工程認證背景下復雜工程問題驅動的新工科人才培養模式探究

王宏燕，張曉靜，陳 超，陸 瑤

(北京工業大學 城市建設學部，北京 100124)

自2016年我國加入《華盛頓協議》以來，國內高校開始就培養學生解決復雜工程問題能力開展工程教育認證工作，其中認證標準中的8條畢業要求充分體現了對本科生分析、解決、評價復雜工程問題能力的培養。新時代新發展階段，我國經濟開始向高質量發展轉型，“一帶一路”國家倡議、“中國制造2025”等重大戰略的實施，對復合型高級工程技術人才和創新型人才的需求大幅增加。以立德樹人為引領，以迎接未來科技發展新挑戰、契合高等工程教育培養目標為定位，以探索人才培養過程新方法為特征的新工科建設，已經成為國內高校工科專業的改革熱點。以新工科發展理念為導向，以培養解決復雜工程問題能力為核心，對開展多學科交叉融合的人才培養模式研究具有重要意義。

相關研究表明，國內高校在貫徹新工科建設理念，開展工程認證工作的過程中，對解決復雜工程問題能力的內涵及培養途徑開展了大量研究和實踐，包括課程體系建設、實踐課程教學案例設計、課程設計和畢業設計的工程思維培養等，而針對培養學生解決復雜工程問題能力培養體系的探討尚顯不足。培養學生解決復雜工程問題能力對各專業都是一項系統性、全局性的工作，提升解決復雜工程問題能力也不是一朝一夕的事，需要在人才培養過程中全方位執行相關對策。在時間維度上體現全過程，即從入校入學教育到畢業設計；在空間維度上體現全方位，即理論課、實踐課、學科競賽、社會實踐等，通過多維度融合形成教學培養體系，并認真貫徹執行。

北京工業大學建環專業以培養學生解決復雜工程問題能力為辦學核心目標，以“三元協同”育人模式理念與要求為辦學提供教學指導(圖1)，結合專業培養方案制訂，重點從必備知識體系、實踐教學體系、綜合素質培養機制三方面，開展了深入研究與改革，以期在不斷提高育人質量的同時，為新工科人才的培養探尋一條適合地方大學持續發展的路徑。

圖1 “三元協同”育人模式

一、復雜工程問題的特征

對解決復雜工程問題能力的培養，首先需要對復雜工程問題有明確認識。根據工程教育認證標準要求，建筑專業復雜工程問題是定義為具備1(必備)和6特征的問題。根據筆者理解，可以概括為：

(1)問題的復雜性：解決問題涉及多方面的知識，需要綜合地、創造性地運用知識才能完成；

(2)是工程問題而不只是技術問題：盡管大多數復雜工程問題具備復雜技術問題的內核，但工程問題還包括技術應用的環境和條件。這些條件彼此之間存在矛盾、利益沖突、復雜關聯等特征。

針對復雜工程問題的以上特征，工程認證的12條畢業要求中，5條要求為技術性指標，提出了對解決復雜工程問題所需要的知識、專業能力的要求；7條為非技術性指標，提出了對綜合素質、社會能力的要求。因此，以解決復雜工程問題的能力為核心的培養方案應該是一個面向工程實踐的多維度分層級的體系。

二、必備知識體系的設置

根據復雜工程問題的特征，知識學習應注重應用，而不以掌握為目的。運用工程原理解決復雜工程問題，要求基礎知識面廣，專業知識交叉融合，北工大建環專業在課程設置方面充分體現了上述特點。

(一)“厚基礎，重應用”，夯實基礎知識

解決復雜工程問題需要全面掌握工程知識，需要對其基本原理有深入的理解和掌握。在專業培養方案中，從數學和自然科學、工程基礎以及專業基礎課程三個方面夯實專業基礎知識。基礎類課程緊密結合專業特點，特別是專業基礎類課程，通過提出本專業的復雜工程問題，到結合專業基礎知識進行解析，再到梳理表述問題的本質和影響因素，幫助學生建立從工程問題提煉到物理模型建立，再到數學模型選用的思維過程，逐步培養學生正確分析和恰當描述建環專業復雜工程問題的能力。

(二)“分層級，強進階”，整合專業課程模塊

在打牢基礎科學知識的前提下，將專業課程分為專業核心課程、專業擴展課程以及專業應用課程。學生通過三個模塊課程的遞進式學習，不斷增強專業能力，能夠創新性地研究、設計、開發、評價，并實現復雜工程系統操作，解決人工環境營造及建筑節能等領域的復雜工程問題。這一核心能力的形成是一個循序漸進的過程。首先，學生學習主干專業課程知識是為解決專業復雜工程問題，例如供熱工程，空調工程、通風工程等；其次，在專業擴展課程中學習專業最新科技知識，例如可再生能源技術，大數據人工智能課程群的知識等；最后，在專業應用模塊課程中，學生可初步運用專業方法解決常規的建筑室內環境營造及建筑節能問題，并運用專業知識提出解決問題方案。

