提高本科生解決復雜問題能力探討*

魏勝利 張麗莉 李敏

摘? 要? 依據復雜問題的特性，對提高學生解決復雜問題的能力進行探討。提高本科生解決復雜問題的能力是一個系統工程，需要教育工作者和學生等參與方形成共識、理清思路、瞄準目標，遵循漸進原則，構建合理的課程體系，采用情景教學，通過實踐鍛煉和創新活動來達到目的。

關鍵詞? 高校；本科生；復雜問題；實踐教學；工程教育認證

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）18-0123-04

0? 引言

隨著改革開放的持續深入以及經濟社會的發展，人們的思想、理念、生活方式逐漸多元化，加之國際關系的不確定性增加，將來社會將會面臨更多更大的挑戰，非常規的復雜社會問題、經濟問題將大量涌現。大學生是全面建設社會主義現代化國家的生力軍，增強他們應對復雜問題的能力是當務之急。鄧小平同志指出，教育要面向現代化、面向世界、面向未來。面向未來世界、未來問題以及社會和學生未來發展的教育，意味著必須提升未來的建設者和接班人解決復雜問題的能力以及創新能力[1]。

在全國教育大會上，習近平總書記提出“加快推進教育現代化、建設教育強國”的新要求。推進教育現代化、建設教育強國的一個重要目標就是提高學校培養具有解決復雜問題能力的社會主義建設者和接班人的水平。在工程教育認證中，將培養學生解決復雜工程問題的能力定義為本科生培養最主要的任務。這意味著提高本科生解決復雜問題的能力是一個全球性的問題，也是很多教育專家的共識。

1? 復雜問題分析

對于什么是復雜問題，目前并沒有一個準確的定義。一般認為，復雜問題是多輸入多輸出且相互耦合的、非線性的，結果具有不確定性的，需要有深刻原理才能解決的問題。對于這樣的問題，一般需要進行高度概括，從繁多的因素中找出主要矛盾，通過分析找出關鍵的輸入輸出，建立模型，選擇合適的求解方案進行解決。中國工程教育認證協會認為本科生的培養目標主要是培養他們解決復雜工程問題的能力。在認證標準提出的十二條畢業要求中，有八條和解決復雜工程問題有關。中國工程教育認證協會對復雜工程問題的定義為具備下述特征1和特征2～7的部分或全部的問題：

1）必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；

2）涉及多方面的技術、工程和其他因素，可能相互有一定的沖突；

3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中體現創新性；

4）不是僅用常用的方法就可以解決的；

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；

6）問題相關各方利益不完全一致；

7）具有較高的綜合性，包括多個相互關聯的子問題。

工科專業需要面臨復雜工程問題，非工科專業也會面臨很多復雜問題，有的專業既會面臨復雜工程問題，也會面臨非工程的復雜問題。信息管理與信息系統專業不僅面臨復雜的工程問題，還有復雜的社會問題、經濟問題。復雜問題具有一定的共同特點。李一茗等[2]認為，復雜問題解決是指問題解決者與動態的任務環境之間成功交互的過程。這就意味著復雜問題通常不是一次性能解決的，往往需要多次的反復才能解決，并且需要持續改進。

在培養學生解決復雜問題能力方面仍然存在不足，很多學者對這個問題進行探討。下面就如何提高本科生解決復雜問題的能力進行思考和討論。

2? 對于提高解決復雜問題能力的思考

要提高本科生解決復雜問題的能力是非常困難的，這也是為什么大家普遍認為它很重要，卻沒有行之有效的方法的原因。培養學生解決復雜問題的能力是一項系統工程，需要形成共識、共同努力，才有可能有所改觀。

2.1? 形成共識

所有教師必須形成共識，將培養學生解決復雜問題能力作為培養目標，都要圍繞這個目標服務，不能只盯著自己教授的課程。講授課程時不僅僅以知識點為中心，還要圍繞培養學生解決復雜問題能力進行。不僅學校、教師要建立這樣的共識，還要幫助學生建立這樣的共識，才有可能達成目標。學校和教師要讓學生明白，學習不是為了考試，也不僅僅是為了增加知識，而是要明白自己未來的責任和擔當，明確自己未來在社會中充當的角色，有目的、有意識、有行動地增強解決復雜問題的能力。要幫助學生克服面對復雜問題時的畏難情緒（面臨復雜問題的時候，難免會產生畏難情緒），幫助他們建立克服困難的勇氣和決心。

改變學生被動學習的局面，增強學生學習的有意識性、目的性。學生有中小學學習存在的慣性思維，很多的學生想當然地認為學習就是為了考試，或者獲得某種技能。這些認識具有片面性，學習更重要的是培養他們的綜合素質以及提高他們客觀認知人類社會和物理世界的能力，使他們能從紛繁的社會現象中抽象出問題，確定問題的邊界，進而建立問題模型并求解。要幫助學生學會抓住主要矛盾，抽象出關鍵因素，從而為解決問題找到思路。愛因斯坦說過，教育就是當一個人把在學校所學全部忘光之后剩下的東西。剩下的東西就是清晰的頭腦、敏銳的嗅覺、批判的精神，能夠有條理地分析、有邏輯地推理、有說服力地闡釋，從而得到可靠的結論。

