解決復雜工程問題能力培養體系的構建與實踐

喬美英 黃凱征 陶慧

摘? 要：培養學生具有“解決復雜工程問題”能力是工程教育改革中一個重要部分。論文從自動化專業的特點出發，首先對“解決復雜工程問題能力”特性進行了界定;其次通過對能力的分解，由頂層設計構建了實現能力培養的教學環節，形成環環相扣架構;最后，通過層層落實、形成合力的態勢實現能力培養。本體系可概括為：利用課堂教學環節保證能力的基本達成，利用多層次實踐環節進行強化達成，最后利用畢業設計環節實現完善達成。整套體系以培養學生“具有解決復雜工程問題”能力為核心，將工程教育認證理念貫徹于各個教學環節中，實踐表明此體系行之有效。

關鍵詞：人才培養;復雜工程問題;培養體系;自動化專業

中圖分類號：C961? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0168-04

Abstract： Cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"is an important part of engineering education reform. In view of the characteristics of the automation profession， the ability to "solve complex engineering problems" are first defined; Secondly， through the ability decomposition， the teaching links of each ability are built through the top-level design， forming an interlocking structure; Finally， the training of each link is implemented， and capacity building is achieved through the formation of synergy. The system can be summarized as： the use of classroom teaching links to ensure the basic achievement of the ability， the use of multi-level practice links to strengthen the achievement， and finally the graduation designis linked to achieve perfection. The whole system is based on cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"， and the concept of engineering education certification is implemented in various teaching links. Practice shows that this system works well.

Keywords： talent cultivation; complex engineering problems; training system; automation major

引言

2006年，我國開始全面構建國際實質等效的工程教育認證體系，2016年6月3日正式成為《華盛頓協議》締約成員，一方面為我國工科專業畢業生進入國際市場提供了通行證，另一方面我國的工程教育也要按照國際實質等效的原則培養具有“解決復雜工程問題”能力的學生[1，2]。而我國之前實施的“卓越工程師”1.0計劃也明確強調了實踐工程能力的培養[3-6]。

現代工程問題不再是單純的工程問題，而是協調多種非工程因素的綜合問題。文獻[7]對國際上學歷互認的三個主要協議進行對比，指出解決“復雜工程問題”對于工程教育的重要意義，并對“復雜”與“工程問題”進行了深入剖析，分析了培養“復雜工程問題”能力的難點[7]。文獻[8]從“復雜工程問題”的特性出發，將培養學生解決“復雜工程問題”能力分解到各個教學環節，并植入教學體系[8]。文獻[9]指出本科工程教育應聚焦培養學生“解決復雜工程問題”的能力[9]。由此可看出“解決復雜工程問題”能力的培養在工程教育認證的推動下，在高等教育深化改革的進程中變得越來越重要[10]。

河南理工大學是全國第一所煤炭院校，也是河南省第一所創辦自動化專業的本科院校，依托學校服務于煤炭行業辦學定位，本專業從1989年開始就與平頂山煤業集團建立了長期的產學研合作關系，定期為該集團礦井提升機電控系統進行檢測與調試，并為其培訓技術人員，同時研發了“JTK礦用提升絞車電控系統”“全數字礦井提升絞車隔爆兼本安四象限智能變頻調速控制系統”等設備，以此為基礎自動化專業與行業背景企業建立了廣泛深入的合作關系，同時也形成了注重學生實踐能力培養的辦學傳統，2012年成為教育部第二批“卓越計劃試點專業”，2018年6月通過了教育部專業認證。

經過長期的實踐與不斷的積累，自動化專業已逐漸形成了一整套培養學生“解決復雜工程問題”能力的教學體系，可概括為“頂層構建、能力分解、各環落實、綜合強化，環環相扣、形成合力、完善達成”。

一、復雜工程問題的特性及實現途徑

根據2015版的《工程教育認證標準》中關于“復雜工程問題”特征的說明[7]。我校自動化專業根據行業特色、人才培養定位與培養目標，多次組織校內外專家進行研討，對本專業的“復雜工程問題”進行了界定：

1. 必須是來源于自動化專業領域的工程實際問題。

2. 體現知識的廣度和深度，著重系統機理分析與工程實現，必須運用基本原理經過深入分析才可能得到解決的工程問題。

3. 具有非線性、時變性、隨機性、不確定性、含有已知和未知干擾，無法用經典方法建立被控對象數學模型的問題。

4. 體現矛盾和沖突，存在多方案比較與選擇的問題。

5. 無法用單一課程的理論和知識解答的問題。

為使學生具有以上描述的“解決復雜工程問題”能力，首先需要頂層構建、能力分解，其次是各環落實、綜合強化，以達到環環相扣，形成合力的態勢，最后通過畢業設計環節來完善達成。具體可概括為：

1. 將“解決復雜工程問題”能力分解為知識、能力與素養的培養，貫穿于整個四年的教學體系中，包括各個體系中的各個環節，如基礎課、專業基礎課、專業主干課、實踐環節和綜合課程設計環節對各個能力點的培養。

