以解決復雜工程問題為導向的課程改革探討

景文倩 聶金泉 吳華偉

[摘 要] 在工程教育專業認證背景下，學校應緊跟工程教育發展的新趨勢和新動向，培養一批專業基礎扎實、實踐能力突出、科研思維靈活、能夠解決復雜工程問題的高素質人才。文章以汽車測試技術課程為例，以培養學生分析解決復雜工程問題的能力為導向，從教學內容優化、實踐能力培養、考核方式改革等多個方面探討課程優化改革問題，為其他課程改革提供借鑒意義。

[關鍵詞] 工程教育專業認證;復雜工程問題;汽車測試技術;課程改革

[中圖分類號] G640? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）03-0093-04? ?[收稿日期] 2020-09-07

一、引言

工程教育專業認證是國際工程教育界與工程界相互溝通的固定渠道，可促進國際工程人才對國際工程實踐的適應性和互認性。我國工程教育專業認證旨在通過公平嚴格的質量監控體系，促進工程教育體制改革和建設，提高工程教育教學質量，促使我國工程專業教育質量得到國際的認可[1]。工程教育認證基于先進的育人理念，有可操作的目標指南，有科學明確的質量監控體系，深受國際工程界和工程教育界的推崇[2]。我校車輛工程專業順應時代趨勢，加入申請工程教育專業認證的大軍。工程教育專業認證要求專業從面向學科辦學轉向面向社會需求辦學，要遵循面向行業、面向企業開放的新觀念，依社會需求確定培養目標，培養具有綜合運用所學科學理論和技術手段分析、解決復雜工程問題的能力，能適應經濟社會發展需要的綜合型人才[3]。

“汽車測試技術”是車輛工程專業的核心基礎課程[4]，課程內容涉及信號處理、材料科學、機械力學、光學、聲學、物理學等專業的基礎知識，是一門典型的多學科交叉課程，具有較強的技術性和實踐性。由此，對該課程進行改革優化，對于探索如何培養學生解決復雜工程問題的能力及跨界整合能力，建設一批體現專業工程教育特性的核心課程，具有重要的借鑒意義。

二、復雜工程問題的內涵及核心

復雜工程問題是指具有多樣性、綜合性、跨學科交融性等特征的現代工程問題[5]。培養學生具有解決復雜工程問題的能力是工程教育專業認證畢業要求中的核心內涵，有很強的理論意義和現實意義。

工程教育專業認證協會對“復雜工程問題”做出了明確定義，涵蓋七個方面：需要知識的深度、需要分析的深度、沖突需要的范疇、問題的熟悉度、使用準則程度、利益相關者參與程度及沖突要求的程度、相互依賴性和高標準性[6，7]。其中，第一個特征“需要知識的深度”是必備的，即必須運用深入的工程原理，經過分析才能夠解決，其他六個特征，部分或全部具備均可。

根據以上定義可知：首先，復雜工程問題是一個多因素作用且相互聯系的待解決的工程技術問題，那么如何發現和提出這樣的復雜工程問題呢？工程技術問題一般有三個來源：一是生產生活中的實際問題，即生產生活中遇到的實際困難，需要解決的問題;二是別人提出的需要，這種問題在工程專業認證中通常以綜合性或設計性實驗、課程設計、畢業設計等為典型代表;三是以一定目的為前提的積極主動的思考，由設計者自主發現并根據設計需要提出的問題。在“汽車測試技術”課程教學過程中，通常可以考慮從綜合實驗設計的角度提出工程技術問題，或者以產學研項目為切入點，在生產實際中發現工程技術問題或者鼓勵學生參加學科競賽，引導學生主動思考、探索生活中的工程技術問題。其次，解決復雜工程問題需要運用深入的工程專業知識和原理，可能涉及工程、技術和其他非技術因素之間的沖突，并且是一個優化決策的過程。如何分析和解決復雜工程問題呢？工程教育認證要求能夠運用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達復雜工程問題，并通過文獻研究分析、解決復雜工程問題，以獲得有效結論。因此，分析和解決復雜工程問題可概括為以下幾個環節：一是信息調研，針對某個問題，進行文獻搜集和整理，形成對該問題的科學認識;二是剖析本質，運用工程原理和科學原理，將實際問題轉化為工程技術問題;三是建立模型，深入運用工程原理和數學、物理方法，建立工程問題的數學或物理模型，并能夠有效表達工程問題;四是關鍵分析，抓住關鍵環節、關鍵參數等主要問題，采用定性分析或定量分析、邏輯分析、系統分析等方法，對所建立模型進行深入研究和分析;五是得出結論，以最小的成本、最快的速度、最好的質量、最高的效率解決復雜工程問題。

