孫 潔

（寧波工程學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

自2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》締約成員國以來，我國越來越多的高校按照中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，開始積極推進(jìn)工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的申報和自評工作。《華盛頓協(xié)議》明確了以培養(yǎng)工程師為目標(biāo)的本科教育須將學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力作為培養(yǎng)要求[1]。同時，在中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會制定的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中要求工程專業(yè)本科生畢業(yè)時必須具備12項能力要求，值得注意的是，其中8項要求直接與解決復(fù)雜工程問題相關(guān)[2]。由此可見，解決復(fù)雜工程問題能力是本科人才培養(yǎng)中的核心內(nèi)容。

為了將復(fù)雜工程教學(xué)落實到本科課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，必須讓企業(yè)深入?yún)⑴c到課程建設(shè)中。目前雖然設(shè)置了企業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)等環(huán)節(jié)，但存在“走過場”的現(xiàn)象，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)實習(xí)過程中并未真正向?qū)W生講授解決復(fù)雜工程問題方法論的具體實踐，針對社會、倫理、經(jīng)濟(jì)決策等非技術(shù)因素的相關(guān)課程沒有與實際工程結(jié)合，學(xué)生缺乏在非技術(shù)因素與技術(shù)成果存在沖突時解決問題的實踐經(jīng)驗，導(dǎo)致生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)與企業(yè)全周期工程創(chuàng)新的方法論相脫節(jié)。本文從3個方面進(jìn)行了校企深入合作、共建課程的研究，即依托企業(yè)挖掘典型行業(yè)應(yīng)用，設(shè)計復(fù)雜工程問題；企業(yè)導(dǎo)師參與一線教學(xué)，共同制訂教學(xué)大綱，通過項目為中心的教學(xué)進(jìn)行工程能力培養(yǎng)；企業(yè)和高校共同制訂評價標(biāo)準(zhǔn)，檢驗教學(xué)效果。

1 復(fù)雜工程問題的定義和設(shè)計

傳統(tǒng)高等教育中的“復(fù)雜技術(shù)問題”，通常是指以某個基礎(chǔ)專業(yè)作為核心、與其他相關(guān)專業(yè)有關(guān)聯(lián)的難于分析、解答或理解的問題。而“復(fù)雜工程問題”與“復(fù)雜技術(shù)問題”不同，它必須具備一定程度的規(guī)模、難度、復(fù)雜度和綜合性，同時要求考慮非技術(shù)因素，是畢業(yè)生在職業(yè)崗位中會真正面對的實際工作問題。目前，一方面由于一線教師在工程實踐方面的參與度不夠，難以提煉現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)中的復(fù)雜工程問題并反饋到自己承擔(dān)的教學(xué)環(huán)節(jié)[3]；另一方面，在教學(xué)過程中缺少企業(yè)家的大力參與和深度支持，高校教育和工業(yè)界脫節(jié)，導(dǎo)致在教學(xué)設(shè)計中難以體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的系統(tǒng)性。

要提取典型的行業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜工程問題，需要分析行業(yè)需求，并且結(jié)合高校的畢業(yè)要求進(jìn)行指標(biāo)分解。以物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵課程“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用”為例，支持復(fù)雜工程問題的指標(biāo)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個方面：

（2）能夠使用建模工具對所提出的解決方案進(jìn)行預(yù)測與模擬，對于需要精確數(shù)據(jù)的方案，能夠選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型做出分析研究；

（3）能夠使用現(xiàn)代的軟硬件開發(fā)工具，對所提出的解決方案進(jìn)行實現(xiàn)和部署；

（4）在實現(xiàn)和部署過程中考慮可生產(chǎn)性、可安裝性、性能價格比等因素。

根據(jù)這4個指標(biāo)點(diǎn)，提煉出若干符合行業(yè)熱點(diǎn)的復(fù)雜工程問題。一個實例是“基于NB-IoT的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)”，該系統(tǒng)將運(yùn)用溫濕度、PH值、光照、CO2等傳感器設(shè)備，檢測溫室大棚中的各種物理量參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)傳送到遠(yuǎn)程辦公室，技術(shù)人員通過手機(jī)APP即可對多個大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，保證農(nóng)作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。為了解決該工程問題，學(xué)生需要通過提出以下步驟逐步進(jìn)行：設(shè)計方案、建模和預(yù)測、程序開發(fā)、和項目部署，各步驟和指標(biāo)點(diǎn)以及相關(guān)支撐課程之間的對應(yīng)如表1所示。其中，主要依托課程為“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用”，開課時間為大三第二學(xué)期；而其他支撐課程分布在大一至大三第一學(xué)期開設(shè)。從而保障了各支撐課程能夠在主依托課程之前，為該復(fù)雜工程問題提供相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識。

