夏金威 顧涵

摘? 要：基于工程教育專業(yè)認證的背景，培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力已成為應用型高校教學改革的內在要求。這要求各高校在人才培養(yǎng)過程中應緊密聯(lián)系實踐，遵循OBE教育理念，以培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力強的學生為教學目標，培養(yǎng)具有解決復雜工程問題能力的學生。以常熟理工學院為例，在分析復雜工程問題基本內涵的基礎上，提出了基于解決結構不良問題的課程教學，同時探討了如何培養(yǎng)解決復雜工程問題能力的改革舉措。

關鍵詞：專業(yè)認證? 復雜工程問題? STEM? 教學體系

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

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

1 復雜工程問題的基本內涵

在應用型高校教育過程中，問題的不斷出現(xiàn)和解決就是實踐的過程，可以把問題分為結構良好問題和結構不良問題。問題的出現(xiàn)、初始條件、解決思路、目標狀態(tài)清晰確定的稱為結構良好問題，反之則為結構不良問題[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，大多為結構良好問題。而按照工程教育專業(yè)認證通用標準中關于復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，特征點如下。

特征1：必須具備運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決;

特征2：涉及多方面的技術、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)工程實踐的標準和規(guī)范中;

特征6：問題相關的各方利益不完全一致;

特征7：具有較高的綜合性，包含多個相互關聯(lián)的子問題。

與傳統(tǒng)教育中的結構良好問題不同，復雜工程問題本質上是結構不良問題。比如：與復雜工程問題特征2、4、5相對應，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，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，問題所涉及的概念、原理是比較復雜的，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構良好問題轉換為結構不良問題，用以“解決復雜工程問題”的教學體系。

2基于STEM理念復雜工程問題的構建

STEM理念[2]的核心是圍繞真實的項目和問題，設置真實的場景和參數(shù)，有機融合科學理論、工程技術和數(shù)學模型的一個整體。復雜工程問題屬于結構不良問題，特征與STEM理論相符。如何把基于良好結構問題的傳統(tǒng)教學轉化為結構不良的復雜工程問題能力培養(yǎng)的教學，如圖1所示，通?？梢园凑障旅娴牧鞒虂慝@取復雜工程問題。

基于STEM 理念構建復雜工程問題可以分為三步：第一，教師應先進行實際情況分析，主要包括學情分析和資源分析，掌握學生的專業(yè)知識基礎。第二，構建出與實際教學內容相符的真實應用場景模型或能體現(xiàn)實際教學內容的問題模型;第三，教學設計以實驗為例，在模擬真實參數(shù)的情況下，要弄清解決的原理和方案，要預測和分析實驗的結果。整個過程中，還需要考慮技術難度、投入成本、結構工藝等約束因素，同時還要考慮社會環(huán)境、安全、法律等非技術因素[3]等的制約，綜合技術因素和非技術因素的整體考慮后，最終構建出STEM理論的復雜工程問題。

3 面向復雜工程問題的課程教學

3.1以綜合項目形式加強基礎課程的能力培養(yǎng)

專業(yè)基礎課是后續(xù)專業(yè)課學習的基礎，起到了前期鋪墊的作用，應注重從專業(yè)基礎課的教學中來凝練學生“解決復雜工程問題”能力的培養(yǎng)。以電子信息工程專業(yè)為例，模擬電子技術、數(shù)字電子技術為兩門專業(yè)基礎課，課程的教學可以結合電子技術課程設計內容，設立綜合項目教學環(huán)節(jié)，并提高總評成績占比，結合課程的重點和難點內容，選取綜合性項目案例[4]，如表1所示，列出了2019—2020年秋季學期綜合項目的案例選題。

表1中的選題從復雜工程問題主要特征的角度來分析，主要體現(xiàn)在：（1）選題在設計實現(xiàn)時需要借助仿真軟件來完成調試和驗證;（2）每個選題的設計方案不是唯一的，學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）在方案實現(xiàn)過程中，需要設定相應的參數(shù)，建立相關的模型，綜合考慮整體性能和制約關系后才能完成。