三、課程教學存在的問題

（一）教學內容系統性不強

我校“汽車測試技術”課程的教學內容主要包括測試系統和傳感器兩部分。測試系統部分涉及的理論知識及公式推導較多，其中信號的描述及分析中涉及的傅里葉變換、拉普拉斯變換等內容，測試系統的動態特性和靜態特性，典型測試系統的動態特性分析等內容更是晦澀難懂，學生學習起來比較吃力，容易產生厭學情緒。第二部分講授傳感器的教學內容略顯凌亂，傳感器種類講解了很多，每一種傳感器都仔細介紹了工作原理、調理電路等，但各個章節都僅限于某一類傳感器，相互之間的區別、聯系和應用環境的講解與討論明顯不夠。此外，從“汽車測試技術”課程的名字來講，測試方法、測試過程、數據分析研究的方法及過程等環節并沒有實際介紹和應用。現有教學內容的前后兩部分相互獨立，要么只介紹理論方法，要么只介紹傳感器，缺少一個系統的綜合測試部分，因此可將二者結合起來呼應課程的“測試技術”，幫助學生掌握測試流程、測試方法、數據分析方法等。

（二）實驗設計缺乏分析和思考

雖然“汽車測試技術”課程設置了多個實驗，但這些實驗都是驗證性實驗，僅僅對各種傳感器的輸出特性曲線進行簡單的測試和驗證，且實驗指導書對每個實驗的操作流程和步驟都進行了詳細的解釋和說明，學生基本不需要深入思考和分析，完全體現不出復雜工程問題的特征，談何培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

（三）考核方式不能反映綜合能力

目前，“汽車測試技術”課程的考核方式比較重視結果，把期中/期末考試作為衡量學生成績的重要標準，占比高達60%，而考核學習過程的平時成績僅占20%，另外20%的比例是實驗成績，而且期中/期末考試的試卷有大量的選擇題、填空題、判斷題、名詞解釋等客觀題，僅有的計算題、分析題等也是課堂講解的類似例題，學生只需機械掌握課堂講解的知識點即可獲取高分，基本不需要分析解決復雜的工程問題。不僅如此，平時成績也不能很好地反映學生的學習情況，因其通常是以學生的課堂出勤率和平時作業為依據來進行評定的，而平時作業一般都是課堂講解的基礎知識或簡單例題，更算不上復雜的工程問題。實驗成績主要依賴實驗報告進行評定，而實驗報告也比較機械，如謄抄實驗目的、實驗步驟，唯一有考核意義的就是畫出傳感器的輸出特性曲線，但這依然算不上復雜工程問題的范疇。所以，現有的考核方式體現不出學生分析解決復雜工程問題的綜合素質和綜合能力，亟待改革以滿足工程教育專業認證的需求。

四、教學方法的幾點建議

（一）教學內容優化調整

首先，“汽車測試技術”課程中有關測試系統的理論部分應適當精簡，講解晦澀難懂的公式時，應當深入淺出，注重引導學生理解其工程意義，切實讓學生認識到該課程的技術性和實踐性，而不局限在枯燥、晦澀難懂的理論知識中，培養學生的工程思維。

其次，從傳感器工作原理的角度考慮，重新梳理傳感器的分類。在講解其各自工作原理和工作特性時，要以工程案例舉例說明，并引導學生發散思維，真正理解掌握傳感器的工作原理和特性，同時系統性地對比分析各類傳感器的特性和應用條件，且重點講解各種傳感器在汽車上的應用和區別。

最后，增加一個綜合測試部分，將理論部分的測試、分析方法與傳感器的原理和特性等有機結合起來，設計2～3個常見測試工況，引導學生一步步地分析，比如測試目標是什么、可采用何種測試方法、如何選用合適的傳感器、如何對測試數據進行分析研究，以及如何整理總結測試分析結果等，讓學生真切掌握整個測試流程，能夠運用所學測試方法、數據分析方法等對實際工程技術問題進行研究和分析。

（二）實驗設計綜合化

解決復雜工程問題的實質是要學生以工程實際問題為研究對象，通過分析研究問題，從中找出最佳解決方案。現有的無須深入思考分析的驗證性實驗方案顯然不能滿足培養學生解決復雜工程問題能力的要求，因此實驗設計的復雜化、綜合化勢在必行。除了現有的驗證性實驗，再增設一個綜合測試實驗，以課堂教學內容增加的綜合測試部分為基礎，比如輪速傳感器的測量，引導學生自己動手設計整個實驗流程，包括傳感器選型、測試手段、測試方法、設備調試、數據采集、數據分析等，并撰寫完整的實驗報告，且實驗報告要能體現出學生個人或團隊在設計操作實驗的全過程中做到了主動思考、主動發現問題、主動分析解決問題，從而培養學生解決復雜工程問題的能力。

（三）開展項目教學

工程教育專業認證要求學生應具備復雜工程問題的分析能力、設計/開發能力、研究能力、理解與評價現代復雜工程問題對社會影響的能力等。因此，“汽車測試技術”課程不能僅僅局限于實驗室的教學實驗，還應當鼓勵學生進入企業參與一線的實習工作。目前，學校有多個產學研實習實訓基地，但出于安全考慮，學生只能觀摩學習，提交的實習報告也只是摘抄企業簡介等，基本流于形式。

