解決工程問題能力培養的課程建設研究

畢海普

摘? ? 要：課程建設是高校人才培養的知識載體和信息平臺。基于工程教育專業認證對解決復雜工程問題能力的要求，課程建設思路應包含課程目標驅動下的“正向跟進”和作業等任務驅動下的“反向跟進”，而內容則應涵蓋課程目標、課程知識結構、課程系統思維以及課程實踐實訓方法。“安全風險分析與模擬仿真技術”課程建設實踐表明，課程目標、基礎知識結構、重點系統思維、實踐實訓方式的設置方法對解決復雜工程問題能力培養有積極作用。

關鍵詞：復雜工程問題;課程建設;專業認證標準;安全工程

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）07-0061-04

所謂工程問題解決能力培養包含技術、工程和其他因素，沒有固定、簡單重復的規程和方法，是工科人才培養的主要指標之一[1-2]。“華盛頓協議”更是明確指出，經濟社會飛速發展對高素質應用人才需求的增大要求我們進一步深入探討如何在日常的課程教學中培養學生在掌握扎實理論基礎的同時“學會學習”，學會分析和使用典型思想和方法，切實提升培養學生解決復雜問題的能力[3-5]。鑒于課程是教學的基礎，課程建設是保證教學水平和人才培養質量的手段[6-7]，本研究以解決復雜工程問題能力培養的課程建設為核心，以教學目標下的課程設置和實施方案為觀照點，從理論與實踐上探查工程教育認證體系下課程建設的基本思路、基礎知識內容、系統思維及實踐實訓方法，為培養學生解決復雜問題能力提供支撐。

一、解決復雜工程問題能力培養的課程建設分析

加強課程建設是提高教學水平和人才培養質量的重要保證。傳統的課程建設以課程大綱的教學目標確定教學內容和實施方式，然而，工程教育認證體系下，以解決復雜工程問題能力為目標的課程建設不同于其他課程建設的根本在于對學生能力的培養，課程建設在“正向跟進”和“反向跟進”的閉環提升思路指導下設置課程內容及課程實施的方式。

（一）課程建設思路

“跟進式”教育理念以學生的思想、需要和興趣為導向，鼓勵學生在實踐應用中提升自己的能力[8]，這與解決復雜工程問題的能力培養思路一致。工程教育認證下我們注重學生應用能力的培養，尤其是解決復雜工程問題能力的培養，“跟進式”教學理念對復雜工程問題能力培養的助力作用表現在對學生思想和興趣的關注上，以及對學生實踐應用和知識內化的提升上。

工程教育認證下的課程建設以學生為本、從社會需求出發、以培養學生解決復雜工程問題能力為目標，在課程目標驅動下“正向跟進”，通過教學設計知識結構、教學引導系統思維和教學實施實踐訓練，以提高學生解決復雜工程問題能力;課后根據作業、研討、小論文等方式綜合評估學生解決工程問題能力的形成情況，從而提供任務驅動下的“反向跟進”信息，以此不斷修正和完善課程目標和課程設置（如圖1）。

圖1中，課程目標是能力培養的關鍵，課程內容是課程建設的主體，在課程建設中要將“課程目標→知識結構→系統思維→實踐實訓→解決工程問題能力”精心設計，引導學生在各環節學習過程中達到預期的目標，以提高學生解決復雜工程問題能力。

（二）課程建設內容

以解決復雜工程問題為目標，在正向和反向跟進思想指導下，課程建設在課程目標和課程內容結構上與普通課程建設既有共性又有差異。

1.工程教育專業認證下的課程目標設置。課程目標設置首先要了解課程在人才培養中的地位及作用，此課程人才培養目標需要支撐哪些畢業要求，然后基于專業認證的課程知識—能力矩陣，明確課程要培養學生哪些方面的能力。現代高等教育的目標不只是為了傳授知識，還要積累知識與發展能力，兩者在教學過程中互相促進。知識是基礎，能力通過知識內化形成，是外化的表現。解決復雜工程問題作為基于華盛頓協議構建的我國工程教育認證體系的核心，要求學生能夠用數學、科學及特定專業的工程知識來解決復雜工程問題，并應用基本原理、采用基礎性研究方法對復雜工程問題進行創新性分析研究。

基于工程教育專業認證標準，學生畢業時應該掌握的知識和能力從工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習12個方面做了具體的要求[9]，其中8個具有聯系的系統性地提到了解決復雜工程問題的能力，如畢業要求1、6、7、10是解決復雜工程問題所需的前提知識和素質;畢業要求2、4、5是解決復雜工程問題的分析和研究方法;畢業要求3是解決復雜工程問題的系統解決方案所提的能力要求[10]。

2.工程教育認證體系下的課

程內容結構調整。課程內容設置是課程實施的依據，是課程各部分的配合和組織，課程內容的設置原則是要解決如何實現課程目標的問題。工程教育認證體系強調學生解決復雜工程問題能力的培養，因此除卻課程目標設置的調整外，課程內容結構也必須做適當的調整，以滿足工程人才培養需求。工程教育認證前提下，課程內容結構的調整應該按照“課程基礎→教學重點→教學方式”原則進行（如圖2）。

