面向復雜工程問題解決能力的多元化實踐教學體系構建

李艷+王海梅+吳益飛+彭棟

摘 要： 基于自動化專業人才培養目標和畢業能力通用標準的要求，建立一套與自動化類工程師基本素質訓練內容相銜接、循序漸進的實踐教學模式，并按照專業基本技能、系統設計能力、研究創新能力三個層面，逐層遞進地培養學生解決“復雜工程問題”的能力，為提高大學生工程實踐能力和工程素質，培養適應社會需求的工程創新人才提供參考和借鑒。

關鍵詞： 復雜工程問題 工程實踐能力 自動化

引言

工程教育認證制度是國際通行的工程教育質量保證制度，是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎，也是連接工程教育界和工業界的橋梁。2015版工程教育認證標準中，對普通高等學校本科生的畢業要求通用標準共12條，其中有8條提及“復雜工程問題”，這種對于復雜工程問題的解決能力，不僅需要全面扎實的理論知識功底，更需要工程實踐能力的積累，全面體現出工程教育的實踐性、創新性、系統性。因此，認證專業必須要求教育過程合理地規劃與實現在工程資源范圍、系統相互作用的層次水平、工程實施的社會環境后果、培養學生的創新能力以及相關學科的基礎理論應用于復雜工程問題等方面的工程教育活動[1]。本文以南京理工大學自動化專業為例，立足本專業培養目標，在深入剖析復雜工程問題的內涵與特征的基礎上，對本科培養過程進行重新規劃，在教學活動的各個環節中設計并實施培養學生解決復雜工程問題能力的工程教育活動，以滿足工業界對現代工程人才的需求。

1.面向工程教育專業認證需求，剖析復雜工程問題內涵

所謂“復雜工程問題”，是指必須運用深入的工程原理，并經過分析才可能得到解決的問題，須同時具備下列6個特征中的部分或全部：（1）它涉及多個工程、技術及其他方面的因素，各因素間可能會有一些沖突；（2）需通過建立適當合理的并能體現出一定的創造性抽象模型才能將沖突問題予以解決；（3）問題中涉及的部分因素沒能完全包含在本專業工程實踐的標準或規范中；（4）不是僅靠一般的方法就能夠將問題完全解決的；（5）問題相關各方利益不完全一致；（6）包含多個相互關聯的子問題并有一定的綜合性[2]。

從上述對“復雜工程問題”的解釋可以看出，解決復雜工程問題是工程教育認證對學生畢業能力的要求。工程教育的培養過程要求學生：有深厚的工程知識，會解決復雜性工程問題的某一或某幾個方面，會創造性地分析建模與解決問題，會解決涉及工程與其他方面及不同利益相關者的多樣化需求，能深入工程標準與規范涵蓋之外的可能不太常見的問題，能開展研究以解決高水平且包括多個組成部分或子問題的問題[1]。

2.針對解決復雜工程問題的能力需求，構建多元化實踐教學培養體系

面向國家工程教育專業認證目標，針對解決復雜工程問題的能力培養需求，自動化專業對本科教育的實踐培養環節進行了梳理與重新規劃，按照基本技能訓練、系統設計能力培養及研究創新能力培養三個層面，重組了實踐教學內容，合理安排不同類型實驗的比例，優化了基礎性實驗，加強綜合性、設計性和創新性實驗，構建了多層次、多元化實踐教學培養體系，如圖1至圖4所示：

3.“科教融合，校企協同”，構建高層次校內學生實踐創新平臺

所謂科教融合，是指以創新人才培養為前提，使科研與教學在形式和內容上相互滲透而形成的人才培養的新路徑，它是對我們普遍倡導的“科研與教學相結合”的更深層含義的表達[3]。如何使科研資源、科技成果及前沿課題不斷有效地轉化為優質的教學資源。針對這一問題，本專業在具體實踐過程中，一方面，結合專業教師高水平科研項目，通過自制與購買相結合的方式，多渠道開展實驗室建設。另一方面，通過與國內外著名企業建立聯合實驗室和創新實踐基地，構建一系列高層次實踐創新平臺。一流的實踐平臺、一流的實驗環境為大學生工程實踐能力的培養提供了堅實的保障。

