工程教育背景下培養學生解決復雜工程問題能力研究
——以《機械制造裝備設計》課程為例

疏 達，賈文友，劉有余，于 華

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖 241000）

工程教育專業認證對學生解決復雜工程能力的培養高度重視，工程教育專業認證標準中關于學生畢業的要求提出，學生能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統、單元（部件）或工藝流程；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，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論。[1]因此，如何培養學生的復雜工程問題受到了眾多教育工作者的重視，并就此展開了一系列的教學研究工作。王慧亮等以鄭州大學為例，提出了5個水文與水資源工程專業的復雜工程問題，分析了其特征及內涵。[2]孫超等從課程設計的結構與內容調整、學生參與方法的改善以及考核體系方面，研究了交通工程學課程設計教學過程中的復雜工程問題與該課程之間的相互關系。[3]王瑩等針對計科專業開設課程，提出了課程體系的建設思路與方法，構建了四層次課程體系以培養計科專業學生解決復雜工程問題能力。[4]張浩軍強調培養解決復雜工程問題能力應該注重學生工程思維方法訓練，并提出工程思維方法的培養需要在理論課程及實驗課程教學的各個環節中實施。[5]蔣善慶等針對給排水科學與工程專業課程體系，構建核心學科知識課程群，并制定了遞進式實踐課程體系，實現解決該專業復雜工程問題所需知識的運用能力。[6]盡管諸多學者對學生工程能力的培養提出了很好的建議，但由于學科差異，每門課程都有獨特的教學特征，因此培養學生過程能力問題的教學手段也有所不同。

機械制造裝備設計課程是機械設計制造及其自動化專業的一門主要專業主干課程，該課程對于培養學生的創新意識、機械制造裝備設計能力和機械工程實踐能力等方面起到了舉足輕重的作用。[7]本課程的主要任務是使學生掌握機械制造裝備現代設計理論與方法，為提高多學科綜合判斷能力及應用打下基礎，為今后的新產品設計及開發提供更多的實踐知識和經驗。本文基于專業認證背景下，分析教學過程中培養學生解決復雜工程能力存在的一些問題，以機械制造裝備設計課程教學為例，提出一些改革及建議，研究成果可作為專業認證其他相關專業課程的參考。

一 復雜工程能力培養存在的問題

（一）學生自然科學及專業基礎學科掌握不足

工程教育專業認證標準提出學生解決復雜工程問題的前提是掌握數學、自然科學以及專業基礎學科的基本原理。由此可知，要能很好地解決復雜工程問題，首要的是夯實數學、自然科學以及各專業學科的基本知識。機械制造裝備的課程大綱明確該課程的先修課程包括：畫法幾何及機械制圖Ⅰ、理論力學、材料力學、機械原理、機械設計、機械工程材料、互換性與技術測量、機械制造學等專業基礎課程及相關主干課程。然而在教學過程中，授課教師往往忽視學生對這些基礎課程的掌握情況，默認學生們均已經較好地掌握了相關課程。然而實際情況表明，很多學生由于前期學習松懈，對很多專業基礎課程的重要基本知識點未能很好地消化吸收，或者是隨著時間的推移而導致知識點模糊。在這種情況下，對于新知識點的講解茫然失措，接收新的教學內容非常吃力。比如機械制造裝備課程中金屬切削機床章節要求對齒輪齒數進行設計，而齒輪設計在機械設計及機械原理課程中均有詳細的設計及工作原理。但是在授課過程中，學生就如何確定齒輪齒數的原則總是模糊不清，很少有同學能準確地進行講述。因此，正確地了解學生對專業基礎課程的掌握程度，督促他們在新課程的授課之前進行補缺補差是非常重要的措施。

（二）教學上存在的問題

傳統的教學大部分以教師為中心，教學模式以灌輸式、填鴨式教學方法為主。從培養學生的角度來說，這種單向灌輸式教育使得學生們在學習過程中逐漸失去興趣。此外，從工程教育專業認證的角度來說，違背了以學生為中心，背離了培養學生素質與能力的目標。尤其在復雜工程問題的教學上，忽視了培養學生采用專業基礎學科知識對復雜工程問題的描述及處理能力，遏制了學生的學習興趣，最終結果是對復雜工程問題無從下手。

（三）復雜工程問題訓練力度不夠

安徽工程大學開設的機械制造裝備課程的課時為48學時，內容涵蓋了機械制造裝備設計方法、金屬切削機床設計、金屬切削刀具與刀具系統設計以及物流系統的設計等內容。其中金屬切削機床設計包括金屬切削機床總體設計、主傳動系統設計、進給傳動系設計、主軸組件設計、支承件設計、導軌設計、機床刀架和自動換刀裝置設計、機床控制系統設計等諸多內容。如此多的教學內容在這么少的課時內如何進行講解，并讓學生進行有機消化及吸收，給教師及學生都帶來了極大的挑戰。最突出的問題表現為對復雜工程問題的訓練時間被大大壓縮，復雜工程問題的訓練強度極大降低。

