培養高校工科學生解決復雜工程問題能力的探索與實踐

路世青 何苗 袁博 黎波 丁軍

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7727

摘? 要：復雜工程問題的解決能力是高校工程類專業畢業生應具備的核心能力，項目驅動式教學模式符合復雜工程問題解決能力培養的規律和路徑。以培養學生解決復雜工程問題的能力為目標，結合高校機械類專業機械創新設計課程，分析了教學改革中存在的重點問題。研究了利用項目驅動式教學模式，培養學生解決復雜工程問題能力過程中教學案例的構建方法、教學組織設計及教學評價方法。在機械創新設計課程教學中實施與驗證，取得了較好效果，為相關課程的教學改革提供參考。

關鍵詞：復雜工程問題? 項目驅動? 機械創新設計? 教學組織設計? 教學評價

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（b）-0129-04

The exploration and practice? in Cultivating students' ability to solve complex engineering problems

——Taking the course of Mechanical Innovation Design as an example

LU Shiqing? HE Miao? YUAN Bo? LI Bo? DING Jun

（College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing， 400054 China）

Abstract： The ability of solving complex engineering problems is the core ability that college engineering graduates should have. The project-driven teaching mode conforms to the law and path of cultivating students' ability to solve complex engineering problems. With the goal of cultivating students' ability to solve complex engineering problems， and based on the course of mechanical innovation design， the key problems existing in the educational reform are analyzed. The teaching mode of project-driven to cultivate students' ability to solve complex engineering problems is discussed. The methods of teaching case construction， instructional design and teaching evaluation have been studied and put into practice. This study has obtained good effect on teaching， and provides a reference for related courses.

Key Words： Complex engineering problems; Project driven; Mechanical innovative design; Instructional design; Teaching evaluation

培養學生解決復雜工程問題的能力，是當前我國高校開展工程教育專業認證的基本要求[1]，也是新形勢下經濟社會發展對現代工程教育提出的新的要求。因此，培養學生解決復雜工程問題的能力，應作為一種目標背景和規格主線，貫穿于各類課程教學的全過程。這就要求教學過程應該從傳統的單純按照內容分工方式轉向按照能力培養的方式進行。其中，項目驅動式教學模式是實現這一教學過程轉變的主要途徑之一。項目驅動式教學即教師借助項目的拓展進行課程教學的方法。項目驅動式教學的特點是以學生為中心，以項目為載體，以問題為導向。學生在教師的指導下，通過采取各種靈活和個性化的學習方式，激勵和引導學生主動發現問題，并且通過查閱資料、動手實踐、綜合分析等過程，最終解決問題并得出結論[2]。項目驅動式教學符合復雜工程問題解決能力培養和形成的規律和路徑，是傳統教學方式所不具備的。

《機械創新設計》是我國高校機械類專業學生進行素質教育和創新能力培養的專業課程。該課程開設時間、課程內容體系，以及綜合性、實踐性強的特點都適合在教學中植入高等級的復雜工程問題。本校本課程開設以來，一直采用項目驅動式教學模式，教學設計注重培養學生解決工程實際問題的能力，教學過程中除了教師對機械設計創新思維與技法的針對性講解外，還包括工程案例研討、項目方案設計和項目答辯等項目訓練環節，使學生在解決工程問題的過程中學習到知識和研究方法，獲得多方面豐富的體驗。本文分析探討了機械創新設計課程教學過程中進行復雜工程問題的案例庫建設、教學設計、課程評價體系的優化等問題。

1? 基于解決復雜工程問題能力的課程改革重點問題

隨著我國高校不斷推進工程教育專業認證，工程類專業教師認識到建立復雜工程問題案例庫以支撐課程教學的重要性及緊迫性，但由于很多課程教師在工程實踐方面的參與度有限，課程又缺少企業專家深度參與等，很難在短時間內提煉出典型的、足夠多的復雜工程問題并反饋到課程教學各環節，導致在開展教學過程中，尤其是在項目驅動式教學時學生開展項目訓練受到很大限制。其次，由于新形勢下企業技術需求更新比較快，復雜工程問題也需要同步更新。復雜工程問題儲備的不足直接影響到課程教學方法與教學內容的改革。

同時，很多工程類專業在開展專業認證以前，由于缺乏對畢業要求及各課程目標的理解與整體規劃，各門課程教學設計“自成體系”的問題比較嚴重，造成教學設計與復雜工程問題融合不夠，也導致“培養學生解決復雜工程問題能力”教學目標的實現受到很大影響。

