以復雜工程問題解決能力培養為導向的課程體系改革

謝勝利,李衛軍,蔡述庭,章云

摘 要：畢業生具有解決復雜工程問題的能力，是華盛頓協議認證體系下本科與專科學生畢業要求的顯著區別，也納入了《工程教育專業認證標準》2015版的畢業要求。當前解決復雜工程問題的能力培養路線仍處于探索之中。文章結合我校自動化專業的特點，通過分析復雜工程問題的7個特征在本專業的定位，明確了畢業要求對教學環節的指引，制定了解決復雜工程問題能力的漸進培養路線。按照這一思路，開設了以智能制造實驗室為依托的面向復雜工程問題的綜合課程設計群。并以綜合課程設計群為中心重構了課程體系，作為解決復雜工程問題能力培養的新探索。

關鍵詞：工程教育認證；復雜工程問題；復雜工程問題特征；畢業要求；綜合課程設計；課程體系

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）22-0004-06

Abstract： Undergraduates should have the ability to solve complex engineering problems， which is significantly different from college graduates under the certification system of the Washington Agreement requirements， and it is also included in the certification standard for engineering education in China of the 2015 edition. At present， the ability to solve complex engineering problems is still under exploration. This paper explores the characteristics of automation specialty in our school. Through analyzing the positioning of the seven characteristics of complex engineering problems in the major， it is identified that the requirements of graduation guide the teaching practice， and a progressive training route to solve complex engineering problems ability is developed. According to this train of thought， a comprehensive curriculum design group for complex engineering problems based on Intelligent Manufacturing Laboratory has been set up. Taking the integrated curriculum design group as the center， the curriculum system is reconstructed， which is a new exploration for the ability training of complex engineering problems.

Keywords： Engineering education accreditation； complex engineering problems； characteristics of complex engineering problems； graduation attributes； integrated curriculum design； curriculum system

一、概述

2016年6月，我國正式加入《華盛頓協議》，成為第18個會員國，標志著我國工程教育邁上了新的臺階。《華盛頓協議》[1]倡導以學生為中心、產出導向（Outcome Based Education， OBE）、持續改進（Continue Quality Improvement， CQI）三大教育理念，要求從培養目標到畢業要求，從畢業要求到課程體系，再到教學環節的實施、評價與反饋，進行系統設計與實施。而培養學生解決復雜工程問題（Complex Problems）的能力是其中的重中之重。與《華盛頓協議》等效，《工程教育專業認證標準》2015版以模擬解決實際復雜工程問題為載體構建的12條畢業要求中，1-5、11條面向內/外部技術問題，模擬解決現代復雜工程問題的研發步驟能力；6-8條面向外部的非技術類問題，理解與評價現代復雜工程對其影響的能力；9、10、12條面向從事解決復雜工程問題畢業生應具有的社會能力[2]。

畢業要求是學生在畢業時必須達到能力標準，需要分解到課程體系的相應教學活動中去落實。準確地理解復雜工程問題在專業中的定位，是建立合理的課程體系，優化教學環節，改進評估考核方法的重要依據。

自動化專業經過幾十年的發展，人才培養要契合第四次工業革命對人才的要求，課程體系必須進行相應的調整、優化[3-4]。廣東工業大學自動化專業經過多年準備，開展工程教育專業認證準備工作，并于2016年12月通過中國工程教育專業認證協會組織的認證。我校自動化專業以解決復雜工程問題能力培養為主線，重構了自動化專業的課程體系。

二、復雜工程問題的專業定位

參照《華盛頓協議》要求，《工程教育專業認證標準》2015版詳細界定了“復雜工程問題”的7個特征。其中必須具備特征：①，同時具備特征：②-⑦的部分或全部[2]：①必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決；②需求涉及多方面的技術、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出創造性；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標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

上述特征作為復雜工程問題定義的一般性指導原則，當其具現于畢業要求中時，需考慮畢業要求對專業培養目標的支撐關系，以及對畢業要求的支撐課程與教學環節的指引與約束，而這意味者復雜工程問題的特征必須與專業特色相適應。因此，根據復雜工程問題特征，結合廣東工業大學自動化專業特點，我校自動化專業對復雜工程問題定位為：

