本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)

蔣宗禮

摘要：明確本科工程教育聚焦學生解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的基本定位，加快實施國際接軌的工程教育的步伐，以促進內(nèi)涵發(fā)展，提高教育質(zhì)量與水平，并從這一基本定位內(nèi)涵、相關(guān)的教育基本要求以及如何分解落實三個方面討論相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：工程教育：復雜工程問題；能力培養(yǎng)

不斷提高教育質(zhì)量是高等教育追求的永恒“不動點”。特別是我國的高等教育在較短時間內(nèi)從精英教育跨入大眾化教育后，目前正處于從以規(guī)模擴張為主的外延式發(fā)展轉(zhuǎn)向以質(zhì)量提高為主的內(nèi)涵式發(fā)展的轉(zhuǎn)型過程中，這個“不動點”的地位更加突出。2006年我國開始工程教育專業(yè)認證工作，它以工程教育國際接軌為突破口，通過強化內(nèi)涵發(fā)展提高質(zhì)量，發(fā)揮了重要的引領(lǐng)和示范作用，特別是在促進教育觀念的更新、標準意識的建立、質(zhì)量意識的強化上發(fā)揮了重大作用。這已被10年來的實踐所證明。2016年6月2日，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》（以下簡稱《協(xié)議》），被認為是中國高等教育取得的具有里程碑意義的歷史性突破。未來，我們還需加大力度，促使更多高校的本科工程教育達到我國《工程教育專業(yè)認證標準》（以下簡稱《標準》），全面推進我國本科工程教育實現(xiàn)《協(xié)議》意義上的“國際等效”，同時也為其他專業(yè)門類的教育提供借鑒。

一、本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力

《協(xié)議》倡導以學生為中心、產(chǎn)出導向（Outcome Based Education，OBE）、持續(xù)改進（Continue Quality Improvement，CQI）三大教育理念，要求從培養(yǎng)目標到畢業(yè)要求，從畢業(yè)要求到課程體系，再到教學落實、評價與反饋，進行系統(tǒng)設(shè)計與實施。培養(yǎng)目標是起點，起著“制導”作用，而且要求專業(yè)從面向?qū)W科辦學（適應精英教育）轉(zhuǎn)向面向社會需求辦學（適應大眾化教育），依社會需求確定培養(yǎng)目標。當然，作為基本要求，培養(yǎng)目標必須符合教育的基本定位。按照《協(xié)議》，兩年制專科培養(yǎng)學生解決狹義工程問題（Well-defined Problems）的能力，三年制的大專培養(yǎng)學生解決廣義工程問題（Broadly-defined Problems）的能力，本科培養(yǎng)學生解決復雜工程問題（Complex Problems）的能力。

什么是復雜工程問題？《協(xié)議》用如下7個特征進行刻畫。其中第一條是必備的，它指出了復雜工程問題的本質(zhì)；第二到第七條是可選的，它們可以看做是復雜工程問題的表象。

（1）必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決；

（2）需求涉及多方面的技術(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)標準和規(guī)范中；

（6）問題相關(guān)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(guān)聯(lián)的子問題。

與《協(xié)議》等效，《標準》所給出來的12條畢業(yè)要求，明確體現(xiàn)了這一基本定位。所謂畢業(yè)要求，就是學生在畢業(yè)時必須達到能力標準，按照人才培養(yǎng)系統(tǒng)化設(shè)計和實施的要求，它們需要分解到課程體系的相應教學活動中去落實。在這12條畢業(yè)要求中，“復雜工程問題”在其中8條中出現(xiàn)了9次，另外還有3條中分別出現(xiàn)了“多學科背景下”“跨文化背景下”“多學科環(huán)境中”的字樣。

12條畢業(yè)要求是明確的、具體的。例如，關(guān)于“工程知識”，其要求是“能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題”。這一點與我們習慣的類似“掌握數(shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識”“理解法律法規(guī)基本知識”“了解經(jīng)濟和金融知識”的表述是不同的。其關(guān)鍵是明確給出了“掌握”“理解”“了解”的程度，即，足以支持“解決復雜工程問題”。再例如，關(guān)于“研究”，其要求是“能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論”。這就要求學生能夠?qū)⒒驹碛糜趯嶋H問題的研究，要能夠“構(gòu)建”實驗環(huán)境、“設(shè)計”實驗、“實施”實驗、“采集”實驗數(shù)據(jù)、掌握“分析方法”、有效地“分析和解釋”數(shù)據(jù)、“綜合”結(jié)果，并“得到”合理有效的結(jié)論。注意到這些工作都是要“基于科學原理并采用科學方法”的，所以，需要將“動手能力”“實踐能力”定位在“基于基本原理”的層面上，也就是“理論指導下的實踐”“理論與實踐的結(jié)合”，而不是簡單的動手和實踐。這不僅要在相應的教學大綱中明確給出，更要通過教學活動落實，并有效評價落實的程度（即達成度）。