在設(shè)計復(fù)雜工程問題中，必須綜合考慮“復(fù)雜”特征，同時考慮本科生能力進(jìn)行適當(dāng)裁剪。例如步驟1中，必須非常深入地了解各種無線通信技術(shù)的通訊范圍和強(qiáng)度，才能確定解決方案中必須包括采集器和云服務(wù)器，從而確保遠(yuǎn)程獲取大棚數(shù)據(jù)的可行性。而低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)于2018年才逐漸成熟，超越現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需采取新的技術(shù)路線解決具體應(yīng)用中的問題。在步驟2中，必須采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬和計算，才能根據(jù)大棚的面積和形狀，避免冗余或者監(jiān)控死角，確定最優(yōu)方案。步驟4中，性能/耗電量和價格之間會存在沖突，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行衡量。同時具備基本的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，防止通過無線通訊漏洞偽造或者竊取數(shù)據(jù)。

2 復(fù)雜工程問題的教學(xué)設(shè)計

為了能充分結(jié)合高校和企業(yè)的資源，教學(xué)采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，結(jié)合線上線下教學(xué)，以項目為主線進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。具體內(nèi)容以網(wǎng)絡(luò)工程18級學(xué)生的專業(yè)課《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用》為例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)大綱

校企共建課程的教學(xué)目標(biāo)是要將解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)做到實處。教學(xué)大綱是針對具體課程來實現(xiàn)這個教學(xué)目標(biāo)。為此，在教學(xué)大綱中，將支撐“復(fù)雜工程問題”的理論體系、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)要求、教學(xué)評價等明確化，確保任課教師在整個教學(xué)過程中堅決貫徹執(zhí)行。要以企業(yè)需求和就業(yè)為導(dǎo)向，從培養(yǎng)目標(biāo)入手，明確該課程的教學(xué)對學(xué)生達(dá)到畢業(yè)要求的貢獻(xiàn)是什么以及如何貢獻(xiàn)，確保課程教學(xué)目標(biāo)的適切性。

2.2 “線上+線下”教學(xué)方法

教學(xué)形式采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，精心設(shè)計課堂內(nèi)容和課后內(nèi)容，理論教學(xué)完全由學(xué)生利用課后時間，按照項目安排，在網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行視頻學(xué)習(xí)。課堂時間完全用于實踐環(huán)節(jié)的實施以及教師的引導(dǎo)和點(diǎn)評。

1）線上理論教學(xué)

風(fēng)影突然感到渾身冰涼，冷得發(fā)抖。女人真是奇怪，不可理喻！他像是從很深很深的水底里飄浮上來，又像是從很高很高的天空中墜落下來，他聽到了呼呼的風(fēng)聲，卻不知道來自何方。剎那間，他處在莫名的煩躁與悲涼之中，想到了佛前的蓮花，佛前的明燈，可依然無法將內(nèi)心的這股邪火熄滅下去。他似乎看到了她在另一個男人的身下扭動、呻吟，用手指和聲音撫摸著他。那男人像一條瘋狗一樣趴在她的身上，動作粗暴，十分亢奮，得到了原始的滿足，然后將最骯臟的污物留在她的體內(nèi)。當(dāng)然，這只是風(fēng)影的想象，也許師父說得對，山下的女人是老虎，不僅是老虎，還是母狗，毒蛇，狐貍精，不僅要啖他的肉，還要啃噬他的心。

線上教學(xué)主要實現(xiàn)理論和知識學(xué)習(xí)。理論課程內(nèi)容需要將高校教師基于學(xué)科體系的理論知識與企業(yè)導(dǎo)師擅長的基于實踐一線的實踐經(jīng)驗進(jìn)行整合與銜接。本課程通過與企業(yè)導(dǎo)師共同篩選，精選了3～5個符合行業(yè)熱點(diǎn)、切合實際應(yīng)用、又有趣味性的復(fù)雜工程應(yīng)用項目作為教學(xué)內(nèi)容。以項目為主線，將各個案例中所需要的知識點(diǎn)進(jìn)行篩選，錄制為8～15分鐘的視頻。同時搭建網(wǎng)絡(luò)平臺，提供多層次、全方位的學(xué)習(xí)資源，包括具體課題中可能用到的軟硬件電子資源，如傳感器節(jié)點(diǎn)中微處理器的具體說明書《CC2530用戶手冊》、具體傳感器的產(chǎn)品說明書等電子資源，以及內(nèi)容豐富的經(jīng)典教材和參考書，方便學(xué)生遇到問題隨時查閱。

