強(qiáng)化機(jī)械電子工程專業(yè)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的課程體系改革

高海濤 韓亞麗 郝飛 歐益寶

摘 ?要 對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行深入分析，給出自己的理解。以機(jī)械電子工程專業(yè)為例，歸納出本專業(yè)所面臨的復(fù)雜工程問(wèn)題，總結(jié)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)應(yīng)該具備的能力和素養(yǎng)。針對(duì)這些能力的培養(yǎng)，從專業(yè)課程體系建設(shè)、實(shí)踐課程綜合性提升及多樣化考核方式等幾個(gè)方面，對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改革，以強(qiáng)化學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 工程教育;復(fù)雜工程問(wèn)題;機(jī)械電子工程;課程體系

中圖分類號(hào)：G642.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）02-0089-04

1 前言

2015年，我國(guó)制定《中國(guó)制造2025》發(fā)展綱要，致力于我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。在這一轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量是其中的關(guān)鍵因素之一[1]。而從目前高校工程人才培養(yǎng)模式來(lái)看，工程人才培養(yǎng)還存在一些問(wèn)題，如培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)需求脫節(jié)、與工程實(shí)際脫節(jié)等矛盾突出。為了讓工程教育回歸工程，我國(guó)加入工程教育國(guó)際互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，以此來(lái)保證工程教育質(zhì)量并推動(dòng)工程教育的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和國(guó)際化。

《華盛頓協(xié)議》倡導(dǎo)學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育理念，具體從培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、課程體系、持續(xù)改進(jìn)、師資隊(duì)伍和支撐條件等多個(gè)方面提出要求。其中對(duì)于學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該具備的能力，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)制定的《工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)》（2015版）中做出明確規(guī)定，核心內(nèi)容就是要按照國(guó)際等效原則培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[2]。因此，深入分析復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)質(zhì)和特征并培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的畢業(yè)生，是各工程專業(yè)高校必須重視的工作。

2 復(fù)雜工程問(wèn)題的理解

什么是復(fù)雜工程問(wèn)題？《華盛頓協(xié)議》中有明確的定義與界定。我國(guó)2015版的《工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)》又對(duì)它進(jìn)行了特別定義。標(biāo)準(zhǔn)中提出，復(fù)雜工程問(wèn)題必須具備“運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決”的核心特征，以及“需求中涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能有一定沖突”“需要建立抽象模型才能解決”“不能靠常用方法就能解決”等補(bǔ)充特征。盡管標(biāo)準(zhǔn)中給出復(fù)雜工程問(wèn)題的具體特征，但涉及具體高校和不同專業(yè)實(shí)際情況，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的理解也不盡相同[3]。復(fù)雜工程問(wèn)題實(shí)際上應(yīng)該從兩個(gè)遞進(jìn)的層次上理解。

1）工程問(wèn)題的理解。從概念上講，工程是指數(shù)學(xué)、科學(xué)和知識(shí)技術(shù)和技能整體的、有目的的應(yīng)用，通過(guò)這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過(guò)各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過(guò)程，以最短的時(shí)間和精而少的人力做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西。而工程問(wèn)題就是在這一生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的各類問(wèn)題，其有別于偏重于自然界、人類社會(huì)和人類自身規(guī)律研究的科學(xué)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)某一科學(xué)理論或者多個(gè)科學(xué)理論的技術(shù)問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，工程問(wèn)題從根本上是一個(gè)以應(yīng)用為目的的問(wèn)題，是一個(gè)生產(chǎn)組織和實(shí)施問(wèn)題。它不需要過(guò)多地關(guān)注問(wèn)題對(duì)象是不是前沿，所采用的解決方案和技術(shù)是不是先進(jìn)，而是更多地關(guān)注如何應(yīng)用科學(xué)原理或者技術(shù)有目的實(shí)現(xiàn)對(duì)人類有益的東西。這就要求在培養(yǎng)本科生能力時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和綜合應(yīng)用能力，而不是追蹤前沿科學(xué)的能力。

