面向解決復雜工程問題能力培養的教學創新設計與實踐
——以油庫設計與管理課程為例

崔 淦，王鴻膺，李自力，呂宇玲，盧興國，羅小明

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

目前，提升學生解決復雜工程問題的能力是油氣儲運工程專業人才培養的重中之重，其原因有二。一是行業發展的需求。隨著“一帶一路”倡議、“國家能源安全”重大戰略的推進，以及我國一期、二期石油戰略儲備庫的建設，行業對畢業生的工程實踐能力和創新能力需求越發迫切。二是工程教育專業認證的需求。1989 年，《華盛頓協議》成立，目前已發展成為最具國際影響力的工程教育學位互認協議。2016 年我國正式加入《華盛頓協議》，中國的工程教育成果面向全世界進行展示。基于國際人才培養的OBE 教學理念，學生解決復雜工程問題的能力越來越重要，在畢業設計12 條通用標準中，有8 條涉及復雜工程問題，可見其已成為認證畢業生能力的核心指標，在學生培養過程中占有重要地位。

油庫設計與管理是中國石油大學(華東)國家級一流專業油氣儲運工程的專業核心必修課程，先后被評為國家級精品課、國家級精品資源共享課以及首批國家級一流本科課程。其授課對象是本科四年級的學生，有利學情是他們已掌握了數理基礎、工程基礎知識，初步具備了質疑和探索能力；不利學情是以往解決問題的訓練基本上是圍繞特定學科的條件所限定的問題(良構問題)，運用若干規則和原理獲得同一的解決方案，導致學生解決復雜工程問題的能力欠缺。而復雜工程問題的解決，需要學生具有以創新、決策、協作、持續發展等為代表的高階能力。因此，筆者以油庫設計與管理課程為例，基于對復雜工程問題的理解，從實踐教學資源、跨界教學團隊和教學方法改革三個方面進行闡述，探討培養學生解決復雜工程問題能力的一些創新舉措。

一、復雜工程問題的理解及存在的問題

復雜工程問題大多是非常規的，不能沿用以往的經驗，可能涉及互相牽連、相互制約的眾多交叉因素，還可能有一些隱秘于問題表面背后的深層次因素，需要綜合分析加以解決。一般來講，“復雜工程問題”具備下述劣構問題的特征：(1)必須運用深入的工程原理，經過嘗試和比選獲得最佳的解決辦法；(2)問題缺乏明確的界定，涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；(3)問題的構成存在不可知的部分，需要通過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)問題無統一的解決方法和步驟，具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

新工科建設的重中之重是實施“卓越工程師教育培養計劃”，急需培養出大量具有匠人精神的創新型人才。在此過程中，積極探索培養學生獲得面向工程問題解決的能力十分重要，這也是與世界一流高校相對比之下，我們的教育體系存在的問題之一。傳統的教育中，面向學生解決復雜工程問題能力的培養主要存在以下幾個問題：(1)傳統課程教學中“重科學、輕實踐，學習無操作”而導致學生工程實踐能力不足；(2)傳統育人機制中“企業參與人才培養的熱度、深度與廣度有限”而導致校企之間沒有形成教育合力、學生學習不能緊跟行業發展；(3)傳統教學模式中“以教師為中心”而導致學生學習無協作、參與度不足、解決復雜工程問題能力欠缺。基于以上問題，筆者所在油庫教學團隊進行了課程教學的創新設計與實踐。

二、面向解決復雜工程問題能力培養的教學創新設計

深入貫徹OBE 教育理念和立德樹人基本思想，以促進學生高階能力發展為宗旨，通過創新實踐教學資源、創新教學團隊和創新教學模式與方法三種途徑，著力構建課堂和現場相結合(即跨越時空)、網絡資源和現實資源相結合(即虛實結合)、知識理論和實踐經驗相結合(即知行合一)、以學生為主體教師為主導、師生/生生互動的課程教學體系。

(一)重構實踐教學資源體系，建立油庫實景教學資源，提高學生工程實踐能力

油氣儲運工程專業畢業生所從事的行業屬于典型的易燃易爆場所。雖然在認識實習和專業實習期間，學生有親臨現場的機會，但是學生無法在實習過程中進行任何操作。在傳統教學中，仍然秉承以教師講授為主的理念容易導致學生僅僅掌握了低階的能力(即知識的理解)，沒有將知識與實踐融合，導致學生工程實踐能力不足，進而解決復雜工程問題的能力無從談起。基于此，教學團隊以提升學生工程實踐能力為目標，著力完成以下兩個構建。