3.1依照多層次實踐教學模式，實施實驗中心功能整合。

校內實驗室是學生工程實踐能力培養的搖籃，在教學投入上應高度重視實驗室的建設，及時更新相關實驗設備及軟件，在加大投入的同時，也應該對實驗室資源進行有效的整合，避免重復、閑置等現象，以提高實驗室的質量和效率。以“自動化省品牌專業”建設及校“一院一品”建設為契機，對自動化實驗教學中心進行全面整合，將中心實驗室全部調整到同一樓層，按功能整合成四個區域：基礎實驗區、專業綜合實驗區、智能運動體控制實驗區（含開放和創新實驗區）、聯合建設實驗室區，并明確各實驗室在學生復雜工程問題解決能力培養過程中的作用。圖5為按功能進行整合的自動化實驗中心體系結構。

3.2自制與購買相結合，多渠道開展實驗室建設。

實驗室的建設與改善是培養學生創新能力和實踐能力的必備條件。本專業在實驗室建設的具體實踐中，一方面，利用教師長期從事本行業軍民品科技項目的優勢，通過將最新技術與成果轉化為實驗裝置，自行開發研制了10余種，160余套高水平、綜合型、設計型和創新型實驗裝置。如：利用國防科研成果開發了“高精度數字伺服系統”；結合橫向科研課題，針對一類典型控制系統，研制出“組合式過程控制系統”。基于上述設備進行實驗，能夠使學生在成功案例的分析過程中獲取實踐經驗、擴大認知面，進而激發學生探究解決實際問題的愿望，培養學生自主學習的能力和主動思維的習慣。將科研成果轉化為教學內容，同時促進了科研項目與科研訓練、畢業設計等培養環節的結合，增強了實踐教學環節的工程背景，有效提高了學生的工程實踐能力。另一方面，利用自動化省品牌專業建設專項資金與國家修購經費，添置了100多臺套高水平的實驗裝置（近2年），包括三維姿態采集分析系統、無人機DIY設備、多種競賽機器人、加拿大Quanser運動控制平臺等。這些設備代表了控制學科的技術前沿，某些設備本身即為典型的復雜控制系統，包含了復雜的控制工程問題，能夠為本科生科研訓練、畢業設計、課程設計和相關學科競賽等提供一流的創新實踐平臺。

3.3引進自動化相關企業的設備，建立校企聯合實驗室。

自動化專業是電氣工程與自動控制、計算機與信息技術等新技術相結合的寬口徑專業，其鮮明的特點就是學科交叉。在專業實驗室建設方面，要充分考慮各類相關學科專業人才培養的需求，突出培養學生的實踐能力和創新能力。為此，本專業先后與西門子數控（南京）有限公司、飛思卡爾半導體（中國）有限公司、羅克韋爾自動化（中國）有限公司、德州儀器公司（TI）等企業建立了聯合實驗室。校企聯合共建實驗室，能夠為學生提供最先進的、具有明顯行業背景的、系統性強的實驗平臺。基于上述平臺，學生可以接觸世界領先的工業自動化設備、控制和技術解決方案。所引進的企業設備，都是實際運行的自動化設備，縮小了教學實驗與社會實際應用的差距。借此展開各類綜合、創新實驗項目，極大地增強了學生多學科知識交叉融合與科技創新能力。

3.4以科技競賽為牽引，構建開放式大學生創新實踐平臺。

科技競賽既能體現學生專業基礎能力，又能極大地發揮學生的創新思維，是提高學生實踐創新能力的有效途徑。本專業成立了一支由教學、科研第一線教師組成的大學生科技競賽專業指導團隊。團隊成員實踐教學能力強、科技競賽經驗豐富，熱心于大學生科技活動事業，創設的全校機器人大賽已經連續組辦11屆，學生參與度極高。