2）“復(fù)雜”工程問(wèn)題的理解，工程專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)要求畢業(yè)學(xué)生面對(duì)的工程問(wèn)題具有一定的復(fù)雜性，根據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的界定，復(fù)雜兩字在此處至少應(yīng)包含以下含義。

①超越一般的工程問(wèn)題場(chǎng)景。復(fù)雜工程問(wèn)題并非一般的、可以重復(fù)的、簡(jiǎn)單分析就能解決的工程問(wèn)題，復(fù)雜的工程問(wèn)題可能沒(méi)有固定重復(fù)的規(guī)程或方法來(lái)解決，而需要運(yùn)用深入的基本原理，甚至要建立抽象模型，通過(guò)分析才能解決。

②超越單一因素的工程問(wèn)題。復(fù)雜工程問(wèn)題涉及的要素有多種，內(nèi)部要素之間也可能存在矛盾和沖突。其解決需要其他學(xué)科領(lǐng)域或者交叉學(xué)科方法、技術(shù)和工具的支持和運(yùn)用，解決方法需要?jiǎng)?chuàng)新和突破。

③超越純粹的工程范疇。復(fù)雜工程問(wèn)題涉及的因素可能并非完全的技術(shù)問(wèn)題，通常涉及一些非技術(shù)問(wèn)題，如社會(huì)、環(huán)境、倫理、道德等。在解決問(wèn)題時(shí)需要用長(zhǎng)遠(yuǎn)和發(fā)展的眼光統(tǒng)籌考慮問(wèn)題解決方法。

由上述理解，可以看出復(fù)雜工程問(wèn)題作為一類工程問(wèn)題，從根本上是以綜合知識(shí)應(yīng)用為目的的問(wèn)題。培養(yǎng)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，學(xué)生就應(yīng)該能夠應(yīng)對(duì)全局性、綜合性工程問(wèn)題，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運(yùn)用知識(shí)和技術(shù)解決工程問(wèn)題。

3 機(jī)械電子工程專業(yè)面對(duì)的復(fù)雜工程問(wèn)題分析

南京工程學(xué)院是一所以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為辦學(xué)定位的普通省屬高校，機(jī)械工程學(xué)院是學(xué)校的老牌院系之一，其中的機(jī)械電子工程專業(yè)是江蘇省“十二五”重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。機(jī)械電子工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)具備機(jī)械、電子、控制等學(xué)科的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，能在機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、研究開(kāi)發(fā)、工程應(yīng)用、運(yùn)營(yíng)管理和技術(shù)服務(wù)等方面工作，具有良好的職業(yè)道德和素養(yǎng)的高水平應(yīng)用型工程技術(shù)人才。為了進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，并與國(guó)際化接軌，本專業(yè)正按照認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改革。

機(jī)械電子工程專業(yè)是一個(gè)機(jī)、電交叉融合的專業(yè)，其面對(duì)的多為綜合性工程問(wèn)題，具體地，應(yīng)該具備以下特征：

1）必須是來(lái)源于機(jī)電專業(yè)領(lǐng)域的工程實(shí)際;

2）所面對(duì)的機(jī)電產(chǎn)品或系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性和先進(jìn)性，無(wú)法用經(jīng)典的傳統(tǒng)方法解決;

3）必須運(yùn)用深入的機(jī)電工程原理或者借助于現(xiàn)代工具經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決;

4）存在一定的約束，技術(shù)指標(biāo)要求多，且指標(biāo)間有可能相互沖突;

5）涉及多種知識(shí)，無(wú)法用單一的理論和知識(shí)解決。

要想解決以上機(jī)電系統(tǒng)中所面對(duì)的復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)生至少應(yīng)該具備通過(guò)觀察提出復(fù)雜機(jī)電問(wèn)題的能力，通過(guò)深入調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)進(jìn)而獨(dú)立分析復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)問(wèn)題的能力，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)、多種現(xiàn)代化工具進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)的能力，與團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作和交流的能力，以及具備工程師的社會(huì)責(zé)任意識(shí)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。這些能力與意識(shí)是今后機(jī)械電子工程專業(yè)的重點(diǎn)培養(yǎng)方向。

4 以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程能力為目標(biāo)的機(jī)械電子工程專業(yè)課程改革

