9］。

（二）畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)實施案例

對于高等教育工科專業(yè)的學生，在大學四年的學習，由最初建立起來工程的基本概念到后續(xù)較為完善的理論體系，無處不體現(xiàn)著解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)，由淺入深，由易到難，由單一到綜合，由碎片化到系統(tǒng)化，而其中畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)最為綜合。

針對解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)，我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)制訂畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)的課程目標為：課程目標1：掌握文獻檢索、資料查詢、調(diào)研及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法，并能用于工程問題分析。課程目標2：能夠正確閱讀和理解本專業(yè)的外文科技文獻，了解國內(nèi)外機械工程領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，能夠規(guī)范地撰寫技術(shù)報告和設(shè)計文稿。課程目標3：能夠全面運用本專業(yè)所學的相關(guān)工程基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，具有對機械系統(tǒng)各功能模塊進行方案設(shè)計的能力，并在方案的設(shè)計過程中能夠運用創(chuàng)新方法與工具進行技術(shù)問題的解決。課程目標4：能夠采用理論工具和評價方法對設(shè)計方案進行建模、分析和論證，并在方案設(shè)計過程中綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康等制約因素。課程目標5：初步具備相關(guān)技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的使用能力，能用于機械系統(tǒng)及其零部件的設(shè)計，并能對機械設(shè)計、制造過程、傳動與控制中的復雜工程問題進行預(yù)測與模擬。課程目標6：了解與機械專業(yè)相關(guān)的職業(yè)和行業(yè)的生產(chǎn)、設(shè)計、研究與開發(fā)的法律、法規(guī)等方面的方針、政策和法律、法規(guī)等知識，能正確認識機械工程對于客觀世界和社會的影響。課程目標7：了解與機械制造過程、產(chǎn)品應(yīng)用相關(guān)的環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展等方面的現(xiàn)代社會問題的知識，并在復雜工程問題解決過程中考慮其影響。課程目標8：具有一定的組織管理能力、較強的表達能力和人際交往能力。

基于上述課程目標，制訂了本專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計選題指南，從而在設(shè)計題目的選擇上能夠體現(xiàn)解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的各要素要求。選題原則主要包括：符合本專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，具有較全面的知識覆蓋面，涵蓋本專業(yè)主干課程的知識內(nèi)容及解決工程問題的理論方法，使學生得到比較全面的工程訓練；課題來自生產(chǎn)生活的實際需求以及專業(yè)領(lǐng)域科學研究的實際問題，有工程應(yīng)用背景和科學研究價值；題目類型可以多種多樣，貫徹因材施教原則，使學生的創(chuàng)新能力得以充分發(fā)揮；題目難易程度和工作量能夠滿足專業(yè)培養(yǎng)目標及畢業(yè)要求，研究論文題目的類型應(yīng)符合課題所需的實驗條件，能使學生經(jīng)過努力在給定的時間內(nèi)完成規(guī)定的研究任務(wù)；畢業(yè)設(shè)計要求一人一題。如果一個課題總體工作量過大，可多人合作此課題，但是必須明確每位學生應(yīng)該獨立完成的設(shè)計研究任務(wù)，并給出具體的子題目。

本專業(yè)課程體系知識模塊，以科學與人文基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)理論、專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)技術(shù)方法四大模塊的系統(tǒng)綜合，成為解決復雜工程問題的能力保障。

本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學大綱，清晰地確定了各階段所需完成的設(shè)計研究任務(wù)與解決復雜工程問題的對應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了復雜工程問題特征，既是師生教學的綱領(lǐng)指南，也是教學成果評價的有力依據(jù)。在滿足本專業(yè)畢業(yè)設(shè)計選題原則的情況下，課題在設(shè)計研究過程基于研究對象運用所學原理方法進行計算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，獲得所需方案結(jié)論，均體現(xiàn)了復雜工程問題的特征1：必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才能得到解決，同時滿足以下6個特征之一或多個特征：（1）針對研究對象進行總體方案分析、比較、設(shè)計，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征1：涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定的沖突。（2）依照任務(wù)要求建立研究對象或問題的抽象模型，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征2：需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模中體現(xiàn)創(chuàng)造性。（3）通過已學或自修相關(guān)理論方法或工程軟件工具處理解決設(shè)計問題得出有效結(jié)論，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征3：不是僅靠常用方法就可以完全解決的。（4）根據(jù)設(shè)計任務(wù)及特殊要求，創(chuàng)新性地提出改進及設(shè)計研究方案，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征4：問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中。（5）考慮多方因素并協(xié)調(diào)，在現(xiàn)有條件下進行方案設(shè)計比較得到合適方案，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征5：問題相關(guān)各方利益不完全一致。（6）綜合運用所學知識、理論、方法和所查閱的文獻資料進行綜合完成指定任務(wù)要求，體現(xiàn)了復雜工程問題的特征6：具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

結(jié)語

以O(shè)BE工程教育理念為核心，遵循機械類工程技術(shù)人才培養(yǎng)的基本原則和學生掌握知識、能力培養(yǎng)、分析研究和解決復雜工程問題循序漸進的認知規(guī)律，筆者基于我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的課程體系，并以畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)為例，探索解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的思路、途徑及實施方法，通過構(gòu)建不同教學環(huán)節(jié)的拓撲關(guān)系，旨在指導教學內(nèi)容的改進、教學設(shè)計與教學實施的創(chuàng)新。使學生在學習過程中從獲取“碎片化知識”到凝練“系統(tǒng)化知識”，從“以知識體系為中心”到“以能力達成為目標”，最終可以運用于解決復雜工程問題，希望能夠為相關(guān)院校工程教育認證工作及人才培養(yǎng)提供有益的借鑒作用。