特征①主要著重考慮知識的廣度與深度。自動化專業研究動態過程，著重的是系統機理分析與工程實現。不僅需要掌握數學、物理、自控原理等的相關知識以對控制系統進行建模與分析，還必須掌握機械、電子、計算機、通信等工程知識與技能來實現解決方案。由于控制系統的多樣性與復雜性，解決方案經常呈現定制化的特性。因此，需要從“掌握”知識提升到“應用”知識，在課程設計，綜合實驗，畢業設計等教學環節中注重培養應用基本原理分析復雜工程問題的能力。

特征②主要體現矛盾和沖突。自動化專業強調系統的觀點，而控制系統的設計過程就是一個解決矛盾和沖突的過程。矛盾和沖突主要體現在兩個方面，首先是系統機理內在的矛盾。控制系統的各項參數往往是有矛盾的，比如在反饋系統中提高反饋控制的精度與系統穩定性是有矛盾的，往往為了保證系統穩定性，而不能實現高精度的控制，因此常存在多方案比較與選擇的問題。其次，理論與工程實現之間的矛盾。針對復雜工程問題的解決方案，包含系統的構成、部件、協調、軟硬件綜合等。各技術與工程因素的相互關系決定整體性，要明確這些因素間的局限性，相互間的關系以及它們之間可能存在的沖突。

特征③主要體現分析深度。自動化專業強調對自動控制系統進行穩態與動態分析。由于眾多自動控制系統無法經數學推導得到解析解或者搭建實物模型進行分析與驗證，在系統的設計與實施過程中，為了解決其中的矛盾和沖突，必須將具體的工程問題抽象建模，借助現代工具進行仿真對系統做深入的分析。而且這里更強調有指向性的工程性分析研究，不是基礎科學的探究。對復雜工程問題進行提煉、定義、建模、分析，并體現一定的創新意識。

特征④主要體現多方案選擇與決策。由于被控對象的多樣性與復雜性，解決方案經常呈現定制化的特性，不是僅靠常用方法就可以完全解決的。而自動控制系統穩態與動態性能之間存在矛盾，設計時經常需要進行權衡與折中，而這必然意味著存在多種可能的解決方案。因此，在分析與設計的過程中，需要通過對多種可能的解決方案進行模擬、分析、比較，并從多種可選擇的方案中選擇出最佳的方案。

特征⑤強調標準外的行為準則。復雜工程問題是一個受多種因素制約的復雜體系，包括組織管理、經濟、健康、安全、法律以及文化等要素，現有專業標準和規范不可能完全包含所有因素。為了解決復雜工程問題，在缺乏現有準則指引過程中，必須理解工程技術的價值與工程倫理準則，并以此指引科技活動和工程實踐。

特征⑥強調沖突與協調。工程規模越大，復雜程度越高，與社會、經濟、產業、環境以及倫理價值觀念的相互關系也越來越緊密。工程的實施和運行，都會對自然生態系統和社會產生一定的影響，相關各方利益不完全一致時會導致沖突，需要進行溝通與協調。

特征⑦強調依存與關聯。系統組成部分之間存在著相互聯系、相互制約的關系。需要綜合考慮復雜工程問題的各部分，通過文獻研究、資料收集、信息分析等實現信息綜合，從關聯中尋找規律、資料收集、信息分析，為解決復雜工程問題提供思路和借鑒。

廣東工業大學自動化專業的畢業要求與《工程教育專業認證標準》2015版中的12條要求一致[2]。根據上述自動化專業復雜工程問題的定位，結合此次認證中發現的一些問題，復雜工程問題特征在我校自動化專業的畢業要求的體現如表1所示。其中，“●”表示復雜工程問題必須具備的特征，“○”表示復雜工程問題具備的其他特征。

以上述復雜工程問題特征在我校自動化專業的具體體現，作為制定支撐畢業要求的教學環節的指引，明確設置各畢業要求教學環節的指導原則，如表2所示。

由表2可見，專業畢業要求應圍繞培養學生解決復雜工程問題能力進行設計。根據產出導向教育（OBE）反向設計的理念，專業的畢業要求決定了專業的教學環節設置。

學生解決復雜工程問題能力的培養需要循序漸進，在大學四年期間通過多個教學環節綜合集成，是一個動態形成的過程。根據復雜工程問題特征在本專業各個畢業要求中的具體體現，自動化專業制定的漸進培養學生解決復雜工程問題能力的路線如圖1所示。