此外，它們所透出來的對“基本原理”的要求等與“復雜工程問題”以及“解決復雜工程問題能力”的要求是一致的。

二、從復雜工程問題的定義看對專業(yè)教育基本要求

聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)對本科工程教育提出了什么樣的要求？下面根據(jù)復雜工程問題的7個特征依次進行討論。

（1）必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決?？傮w上，沒有固定的、簡單重復的規(guī)程、方法等解決這種問題，而是需要從深入的（不是淺顯的）基本原理出發(fā)，且需要經(jīng)過分析（不是直接套用）才可能解決。這就要求理論教學必須包括足夠深入的基本原理，而且要強調(diào)使學生學會“分析”和“使用”的典型思想和方法，從而使學生具備扎實的理論基礎(chǔ)（基礎(chǔ)理論和專門知識），以及分析問題的能力。相應地，實踐教學要給學生提供在理論指導下開展實踐的機會，不僅使他們經(jīng)歷相應的實踐，而且還要在實踐中加強對相關(guān)原理的理解，并能更好地掌握相應的思想和方法?；凇吧钊氲摹薄盎驹怼保?jīng)過“分析”等要求，從另一個角度清晰地提出了本科教育“面向未來”“面向創(chuàng)新”的基本追求，也拒絕了那些認為“學了很多理論知識”“動手能力弱”，要“回歸動手”的片面說法和做法。而那些以“職業(yè)培訓”“產(chǎn)品教育”替代本科教育的做法更是格格不入的。對于理論基礎(chǔ)，要追求“學會”：“教了”不等于“學了”，“學了”不等于“學會了”，“學會了”的標準就是“會應用”。endprint

那么，有哪些基本原理呢？根據(jù)《協(xié)議》，“工程是包括數(shù)學、自然科學和工程知識、技術(shù)和技能整體的、有目的性的應用。”因此，從課程體系來講，數(shù)學類（如，高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值分析、工程數(shù)學、數(shù)學建模，以及專業(yè)相關(guān)的離散結(jié)構(gòu)等）、自然科學類（如，大學物理、大學化學、大學生物等）、學科專業(yè)基礎(chǔ)類、專業(yè)類的課程成為必需，而且它們包括的不僅僅是基本概念和結(jié)論，更有思想和方法?！稑藴省芬?，數(shù)學、自然科學的教學內(nèi)容，不能低于總學分的15%，工程與專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)類課程不能低于總學分的30%，工程實踐與畢業(yè)設(shè)計不能低于總學分的20%。因此在專業(yè)課程體系中，以所謂“專業(yè)的需要”為理由過度削減數(shù)學類課程、取消自然科學類課程、弱化學科專業(yè)基礎(chǔ)課程，用“職業(yè)培訓”“產(chǎn)品教育”替代專業(yè)課程都是錯誤的。

（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。首先，課程體系和課程內(nèi)容需要包括本學科專業(yè)的基本內(nèi)容，以及有關(guān)應用領(lǐng)域和學科的相關(guān)內(nèi)容，要求和鼓勵學生跨專業(yè)選修課程，更要避免把專業(yè)教育限定在某一個非常窄的方向甚至技術(shù)上。例如，對計算機科學與技術(shù)專業(yè)來說，就不能把學生培養(yǎng)成諸如“我是學JAVA的”“我是學.NET的”那種局限于用一種語言（開發(fā)工具）的程序?qū)崿F(xiàn)者。其次，相應的教學內(nèi)容要包含多因素、多技術(shù)，要討論它們的長與短，讓學生學會選擇和折中、借鑒和綜合，學習從全局的角度考慮問題。

（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。培養(yǎng)學生理解抽象模型、能夠根據(jù)實際需要選擇抽象模型、通過形式化處理用抽象模型表示問題（系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)的變化規(guī)律）、構(gòu)建抽象模型、基于抽象模型進行工程實踐等，是基本要求。在數(shù)學和自然科學課程中獲取基本知識、基本模型、基本思想和方法，并在學科專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課程中學習專業(yè)相關(guān)的基本知識、典型模型、典型思想和方法，在課程設(shè)計、實習、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，甚至在理論課程的習題中去深入體驗和實踐。一個基本追求是要讓學生有機會基于基本原理完成模型理解、模型選擇、模型構(gòu)建、模型處理，甚至模型計算和基于模型的工程實施。停留在簡單套用的層次上是無法滿足要求的。

（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決。這一條與下面一條和上面一條表現(xiàn)出了復雜工程問題求解的創(chuàng)造性。