另外，在復雜工程問題融入課程教學后，如何合理分解具備“復雜工程問題”特征的指標點并進行合理的“能力”達成度考核，目前可參考的研究成果還較少。同時，很多課程還缺少形成性評價過程，導致未及時獲得教學過程中學生的連續反饋，對開展進一步的教學改革及持續改進工作造成阻礙。上述問題都是在開展項目驅動式教學改革中需要不斷探索和解決的重點問題。

2? 機械創新設計項目驅動式教學整體設計

以工程教育專業認證標準下的機械創新設計課程教學目標為出發點，通過開展企業調查、社會調查并結合專家咨詢等方式，進行典型復雜工程問題案例的歸納、提煉、修改與補充，構建課程典型復雜工程問題案例庫。在開展項目驅動式的課堂教學過程中，注重問題情境的引入，不斷優化教學設計，進而構建并不斷完善學生的課堂學習環境。通過形成性評價與終結性評價結合的方式，完善課程的評價體系，并根據評價結果，對課程教學設計、案例庫更新、教學目標等進行持續改進。機械創新設計課程的項目驅動式教學模式與實施的整體思路如圖1所示。

3? 復雜工程問題的內涵及其案例庫的構建

要培養學生解決復雜工程問題的能力，必須首先深入理解“復雜工程問題”的內涵。根據我國工程教育認證標準對“復雜工程問題”的界定，可以發現復雜工程問題包含“復雜”和“工程”兩個方面的內涵。“復雜”指的不僅是從技術層面上難于理解或分析，更多是指問題涉及多個范疇以及多因素混合帶來的沖突，從而導致問題沒有規定的答案，也沒有約定的解決方法，從而要求培養學生從復雜的問題中找出最優解決方案的能力。“工程”是指學生在解決問題過程中能夠綜合地、有目的性地應用數學、自然科學和專業知識，以及相關技術和技能，同時還要考慮到社會、環境等各方面因素的優化和平衡，因此復雜工程問題的解決一般需要較多的人力、物力及團隊協作才能完成[3]。

合理的復雜工程問題設計是課程教學中必須重視的首要工作。復雜工程問題的層次應符合學校及專業人才培養的定位，同時還要符合工程教育認證標準的界定。根據工程教育專業認證的要求，復雜工程問題要具備7個基本特征，主要包括深入的工程原理、多因素的干預、方法與模型的復雜性、利益的多樣性、問題的綜合性等幾方面[4]。因此，在教學過程中設計復雜工程問題案例時，要從工程問題的真實性、復雜性梯度[5]、學生狀態等方面綜合分析，要緊密圍繞企業需求和社會需求的原則，在引入復雜工程問題時要強調工程規范標準化與執行力的培養，要強調創新力的培養。

機械創新設計課程組教師通過深入企業調研、社會調查等方式，收集、整理了大量具有典型代表性及前瞻性的復雜工程問題，結合本課程教學內容及教學組織形式，對復雜工程問題進行篩選、提煉及修改，建立了復雜工程問題的典型案例庫，并以每學期持續改進的方式進行案例庫建設，為機械創新設計項目驅動式教學的組織開展提供源源不斷的項目案例支持。

4? 教學組織優化設計

“復雜工程問題”是項目驅動式教學組織中設計的“問題”，同時，通過項目驅動式這種教學及學習方式能夠達到解決復雜工程問題的“目的”。因此，教學組織設計與復雜工程問題之間存在著雙向關系。教學組織設計要緊密圍繞復雜工程問題展開，設計復雜工程問題引入的情境[6]，并不斷優化課程解決復雜工程問題的教學組織設計，拓展解決復雜工程問題的學習環境，使復雜工程問題與課程教學活動產生深度融合的效果。

以機械創新設計課程為例，依托大學生創新創業實踐基地、校內工程訓練中心、專業實驗室等實踐教學平臺，結合仿真模型、多媒體演示，以及機械專業前沿發展報告等渠道，以“新型機構設計”“結構創新設計”等問題為導向，通過一系列與復雜工程問題相關的子問題，構建了整個復雜工程問題的情境，著重培養學生的問題意識，從而激發學生的項目設計興趣。

對課程講授內容和講授方式也進行了優化。課程中創新思維特征、TRIZ理論、實例剖析等難點問題進行課堂講授，基本創新技法、機構組合、造型創新等內容利用專題討論、師生互動等方式開展，項目訓練環節通過合作學習、教師解惑、學生展示并答辯的方式完成。教學組織中既要注重與教學各環節相關聯的復雜工程問題的引入，又要注重篩選學生在分析和解決復雜工程問題中遇到的普遍性問題并進行分析解答。