(三)“促交叉，求創新”，打造知識交叉課程模塊

信息技術發展使大數據、人工智能、物聯網等日益走進人們的日常生活，將大數據及AI技術引入傳統建環專業設計建造環節，已成為專業可持續發展的必由之路。引入大數據技術基本知識，促進建環專業復合和交叉人才的培養，也已成為業內人士的共識。2020版本科培養方案中，建環專業新增了大數據人工智能課程群，該課程群由公共基礎課程——Python程序設計和新增的物聯網與互聯網、數據挖掘方法在建筑能源中應用的兩門全新課程，以及整合原有課程后開設的建筑能耗模擬及BIM技術、建筑火災控制與CFD技術課程，和利用信息技術的HVAC虛擬仿真實驗等課程組成，實現了從基礎到專業、從理論到實踐的“互聯網+建環專業”課程模塊的復合交叉。通過該課程群，使學生能夠掌握基本信息技術知識，提升畢業生利用信息技術分析解決基于“高效節能的綠色能源利用—人工智能的能源輸配—綠色健康的末端室內環境營造”復雜工程問題的能力。同時，為學生未來職業發展打下堅實基礎，提升了畢業生的就業競爭力。

三、面向工程的多維度綜合實踐教學體系

復雜工程問題與復雜技術問題的區別在于前者需考慮技術的適用條件和邊界，需將工程問題中用到的技術放到社會背景中進行考量，評價目標不只是技術的先進性，而需綜合評估該項技術應用于具體工程時的經濟效益、環境效益和社會效益。學生在面向實際工程時，要能夠考慮到非技術因素對工程的影響以及普遍存在的沖突場景，學會在具體工程實踐中靈活掌握技術的邊界條件。而這一能力只有在面向工程的綜合實踐活動中才能逐步培養。因此，就需要面向工程實踐教學體系，根據建環專業實踐教學體系環節分層級循序漸進來培養學生解決復雜工程問題的能力。

(一)實驗教學體系

實驗教學分為基礎實驗技能層、專業基礎實驗層、專業實驗層和綜合創新實驗層四個層級。其中，本科第一學年為“基礎層”、第二學年為“專業基礎層”、第三學年為“專業實驗層”、第四學年為“綜合創新實踐層”，構建了由基礎到應用、由理論到實踐的一整套循序漸進的實驗實踐教學體系。分層級培養學生應用理論知識，分析解決復雜工程問題的實驗能力。

表1 分層級的實驗教學體系

(二)實習實踐環節

建環專業實習實踐體系由公共基礎課程實踐、工程基礎類實踐和專業實習組成。不同模塊內容的實習實踐環節，分別針對解決復雜工程問題所需要的技術性能力和非技術性素質，有所側重地提升學生綜合能力。

專業實習包括認識實習和工作實習。認識實習集中在大二年級，主要將內容分解為不同模塊，分別對應冷/熱源、輸配、末端系統等專業知識內容，以加深學生對專業知識認知。通過利用校外資源和校內綜合實驗平臺，以精細化過程指導和階段性評價體系，來保障學生實習中實踐能力的提升。

(三)綜合性設計環節

為體現工程項目的綜合性和對非技術因素的影響，建環專業通過對部分核心課程設計進行整合，開設了專業綜合設計課程。該課程通過給出建筑物所在城市、能源情況、周邊環境情況等條件限制，要求學生充分考慮工程背景和非技術因素對設計方案的影響，針對具體建筑進行采暖、通風、空調系統設計，并進行技術經濟分析。為確保理論知識教學與工程實踐能力培養相統一，建環專業教師通過自編教材和完善設計指導書，注重對課程教學過程、細節、節點的控制，來確保設計質量與設計特色。畢業設計是形成解決復雜工程問題核心能力的重要環節，該環節有利于培養學生的工程意識、協作精神以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力。北京工業大學建環專業畢業設計指導采用“雙導師”制，由1名校內導師和1名校外設計院工程師共同指導。學生可以通過參與校外導師所在單位的工程設計項目，來作為本科畢設選題依據，使學生在畢設中直面專業復雜工程問題，并在雙導師指導下獨立完成設計。