通過以上環節，環環相扣，形成合力，使得所有學生基本具備解決復雜工程問題的能力。

2. 在不同學年設置不同的實訓環節，對所有學生，通過實訓手段，強化解決復雜工程問題能力目標的達成。

3. 通過“畢業設計”綜合環節，完善此目標的達成。

二、頂層構建能力分解，確保基本達成

由于解決“復雜工程問題”能力是一項綜合能力，培養學生具備此能力需要一個完善的教學體系[11-13]。為此本專業通過將所有環節根據其教學內容相關性歸類為10個基本的課堂教學體系，而每一個體系承擔一個能力指標，其分解結果見圖1所示。每種能力又被分解到所在課程體系中的各門課程目標中，課程目標通過掌握教學知識點與課內實驗知識點來達成，所有學生在達成每一門課程的同時基本具備了“解決復雜工程問題”的能力。

為了確保此能力的基本達成，還需要從以下方面予以保障。

1. 按支撐“復雜工程問題”能力需要，安排教學內容。強調課程內容應包含相應的自動化領域的深入原理。強調能力不是簡單知道，簡單計算，需達到一定的深度，更重要的是要強調具有工程思想與工程分析能力[14，15]。對應能力要求在各個教學大綱都有明確的要求。

2. 按支撐“復雜工程問題”能力需要，開展教學活動。教學活動需落實大綱規定，確保學生深入基本原理，理解精髓，將基本原理與工程問題有機地結合，討論應用方法，體驗知識應用于實踐中產生的效果[16]。再通過綜合實驗或實訓進行能力鞏固。

3. 按支撐“復雜工程問題”能力需要，實施教學評價。強調多種形式的能力考核，將能力點對應于目標點，通過對目標點考核評價能力達成情況。

如“三電”基礎課程學完后，要求基本具備了電子設計與應用能力，理論課程通過課堂來考核，基本運用知識能力通過各門課程課內實驗來考查，而綜合運用知識的解決復雜工程問題能力，通過綜合實訓課程來考查，教師提供通用電路板、變壓器、二極管、小電機等基本元器件與工具，要求學生通過查資料自行完成不同電壓等級的電源設計并實現、完成收音機安裝與調試，利用示波器分析電源特性、電機特性以及收音機調試中的各種現象，通過答辯給出學生成績，在答辯中一方面考察學生的工程知識能力，另一方面考查學生的表達、溝通與交流的能力。

三、多層次實踐環節構建，實現強化達成

在強化達成環節，構建實踐教學環節，將“解決復雜工程問題”的能力轉化為實踐教學目標貫穿在實踐教學的全過程，實現環環相扣態勢，最終形成從多層次課內實驗、課程設計、實習環節、工程實訓到科技競賽項目的實踐教學體系。實踐教學體系結構如圖2所示。

（一）構建多層次實驗教學體系，將創新意識貫穿到實踐教學中

實驗項目的設置上增加設計型和研究型實驗的比重，著重培養學生創新思維能力。在此類項目中，教師只提出實驗要求和任務，由學生自己確定實驗方法步驟、設計實驗電路、選擇測量儀器儀表。充分發揮學生自我學習的能力，綜合應用所學理論知識，自主設計實驗電路、安排實驗步驟，從而培養了學生綜合素質。

如“DSP原理與應用”中在AD轉換學習過程中，由學生自行設計模擬信號發生電路，并通過DSP的AD采集過來，引導學生分析模擬信號發生變化時的轉換結果，以及模擬信號加噪聲時的轉換結果，并將CCS7.3寄存器讀取的數據與外部件器件（如示波器）測量數據比較分析其誤差，并給出減小誤差的設計方案。

這些環節的培養，使學生能獨立自主分析具體問題，并通過實際動手解決具體工程問題，并能表達對工程問題的見解，由此可將學生的探索性學習轉化為實踐經驗，將“知識掌握”提升到了“知識應用”，是一個將知識轉化為能力的一個強化環節。

（二）構建“基礎型、綜合設計型和研究創新型”多層次實訓項目群

結合我校國家級電工電子示范中心每年度的實驗室開放基金項目，優化實踐課程內容，構建基礎型、綜合設計型和研究創新型多層次實訓項目群，開展以項目驅動方式的系列實踐環節。

首先，將工程訓練中心的礦用絞車提升機電控系統裝置接線實訓作為基礎型實踐環節引入到教學中，提供基本實驗臺與實驗用器件，包括：斷路器、熔斷器、空氣開關、各類繼電器、行程開關等，要求學生通過接線實現三個電路正反轉設計，從而實現貨物的六自由度運行，并考慮啟動時的自鎖與互鎖功能，實現點動與自動運行模式，在自動運行模式下，對于左右行與前后行時考慮運行到終點自動返回等功能，整個過程中需自學器件的基本工作原理及使用方法，并根據應用場合對熔斷器進行選型，整個設計過程需要團隊分工合作才能完成。