2.2? 確定專業的復雜問題

解決復雜問題的能力不會憑空產生，需要在教師有意識的引導下，學生通過自主學習、模仿、思考和領悟獲得。確定本學科領域的復雜問題，引導學生逐漸接觸、認識、洞悉本學科復雜問題，是高校培養學生解決復雜問題能力的重要條件。培養學生解決復雜工程問題能力的關鍵要素之一是選擇、準備或設計具有復雜工程問題特征的可用于工程師培養的復雜工程問題[3]。用于工程專業學生培養的復雜工程問題應該主要來源于工程實踐，已經解決的復雜工程問題應是選項之一[3]。要保證這些復雜問題對于不同年級的本科生來說是合理的，既能體現出復雜性，又必須是學生能接受的。

每個人對“什么是復雜問題”有不同的理解，每個專業所涉及的復雜問題也不盡相同。確定合理的、學生能理解和接受的復雜問題很困難，每個專業的教師要結合企業、專家、家長、用人單位，確定好自己專業需要解決的復雜問題。如對信息管理與信息系統專業來說，多約束條件下的運輸問題可以被看作一個復雜的工程問題，它是一個多因素影響下目標優化的問題。其實還可以把這個復雜工程問題擴展為一個更大的復雜問題：在經濟社會中，哪些情況可以抽象成多約束條件下的運輸問題呢？需要引導學生通過思考、觀察、分析、抽象獲得模型進行求解，為解決實際的社會經濟問題提供參考。要培養學生從紛繁的經濟社會現象中抽象出模型的能力，依據數學和工程學原理進行求解，并結合經濟學、管理學的原則，以及對社會的責任作出判斷，并能說明理由，為決策者決策提供依據。由此，學生應具有獲取數據的能力、對數據分析的能力、提出問題的能力、模型抽象的能力、選擇合適算法的能力、求解的能力、驗證的能力、實施的能力等。

再如，對計算機科學與技術專業的學生來說，計算機硬件系統的設計是一個復雜的工程問題。計算機硬件系統設計是一個多因素相互制約的工程問題，需要用專業的知識基于數學原理和工程理論才能解決。而且，計算機硬件系統設計既要考慮成本、器件來源、設計難度、制造工藝等方面的問題，還需要考慮市場需求問題，這些問題可能是相互影響、相互制約的，選用好的器件意味著成本上升，選用新型的制造工藝可能會和現有的制造系統不兼容。因此，需要在一定條件的約束下，經過理論分析和推演，運用復雜的工程知識，才有可能找到合理的解決方案。需要學生懂得系統的設計方法、成本分析核算以及市場需求分析等專業知識，還需要學生具備敏銳的洞察力，找到問題的關鍵所在，并運用專業的理論和工程原理來解決問題。

2.3? 要遵循貫通漸進的思路

培養學生解決復雜問題的能力是一項系統工程，不是僅依靠幾門課程就能完成的，是一個長期的探索過程，需要不斷反思和完善，必須通過系統地長時間地有意識地學習和鍛煉才能達到這個目標。要制定科學合理的人才培養方案，通過大學四年的時間進行培養，在這個過程中始終要遵循這個目標，這個目標是一貫的。根據工程教育認證的要求，為了達到培養解決復雜工程問題能力的目標，要弄清楚哪些課程對應工程教育復雜問題的哪些指標，怎么講授、考核能夠達成目標。所有的課程構成一個整體，對復雜問題能力培養構成支撐。完成指標的對應和分解還不夠，還要落實到位，構成一個有邏輯的整體，符合教育的發展規律，把這些課程串聯起來。做好課程群建設，設計好前后課程的銜接，前面的課程要為后面的課程做好準備，提前預熱；后面的課程要反過來加強前面的課程，構成有機的循環，使學生解決復雜問題能力的培養貫穿高校各個培養環節?，F在流行的項目教學法較為集中地體現了這種思路，但單單采用項目教學法還不能滿足要求，它只是注重解決問題，對于如何提出問題、抽象模型等沒有體現。

2.4? 構建情景教學環境

通過構建合理的情景教學環境，幫助學生理解什么是復雜問題，如何進行抽象，如何建立模型，如何選擇解決問題的方法，如何進行驗證，如何實施。課程設計選題就是一種情景創設，因此，選題要盡可能源于工程實際且具有明確的實際工程價值[4]，形成難度相當、需要學生努力克服而又力所能及的學習情境，全面培養學生的工程能力[5]。比如以團隊形式組織的課程設計，可以很好地體現團隊精神，適當減輕學生的心理壓力，通過團隊內部明確的分工和各自職責培養學生的自主學習能力、溝通能力、協作能力、互助能力，增強榮譽感和自信心，使學生做到積極主動投入，樂在其中。