在解決復雜工程問題能力的培養過程中，數學與自然科學類課程、工程基礎類課程、專業基礎類課程和專業類課程等應承擔責任并作出貢獻。不同類型課程的設置在能力的培養上應具有連貫性，后續教學環節的設計應基于前修環節的達成效果進行規劃，以實現能力培養的漸進性。其中，數學與自然科學類課程主要體現基本科學能力培養；工程基礎類課程和專業基礎類課程主要體現數學和自然科學在本專業應用能力培養，以及工程與社會、職業規范等要求所需的知識與能力的培養；專業類課程應能體現系統設計和實現能力的培養。

由上述復雜工程問題特征在我校自動化專業的具體體現，以及解決復雜工程問題能力的漸進培養路線可見，在本科階段工科教育中，需要一個相對完整的、有前瞻性的復雜工程系統為載體，以模擬該系統的研發過程為主線，融合理論課程、試驗課程以及實踐環節，通過前后銜接的系列課程，將解決復雜工程問題能力的漸進式培養轉化為系統化、可操作的教學過程，其重點在于綜合與實踐。

三、面向復雜工程問題的綜合課程設計群

按照上述解決復雜工程問題能力的漸進培養思路，自動化專業在2016年與德國西門子公司共建工業4.0智能制造實驗室。該實驗室實驗場地310米2，一期已投入900萬元用于系統硬件平臺建設，二期擬投入350萬元用于系統軟件體系建設。該實驗室主要含2大部分：

（一）工業4.0智能制造平臺，如圖2所示

該平臺作為復雜工程問題的主要載體，從底層傳感器、驅動，到高層的MES，PLM，涵蓋了工業4.0全流程。平臺通過模擬汽車生產線中上料、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、倉儲等六個環節的具體工藝，體現智能制造的理念，其中涵蓋了機器人技術、氣動技術、PLC及HMI技術、網絡技術及驅動技術等先進技術，能夠提供貼近真實生產的綜合性智能制造技術的學習與實踐平臺。六個工藝環節都可以獨立工作，可方便針對不同的教學內容側重點制定不同的實驗內容。同時，各個環節均具備獨立的工業網絡通訊能力，各模擬環節的工藝段通過網絡連通后即可開展全集成自動化（TIA）系統的教學與實踐。

（二）基礎技術實驗平臺，如圖3所示

該平臺主要含8套ABB機器人實驗平臺與80臺計算機。ABB機器人實驗平臺通過西門子1500系列PLC與PROFlBUS總線實現聯網控制，在其上可進行機器人控制、PLC、直流與伺服電機控制、PROFlBUS總線構建、檢測技術等等的相關教學與實踐。

以該實驗室為依托，自2015級自動化專業學生開始，在隨后的每級學生的第四、五、六、七學期開設四個基于該實踐教學平臺的自動化綜合課程設計（I，II，III，IV，共12學分）。該系列課程設計從現場層、控制層、操作層、管理層、企業層進行展開，形成“縱向及頂““橫向達邊“的制造訓練新體系。所謂縱向及頂，即從專業技能培養方面逐步進入該領域技術前沿；所謂橫向達邊，即體現人才培養中，各科知識的融合與貫通，以及學科專業的交叉和滲透，使被培養者成為復合型、創新創業型人才。通過該課程設計，學生可以學習到工業4.0的點和面，從而達到掌握工業4.0整體框架的效果。課程設計群的設置需充分考慮相應課程的同步，讓學生在學習理論知識的同時得到相關的課程設計實踐，同步課程為綜合課程設計提供理論基礎，反過來課程設計實踐可以加深學生對理論知識的理解，相互促進。4.0智能制造體系與課程設計對應關系如圖4所示。

由圖4可見，自動化綜合課程設計的實踐對象按照從分立到聯合，從單元到系統的順序，與相應的專業基礎課程與專業課程相結合，以課程設計的考核結果為相關畢業要求的重要支撐，實現解決復雜工程問題能力的漸進培養。各課程設計的教學目標如表3所示。