表2 多能力目標的實習實踐體系

(四)創新實踐環節

創新實踐是培養學生解決復雜工程問題能力的重要環節，學生在參與創新活動中所形成的創新能力，包括自主學習、獨立思考、交流合作、責任擔當、解決問題等。建環專業創新實踐活動設計貫穿大學四年全過程，其中，大一、大二以“挑戰杯”大學生競賽及大學生創新創業訓練計劃、“互聯網+”創業計劃等創業設計類競賽、北京工業大學“星火基金”學生科研項目等為實踐途徑，為學生提供培養創新思維的平臺，激發學生的科研創新興趣。大三、大四階段則以專業學科競賽(節能減排大賽、制冷大賽、CAR-ASHARE等國內外專業競賽)、專業創新實驗課程及教師科研項目等為實踐途徑，進一步提升了學生的創新能力。

綜上，建環專業實踐教學體系是通過“基礎實踐層”進行基本工程實踐技能訓練，再到“專業實踐層”針對暖通空調工程設計專業課程訓練，直至“綜合創新實踐層”對工程設計綜合能力及專業創新能力培養，構建了面向工程實際的實踐教學體系(圖2)，進而實現了對學生解決復雜工程問題能力的培養。

圖2 面向工程實際的實踐體系

四、全方位的綜合素質培養機制

根據工程專業認證標準，畢業要求中有多達7條內容涉及非技術性指標點，這些要求在充分考慮現代工程問題的社會屬性基礎上，從不同方面對畢業生綜合素質提出了要求。其中，12條畢業要求中的非技術性指標均涉及到畢業生的綜合素質要求，包含學習能力、溝通能力、團隊合作能力、創新能力、正確三觀、優秀品格等都是畢業生在解決復雜工程問題時所必要的社會能力和素質。北京工業大學建環專業從新生入學教育、工程大師論壇、創新創業平臺及社會實踐等層面對學生綜合素質進行了培養。

(一)新生入學教育

建環專業實行土木類大類招生制度，大一新生入校后不分專業。通過新生研討課介紹專業培養目標，啟發學生對建環專業有初步的了解；帶領新生走出校門參觀建筑節能中心，激發學生對本專業的興趣；組織新生統一晚自習，幫助學生盡快完成由中學學習到大學學習思維的轉變；設立由教師黨員和學生黨員擔任的“宿舍學導”，對新生開展學習適應能力、學習心理、學習方法、學習效率等方面的指導，有效提升了學生的學習能力。

(二)工程大師論壇

為了使學生對行業的歷史、現狀及未來發展有清晰的認識，每年3—4次邀請行業知名專家到校舉辦“工程大師論壇”系列活動，在校本科生均要參加。通過近距離聆聽大師講座，與大師溝通交流，學生更好地了解專業的內涵，增強了與人溝通交流的能力。同時通過大師個人學習成長經歷分享，使學生認識到勤奮扎實、迎難而上、砥礪創新是獲得專業成就的重要素質。

(三)社會實踐

通過學校組織社會實踐活動來塑造學生正確三觀，加深學生對社會主義核心價值觀的認同感，培學生的團隊合作能力。2017—2020年，每年均有2—3組(每組5～8人)學生通過暑期支教、走進古建筑、深入京城胡同改造、參加京郊農村節能改造項目、參加抗疫宣傳等活動途徑，了解國情和自身肩負的責任。

五、培養模式的實施效果

“三元協同”培養模式，使北工大建環專業形成了厚基礎、重實踐的課程體系，和逐層遞進的實踐教學體系。通過踐行科教融、科研成果反哺教學，學生的創新能力得到了明顯提升。近幾年，建環專業學生在各級各類學科及科技競賽中，共32人次獲得國家級獎項，48人次獲得省部級獎項。自2013年開始參加CAR-ASHRAE學生設計競賽以來，2019、2020年連續兩年獲得三等獎。畢業生深造率不斷提高，部分學生保送進入國內外知名高校就讀，如加州大學伯克利分校、清華大學、同濟大學等。根據第三方公司對我校2010—2017屆畢業生情況調查結果顯示：建環專業畢業生對母校滿意度平均達到98%，教學滿意度為97%。

圖3 2017-2019年畢業生信息反饋

“三元協同”培養模式有效提升了人才培養質量，得到了社會和用人單位的普遍認可，對專業畢業生專業基礎、動手能力、工作適應、專業綜合素質評價較高。建環專業畢業生一次就業率均在97%以上，就業與專業相關度可達到90%。其中，就業主要分布在大型設計研究院、國內知名企業或國內科研院所等。根據問卷調查結果顯示，用人單位對畢業生的綜合滿意度均在93%以上，且連續3年不斷提高。學生畢業5年之后，能夠勝任中級工程師、專業技術負責人的工作崗位，具有良好的專業發展前景。

建環專業作為傳統的工科專業，具有明顯的新工科特征，專業人才培養目標應該最終落實到畢業生具備解決復雜工程問題的能力上。這不僅僅是今天“雙一流”建設對一流專業畢業生的要求，也是工程教育認證對通過認證專業整體人才培養的要求，更是新工科背景下各專業保證人才培養質量，不斷創新發展的必由之路。