知識結構是課程的基礎和核心問題，系統思維是課程的教學重點和骨架，實踐實訓是課程的教學方式和目標達成手段。工程教育認證下，課程內容的設置必須涵括合理的知識結構，培養學生科學思維方式，提高學生實踐實訓技能，以達到對解決復雜工程問題能力培養的要求。

不同于其他專業課程設置，工程教育認證下的課程內容設置時，（1）明確課程的基礎，即以問題為導向，學生在問題分析時必須具備哪些知識或技能的學習與積累;（2）確定教學重點，即如何幫助學生學會并進行系統的分析問題解決問題的思維訓練;（3）制定滿足工程教育認證需求與學生自身實踐需要的實訓的方法，如線上自主學習與線下工程問題實訓。如此一來，學生學會學習，掌握了解決復雜工程問題的思路和方法。

二、“安全風險分析與模擬仿真技術”課程建設實踐

安全工程專業認證適應國家經濟建設需求，滿足安全科技進步和社會發展需要的安全工程本科專業人才最低要求。專業認證標準包括通用標準和安全專業補充標準。安全工程專業認證標準在專業實驗要求方面，提到“計算機仿真實習”的設置，基于計算機仿真和計算，補充一般現場實驗和實踐難以達到的內容和目的，加深對安全生產的認識與理解。常州大學安全工程專業作為江蘇省品牌專業建設項目，以優秀成績通過了兩輪專業認證，注重對學生綜合能力的培養，學生實踐應用能力得到了用人單位的一致好評;“安全風險分析與模擬仿真技術”是在專業認證思想指導下課程建設的典型案例，是貫徹解決復雜工程問題能力培養理念的核心課程。“安全風險分析與模擬仿真技術”課程建設過程充分體現了課程輔助解決復雜工程問題能力培養的教學理念。

（一）課程建設目標

基于人才能力培養的社會需求和工程教育專業認證標準畢業要求，設置課程建設目標。“安全風險分析與模擬仿真技術”在課程與畢業要求的對應關系矩陣中滿足畢業要求2的問題分析、畢業要求5的使用現代工具。

對應設置課程目標如下：課程目標一是培養學生掌握模擬仿真技術與風險分析理論，分析和解決安全工程問題;課程目標二是培養學生應用現代計算機模擬和仿真工具，對復雜的安全工程問題進行模擬預測和風險分析。

（二）知識結構設置

課程目標要求指導知識結構設置，而知識結構設置則反映課程目標要求。根據“安全風險分析與模擬仿真技術”的課程建設目標，該課程在實踐教學中設置安全風險分析、計算機信息化技術，以及計算機輔助風險分析三部分知識結構內容，以支撐仿真模擬技術與風險分析對復雜工程問題所需的知識點（如圖3）。

1.風險分析。風險代表著一種不確定性，既可以是一個正面的概念，也可以是一個負面的概念。風險一方面表達系統的安全狀態，另一方面分析系統中存在的危險狀況。因此，課程內容應該從不同的角度衡量和判斷系統的狀態，譬如，從安全的角度分析對象是否安全，以及安全程度和可靠度;從危險的角度分析系統是否有危險，以及危險程度，最終得出系統的風險系數。

2.信息化技術。安全事故多具有危險性和破壞性，使得對事故實驗模擬的可行性較差，因此目前事故評估多以同類事故的經驗教訓為主要依據;由于事故的發生具有隨機性，來自其他同類事故的數據雖然具有很好的參考價值，但并不充分。借助安全檢測大數據及云計算功能可以為安全分析和事故評估提供數據支持;采用計算機仿真手段建立事故場景，模擬事故發生、發展過程的動態變化，是進行事故評估、機理分析、預防和控制技術研究的有效手段之一。

3.計算機輔助風險分析。基于安全與危險在同一問題中的平衡方式，應用模擬仿真技術的計算結果，對復雜的安全工程問題進行模擬預測和風險分析主要包含計算機輔助安全分析、事故概率和后果計算及事故疏散模擬三個方面（ 如圖3）。

借助計算機速度快、精度高、容量大等優勢，通過將計算機技術與傳統安全分析和評價方法結合，得到如計算機輔助事故樹分析、計算機輔助危險與可操作性分析等的計算機輔助安全分析與評價技術。

借助計算機模擬分析事故概率及后果，如蒙特卡羅模擬求解某事故出現的概率，通過某種試驗方法得到事故出現的頻率和不確定性分布范圍;如泄漏事故或火災事故的數值模擬，求得流場中基本物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布情況，可以應用于模擬計算有毒氣體擴散、火災和爆炸等具體事故場景。

借助計算機仿真技術構建事故疏散的建筑物，并對個體和群體的運動進行圖形化的演示和計算，分析不同出口的人員流量率、不同區域人員的疏散時間、個體的逃生時間和最佳逃生路徑等風險因素，最終得出建筑物的事故疏散風險情況。