3.2基于學科競賽的研究性學習

研究性學習是為了更好地激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提高解決實際工程問題的能力，由傳統(tǒng)單一的接受性學習轉變?yōu)樽灾鞫鄻拥膭?chuàng)新性學習的方式。學科競賽的開展正是為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，學生通過把學到的理論知識運用到學科競賽的項目設計中，理論聯(lián)系實際。圖2為學生團隊參加全國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽時設計完成的圖書館分揀機器人3D效果圖，該機器人系統(tǒng)由書籍分揀子系統(tǒng)和路徑自動識別與運行規(guī)劃子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)由36 V鋰電池組通過DC-DC模塊轉換后進行24 V電壓的供電。其中書籍分揀子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對步進電機的控制及組態(tài)屏與輸入之間的數(shù)據(jù)傳遞;路徑自動識別與運行規(guī)劃子系統(tǒng)通過尋找磁釘位置來實現(xiàn)自動運行，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，從而實現(xiàn)路線的自動規(guī)劃。

3.3實踐教學內容的改革

以電子信息工程專業(yè)為例，“單片機技術與應用”課程[5]在改革前，教學內容與技術發(fā)展脫節(jié)嚴重。原先以51系列單片機開發(fā)為主，工程實踐內容復雜程度低，滿足不了嵌入式系統(tǒng)應用人才的培養(yǎng)要求;針對以上情況，從2018年秋季學期開始，開展了實踐教學改革：在教學講義上，依托學校自制儀器項目開發(fā)了基于Cortex-M3內核的自編實驗手冊，“理實一體”授課同步采用Corex-M3處理器。

以實驗項目“城市智慧光影”為例，其實驗內容為：打破常規(guī)的流水燈設計，要求設計一款汽車轉向燈控制系統(tǒng)，要求學生在開展實驗時必需掌握多個LED驅動、GPIO口控制、定時器、矩陣鍵盤掃描4種電路的設計能力，該實驗項目體現(xiàn)了“解決復雜工程問題”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，結合輔助工具軟件和工程參數(shù)設置進行系統(tǒng)性設計才行，對應特征1。

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

4 培養(yǎng)解決復雜工程問題能力的舉措

應用型高校特別是以理工科為主的應用型高校更應該注重學生“解決復雜工程問題”能力的培養(yǎng)。以常熟理工學院為例，學校堅持服務地方，積極深化產(chǎn)教融合，共建行業(yè)學院，推進新工科、新文科建設，探索跨學科、跨專業(yè)的復合型應用型人才培養(yǎng)模式。主要包括以下3個方面.

4.1加強課程體系建設

強化工程能力是應用型高校面向學生培養(yǎng)“解決復雜工程問題”能力的重要舉措。學?；诠こ探逃J證，進一步完善課程體系，在課程體系的制定中堅持邀請企業(yè)和行業(yè)專家共同參與，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)“工程知識傳授”到“工程能力培養(yǎng)”的轉變。

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

4.2提升教師工程實踐能力

具有一支具有工程背景，實踐動手能力強的教師團隊是培養(yǎng)學生“解決復雜工程問題”能力的重要前提。以電子信息工程學院為例，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)相關的教育背景;80%以上的教師進企業(yè)研修過，承擔或參與了企業(yè)中的工程項目，具有“工程背景”;50%以上的教師具有指導學生學科競賽項目的經(jīng)驗，并都取得了不錯的成績。教師普遍具有堅實的專業(yè)基礎，能夠深入理論開展研究，同時也具備較強的將科學技術轉化為生產(chǎn)力的工程能力。

5結語

基于工程教育專業(yè)認證的背景，培養(yǎng)“解決復雜工程問題”的能力已成為應用型高校教學改革的內在要求，是人才培養(yǎng)領域的一個重要趨勢。這要求各高校在人才培養(yǎng)過程中應緊密聯(lián)系實踐，在課程設置、教學內容、實驗室建設等方面都必須進一步探索和改革。高校的各專業(yè)不論是否申請專業(yè)認證，都必須遵循學習產(chǎn)出的OBE教育理念，以培養(yǎng)動手能力強、實踐能力強、創(chuàng)新能力強的學生為教學目標，培養(yǎng)具有“解決復雜工程問題”能力的學生。該文以常熟理工學院為例，在分析復雜工程問題基本內涵的基礎上，提出了基于解決結構不良問題的課程教學，同時探討了培養(yǎng)“解決復雜工程問題”能力的一些舉措，希望可以為相關院校提供借鑒。

參考文獻

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[4]楊馬英.自動化專業(yè)復雜工程問題能力培養(yǎng)的實踐[J].電氣電子教學學報，2019，41（6）：18-23.

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[7]錢振江，龔聲蓉，徐文彬.面向復雜工程問題的應用型本科計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究和實踐[J].計算機教育， 2017（6）：10-13.