2）線下工程訓(xùn)練

線下教學(xué)主要培養(yǎng)工程能力，采用CDIO工程教育理念，以復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向，樹立全周期的工程教育理念，從構(gòu)思、設(shè)計、實施到運(yùn)行的項目完整生命周期中，訓(xùn)練工程設(shè)計能力、實踐能力、管理能力和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生身歷其境地了解企業(yè)解決工程問題的流程與方法。如圖1所示，在每個項目初期，教師對項目做出簡述，學(xué)生通過課后時間，按照“項目-知識點(diǎn)”索引，自行觀看視頻，進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。同時通過資料檢索和小組討論，完成項目的需求分析。教師在課堂上對各個小組的需求分析報告做出點(diǎn)評，因為需求分析在項目生命周期中是非常關(guān)鍵和基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)偏差則后面的所有環(huán)節(jié)都將發(fā)生偏離。另外，教師需對普遍存在的問題進(jìn)行講解，指導(dǎo)學(xué)生用正確的方法進(jìn)行分析和設(shè)計。在設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生利用專業(yè)知識，在課后完成系統(tǒng)

圖1 基于翻轉(zhuǎn)課堂和CDIO工程理念的教學(xué)方法

架構(gòu)設(shè)計和詳細(xì)方案設(shè)計，同樣需要教師及時進(jìn)行點(diǎn)評和修正。項目需求分析報告和項目設(shè)計報告必須形成文本，是對企業(yè)的合同制工程管理流程做出模擬，同時訓(xùn)練學(xué)生整理、分析和歸納資料，以獲得有效結(jié)論嚴(yán)格的工程方法。在實施環(huán)節(jié)，學(xué)生需要確定設(shè)備選型，教師須在課堂上說明選型的各類工程標(biāo)準(zhǔn)。同樣性能的設(shè)備型號和生產(chǎn)商眾多，引導(dǎo)學(xué)生從造價、耗電量、維護(hù)難易度等標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，選擇適合實際生產(chǎn)制造的設(shè)備。學(xué)生利用課后時間連接硬件、調(diào)試通訊，完成軟件開發(fā)和功能調(diào)試、方案優(yōu)化等過程。最終在運(yùn)行階段進(jìn)行系統(tǒng)整合和運(yùn)行，并完成答辯，訓(xùn)練學(xué)生表達(dá)和陳述的能力。教師在課堂時間要對每個項目小組的得失做出綜合評價，并綜合各個小組的情況，對本項目做出總結(jié)。

在翻轉(zhuǎn)課堂開展期間，每個項目的適當(dāng)環(huán)節(jié)安排企業(yè)工程師入駐。以圖1為例，項目構(gòu)思階段中的項目簡述、項目實施階段的工程標(biāo)準(zhǔn)引入、項目運(yùn)行階段的項目總結(jié)等環(huán)節(jié)，聘請企業(yè)工程師以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)。在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)中加入IPD（Integrated Product Development，集成產(chǎn)品開發(fā)模式）方法論[4]，引導(dǎo)學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題時，綜合考慮非技術(shù)因素與技術(shù)因素。主要包括：新產(chǎn)品開發(fā)時市場需求和創(chuàng)新調(diào)研、投資決策、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實際社會應(yīng)用的可行性分析、經(jīng)濟(jì)回報分析等，引導(dǎo)學(xué)生模擬真實的企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，實踐產(chǎn)品開發(fā)、市場開拓、經(jīng)濟(jì)回報等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在進(jìn)入職場之前，做好相關(guān)技能儲備。

3 復(fù)雜工程人才的評價體系

要評估校企共建課程的效果，必須建立科學(xué)的綜合評價指標(biāo)。因此，本文采用了基于OBE（產(chǎn)出導(dǎo)向）的人才評價體系，既包括校內(nèi)課程評價，也加入社會企業(yè)評價，讓學(xué)生的能力接受社會的檢驗，評估其能力是否達(dá)到企業(yè)對工程科技人才的基本需求。

（1）課程評價

課程評價和項目評價，分別對應(yīng)翻轉(zhuǎn)課堂中線上和線下的學(xué)習(xí)評估。其中，課程成績主要評估的是學(xué)生在課前或者課后時間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)的成果，包括視頻觀看進(jìn)度、針對知識點(diǎn)的隨堂測試成績、在線討論活躍度等。這部分成績由線上學(xué)習(xí)平臺按照學(xué)生登錄后的學(xué)習(xí)活動，自動生成評分。