培養(yǎng)學(xué)生上述解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力與意識(shí)是一個(gè)系統(tǒng)化工程，其改革和提升涉及大學(xué)教育的各個(gè)環(huán)節(jié)，除了提升專業(yè)教師的工程能力和完善教學(xué)支撐條件外，加強(qiáng)課程體系建設(shè)也是其中的關(guān)鍵舉措之一[4]。本文將在南京工程學(xué)院現(xiàn)有機(jī)械電子工程專業(yè)開(kāi)設(shè)課程的基礎(chǔ)上，通過(guò)整合和重組來(lái)構(gòu)建合適的專業(yè)課程體系，強(qiáng)化機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

專業(yè)知識(shí)課程群建設(shè) ?傳統(tǒng)的機(jī)電課程體系是將每門課程視為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)單元，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)只了解單一課程的知識(shí)，這弱化了課程之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生難以將不同學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通并加以應(yīng)用，因而在解決工程問(wèn)題時(shí)無(wú)法綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)。為了體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并讓學(xué)科知識(shí)能夠融合提升，根據(jù)課程特點(diǎn)，將原有專業(yè)課程根據(jù)系統(tǒng)性和相關(guān)性進(jìn)行重組和整合，形成課程群，是一種打破原有課程之間壁壘，融會(huì)貫通課程聯(lián)系的方法。

對(duì)機(jī)械電子工程專業(yè)，根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和培養(yǎng)要求，分別組建專業(yè)認(rèn)知、機(jī)械工程、檢測(cè)與控制、機(jī)電集成等四個(gè)專業(yè)課程群，人文社科及自然數(shù)學(xué)等兩個(gè)公共課程群（如圖1），每一個(gè)課程群均完成一個(gè)培養(yǎng)內(nèi)容。其中，專業(yè)認(rèn)知課程群主要是開(kāi)設(shè)一些專業(yè)入門的理論課程，包括機(jī)械工程導(dǎo)論、機(jī)電專業(yè)概論、專業(yè)認(rèn)知等理論課程;機(jī)械工程課程群主要包括機(jī)電系統(tǒng)中與完成機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、建模和機(jī)械制造等任務(wù)相關(guān)的課程;檢測(cè)與控制課程群主要包括機(jī)電系統(tǒng)中和電相關(guān)的控制基本理論、控制器、控制電路、信息檢測(cè)等理論課程;在完成機(jī)和電基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，形成機(jī)電集成課程群，主要包括機(jī)電結(jié)合、機(jī)電耦合過(guò)程中用到基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)。各專業(yè)課程群的具體課程如圖2所示。

由于機(jī)械電子工程專業(yè)的課程一般都具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，因此，每門核心課程都有課程實(shí)驗(yàn)或者相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。為了避免理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)割裂，故將配套的課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)課等實(shí)踐環(huán)節(jié)也歸屬到相應(yīng)的課程群。并且為了達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的，在不增加原有課程實(shí)踐課程學(xué)分的基礎(chǔ)上，每個(gè)課程群下改造設(shè)置一個(gè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，以對(duì)課程群所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

在上述專業(yè)課程群的基礎(chǔ)上，輔以自然數(shù)學(xué)和人文社科課程，形成機(jī)械電子工程專業(yè)課程體系，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

這樣的課程教學(xué)設(shè)計(jì)，既能夠保持學(xué)科課程的相對(duì)系統(tǒng)性，明確每門課程在知識(shí)、能力和素質(zhì)方面的定位，又利于學(xué)生獲得整合學(xué)習(xí)的技能，也便于按照工程認(rèn)知思維進(jìn)行課程順序的安排。

開(kāi)展綜合性實(shí)踐課程 ?實(shí)踐在工程能力培養(yǎng)中非常重要，沒(méi)有充分的實(shí)踐，解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)只能是紙上談兵。為此，建立一個(gè)以實(shí)踐為主導(dǎo)，以課程群為基礎(chǔ)的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，如圖3所示，主要分為課內(nèi)實(shí)踐和課外實(shí)踐兩大部分。其中，課內(nèi)實(shí)踐課程以原有的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)為主體構(gòu)成;課外實(shí)踐課程主要由各類工程訓(xùn)練、創(chuàng)新競(jìng)賽、社團(tuán)活動(dòng)、社會(huì)實(shí)踐、企業(yè)學(xué)習(xí)等選修實(shí)踐課程組成。

