工程教育認(rèn)證中復(fù)雜工程問題解析

摘" 要：為進(jìn)一步提高我國工程教育質(zhì)量及適應(yīng)國際工程教育發(fā)展變化趨勢，近幾年來國內(nèi)高校許多專業(yè)正在積極申請工程教育認(rèn)證。工程教育認(rèn)證所倡導(dǎo)的三大基本理念的具體實現(xiàn)最終落實在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力之上。為了消除或減少對復(fù)雜工程問題認(rèn)識所存在的誤區(qū)，首先詳解闡述復(fù)雜工程問題的7個特征。然后，指出當(dāng)前高校培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題所存在的難點(diǎn)。最后，以我校自動化專業(yè)某畢業(yè)設(shè)計題目為例，詳細(xì)說明在該畢業(yè)設(shè)計任務(wù)中所體現(xiàn)出來的復(fù)雜工程問題的具體特征。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；畢業(yè)設(shè)計；特征；難點(diǎn)

中圖分類號：G640" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0085-05

Abstract： In order to further improve the quality of engineering education in China and adapt to the development trend of international engineering education， many majors in domestic universities are actively applying for engineering education certification in recent years. The realization of the three basic concepts advocated by engineering education certification is reflected by the cultivation of students' ability to solve complex engineering problems. In order to eliminate or reduce the misunderstanding of complex engineering problems， seven characteristics of complex engineering problems are explained in details. Then， the difficulties of training students to solve complex engineering problems are pointed out. Finally， taking a graduation project of automation major in our university as an example， the specific characteristics of complex engineering problems reflected in the graduation project task are described in details.

Keywords： Engineering Education Accreditation; complex engineering problems; graduation project; characteristic; difficulties

為提高工程教育的國際影響力，我國于2016年6月正式加入了國際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》。由于通過認(rèn)證協(xié)會認(rèn)證的工程專業(yè)，其畢業(yè)生學(xué)位得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認(rèn)可，因此國內(nèi)眾多高校正在積極開展工程教育認(rèn)證工作。截至2020年1月，在中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會網(wǎng)站上，可以查閱到全國高校2 172個專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證[1]。

工程教育認(rèn)證所倡導(dǎo)的三大基本理念為學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)。以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成來設(shè)置各個教學(xué)環(huán)節(jié)及進(jìn)行資源配置；產(chǎn)出導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)專業(yè)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施要以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向；持續(xù)改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，推動專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升。上述三大基本理念最終落實在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力之上。因此，培養(yǎng)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育認(rèn)證的基本要求。在工程專業(yè)認(rèn)證12條畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)中，有5條與培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力直接相關(guān)。換句話說，畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的實現(xiàn)就是以復(fù)雜工程問題為載體，經(jīng)培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生通過解決復(fù)雜工程問題來實現(xiàn)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成。不過，從目前進(jìn)行工程教育認(rèn)證的實際進(jìn)展情況來看，許多專業(yè)教師和學(xué)生對復(fù)雜工程問題還存在著一些誤區(qū)。

一" 復(fù)雜工程問題的特征

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中給出了復(fù)雜工程問題的7個特征[2]，依次為：① 必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決；②涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中；⑥問題相關(guān)各方的利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。復(fù)雜工程問題必須具備上述特征①，并同時具備特征②—⑦的部分或全部。

特征①說明復(fù)雜工程問題必須以深入的工程原理為基礎(chǔ)。所謂工程原理，一般包括自然科學(xué)原理、工程基礎(chǔ)、專業(yè)基礎(chǔ)、工程設(shè)計原理、工程實踐知識、專業(yè)及前沿理論和文獻(xiàn)知識等。具體到課程體系來說，工程原理包含了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)值分析、數(shù)學(xué)建模等數(shù)學(xué)類課程，以大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)等為代表的自然科學(xué)類課程，以及專業(yè)基礎(chǔ)類課程和專業(yè)類課程等。這不僅要求學(xué)生對理論知識的掌握具有一定深度，而且能夠正確運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)了學(xué)以致用的目的。