常用的方法無法完全解決，就需要綜合，需要尋求新的方法。當然，這種新的方法通常是受已有方法的啟發(fā)、改造而來，也可以是多種方法綜合而來。體現(xiàn)的是對學生“綜合”能力和“開發(fā)”工具能力的要求。就實驗來講，需要從“驗證性實驗”開始，更多地強調(diào)“綜合性實驗”“設(shè)計性實驗”，讓學生逐漸遞進地在可完成的層面上學會根據(jù)目標，基于原理尋求方法，實現(xiàn)問題的求解。當然，這種教育需要多環(huán)節(jié)協(xié)同。如在習題中安排更多綜合性和設(shè)計性題目。

（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中。雖然“問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標準和規(guī)范中”，但問題求解都是符合“基本原理”的，要求學生能夠根據(jù)工程實際，靈活運用所學，同時考慮工程與相關(guān)的社會、環(huán)境、倫理、道德等，統(tǒng)籌地、創(chuàng)造性地考慮問題求解。

（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致。主要是利益均衡與折中，局部優(yōu)化和全局優(yōu)化，局部服從于全局。

（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。體現(xiàn)問題和系統(tǒng)的規(guī)模、難度、復雜度、綜合性。強調(diào)培養(yǎng)學生的系統(tǒng)觀，使學生能夠站在系統(tǒng)的高度，以系統(tǒng)的視角去看問題，去適應錯綜復雜的“場面”，并實現(xiàn)問題的系統(tǒng)求解，不至于陷于局部，也不至于只能針對一些特定現(xiàn)象而忽略了整個問題空間。

從以上7點可以看出，解決復雜工程問題，需要學生能夠靈活地、綜合地、創(chuàng)造性地運用所學，對其包括創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力在內(nèi)的培養(yǎng)必須落實到第一課堂中，并且也是可以具體落實的。那種覺得創(chuàng)新高不可攀，只是一個“籠統(tǒng)”的口號，或者將其培養(yǎng)簡單地寄托于隸屬于第二課堂的所謂的“科技活動”都是不對的。

三、分解落實解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)

學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)必須通過整個“培養(yǎng)體系”實現(xiàn)，要將此進行分解，落實到培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)中。特別需要指出的是，“復雜工程問題”和“解決復雜工程問題的能力”是兩個不同的概念，不能將培養(yǎng)學生“解決復雜工程問題的能力”狹義化為參加一個具體復雜工程的開發(fā)，甚至僅僅依靠畢業(yè)設(shè)計、綜合實踐等一兩個實踐環(huán)節(jié)。

1.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，安排理論課程內(nèi)容

強調(diào)課程內(nèi)容必須包含相應領(lǐng)域的深入工程原理，而不是僅僅限于其簡單內(nèi)容，要包括完整的基本內(nèi)容，更不是簡單的知道，簡單的計算等，必須達到一定的深度。更重要的，還要包含相應的思想和方法，特別是學生在其職業(yè)生涯中將反復用到的思想和方法。這些內(nèi)容必須在課程的教學大綱中給予具體的描述，那種“教材目錄式”教學大綱是不滿足要求的。

相應地，理論教學強調(diào)以知識為載體，讓學生學習基本概念和基本結(jié)論的同時，學會學科方法論的相關(guān)內(nèi)容，并讓學生掌握相應的專業(yè)技能，形成專業(yè)能力，這稱為“產(chǎn)出（outcome）”。既然是對應學生身上的產(chǎn)出，就必須考慮實際需求與效果。所以，雖然我們強調(diào)深入的基本原理，但不是單純地、不切實際地（脫離畢業(yè)要求達成需要）追求更多、更深的知識而忽略效果。

在教學大綱中，還必須將課程的教學目標與相應的畢業(yè)要求對應起來，以便將課程真正置于整個培養(yǎng)體系中。

2.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，開展理論教學活動

課程教學要落實教學大綱的規(guī)定，使學生能夠掌握深入的基本原理，理解其精髓，掌握其思想和方法，并能夠?qū)⒒驹砼c工程實踐問題有機地結(jié)合起來，探討應用的方法，體驗應用的樂趣。

為達到此目的，在整個教學過程中，絕不能照本宣科，“滿堂灌”，要有充分的分析內(nèi)容。要采取研究型教學，“教師在對問題的研究中教，學生在對未知的探索中學”，引導學生積極探索和思考，促使學生掌握分析的基本思想和方法，使他們逐漸養(yǎng)成分析、探索之習慣，學會分析和探索，并能得到有效結(jié)論。要適時、適當?shù)貧w納總結(jié)，將知識和方法等串起來，以利于學生的綜合使用。還要設(shè)計恰當?shù)沫h(huán)節(jié)，給學生提供解決問題的鍛煉機會。endprint