上述綜合課程設計的教學目標的重點在于綜合與實踐。通過持續4個學期的課程設計，以一個統一的復雜工程系統為對象，以模擬系統的設計與實現為主線，貫穿自動化專業所有主干專業課程的相關知識與技能，依靠對象的復雜性完整體現解決現代復雜工程問題的研發步驟的能力要求，即畢業要求1-5與11；依靠對象的系統性提供一個模擬環境，培養學生理解與評價現代復雜工程對其影響的能力，即畢業要求6-8；而在教學實踐環節中，團隊合作的模式，以及自主學習的要求，能夠培養學生面向解決復雜工程問題應具有的社會能力，即畢業要求9、10、12。

可見，綜合課程設計群是課程體系的核心主線，在教學環節設置，教學內容安排，課程考核等方面需圍繞課程設計的教學目標進行設計。

四、以綜合課程設計群為中心的課程體系設置

工業4.0智能制造實驗平臺體系復雜，涵蓋機器人技術、PLC及HMI技術、網絡技術、驅動技術等一系列的先進技術，學生需要在4個學期的學習與實踐中將其熟練掌握并具備較好的解決復雜工程的能力有一定的難度。因此，自動化綜合課程設計I、II、III、IV作為前后銜接的系列課程，需要很好地統籌各課程設計的先修課程、同步課程與后續課程的關系，以PBL（Project-Based Learning）的教學模式，將教學與實踐有機地整合到各門相關課程中，協調各門相關課程的考核內容與評分標準。

在課程體系與教學環節的設計中，遵循以下基本原則：

1. 以自動化綜合課程設計的教學目標為基準，盡量將課程設計所需的基礎知識與技能的相關課程安排為綜合課程設計的先修課程或同步課程。

2. 相關課程的實踐教學內容應盡量向綜合課程設計的實驗對象傾斜。

3. 難度較大及關鍵技術應盡量分布在多個綜合課程設計中，通過系列訓練實現從入門到熟悉再到掌握的漸進能力培養，如機器人控制、電力拖動等。

4. 以個人課程報告為主，小組課程報告為輔的課程考核方式，促進個人基本能力要求的達成與團隊合作能力發展的平衡。

基于以上原則，廣東工業大學自動化專業制定的2016教學計劃中圍繞自動化綜合課程設計進行了課程體系設計，主要框架如下所示。

自動化綜合課程設計I通過系統建模與仿真的系列訓練，著重培養學生運用所學知識，具備仿真與建模能力，了解智能制造的發展現狀與基本體系框架。教學安排如表4所示。課內學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯系如表5所示。

自動化綜合課程設計II通過自動化專業基礎技術的系列訓練，著重培養學生問題分析與工程實踐能力，具備復雜工程系統基本的分析能力。教學安排如表6所示。課內學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯系如表7所示。

自動化綜合課程設計III通過團隊合作的模式，完成倉儲，上料，沖壓，焊裝，涂裝，總裝等各子系統的設計與調試，使學生具備解決復雜工程問題的基本能力。教學安排如表8所示。課內學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯系如表9所示。

自動化綜合課程設計IV通過將各子系統聯調，完成整個生產線的建模規劃、設計和調試，進一步培養學生解決復雜工程問題的能力；并在此基礎上通過產品生命周期管理仿真、制造企業生產過程仿真等環節提高學生對工程與社會、可持續發展的認識、以及項目管理的基本能力。教學安排如表10所示。課內學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯系如表11所示。

五、結束語

廣東工業大學自動化專業以認證為契機，重構了專業課程體系，以自動化綜合課程設計為主線，從分立到聯合，從單元到系統，與相應的專業基礎課程、專業課程相結合，以課程設計的考核結果為相關畢業要求的重要支撐，實現了解決復雜工程問題能力的漸進培養。將工業4.0技術植入課程體系，符合教育部自動化類專業教學指導委員會主持的“自動化專業課程體系改革與建設試點”工作的指導精神，是自動化專業課程體系改革的有益嘗試。

參考文獻：

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