特征②說明復(fù)雜工程問題不僅涉及工程與技術(shù)方面的問題，而且還會涉及非技術(shù)因素。這就要求學(xué)生解決問題時，不能僅從技術(shù)實現(xiàn)的角度考慮問題，還要從系統(tǒng)或工程的角度來考慮問題。在一個系統(tǒng)或工程的實現(xiàn)過程中，技術(shù)實現(xiàn)是需要考慮的重要因素，但也有一些非技術(shù)因素同樣重要。例如，在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，除了技術(shù)實現(xiàn)，還有控制精度、實現(xiàn)成本、系統(tǒng)組裝等方面的問題，以及該系統(tǒng)可能對人類生活生存環(huán)境、健康安全的影響和可持續(xù)發(fā)展等非技術(shù)性問題。而且，控制系統(tǒng)的控制精度和實現(xiàn)成本在一般情況下也會呈現(xiàn)出矛盾性。

特征③說明需要對復(fù)雜工程問題進(jìn)行提煉、定義、建模和分析，對實際工程問題建立合適的抽象模型。復(fù)雜工程問題既源于工程，又用于工程，并在此過程中體現(xiàn)出創(chuàng)造性。當(dāng)學(xué)生面對一個具體問題時，通常沒有可以完全照搬的系統(tǒng)模型，因此需要對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析和提煉，必要時借鑒相似系統(tǒng)的現(xiàn)有模型，通過結(jié)構(gòu)或參數(shù)調(diào)整等手段，以解決所面臨復(fù)雜工程問題的建模問題。在此過程中，自然會體現(xiàn)出創(chuàng)造性。

特征④體現(xiàn)的是學(xué)生開發(fā)和綜合運(yùn)用現(xiàn)代工具的能力要求。隨著科技發(fā)展，復(fù)雜工程問題層出不窮、多種多樣，而傳統(tǒng)的工程方法難以解決。因此，在解決復(fù)雜工程問題的過程中需要學(xué)生進(jìn)行思考、進(jìn)行嘗試?？梢詫鹘y(tǒng)方法進(jìn)行綜合運(yùn)用而獲得，或根據(jù)現(xiàn)有方法的啟發(fā)，通過改造或改進(jìn)而獲得，從而形成新的思路和新的方法[3]。

特征⑤說明復(fù)雜工程問題是受多種因素制約的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及科學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)過程中的有效應(yīng)用，包括組織管理、經(jīng)濟(jì)、健康、安全、法律及文化等要素[4]。由于現(xiàn)有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不可能完全包含所有因素，所以要求學(xué)生需要突破現(xiàn)有準(zhǔn)則，以尋求解決問題的新方法和新途徑。在此過程中，還需要學(xué)生具備良好的工程倫理道德及工程師社會責(zé)任。

特征⑥說明復(fù)雜工程問題的解決會涉及多方面的利益，而且各方的利益不完全一致，甚至存在沖突。例如，某復(fù)雜工程問題涉及到利益或性能等的均衡與折中問題。從產(chǎn)品質(zhì)量的角度考慮，希望采用更優(yōu)質(zhì)、更精密的器件；而從成本的角度考慮，則希望成本越低越好。這就需要根據(jù)其他方面的要求來調(diào)節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量與成本之間的均衡。

特征⑦突出了復(fù)雜工程問題的規(guī)模，涉及多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。從解決問題次序的角度看，復(fù)雜工程問題包含問題分析、方案設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)、實驗驗證及結(jié)果分析等多個環(huán)節(jié)。在其系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，又可能涉及硬件實現(xiàn)、軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成等多個環(huán)節(jié)。特征⑦強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀，使學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度，具備復(fù)雜問題分解和綜合的能力[5]。

二" 培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的難點(diǎn)