1.構建了校外實踐、校內實訓、油庫仿真和精品實驗“四位一體”的課程實踐體系

教學團隊根據課程內容需求、地理位置、油庫工藝設備是否先進、油庫類型等方面選擇了多家設計規范、工藝設備先進、技術管理水平高、規模較大的省內示范油庫建立了實踐教學基地(圖1)，學生利用認識實習和專業實習機會到實踐教學基地進行參觀學習，強化了學生對工程問題的認識。構建了典型油庫操作實訓平臺、典型設備拆裝平臺(圖2)，學生在課程學習期間到平臺進行實操實訓、設備拆裝，增強了學生觸感體驗，并培養了學生實際動手能力、團隊協作和吃苦耐勞的工作態度。自主研發了油庫虛擬仿真系統(圖3)，學生在虛擬環境中完成了油庫工藝流程的切換、收發油任務、油庫調度、安全應急演練等工作，實現易燃易爆儲運流程和設施的親歷式實訓。首創油罐“小呼吸”蒸發損耗實驗裝置(圖4)，學生以小組的形式協作開展實驗，通過實驗方案的制定、實驗的測試以及對實驗規律的總結分析，培養了學生實際動手能力、分析問題能力、團隊協作能力及可持續發展理念。

圖1 校外實踐教學基地

圖2 校內油庫操作實訓平臺

圖3 油庫虛擬仿真系統

圖4 油罐“小呼吸”蒸發損耗實驗

2.研制了油庫三維電子沙盤，創建了“面體交叉，動靜結合”實景教學資源

教學團隊根據課程具體教學內容，精心選擇了一個典型成品油庫的平面布置作為藍本，設計了三維電子沙盤(圖5)。以其為樞紐，將課程各個知識點全部展現在油庫三維電子沙盤中，實現了平面資源的立體化；將圖片、動畫、實景視頻等動態或靜態資源有機貫穿于課程各個知識點的學習之中，實現了靜態資源的動態化。這樣“面體交叉、動靜結合”的教學資源從多角度、多層次、全方位地展示了課程的精華。在導航地圖的幫助下，學生可以“像玩游戲一樣”自主點擊、身臨其境學習油庫構造設計和油品運輸生產過程，滿足了學生自主學習的需求，同時提升了學生學習興趣。

圖5 油庫三維電子沙盤

(二)充分利用企業優質資源，創建跨界教學團隊

目前高校普遍存在教師培訓管理制度不完善、無法定期開展教師工程實踐能力培訓等，導致教師知識得不到更新，專業前沿知識涉獵不足，知識面受限，傳授給學生的知識不具備時效性，甚至有些知識、技能已經被社會淘汰，使得學生學習不能緊跟行業發展。為此，筆者所在的油庫教學團隊教師與中國石油集團華東設計院、東華工程科技股份有限公司(前化學工業部第三設計院)的優秀工程師組建了跨界教學團隊，按照“產教深度融合、校企協作雙贏”的理念，創建了“教師工程素養協同培養、教學過程協同合作、教學效果協同評價”的“三協同”育人機制，形成“一課多師”的師資結構。

1.教師工程素養協同培養機制

每年定期邀請團隊的校外專家對教師進行工程能力培訓，教學團隊教師到設計院所進行設計環節和設計軟件培訓(圖6)。專任教師可根據課程內容掌握行業最新動態，學習企業新工藝、新方法等，大大提高了教師自身的工程實踐教學能力。

圖6 教師到設計院進行培訓

2.教學過程協同合作機制

為了使學生在實踐教學過程中能夠學到更為貼近生產實際的知識，教學團隊工程師作為實踐教學指導教師，協助帶隊教師共同指導學生實踐教學。定期邀請團隊工程師到校對學生進行設計指導，提升學生的設計能力。油庫跨界教學團隊定期組織教學內容、教學設計、教學大綱的研討及修訂工作。