（三）系統思維訓練

“安全風險分析與模擬仿真技術”是基于專業認證的理論與實踐相結合的課程，注重解決問題的系統思維訓練，由此把課程中風險和模擬仿真技術的基本知識點有機組合起來，形成課程的核心知識鏈，并內化為學生解決風險分析問題的思維模式和能力。解決工程問題能力的思維模式訓練包含所需要的基本知識點、運用的現代分析工具、對復雜工程問題的分析三部分內容。

1.解決問題所需的基本知識點的學習。一門課程的知識點較多，但其中有一些屬于基本知識點并且是課程教學的基礎，如安全、風險、風險分析、安全模擬與仿真等。本課程建設了在線課程，學生可以針對自身學習的特征，在系統學習過程中查漏補缺，自主線上學習和完善課程知識體系。同時，教師在教學中通過工程案例分析歸納知識點、通過系統學習鞏固知識點、通過工程問題的練習運用知識點。

2.解決問題所運用的現代工具的練習。根據安全風險分析對計算方法的需求，通過上機實驗，加強學生對安全風險分析方法和手段的理解與掌握，借助上機操作設置事故場景并輸出風險評估所需參數。

3.對復雜工程問題的分析。解決一個復雜安全工程問題，應用線上學習的知識和線下練習的計算方法輔助分析所研問題的安全風險，形成解決復雜工程問題方案的系統思維模式。

（四）實踐實訓方法

基于課程目標和課程特點的不同，實踐實訓方法也千差萬別。以解決復雜工程問題為目標的“安全風險分析與模擬仿真技術”的實踐實訓方法主要包含工程問題導入、系統風險思維啟發、現代工具和技術方法引導、方法的延伸應用四個步驟。下面簡要以地下空間事故疏散與救援風險分析為例，說明課程實踐實訓方法的實施。

1.工程問題引入。高層建筑火災事故疏散案例介紹：2011年11月15日上海市28層公寓樓發生火災，至11月19日10時20分，大火已導致58人遇難，70余人受傷。

引入問題主題：高層建筑火災事故后果嚴重，事故疏散效果如何分析？

2.系統思維啟發。人員能否在遭遇突發事件時順利而安全地獲救，取決于人員的個人反應、人員之間的相互作用以及人員與環境之間的相互作用。

引導學生思考：疏散與救援風險分析的影響因素是什么？疏散與救援仿真模擬的工具是什么？如何提高疏散與救援效果？

3.方法引導。事故疏散模擬中個體的信息感知、反應時間和路徑選擇規律直接影響疏散風險分析。事故疏散軟件如Pathfinder、Simulex等疏散模擬，輸出疏散時間、疏散路徑等信息。

影響模擬人反應時間和路徑選擇的因素包含模擬人的信息感知、反應速度、場景判斷、路徑選擇等，現實人通過對事故場景的知識積累、應對速度和決策系統的思考和訓練等提高個體應急反應時間和反應方式，最終可以降低事故疏散與救援風險。

4.延伸應用。以生活（如宿舍樓）和生產（如某商業建筑）實例中的安全工程問題引導學生思考，并實踐應用解決一個復雜安全工程問題。

為了解決事故疏散與救援風險評估的工程問題，（1）明確解決問題所需要的事故疏散風險知識;（2）基于系統思維確定疏散風險分析的影響因素及計算機輔助工具，接著對事故疏散因素、疏散模擬計算、疏散結果等進行系統分析;（3）以生活實例激活解決問題的思路并以工程實例促進解決問題的實踐應用。同時在實踐應用中結合在線課程、實驗室上機及討論課堂不斷完善自己工程問題的解決方案，最后達到解決工程問題能力的形成和固化。

三、結語

工程專業認證以滿足解決復雜工程問題能力培養為核心。基于工程教育認證對解決復雜工程問題能力培養的要求能夠進一步促進人才培養質量的提高。工程教育認證理念下的課程建設應從課程目標、知識結構、系統思維、實踐實訓到解決工程問題能力進行“正向跟進”提高學生能力，并根據“反向跟進”不斷修正和完善課程目標。“安全風險分析與模擬仿真技術”課程建設實踐表明課程建設的思路、內容、實施方法能夠有效支撐對解決工程問題能力的培養。基于國際工程教育理念，學生解決復雜工程問題能力的培養是一個系統工程，課程的建設和實施應注意綜合考慮畢業要求、課程目標、課程內容、教學大綱、教學設計、教學實施、教學效果等方面內容，形成一個完整的學生能力培養與課程建設共同提升的閉環體系，教學相長。

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收稿日期：2018-11-13

作者簡介：畢海普（1982—），女，河南南陽人，常州大學環境與安全工程學院講師，主要從事安全工程信息化技術研究。

基金項目：江蘇省高等教育教改研究重點課題“‘互聯網+下安全人才培養教學模式改革的研究與實踐”（2017JSJG026）;江蘇高校品牌專業建設工程一期項目“常州大學安全工程品牌專業”（PPZY2015B154）;常州大學校本科課程教學創新

工程項目“國際工程教育理念下翻轉課堂教學研究”（CXGC201629）