（四）考核與課程目標脫節

安徽工程大學開設機械制造與裝備課程的主要任務，是使學生掌握機械制造裝備現代設計理論與方法，為提高學生多學科綜合判斷能力、應用能力打下基礎，為今后的新產品設計、開發提供更多的實踐知識和經驗。為此設立了兩個課程目標，分別為樹立正確的設計思想，掌握現代機械制造裝備設計的基本理論、基本方法，具備評價設計方案優劣的基本知識；掌握金屬切削機床的設計原理和方法步驟。在課程的考核過程中，傳統的考試方法偏重于知識點的考核，如題型的設計方面包括選擇題、填空題、名詞解釋題以及小型的論述題，再加上一些簡單的計算分析題。[5]這種考試方式，更多地要求學生死記硬背，只要記住知識點，考試肯定沒問題。這種形式上的考核方式，根本不能測試出學生解決復雜工程的能力。

二 基于復雜工程能力培養的課程教學改革

為解決機械制造裝備設計課程在教學過程中培養學生解決復雜工程能力上存在的一些問題，基于工程教育專業認證提出的教育理念，對該課程的教學改革進行了有益的探索，以提升該課程的教學效果。課程的教學改革實施過程如圖1所示。

圖1 課程教學實施過程

（一）相關專業基礎課程摸底

在開設本課程之前，應該針對先行必修課程擬定一套模擬試卷，對學生進行前期的考核。該試卷內容應該涵蓋學習本課程的重要相關基礎知識。通過測試，教師對學生掌握數學、自然科學以及專業基礎學科的基本原理的程度有所了解，指導學生對相關知識缺陷進行補缺補差，更好地接納新課程帶來的挑戰。

（二）新教學模式的探索

避免灌輸式教育的不足之處，引入一些新的教學手段及方法。第一，是基于成果導向的教育理念(OBE)可以引入到教學過程中。成果導向教育目前是國際上較多國家認可的一種先進教學理念，其特點在于重視學生對所學知識理解能力的評定，而不是對學生認知能力的檢測。同時，OBE要求學生面對復雜工程問題時，能夠進行思考、質疑、研究、決定和呈現等一系列能力的鍛煉與提高。通過對復雜工程問題的實際訓練，還可以極大地提高學生的創造性思維能力、分析和綜合信息能力、策劃和組織能力等。安徽工程大學對于機械制造裝備課程，基于OBE教育理念，根據教育認證標準指南，修訂了該課程的教學大綱，制定了課程目標，確立了課程目標與學習成果之間的相互關系，為該課程的順利實施提供了保障。第二，要改變傳統教學的先教后學的教學模式，重難點教育環節引入翻轉課堂的教學方法。翻轉課堂能夠極大地激發學生的學習主動性與積極性，學生在課堂上帶著問題與教師同學相互探討，加深了他們對教學重難點的把握，更重要的是在思考的過程中培養了他們解決復雜問題的能力。如在講解主傳動系統方案確定中關于傳動布局的課程內容時，要求學生通過課前自學，掌握主傳動系統的功能及設計要求等相關內容，了解主傳動系統的傳動布局方式。上課時給出典型的車床、銑床、刨床、磨床等常見機床作為案例，然后對學生進行分組，要求每組學生課上討論并設計出主傳動系統，根據機床的工作特點，與教師互動分析所設計主傳動系統的依據。

（三）加強復雜工程問題能力訓練力度

機械制造裝備設計這門課程學時少、內容多，導致復雜工程能力的訓練時間被大大壓縮，所以要采取其他的方法來加強訓練。其中，針對課程章節設定大作業，是比較好的方法之一。安徽工程大學機械制造裝備設計這門課程的刀具設計章節，在課程結束后可設置相關大作業，以提高學生解決復雜工程問題能力。大作業的設計需要盡可能做到一人一題，而且要注重大作業的評價，尤其要從學生的大作中總結存在的問題以便于改進。通過對不同章節復雜工程問題的不斷設計訓練，可以提高學生利用所學知識解決工程實踐問題的能力、圖紙表達能力、清晰陳述觀點和回答問題能力。

（四）考核方式及成績評定

課程考核不僅檢測學生對學科知識的掌握程度，也能為教學的持續改進提供有益的參考。安徽工程大學機械裝備與設計的考核分為兩大部分，包括平時成績和期末考試成績，考核依據與課程目標密切對應。期末考試的題型規定為分析題、計算題、作圖題及設計題等主要考察學生分析計算能力的試題，不再采用識記類試題，如取消了選擇題及名詞解釋等。基于此，機械裝備與設計課程的考核細則規定如表1所示。

表1 機械裝備與設計課程考試細則

三 結語

本文就專業認證背景下學生解決復雜工程問題能力的培養，在機械制造裝備設計課程教學過程中存在的問題，提出了一些改進措施。強調在課程教學前，要首先整體把握學生掌握應用數學、自然科學和工程科學等基礎學科的程度，打好學習該課程的前期基礎。在教學過程中，引入OBE及翻轉課堂等教學手段，激發學生學習的積極性與主動性，并通過章節大作業加強學生解決復雜工程問題能力的訓練。最后提出考試應該以測試能力為主，盡量避免識記類試題的考核。