此外，為了提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，在每組實(shí)踐課程群的基礎(chǔ)上，增設(shè)針對(duì)該課程群的綜合課程實(shí)踐。這些綜合實(shí)踐項(xiàng)目引入一些企業(yè)真實(shí)的工程問(wèn)題，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和改造，使之成為既能覆蓋目標(biāo)理論知識(shí)，又具有企業(yè)和社會(huì)真實(shí)背景的訓(xùn)練項(xiàng)目。這種項(xiàng)目既訓(xùn)練了學(xué)生綜合運(yùn)用多門課程知識(shí)解決問(wèn)題的能力，又通過(guò)面對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題所涉及的各種復(fù)雜情景，以及在工程實(shí)踐中與不同領(lǐng)域的人進(jìn)行溝通交流，提高了學(xué)生的交際能力和素質(zhì)。

此外，實(shí)踐課程改革還準(zhǔn)備采用逐步深入的遞進(jìn)式設(shè)計(jì)方法，將實(shí)踐課程從低年級(jí)到高年級(jí)逐步提升，從小規(guī)模到大規(guī)模，循序遞進(jìn)，使學(xué)生逐步深入地了解解決復(fù)雜工程問(wèn)題的過(guò)程。如對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，學(xué)生首先學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，這些內(nèi)容主要由單片機(jī)原理與接口的基礎(chǔ)理論課程完成，在該課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí);然后通過(guò)單片機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)課程完成單片機(jī)基本的編程和算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，進(jìn)一步通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)能力;最后通過(guò)面向工程的控制和檢測(cè)綜合實(shí)踐，再次檢驗(yàn)和提高學(xué)生面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)的解決能力和創(chuàng)新能力，強(qiáng)化學(xué)生解決問(wèn)題能力，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

多樣化的考核方式 ?培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，除了需要按照上述教學(xué)體系實(shí)施外，還需要對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確保相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量能夠達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)的要求。傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)大多是通過(guò)考試或者大作業(yè)的形式來(lái)評(píng)判課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。這種評(píng)價(jià)方式對(duì)于文科理論課程的學(xué)習(xí)效果考核是有效的，但對(duì)以各種能力培養(yǎng)為主的工科教育而言，尤其是要考核評(píng)價(jià)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)效果時(shí)還存在一些不足[5]。改進(jìn)方式是針對(duì)不同課程及能力指標(biāo)點(diǎn)，采用不同的考核評(píng)價(jià)方式，即采用多樣化的考核方式。

根據(jù)課程特點(diǎn)，對(duì)基礎(chǔ)課程，采用課程作業(yè)、考試、專題分析報(bào)告和專題討論等方式進(jìn)行考核;對(duì)于課程對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或者課程設(shè)計(jì)，則采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告、文獻(xiàn)報(bào)告、課程設(shè)計(jì)作品、課程設(shè)計(jì)答辯、生產(chǎn)實(shí)習(xí)報(bào)告等形式進(jìn)行考核;對(duì)于綜合性實(shí)踐課程，則采用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案及可行性分析、使用各種現(xiàn)代化工具解決復(fù)雜工程問(wèn)題的方案、綜合報(bào)告、研發(fā)報(bào)告等進(jìn)行考核，以此檢驗(yàn)培養(yǎng)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的融合，現(xiàn)代工程問(wèn)題已經(jīng)演變?yōu)閺?fù)雜的綜合性問(wèn)題。為了適應(yīng)現(xiàn)代工程的需要，學(xué)生應(yīng)該具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。因此，深刻地理解和把握復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)質(zhì)并培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的本科畢業(yè)生，不僅是擬認(rèn)證專業(yè)，而且是我國(guó)高等教育所有本科工程專業(yè)當(dāng)前和今后必須重視的工作。

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