教學組織中要考慮為學生解決復雜工程問題創造良好學習環境。機械創新設計課程從學習資源與人際關系兩方面進行了建設。課程組教師整理了與專業信息資源（各類專業數據庫）、課程相關資源（課件、文獻資料、MOOCs）、專業現代工具（Solidworks、Adams）等學習資源。同時，通過QQ群、微信公眾號等方式，為學生建立了與同學、教師及其他與解決復雜工程問題相關人員之間的人際交往渠道，使學生在解決復雜工程問題過程中能夠得到及時、有效的幫助。

5? 課程評價方法

課程評價的目的是為了改進教學，即通過閉環反饋來保證教學活動始終不偏離教學目標并促進目標更好達成。復雜工程問題融入課程教學后，通過合理分解具備“復雜工程問題”特征的指標點并設計合理的“能力”達成度考核方式，結合形成性評價，及時獲得教學過程中學生的連續反饋。項目驅動式教學模式下課程評價體系要體現“項目訓練”全過程的能力指標，并著重突出課程設定的解決復雜工程問題能力的指標。

機械創新設計課程圍繞“復雜工程問題”，在項目驅動式教學模式下，注重從發現問題、分析問題到解決問題全過程能力的培養，采用了全過程評價方式。課程評價體系突出設定的復雜工程問題能力考核指標，建立了每一個指標相應的考核目標，并根據課程目標給予不同權重的量化分值。結合課程已建立的“平時作業”“設計方案”“項目答辯”等考核指標，共同夠成課程的終結性評價體系;同時，為了獲得更好的課程持續改進支持，建立了形成性評價體系。結合機械創新設計課程目標，重點在學習自主性、溝通合作能力、小組團隊管理等方面做出發展性評價，幫助學生規范學習過程，提升信心與合作精神，并通過“細致觀察”“交流談話”“問卷調查”等方式，廣泛征集、分析、梳理學生的意愿、要求、意見等，對教學各環節進行形成性評價，獲得教學全過程反饋，明確了教學持續改進的目標和策略。

6? 實施效果

本校機械創新設計課程開課多年以來，堅持以學生為中心、以產出為導向，不斷探索、實踐項目驅動式教學模式，充分激發學生的創造力，開展自我導向學習。課程教學中設置的“機電液系統創新設計”等項目訓練環節，激發了學生的創新意識，培養了學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，在項目訓練過程中也培養了學生團隊合作意識、溝通交流能力和自主學習能力。課程建設取得了較好的效果，涌現出許多的優秀學生作品。僅上一學年依托該課程學生取得的成果中，已有7個學生小組取得了學校的大學生科研立項資助，12個小組參加了全國大學生“機械創新設計大賽”，獲得全國一等獎、二等獎各1項，省部級獎多項，其中5個小組設計作品還申報了國家專利。整體來說，課程的課堂教學與課外實踐環節都有效培養提升了學生解決復雜工程問題的能力，很好地達成了課程教學目標，也促成了專業人才培養目標的實現。

7? 結語

探索實踐了面向復雜工程問題的項目驅動式課程教學模式，相比傳統教學模式，該模式具有“復雜工程問題貫穿教學始終，教師講授與學生項目實踐并重，教學評價系統科學”的特點，能夠較全面培養提升學生解決復雜工程問題的能力。培養學生解決復雜工程問題的能力是一項系統工程，不是僅僅靠一兩門課程所能達到的，必須將“復雜工程問題”按照其復雜性梯度貫穿融入到專業人才培養的課程教學及實踐體系各環節，尤其是要重視在實踐性較強的專業課程中植入梯度等級較高的復雜工程問題。機械創新設計課程教學改革的方法與成果，為工程類專業各課程開展復雜工程問題的設計、教學設計、課程評價等方面提供方法支持，對其他課程相關教學改革也有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] 中國工程教育專業認證協會秘書處.工程教育認證工作指南（2018版）[S/OL].https：//www.ceeaa.org.cn/

[2] 齊衛，王文青.項目式教學過程與效果評價[J].河北師范大學學報：教育科學版，2020，22（6）：119-121.

[3] 徐廣晨，霍仕武，趙鳳芹.基于復雜工程問題的應用型本科機械專業教學案例剖析——以機械產品綜合實訓為例[J].大學教育，2019（7）：86-88.

[4] 王章豹，張寶.培養新工科人才解決復雜工程問題能力的探討[J].高教發展與評估，2019，35（6）：74-85.

[5] 陳志旺，楊亞娜，李軍朋，等.基于復雜性梯度的項目實訓教學設計研究[J].教學研究，2019，42（5）：110-114.

[6] 鄭鯤，周晶，王卓崢.基于復雜工程的創新實踐情境設計與評價[J].高等工程教育研究，2019（3）：170-174，194.