（2）項目評價

項目成績由教師完成，采取以項目小組為單位的評價方法，對指標(biāo)點(diǎn)完成度進(jìn)行定量分析，如表2所示。通過明確本課程的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系，并對畢業(yè)要求進(jìn)行分解，確定本課程支持復(fù)雜工程問題的指標(biāo)點(diǎn)，在教學(xué)活動中確保所有指標(biāo)點(diǎn)都能在課程中有所體現(xiàn)。

表2 項目成績的考核方法

（3）企業(yè)評價

企業(yè)評價以企業(yè)導(dǎo)師為評價主體，從職業(yè)能力、工作態(tài)度、職業(yè)素質(zhì)3個維度出發(fā)，對項目組成員進(jìn)行綜合評價。其中，職業(yè)能力包括解決問題能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新能力等，工作態(tài)度包括積極性、協(xié)作性、紀(jì)律性等，職業(yè)素質(zhì)中包括成本意識、管理能力、溝通能力等。各個指標(biāo)采取適當(dāng)權(quán)重，最終給每個學(xué)生一個綜合得分。

4 教學(xué)效果評價

本課程以1個小班共24名學(xué)生為教學(xué)對象，實施了校企共建課程的教學(xué)改革。根據(jù)多種考核方式，對學(xué)生進(jìn)行能力達(dá)成度分析。方法如表3所示，針對每個指標(biāo)點(diǎn)，分別統(tǒng)計課程、項目和企業(yè)評價的分?jǐn)?shù)，并進(jìn)行加權(quán)平均，最后得到每個教學(xué)目標(biāo)的學(xué)生的達(dá)成度分?jǐn)?shù)。根據(jù)達(dá)成度評價結(jié)果，分析學(xué)生薄弱環(huán)節(jié)及其產(chǎn)生原因，在后續(xù)項目中能夠有持續(xù)改進(jìn)措施。

表3 學(xué)生達(dá)成度及改進(jìn)措施

實踐證明，指標(biāo)點(diǎn)2的能力達(dá)成度最高，反映出學(xué)生對于實際的建模工具掌握較好，這主要是因為每種建模和模擬軟件都有具體的使用手冊和實操步驟。指標(biāo)點(diǎn)3的達(dá)成度相對有下降，主要出現(xiàn)在軟硬件調(diào)試過程，需要學(xué)生針對不同問題進(jìn)行解決。而項目教學(xué)中，學(xué)生相對較弱的是設(shè)計能力，即指標(biāo)點(diǎn)1中針對具體工程問題設(shè)計解決方案時，往往存在考慮不全面或者設(shè)計邏輯不符合實際的情況，對此，要在后續(xù)的課程教學(xué)中多提供行業(yè)相關(guān)案例，讓學(xué)生們進(jìn)行分析，通過模擬和超越，從而鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考能力與創(chuàng)新設(shè)計能力。而指標(biāo)點(diǎn)4即非技術(shù)類的因素達(dá)成度最低，在設(shè)備選型階段尤為突出，反映出學(xué)生更注重功能實現(xiàn)而忽視了工程產(chǎn)出比，這也凸顯了高校教學(xué)的薄弱性，體現(xiàn)了企業(yè)工程師進(jìn)駐理工類專業(yè)課程建設(shè)的重要性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了校企共建課程的詳細(xì)方案，覆蓋了復(fù)雜工程問題的定義與設(shè)計、教學(xué)環(huán)節(jié)的過程設(shè)計、教學(xué)效果評估3個層面，闡述了把復(fù)雜工程問題融合到具體課程的方法，以達(dá)到對學(xué)生的知識教育和工程教育的統(tǒng)一培養(yǎng)。最后對該方案的專業(yè)認(rèn)證指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度進(jìn)行了分析，證明該方法不僅具有可操作性，而且可通過收集的具體數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在本課程中所缺失的能力，以及是否持續(xù)進(jìn)步。最終形成的第一手資料可以用于畢業(yè)要求達(dá)成度的計算與判斷，更可以用于改進(jìn)課程的設(shè)計，為課程的持續(xù)改進(jìn)提供思路。

解決復(fù)雜工程問題能力是本科人才培養(yǎng)中的核心內(nèi)容，也是工程教育專業(yè)認(rèn)證的重要組成部分。要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，校企深入合作、共建課程是有效途徑，要充分發(fā)揮高校和企業(yè)的強(qiáng)項，并分解到具體課程的各個環(huán)節(jié)中落實。