3.教學效果協同評價機制

引導設計院專家進課堂(圖7)，參與專題匯報、實踐實訓、階段設計任務等環節考評，大大提高了學生培養質量。

圖7 工程師進課堂

(三)以任務為導向，預設劣構問題(ill-structured problem)，引導學生自主學習

傳統課程教學中問題的解決，均是圍繞特定學科背景設立的，且教師一般給予學生若干已知條件，學生運用所學知識進行問題的求解，獲得同一的解決方案。以上問題的解決是圍繞良構問題，僅僅是考察學生對知識的簡單記憶、理解，導致學生解決復雜工程問題的能力欠缺。復雜工程問題的解決，需要把復雜問題簡單化，化繁為簡，將問題簡化或分解，用簡單的方法解決問題，或通過解決子問題從而破解整體問題，這是實踐中智慧的做法。明代的馮夢龍所著《智囊》，是一部研究智慧的經典，書中把“通簡”放在第一部的“上等的智慧”之中。“通簡”卷的序言是這樣寫的：“唯通則簡，冰消日皎”，即只要把復雜的事情化簡，問題就會像太陽一出、冰雪融化一樣解決了。基于該理念，創設面向復雜工程問題解決的GPBL 教學模式，如圖8 所示，學生以解決若干小型問題開始，利用解決若干小型問題獲得的知識與能力來綜合解決大型問題，直至解決最后的復雜問題。

圖8 GPBL 教學設計

基于GPBL 教學模式，設置了“成品油庫設計”這一復雜工程問題，以及具有劣構問題特征的一系列階段教學任務，以任務為導向，發揮教學資源優勢，引導學生積極探索，實現能力提升。整個課程的復雜工程問題是“成品油庫設計”，具體表述為“在某城市建設一成品油庫，鐵路入庫，公路發出，為本市加油站供應汽油、柴油”，且“某城市”的確定是教師每年在全國范圍內任意指定的，做到每屆學生均不同。按照課程的主線，設置了油庫工藝模塊和安全模塊的若干階段任務(大型問題)，如圖9所示，各個任務之間并不是相互獨立的，而且教師會在每個階段任務完成后給予評價和反饋。隨著課程的進行，學生基于后期的任務完成情況對前階段的任務進行修改完善，直至最后復雜工程問題的解決，最終落實到工程設計方案和圖紙上。階段教學任務具有以下幾個特征：問題缺乏明確的界定；問題的構成存在不可知的部分；問題無統一的解決方法和步驟；基于學生嘗試和比選獲得最佳的解決辦法。以上就是典型的劣構問題的特征，即教師沒有給出學生若干已知條件，需要學生利用所學知識與能力去進行問題建構、自主設計，以獲得相應問題的解決方案(解決方案不唯一)。針對大型問題，比如第一個“庫址選擇和平面布局”，進行了解構，變成7 個小型問題，如圖10 所示。這些小型問題很多也沒有邊界，屬于劣構問題，其中還包括了“油庫建設與社會發展的關系”這一暗含思政的問題。在具體教學實施中，教師編制導學案，將小型問題列于其中，通過雨課堂發布給學生。學生每4～5 人組成學習共同體，以小型問題為導向，開展網絡資料調研、法律法規自主學習、實操實訓等，與課堂知識相融合來尋求解決小型問題的辦法。通過若干小型問題的解決，綜合所學知識，進行大型問題、直至最后復雜問題的解決，最終形成完整的成品油庫設計方案。在整個教學過程中，教學團隊起到了幫促者的作用，開展了學習資料的提供、導學案的編制與發布、“學思融合”教學結合點設計、課堂組織與實施、問題解決方案的指導與反饋、劣構問題的年度更新等活動，如圖11 所示；學生扮演了“工程師”的角色，通過設計任務的訓練，學生思政意識、高階能力的目標得以達成，如圖12 所示。

圖9 階段教學任務

圖10 大型問題解構

圖11 教師的“幫促者”角色

圖12 學生高階能力的達成

三、結束語

基于實踐教學資源、跨界教學團隊及教學方法的創新與實踐，學生工程實踐能力、解決復雜工程問題的能力顯著提升，受到了用人單位的高度好評，滿足了行業發展對畢業生“工程實踐能力和創新能力”的需求及工程教育專業認證的需求。然而，整個教學環節中仍有一些不足之處，對于學生高階能力的考核是基于團隊教師的定性評價，如何實現對解決復雜工程問題的能力、團隊合作能力、創新創造力等高階能力素養的量化考核仍是筆者所在教學團隊后期需要努力的方向。