3.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，進行理論教學評價

通過考試、答辯、報告、成果驗收等方式評價教學結(jié)果。

教學活動的價值體現(xiàn)在其對畢業(yè)要求達成的支持，所以，采用什么樣的評價方式？以什么（題目等）為載體？測試點是什么？要根據(jù)課程所承擔的畢業(yè)要求達成任務來定，以保證評價能夠有效反映其對承擔的畢業(yè)要求達成的實際貢獻度。之所以這樣要求，是因這個評價結(jié)果是畢業(yè)要求達成度評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)不可信，那么畢業(yè)要求達成的評價就不可信。所以，必須保證考核內(nèi)容、方式，以及評分體系等能夠充分體現(xiàn)相應畢業(yè)要求達成度評價的需要。

產(chǎn)出導向要求最終是聚焦解決復雜工程問題的能力，考試必須擺脫“概念、填空、單選、多選、判斷對錯、簡述、簡答”等主觀性題型為主，更要杜絕簡單追求及格率的傾向，真正按照教學大綱規(guī)定的課程教學目標進行考核。

4.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，安排實踐教學內(nèi)容

首先，實踐教學必須選擇恰當?shù)妮d體，使學生經(jīng)歷復雜工程（系統(tǒng)）構(gòu)建，并在構(gòu)建過程中體現(xiàn)知識、技術(shù)、方法的綜合應用。其次，要構(gòu)成體系，要從簡單到復雜，從小規(guī)模到大規(guī)模，循序遞進；還要使學生盡可能全面地經(jīng)歷專業(yè)的主要實踐。例如，對計算機類專業(yè)來說，學生要有機會參與基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)、基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)、應用軟件系統(tǒng)、應用硬件系統(tǒng)的實踐。最后，從選題和具體內(nèi)容安排上，要根據(jù)該課程所承擔的畢業(yè)要求達成任務，與理論教學相結(jié)合，追求理論指導下的實踐；要包括設(shè)計、實現(xiàn)、分析（系統(tǒng)分析、結(jié)果分析）；要能夠有效地促使學生掌握深入的工程原理，結(jié)合工程實際，避免簡單地為了實踐而實踐；要給學生創(chuàng)造機會，使他們得到更全面的鍛煉。例如，學習協(xié)作、溝通、表達、組織，學習如何在工程實踐中考慮社會、環(huán)境、法律、倫理、道德等問題。

5.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，開展實踐教學活動

根據(jù)實踐教學活動所承擔的畢業(yè)要求達成任務，選擇恰當?shù)沫h(huán)境，設(shè)計與之相適應的環(huán)節(jié)和實施要求，具體落實學生解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的目標；要嚴格要求，并給學生恰當?shù)闹笇А?/p>

在具體教學中，要督促學生學習問題分析，研究相關(guān)內(nèi)容（數(shù)據(jù)），引導學生搜集相關(guān)資料和信息，學習新的技術(shù)，幫助他們掌握實驗的技術(shù)和方法；落實設(shè)計與實現(xiàn)，開展與人、物、系統(tǒng)的多方協(xié)同，實現(xiàn)團隊協(xié)作；學習對系統(tǒng)和工作的評價；學習工程開發(fā)對社會、環(huán)境、法律、行規(guī)、倫理、道德等的影響，培養(yǎng)自己的社會責任；引導學生深入考慮問題及其解決的方案、方法、途徑、工具，在基本原理與工程實踐結(jié)合的實際案例中體驗原理之美。

為獲得更好的實踐效果，還要做到課內(nèi)課外結(jié)合，校內(nèi)校外結(jié)合。

6.按照支持解決“復雜工程問題”畢業(yè)要求達成的需要，進行實踐教學評價

按照教學大綱的規(guī)定進行評價（考核），相應考核方式、計分標準能夠真實體現(xiàn)該項教學活動對所支持的畢業(yè)要求達成的實際貢獻度。

總之，本科教育面向未來，包括未來的世界、未來的問題求解、學生未來的發(fā)展，最終體現(xiàn)在面向社會未來的發(fā)展。這些“未來”與“解決復雜工程問題”“創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的追求是一致的。明確聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)的基本要求，掌握其內(nèi)涵，并將其分解到人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)中落實。進入“卓越計劃”的各個專業(yè)，應該發(fā)揮示范和帶頭作用。同時，以此為參照，其他學科門類的本科教育，也應該聚焦“解決復雜問題能力的培養(yǎng)”，將此作為人才培養(yǎng)的基本定位，促進本科教育質(zhì)量和水平的快速提高，以適應社會及其發(fā)展的需要。

[責任編輯：余大品]endprint