光電專業中復雜工程問題能力培養

沈常宇， 沈為民， 李晨霞， 馮桂蘭

(中國計量大學 光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

“復雜工程問題”的解決能力是工程認證專業畢業生必須具備的核心能力。我國的“工程教育專業認證標準”所給出的12條畢業要求中，“復雜工程問題”出現了8次，足見其重要性[1]。專業教育中每一個理論、實踐教學環節都須緊緊圍繞這一能力的培養。

“復雜工程問題”包含以下七個標志性特征：①必須運用深入的工程原理經過分析才能得到解決；②需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有沖突；③需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法即可解決；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中；⑥問題相關的各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。解決“復雜工程問題”的能力是工程專業學生面向未來日新月異的世界以及未來行業相關的各種問題的必備能力。

但是，工程教育專業認證協會并未給出統一的“復雜工程問題”的標準范式，而只是從宏觀角度給出了上述特征。這使得在專業建設和認證過程中產生了較多的困惑：復雜是一個相對概念，如何認定各自的復雜工程問題？是問題越復雜越好還是另有玄機？與此同時，當前關于復雜工程問題的能力提升方法各不相同，有的從企業的角度提出要采用集成產品開發模式的方法論來進行[2]；有的提出在專業教育過程中分別在理論和實踐教學中分解落實[3]；有的提出運用研究性學習培養復雜工程問題解決能力[4]；也有提出面向解決復雜工程問題的專業實踐體系研究等[5～6]。上述這些辦法都是從某一個方面，如企業角度、方法論或者實踐教學方面敘述了如何解決復雜工程問題能力的培養，且大都是從方法論上進行了論述，并沒有告訴大家如何具體去操作。

本文以我校通過工程專業認證且獲批國家一流專業建設點的光電信息科學與工程專業為例，具體敘述了專業建設和專業課程建設中如何開展提升學生解決復雜工程問題能力培養。

1 專業體系中復雜工程問題能力

如圖1所示，針對光電信息科學與工程專業，結合專業人才培養目標和畢業要求，明確本專業培養所涉及到的相對應的復雜工程問題是“面向光電信息科學與工程領域的光電系統設計及其分析”等問題。在此基礎上分解、抽象出需要培養的能力，設計支撐這些能力達成的核心課程和相應的教學環節，最后制訂相應的考核評價方法檢驗學生對解決復雜工程問題能力達成的程度，并建立相應的反饋和持續改進機制。

圖1 解決復雜工程問題設計的實施方案及路線

1.1 解決復雜工程問題能力專業體系設計

針對畢業要求分解指標點中涉及的解決復雜工程問題能力，定位本專業的具體復雜工程問題為“面向光電信息科學與工程領域的光電系統設計及其分析”，并從其能力培養角度進行分解。確定需要培養的能力包含有光電信息獲取和信號分析與處理能力、系統設計和儀器設計實現能力以及非技術因素能力等。同時，結合畢業要求并合理分解具備“復雜工程問題”特征的指標點，建立了各類指標點與課程之間的支撐關系，設計了合適的、可考核的教學活動予以支撐。為使學生具有解決復雜工程問題的這些能力，進行了共三個層次的教學設計布局，以支撐這些能力的達成，如圖2所示。

圖2 “解決復雜工程問題能力”課程體系設計框圖

層次一：通過各類核心課程，實現“解決復雜工程問題能力”的基本達成。將解決復雜工程問題能力這一目標貫穿于基礎課、專業基礎課和核心專業課中。如光電信息獲取能力通過“光學原理”、“光電信息物理基礎”等的核心課程獲得；信息分析與處理能力通過“光電檢測技術”、“圖像傳感與圖像處理”、“單片機原理及應用”等課程獲得；系統設計和儀器設計實現能力通過“光學系統設計”、“光通信技術”、“激光原理與技術”等課程獲得。基礎類課程注重工程知識應用，分析問題能力等的培養，專業課程則注重學生方案設計、解決問題和研究等能力的培養。

層次二：通過專業實驗、課程設計和各類學科競賽，強化“解決復雜工程問題能力”的達成。以工程項目設計為導向、工程能力培養為目標，構建一個有機整體。例如，將一個復雜的智能儀器產品或系統進行分解，學生先完成包括“電路與電子技術實驗”、“光電信息專業實驗”課程訓練，然后完成“光電電路綜合設計”，在此基礎之上完成“光電智能儀器綜合設計”，實現復雜系統的完成。各個項目相互緊密銜接，前后貫穿于整個本科教學階段。每個項目內容均包含問題分析、方案比較與選擇，方案設計研究；每個項目分若干小組，每組2-3人，分工合作，以團隊形式完成。

層次三：通過畢業設計完善解決復雜工程問題能力的達成。每個學生畢業設計選題都具有較高綜合性，符合“復雜工程問題”要求。學生都需要通過查閱文獻，分析方案，設計方案來完成。