其次，將基本嵌入式系統的智能穿戴產品開發設計作為綜合設計型的工程實訓項目，采用嵌入式系統的最小核心板，通過自行設計外圍接口電路，通過相應的軟件開發環境，利用I2C或SPI接口實現外接各類傳感器（如陀螺儀、加速度計和磁強計）的數據采集，分析、補償與濾波，并對數據進行特征分析與特征提取。項目需團隊協作才能完成。

最后，將智能車競賽中的“電磁組直立行車”的項目思路引入，開發了基于DSP控制器的自平衡小車實訓項目，兩輪自平衡小車工程實訓項目是集成機械、電子、通訊、自動控制、嵌入式芯片技術于一體的小型智能機器人，是一個典型的非線性、強耦合、多變量和不穩定系統，作為控制系統的被控對象，它是一個理想的教學實驗設備，許多抽象的控制概念都可以通過兩輪平衡小車直觀地表現出來;本項目的完成不僅要求學生具有一定的理論知識儲備，如自動控制理論中系統的穩定性、可控性、收斂速度和抗干擾能力，傳感器技術及信號處理的濾波技術等，還需要學生掌握DSP芯片在控制中運用的基本功能與實現方法。此項目必須是學生在團隊協作、交流溝通及查找文獻的基礎上才能完成。

（三）建立人才培養、科學研究和社會服務“三位一體”的科技競賽模式

為了與企業展開合作，平頂山煤業集團、焦作煤業集團及晉城煤業集團建立合作協議，鄭州光力科技股份有限公司、焦作華飛電器有限公司、運城職業技術學院教學礦井實踐基地等多家企業簽訂了同建大學生創業實踐基地的協議。由我校優秀校友創辦的焦作華飛電器股份有限公司，于2011年11月與自動化專業簽訂協議，10年內每年投入10萬元人民幣，設立“華飛獎學金”，開展“華飛杯”科技競賽活動，目前此項活動已成功舉辦6屆。

此外，為保證課外科技活動能夠穩定持續地開展，學校和企業共同設立科技競賽創新基金，每年撥專款用于學生參加各類科技創新和發明創造活動的資助和成果獎勵。在學生科技競賽方面，聘請企業中的優秀技術人員和高級工程師來擔任科技競賽的指導老師，結合競賽題目的專業方向為參賽師生開展專題講座和指導。各類活動極大地開闊了學生的視野，激發了學生參與科技競賽的積極性，最大限度地提高了學生“解決復雜工程問題”的能力。

四、強化畢業設計管理，實現完善達成

本專業專門開發了一套畢業設計管理系統，把對學生的整個指導過程都用管理系統詳細記錄，用工程教育認證的標準進行過程考核，強化過程管理，從而嚴把畢業設計的質量關，畢業設計管理主要包括六個方面分別是：課題管理（申報與審核）、任務書（下達與審核）、過程管理（開題、中期、外文閱讀、工程圖紙、輔導答辯等）、論文審核、畢業答辯（申請審核、評閱教師指派、答辯分組管理等）、材料歸檔（材料審核、質量評價、各類匯總報表）。

首先，從題目與任務書中針對設計內容多偏向于理論與仿真研究、針對往年本專業畢業設計選題中控制思想體現較弱的問題，專業教學委員會組織教師在選題初期通過對題目與任務書的內容進行研討，將從整體系統考慮，加強整個設計過程中對控制與決策的思想的體現，使畢業設計的選題更科學化、規范化和合理化，從而符合本專業的培養目標;其次，加強開題審查、中期檢查及輔導答疑等過程管理與控制，確保畢業設計過程無漏洞，以確保畢業設計的進度與質量;最后，通過完善環節的考核細節，來嚴把畢業設計的質量關，考核主要分為兩個方面：總結性考核（包括：評閱書、評定書及畢業答辯）與形成性考核（開題報告、中期檢查），而每個方面又分別從分析研究、工程設計、溝通交流、技術規范、工程倫理五個角度，這五個角度也體現了工程教育認證的標準要求，最終對每位同學都形成一份質量分析報告。從所有學生的質量分析報告中，又可以總體分析本專業的畢業設計質量。

五、結束語

從培養學生“解決復雜工程問題”能力出發，從能力的分解、達成途徑、達成過程進行初步實踐與探索，限于目前的實際情況，離完全達到華盛頓協議指標，尚有一定的距離，這也將是一個長期的、不斷完善、持續改進的過程，需要政府、社會與高校共同努力。從培養目標與畢業要求確立、課程體系建設、師資力量的強化、保障制度完善等各個方面著手，將培養學生具有解決復雜工程問題能力作為核心，始終貫徹以學生為中心、成果導向和持續改進的理念于各個教學環節中，為我國的工程技術人員走出國門，參與國際事務培養人才。

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