在保證學生安全的前提下，本文給出了三種學習企業一線的工程測試分析方法：一是邀請企業一線專家進課堂，從企業的角度講解工程案例，既能提高學生的學習興趣，又能加深學生對工程問題的形象認識，引導學生采用所學的測試知識、傳感器工作原理和特性等，在講解的工程案例中開展測試、分析工作，并總結整理得出結論。二是把學生實習實訓落到實處，進入一線可以只觀摩學習，但企業要安排專家針對某一個測試過程進行系統介紹和闡述，并且以學習小組的形式鼓勵學生參與討論相關的測試知識，最終撰寫成實習報告。實習報告要能體現出學生個人或團隊在測試過程中做到主動思考、發現并提出問題，甚至給出解決方案，從而達到培養學生分析和解決復雜工程問題能力的目標。三是讓學生參與校企產學研項目，既達到學生的實習目標，又能促進產學研合作進一步加深。學校與一些地方企業廣泛交流合作，校企產學研項目眾多，因此可以從中選取若干涉及汽車測試業務的企業，讓學生進入實習，真正參與到一線生產中。作為產學研項目的參與者，學生應當緊跟教師的步伐，真正參與到項目中，切身地感受何為工程問題，并結合自己所學的專業知識，學習如何分析解決工程問題，協助教師一起為企業生產中遇到的工程問題提供分析解決方案。

此外，學生可以依托教師的科研項目參與學術課題研究。目前雖有本科生參與教師科研項目的現象，但學生數量非常少，且他們大多是為了獲取創新學分，并沒有像研究生一樣真正地參與到科學研究中，因此建議教師多鼓勵本科生進入科研項目組，并且讓他們切實地參與項目研究工作：一方面，學生可以向師兄師姐、教師、企業專家等學習如何開展學術研究、如何解決工程問題等;另一方面，教師給學生分配具體的任務，引導學生獨立的或以團隊協作的方式分析解決項目進展過程中遇到的各種問題，積累科研經驗，提高科學素養，提升科研素質，培養學生分析解決復雜工程問題的綜合能力。

（四）考核方式改革

在專業認證背景下，建立多元化、綜合化的課程考核方式已迫在眉睫。所謂多元化考核，即課程考核可以有多種形式，比如學術論文、學科競賽項目、參與教師科研項目，以及有限開卷考試等。其中，學術論文考核指學生撰寫發表1篇及以上高水平學術論文，且論文與“汽車測試技術”課程內容有一定的相關性;學科競賽項目考核指學生參加涉及汽車測試技術的學科競賽，并獲得相關獎項或榮譽;參與科研項目考核指學生加入教師的科研團隊，并在教師的指導和幫助下取得一定的科研成果;有限開卷考試考核指學生能且只能攜帶1頁A4紙的課程筆記進入考場，應用自己整理記錄的筆記進行答題，且試題全部是設計、分析、計算類綜合考題，能全面考核學生分析解決復雜工程問題的能力。而綜合化考核是指學生應當具備各方面的能力，包括自學能力、動手能力、分析能力、創新能力等，以保證學生具備分析解決復雜工程問題的綜合能力。

綜上，多元化、綜合化的考核方式打破了傳統的“一刀切”考核模式，不再局限于試卷考試，充分調動了學生自主學習的積極性，促使學生充分發揮自己的優勢特長，比如發表學術論文、參與學科競賽、參與科研項目等，鼓勵引導學生提升自己的學術能力、創新意識、工程思維、科研素質等，培養學生分析解決復雜工程問題的能力。

五、結語

本文探討了在工程教育專業認證背景下，以解決復雜工程問題為導向的“汽車測試技術”課程改革優化問題。首先討論了課程教學中存在的教學內容系統性不強、實驗設計缺乏分析和思考、考核方式不能反映綜合能力等三個方面的問題，然后從教學內容優化調整、實驗設計綜合化、開展項目教學、考核方式改革等四個角度給出了思考和建議，以達到培養學生分析解決復雜工程問題能力的目標。

參考文獻

[1]張崟，余華，劉達玉，等.對地方工科院校應對工程教育專業認證的思考[J].教育與教學研究，2016，33（6）：99-104.

[2]張春嬌，陳微，趙亮，等.工程教育認證理念指導下的教學改革[J].計算機教育，2019（2）：123-126.

[3]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30.

[4]吳華偉，聶金泉，景文倩，等.以應用型人才培養為核心的汽車測試技術教學改革初探[J].輕工科技，2017（4）：183-184.

[5]張彩麗，楊海波.工程教育專業認證中復雜工程問題的內涵及其分析能力辨析[J].教育探索，2019（11）：143-144.

[6]孟慶民，張立強，龍紅明.基于培養解決復雜工程問題能力的實驗教學改革研究[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2017，34（3）：78-79.

[7]彭文慶，朱永健，彭剛.基于“培養解決復雜工程問題能力”的工程教育專業認證探討[J].當代教育理論與實踐，2017，9（6）：14-18.