目前，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題還存在一些難點(diǎn)，其主要因素包括以下幾個方面。

（一）" 工程教育的基礎(chǔ)普遍薄弱

在我國的基礎(chǔ)教育中，歷來重視學(xué)科教育。但是，工程教育則是以解決工程問題為核心的教育，重點(diǎn)突出設(shè)計思維和實踐能力的培養(yǎng)，是跨學(xué)科教育。盡管我國的學(xué)科課程中內(nèi)涵了一些跨學(xué)科元素，如物理中有數(shù)學(xué)，化學(xué)中有物理等，但非常有限，更沒有突出工程教育[6]。這導(dǎo)致了學(xué)生雖然具備較為扎實的學(xué)科理論基礎(chǔ)，但在解決實際工程問題中卻不知該如何運(yùn)用。在中小學(xué)階段沒有充分培養(yǎng)學(xué)生的工程教育思維，以至其在大學(xué)階段解決工程問題的基礎(chǔ)就非常薄弱。

（二）" 高校教師本身解決工程問題的能力不足

一方面，我國高校教師從小接受傳統(tǒng)學(xué)科教育，缺乏工程教育中設(shè)計思維的訓(xùn)練和實踐能力的鍛煉。另一方面，高校教師大多數(shù)是從高校畢業(yè)之后，直接加入教師行列，缺乏解決實際工程的經(jīng)驗。這些因素也會導(dǎo)致教師對復(fù)雜工程問題的認(rèn)識有所偏差。復(fù)雜工程問題并不等同于復(fù)雜技術(shù)問題[7]。例如，當(dāng)高校教師與企業(yè)進(jìn)行項目合作時，許多項目的技術(shù)原理并不復(fù)雜，甚至看起來較為簡單，因此從技術(shù)實現(xiàn)的角度考慮，教師能夠完全勝任。但從工程或產(chǎn)品的角度考慮，教師則難以解決技術(shù)之外的其他問題。教師本身解決工程問題能力的不足以直接影響對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

（三）" 傳統(tǒng)教學(xué)模式?jīng)]有體現(xiàn)復(fù)雜工程問題

傳統(tǒng)教學(xué)模式重在知識的講授，對知識的運(yùn)用則講解較少，運(yùn)用知識解決實際問題的案例則更少涉及。由此，則難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力與團(tuán)隊協(xié)作意識等，從而限制了對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

三" 復(fù)雜工程問題體現(xiàn)示例

在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計（以下簡稱“畢設(shè)”）等課程中，均可以設(shè)置體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的題目?，F(xiàn)以我校自動化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計為例，說明對復(fù)雜工程問題特征的體現(xiàn)。通過完成這類題目，可以實現(xiàn)學(xué)生對解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)。首先，教師根據(jù)自行給出的畢設(shè)題目，填寫本畢設(shè)滿足復(fù)雜工程問題7個特征中的哪幾個特征。其中，特征①是必須要滿足的。教研室組織會議，討論每個畢設(shè)題目是否確實具備復(fù)雜工程問題的特征。最后，在教務(wù)系統(tǒng)中向?qū)W生發(fā)布畢設(shè)題目及其簡介，以便學(xué)生選擇。

現(xiàn)以2020年畢設(shè)題目《基于ZigBee的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計》為例做進(jìn)一步說明。在該題目的任務(wù)書中提出了如下的基本要求。

1）針對溫室小氣候環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)手冊等確定相應(yīng)的溫室小氣候環(huán)境因子監(jiān)測的基本要求，并以此為依據(jù)選擇出合適的傳感器元件，用于檢測溫室空氣溫度、相對濕度、光照度和CO2濃度。

2）完成傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計與實物制作。

3）了解ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)、工作原理及其無線通信技術(shù)，完成節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)。

4）要求傳感器節(jié)點(diǎn)能夠連續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并無線傳輸至PC端，實時顯示。

接著列出了本題目所滿足的復(fù)雜工程問題具體特征：必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決；涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