組建了“無限自動”科技俱樂部，先后創建了智能車、機器人、無人機等5個本科生創新平臺，吸引了跨專業、跨學科的學生積極參與到課外科技活動中。俱樂部由學生自己組織、自我管理，可充分展示學生的個性，激發學生的求知欲和探知欲，強化學生自主學習的意識。專業為“科技俱樂部”配備了有經驗的指導教師，使學生的自主學習與專業指導緊密結合。大學生科技創新平臺實驗條件優越、經費充足，為學有余力、勤于動手的學生提供了實現自己設想的實踐場所，為培育新時代拔尖人才創造了條件。

針對學生層次差異及各科技競賽對學生能力培養的側重點不同，大學生創新實踐平臺設計了由興趣培養→動手能力培養→主動實踐和創新能力培養的三層次能力培養模式：對于大一、大二學生，通過機器人競賽引導學生實踐動手的興趣和積極性；對于進入專業課程學習的大三學生，通過創新杯、電子設計競賽和科研訓練等，提高學生的實踐動手能力；對于大四學生，主要通過參加國家級科技競賽項目，引導學生主動實踐，進而提高其實踐創新能力。

4.校企合作打造實訓實習基地，有效提高學生的工程實踐能力

專業與多個國內知名企業建立了長效的合作機制，通過邀請具有豐富工程實踐經驗的企業高端人才或高級管理人才來校授課講學，組織學生到優秀企業參觀、實訓或實習等方式，建立校企合作人才培養機制。專業所建立的實訓實習基地具有技術研發工程實驗條件和明確的產品研發方向，學生參與企業項目，能夠接受企業導師與校內導師的共同指導。學生在項目實施過程中，通過將自己的知識和技能用于實踐，體驗創業的過程，并在學習過程中掌握項目的設計、實施和管理方法，在企業項目的驅動下提高解決復雜工程問題的能力。校企合作也將帶動項目驅動型校企實訓實習基地的“共建、共享、共管、共贏”。自動化專業目前已與南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司、江蘇銀河電子股份有限公司、中國衛星海上測控中心、南京地鐵運營有限責任公司等多家企業建立了實訓實習基地。

在上述實訓實習基地中，南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司由夏普提供全方位技術支持，具有GDM技術、4次光罩技術、光配向技術等該領域世界最新技術，擁有工藝技術最先進的第六代液晶面板生產線。該公司為本專業學生開設了“液晶器件制造工藝”、“光電子技術概論”、“電路CAD及印制電路板設計技術”三門課程的教學，并承擔學生的畢業實習任務。學生在企業環境中接受訓練，由經驗豐富的工程技術人員上課，邊學習邊實踐，實踐創新能力得到了普遍提高。南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司于2014年被評為“國家級工程實踐教育中心”。

結語

實施工程教育認證標準過程中，加強學生培養全過程中面向“復雜工程問題”的訓練與能力培養，注重工程實踐能力的積累，是保證我國高等工程教育的質量的重要條件。本文在剖析復雜工程問題內涵與特征的基礎上，構建了基于“基本技能、系統設計能力、研究創新能力”的實踐課程培養體系，通過“科研成果轉化與購買相結合，校企共建，高水平建設校內學生實踐創新平臺；以科技競賽為牽引，構建開放式大學生創新實踐平臺；校企合作，打造實訓實習基地”等途徑，設計了多元化實踐創新能力培養方案，全面體現了工程教育的實踐性、創新性、系統性，確保了大學生復雜工程問題解決能力的穩步提高。

參考文獻：

[1]余壽文.工程教育評估與認證及其思考[J].高等工程教育研究，2015（3）：1-6.

[2]中國工程教育專業認證協會.工程教育認證標準（2015年版）.

[3]風天宏.科教融合主導下大學生科研創新能力的培養[J].教育教學論壇，2014（11）：177-178.

基金項目：自動化類專業教學指導委員會專業教育教學改革研究項目，批準號：2014A09。