1.2 處理非技術因素能力課程體系設計

一是通過通識教育課程來實現知識方面的處理非技術因素能力達成。學生所需選擇的通識教育課程除了數學自然科學類課程以外，還需選擇人文社會科學類課程，包括馬克思主義毛澤東思想類、思想道德類、英語類，以及文史哲法、藝術類課程等。這使學生具備基本職業素養及人文社科類知識。與此同時，我們還設立了“工程經濟與管理基礎”和“工程與社會”課程，全面實現同學們的知識層次的處理非技術因素能力達成。

二是通過實踐環節來實現應用方面的處理非技術因素能力達成。在方案設計中要求所設計內容必須考慮社會、環境、法律、文化、安全與健康等非技術因素的影響，要求能夠綜合技術因素、非技術因素，給出設計方案的可行性分析與見解，以此培養學生關于“處理非技術因素”的能力。總體而言，培養學生解決復雜工程問題的能力貫穿于整個四年的培養過程中，注重在重點支撐課程中都灌輸和培養學生解決復雜工程問題能力的同時，也注重在整個培養過程中加強學生解決復雜工程問題的綜合能力。

2 課程中復雜工程問題能力培養

課程體系設計中，實踐類課程，比如課程設計、綜合性設計性實驗、畢業設計等本身在設計時會多考慮些學生能力培養。而對于普通的課程，尤其是基礎課或者專業基礎課，往往不注重學生解決復雜工程問題的綜合能力的培養，或者不知道怎么在這些課程中開展該能力培養。下面我們以專業核心課程“光學原理”為例，舉例說明如何在基礎課程中開展培養復雜工程問題能力培養。

學習完“幾何光學”之后，布置學生一個設計題目：“門鏡系統的設計”。本設計為全開放，設計的內容、方法、目標等由同學自擬，評分時首先看自擬目標是否實現，再看自擬題目難度如何。可以是雙透鏡、三透鏡或四透鏡門鏡系統。需要用Word文檔說明門鏡的結構、原理，并給出適當的參數(如透鏡的焦距、間距等)計算像的位置、大小、虛實等，說明為什么人在房間內通過門鏡可以看到外面，但從外面卻看不到里面？

本設計的“復雜工程問題”屬性主要體現在以下幾個方面：

(1)本問題雖然看似簡單，但實際上必須運用多光組成像原理，考慮各透鏡之間的組合、放大倍率以及光瞳銜接等技術參數和原理。

(2)本設計與實際工程應用等限制因素相聯系，并面臨一定沖突，例如想通過門鏡觀測門外較大范圍，必須盡量擴大視場角；而視場受到系統長度、口徑、光闌以及成像清晰限制(邊緣存在較大場曲和畸變)。

(3)本系統設計需要通過學生電腦編程或應用ZEMAX等專業軟件，建立多球面光學系統模型；需要設計各個球面參數、口徑，協調各折射球面的各項參數，成像距離以及與人的眼睛聯用，這個過程沒有直接答案，需要創造性地設計和計算。

(4)本設計不能靠常用方法完全解決的，因為本項設計為全開放，設計的內容、方法、目標等由同學自擬。

(5)問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中：學生接觸的教材或可查閱的文獻資料中很少涉及門鏡問題，沒有現存的標準或規范可用，尤其是關于本系統到底由幾組透鏡構成、像差怎么消除以及怎么樣盡量增大視場，需要綜合考慮多種因素，設計合理的解決方案。

(6)問題相關各方利益不完全一致，如技術與成本的沖突，擴大視場角與實際工程應用限制等。

(7)本設計具有較高的綜合性，包括光學系統設計、光學像差與視場分析、系統構造與工程造價等多個相互關聯的復雜子問題。

3 實施效果

對于本系統設計，學生已有知識基礎，但需要對知識進行綜合，同時需要用到電腦與軟件，這要求學生有所創新。綜合與創新是解決復雜工程問題最重要的方法與手段。(沈常宇等文)

從學生實際完成結果看，學生在設計多個透鏡組實現基本功能后還會充分考慮各種工程因素，如清晰度、視場、光束限制、像差以及造價等。除了多個光組成像外，還充分地考慮系統的像差、視場、光闌等參數；同時也體會到了工程方面的要素設置和各種沖突因素等，對非技術因素如對環境的影響以及工程倫理等做了思考。另外，為了完成本設計，學生在現代工具的使用上有所提升，雖然大家使用工具各不相同，有的應用通用軟件如Excel、Matlab等，也有用專業軟件如ZEMAX，這些在以往課程沒有學過，需要學生學習拓展，在學習中應用，應用中提高。這種設計讓學生體會了“復雜工程問題”的基本特征，初步掌握了處理復雜問題的思路與方法。

4 結語

基于光電信息科學與工程專業，從專業課程體系結構方面分層次構建了解決“復雜工程問題”能力提升路徑；進一步從專業核心課程維度介紹了如何在基礎課程中開展解決復雜工程問題能力的設計，并給出了典型的示例。希望能夠為新形勢下一流專業建設以及課程建設和改革提供一些思路。