（一）" 復(fù)雜工程問題特征①的體現(xiàn)

首先，深入的工程原理體現(xiàn)在專業(yè)基礎(chǔ)理論方面。學(xué)生需要理解單片機(jī)的工作原理。此外，為了選擇出合適的傳感器器件，學(xué)生還需要從傳感器工作原理、工作溫度范圍、精度及測量范圍等多個方面進(jìn)行考慮。在本示例滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，學(xué)生通常選擇方便使用的數(shù)字式傳感器器件。這就要求學(xué)生必須理解數(shù)字式傳感器的讀寫時序，這是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。其次，深入的工程原理體現(xiàn)在工程設(shè)計原理方面。在完成本畢設(shè)的過程中，不可避免需要涉及單片機(jī)系統(tǒng)工作所需要的時鐘電路、復(fù)位電路，以及單片機(jī)與傳感器元件、顯示器和按鍵之間的接口電路設(shè)計等工程設(shè)計原理。最后，深入的工程原理體現(xiàn)在工程實踐知識方面。在以往的畢設(shè)過程中，學(xué)生多是僅實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求，很少考慮非技術(shù)因素。例如，學(xué)生焊接了電路，可以實現(xiàn)功能演示，但是電路沒有保護(hù)，甚至元器件焊接并不牢固，例如本畢設(shè)初期所設(shè)計的電路，如圖1（a）所示。自從自動化專業(yè)開始申請工程教育認(rèn)知以來，加強(qiáng)了對學(xué)生的畢設(shè)任務(wù)的工程實踐要求。若僅以為圖1（a）所示電路進(jìn)行畢設(shè)答辯，則不予以通過。要求學(xué)生必須從工程的角度考慮和解決問題。為此，學(xué)生購買了可用于室外的防水盒及相關(guān)配件，把電路固定在防水盒中。在盒子頂部中央開孔，讓照度傳感器露出來，并用焊接膠水固定。溫濕度傳感器和CO2傳感器從防水盒底部漏出來，并使用電纜防水PG接頭將其固定。由于太陽輻射對溫濕度傳感器的測量值有很大影響，因此學(xué)生查閱相關(guān)工程知識，了解到把溫濕度傳感器和CO2傳感器放在防輻射罩中，可以有效克服輻射影響。節(jié)點(diǎn)工作的5 V電源線也采用防水PG接頭將其固定。制作后的傳感器節(jié)點(diǎn)如圖1（b）、（c）所示。在此過程中，切實鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力。

（二）" 復(fù)雜工程問題特征②的體現(xiàn)

特征②表現(xiàn)為多方面技術(shù)、工程和其他因素，及相互之間可能存在沖突問題。該畢設(shè)任務(wù)涉及硬件電路設(shè)計技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)、電路工作安全等多個方面。關(guān)于沖突問題，主要表現(xiàn)在CO2傳感器的選擇上。現(xiàn)行的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10306—2013《溫室控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》給出了聯(lián)棟溫室環(huán)境溫濕度、照度和CO2氣體濃度等的測量要求[8]。其中，對CO2氣體的測量范圍要求是10～2 500 ppm。結(jié)合溫度測量范圍0～50 ℃可知，CO2氣體傳感器在0 ℃時必須能夠正常工作，因此其工作溫度范圍的下限應(yīng)當(dāng)?shù)陀? ℃。由于一般的氣敏傳感器普遍存在測量精度過低、功耗過大等問題，因此紅外氣體傳感器成為重要選擇。學(xué)生查閱了多種紅外CO2氣體傳感器。圖2給出了3種典型紅外CO2氣體傳感器，其測量范圍及工作溫度范圍見表1。