現在推行的智慧教學在很大程度上體現了情景教學的要求，使學生體驗沉浸式學習。在教學實踐中，針對企業資源規劃這門課程，采用虛擬企業運營仿真的教學方法。通過構建一個模擬企業經營的環境，讓學生體驗如何有效地利用有限的資源達到經營收益的最大化。這樣的教學方法比課堂上灌輸式的講授效果要好得多。針對計算機組成原理這門課程，利用模擬的仿真軟件，讓學生體會編寫的程序是怎樣被轉換成可執行代碼，又是怎樣執行這些指令從而完成任務的。直觀的、可視化的方法顯然要好過抽象的文字說明更容易接受。在CPU的設計中，讓學生利用Logisim軟件設計串行進位加法器和并行進位加法器，對比兩者在進位延遲和電路復雜度上的差別，從而明白用復雜度換取速度的思想。

2.5? 發揮實踐教學和創新活動的作用

在培養學生解決復雜問題能力的培養體系中，實踐教學能讓學生更接近實際的問題，更能鍛煉學生運用課堂所學理論知識解決實際問題的能力，真正掌握和明白解決復雜問題的具體步驟[6]，因此，實踐教學更為重要。在此過程中，實踐教學的內容如何安排、實踐教學如何展開效果更好、實踐教學如何進行客觀評價等方面，都需要深入探討并提出可行性方案。創新活動更是激發學生直面新問題、查找資料、分析問題、建立模型、解決問題，能夠全流程鍛煉學生解決復雜問題的能力。這些實踐和創新活動需要在教師的指導下有意識地進行，才能取得較好的效果。

近年來，安陽工學院更加重視實踐教學，增加實踐教學環節，在整個教學學時不變的情況下增加實踐教學學時，同時提高設計性和綜合性實驗學時的比重，要求設計性和綜合性實驗要達到實驗學時的60%以上。學校積極鼓勵學生參與各類學科競賽和科技創新活動。目前，幾乎所有的學科都有對應的實踐創新活動，如程序設計大賽、電子設計大賽、數學建模大賽、工程訓練大賽、營養配餐大賽、企業運營仿真大賽等。同時，每年舉行綜合性的科技創新活動并給予經費支持。積極宣傳、組織學生參加全國或省科技創新大賽、創新創業大賽、工程大賽、挑戰杯、藍橋杯、ACM大賽等活動，對獲得獎項和發表論文的學生給予獎勵，極大地鼓舞學生參加活動的積極性。全面推行導師制，設立多種創新團隊，鼓勵學生加入教師的科研項目，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。為解決學生專業能力提升中存在的痛點，各專業推出專項訓練計劃，突破學生能力提升障礙。編程能力是提高計算機專業的學生解決專業問題的關鍵一環。為此，計算機學院專門推出編程訓練計劃，提升學生的編程能力，為提升后續解決專業復雜問題能力打下基礎。

3? 結束語

復雜問題解決是指問題解決者與動態的任務環境之間成功交互的過程[2]。既然如此，復雜問題就不是一次能解決的。單向的知識灌輸方式顯然不是很好的解決復雜問題的策略和方法，而交互式、討論式的授課方式是更適合的方法。在實踐教學活動中并不要求學生一次性完美無缺地完成實驗，反復討論、修改、迭代、嘗試正是學習鍛煉的過程?，F在，許多專家學者意識到培養學生解決復雜問題能力方面存在不足，提出很多有價值的建議，進行大量實踐，但效果不佳。一個主要的原因也許是現在教育資源存在不足，生多師少的局面還沒有明顯改善，批量培養模式或許還將持續一定時間。但隨著時間的推移，教育條件的改善、新的教育技術的采用以及更多人對解決復雜問題能力培養的認同，將有助于這個問題的解決。

參考文獻

[1] 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）：27-30，84.

[2] 李一茗，黎堅.復雜問題解決能力的概念、影響因素及培養策略[J].北京師范大學學報（社會科學版），? 2020（5）：36-48.

[3] 林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（6）：17-26，38.

[4] 楊培林，蔣克儉，陳麗，等.課程設計教學與復雜工程問題解決能力培養[J].大學教育，2020（6）：69-71.

[5] 潘釗，侯培國，孟宗，等.基于情境構建培養學生解決復雜工程問題能力[J].電氣電子教學學報，2020，42（3）：16-21.

[6] 劉邱云，付雪峰.面向解決復雜工程問題能力培養的實踐課程教學探索[J].教育現代化，2020，7（5）：30-31.

*項目來源：河南省高等學校重點科研項目計劃“數字孿生技術在智能制造中的應用研究”（20B520001）；安陽工學院“十百千”品牌項目計劃“計算機組成原理”品牌課堂。

作者：魏勝利，安陽工學院計算機科學與信息工程學院教研室主任，副教授，研究方向為智能制造、制造信息化；張麗莉、李敏，安陽工學院計算機科學與信息工程學院，講師，研究方向為管理信息系統、教育信息化（455000）。