首先，從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出的測量范圍來看，CJ-102 CO2傳感器不滿足要求。COZIR-WX系列CO2傳感器的測量范圍滿足要求，而且容易封裝（在封裝盒的底部開孔，使得圓形傳感頭露出來即可），但是其工作溫度范圍的下限（0 ℃）太高，而且傳感器的價格非常高。JX_CO2_102型CO2傳感器的測量范圍和工作溫度范圍最為理想，但是不易封裝，而且整個傳感器露在封裝盒外面時，有部分電路管腳裸露在外面，會造成電氣隱患。綜合考慮測量范圍、工作溫度范圍、電氣安全等因素之間的沖突，學(xué)生最終選擇了JX_CO2_102型CO2傳感器。關(guān)于電氣隱患的解決辦法是，對JX_CO2_102型CO2傳感器裸露的電路管腳部分噴灑了三防漆。

（三）" 復(fù)雜工程問題特征⑦的體現(xiàn)

特征⑦為系統(tǒng)具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。不難理解，該畢設(shè)任務(wù)具有較高的綜合性，包含了硬件電路設(shè)計部分、軟件開發(fā)部分及工程實踐部分等多個關(guān)聯(lián)子問題。

硬件設(shè)計部分可以進(jìn)一步分為2個相關(guān)子問題。第一，根據(jù)畢設(shè)任務(wù)要求、《中華人民共和國無線電管理條例》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10306—2013《溫室控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》及價格等其他因素，選擇傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊等元部件；第二，電路設(shè)計的關(guān)鍵在于理解各元器件的接口電路，并恰當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)傳感器元件、無線收發(fā)模塊等與微處理器之間的接口電路設(shè)計。

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)也可以進(jìn)一步分為2個相關(guān)子問題。第一，理解ZigBee協(xié)議棧的工作原理，理解協(xié)議棧各層次之間的關(guān)系及如何在應(yīng)用層中添加設(shè)備，并熟練IAR嵌入式開發(fā)平臺的使用；第二，根據(jù)各個數(shù)字傳感器的工作時序原理，在IAR嵌入式開發(fā)平臺中編程實現(xiàn)各個傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和無線發(fā)射。

工程實踐部分為傳感器節(jié)點(diǎn)面向?qū)嶋H應(yīng)用所要解決的諸多細(xì)節(jié)問題。例如，選擇合適的防水盒及相關(guān)配件，以及在合適位置為傳感器元件打孔；使用防水PG接頭固定傳感器元件，增強(qiáng)其牢固性；選擇并使用防輻射罩以克服太陽輻射對溫濕度傳感器的影響；使用三防漆克服電路接口裸露在外的電氣安全隱患等。

四" 結(jié)束語

本文在分析復(fù)雜工程問題特征及培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力不足的基礎(chǔ)上，以我校自動化專業(yè)的畢設(shè)任務(wù)為例，詳細(xì)說明了該畢設(shè)任務(wù)所體現(xiàn)出來的復(fù)雜工程問題特征，有助于高校同行更清晰理解何為復(fù)雜工程問題，并在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)設(shè)置恰當(dāng)?shù)膹?fù)雜工程問題，切實培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。相信隨著國內(nèi)高校許多專業(yè)正在積極申請工程教育認(rèn)證，廣大教師也越來越能夠理解和接受工程教育認(rèn)證的理念，我國工程教育質(zhì)量將會取得顯著的實質(zhì)性進(jìn)展。

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基金項目：教育部新工科項目“應(yīng)用型高校新工科專業(yè)‘模塊化課程池’建設(shè)的實踐研究”（E-ZY JG20200225）；安徽省級質(zhì)量工程項目“線上教學(xué)示范高校項目”（2020xssfgx14）、“電子技術(shù)III（EDA技術(shù)）線上線下混合式教學(xué)”（2020xsxxkc387）；安徽省重大教研項目“以工程教育認(rèn)證為抓手，改進(jìn)合肥學(xué)院自動化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式”（2020jyxm1618）

第一作者簡介：徐振峰（1981-），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師。研究方向為深度學(xué)習(xí)與智能感知。