工程概論課程中學生挖掘工程問題的能力培養探索

顧 隴 劉金妹 崔暖洋 周 楠

一、工程概述

1794年，在老卡諾、蒙日、貝托萊、拉普拉斯等科學家的發起下成立的法國巴黎綜合工藝學校，是第一所授予工程學位的學校。自此，“工程”這個詞在歐洲開始出現。初期的工程多指土木工程和水利工程，包括建造房屋、橋梁，制造機械設備，開發新的工業產品及技術改造等。隨著人們生活和探索領域的擴展，新的科學技術和知識不斷地被發現和應用于生產生活，新的工程領域被不斷地開辟出來，如航天工程、生物工程、食品工程、軟件工程、金融工程、交通工程等。如今，工程已成為將自然科學原理應用到工農業生產部門中去而形成的各學科的總稱，通過集成科學和技術來解決實際問題。

二、工程特征

工程具有復雜性。與科學研究和技術開發不同，工程實踐強調在一定時限內利用有限資源解決實際問題。完成一項工程除了需要專業技術外，更需要經濟管理方面的方法和技能，因此工程活動是復雜的。此外，工程活動所包含的群體數量越來越多，構成也越來越復雜。這些參與者共同構成了工程活動復雜的行動者網絡。不同類型的行動者之間的交互作用，構成我們通常所說的工程共同體。同一類型的行動者之間的交互作用，構成工程師共同體，使得工程更加復雜。因此，要完成復雜的工程活動，需要一批具備解決復雜工程問題能力的工程師[1]。

三、工程問題

工程教育要培養具有國際視野的行業骨干和引領者，使畢業生具有解決復雜工程問題的能力。同濟大學的陳以一教授從三個層次闡述了工程專業要培養解決復雜工程問題能力的工程師人才，分別是：工程師（Engineer）、技術專家（Technologist）、技師（Technician）。陳以一教授從兩個方面舉例說明了他們的區別。從“創新性”角度來看：工程師能夠將工程原理進行創造性應用，并建立基于研究的知識和新方法；技術專家能夠應用新材料、新技術和尚未標準化的新工藝；技師僅需應用既有材料、技術和有所改進的工藝。另外，從“對社會與環境的影響程度”來看：工程師能處理復雜背景下和難以預測或避免的重大問題，技術專家能夠合理預測并處理對局部影響重大、對全局有一定影響的問題，而技師僅需處理對局部有較大影響但影響有限的問題[2]。在校本科生通過學習學科基礎知識與開展基礎實驗，已然具備第一層次的能力。在提升高層次能力的過程中，本科生只有充分認識并靈活應用既有材料和技術，且在改進工藝過程中發現問題，找到問題，才能夠向著應用新材料、新技術和尚未標準化的新工藝的層次邁進，進一步深度剖析工程，預測問題，處理問題，從而創新性地利用工程知識。然而，復雜的工程活動本身并不是問題，工程師要能夠透過工程活動表面現象找到問題根源，以便解決問題。國際工程聯盟（IEA）對工程師的職業能力（工程勝任力）要求的第三條就是界定、研究和分析復雜工程問題。因此，能夠在復雜的工程活動中發現和識別工程問題是非常重要的。

四、工程問題分析中的思維力培養

工程概論課程一直在強調通過專業學習，培養學生解決“復雜工程問題”的能力，即要能夠將專業技術知識和非技術工程基礎知識相融合，設計出滿足社會需求、面向實際應用的解決方案，且解決方案具有產生經濟回報的可能；了解產品開發的整個周期和流程，制定完善的產品設計和開發方案[3]。那么這種能力是否通過專業課結合通識課的學習就能夠獲得呢？工程概論課程是否能夠加深或者拓寬學生對本專業畢業要求或者自我學習評價認知？答案是不確定的。主要原因在于，在學生的培養過程中主要沿用研究性思維，注重技術方案本身，往往追求部分技術指標的最優和突破。而產出導向的工科教育目標不僅僅是技術員，還是工程師，不僅要會設計、編碼，還要具有全面、有高度、有深度、可持續發展的工程師思維，在追求部分技術指標最優的同時，更關注在產品（復雜工程）開發的全生命周期過程中，在發生多重因素的沖突后，對產生惡化的技術指標性能的識別及風險的排除。因此，對于復雜工程概念的掌握和分析，在學生的認知和培養中非常關鍵。

（一）教學策略

在已有知識的基礎上能夠定義問題，對問題進行描述和演示，并能舉例分析之前的工程，指出問題所在，這是學生學習能力的體現，也是《華盛頓協議》認證標準中通用標準對工科畢業生工程知識和問題分析能力的要求[4]。工程概論課程涵蓋的內容繁多，包括認證標準、工程與科學和技術、工程理念與工程思維、工程方法特點與設計特點、工程風險等，包括工程中的非技術性問題、工程倫理、相關行業法規等眾多學科領域，涉及非常龐雜的知識理論體系。教學內容中，需要了解與理解的知識占了大部分。學習過程比較平淡，會降低學生的參與度，難以吸引學生進行深度思考。西安電子科技大學是一所具有鮮明電子信息特色的工科院校，學生在大一階段就開始學習C程序設計課程。結合這一背景，采用圖框來表示各種操作的流程圖直觀形象且易于理解。美國國家標準協會（ANSI）對一些常用的流程圖符號做了相關規定，通過C程序設計課程的學習，學生能夠熟練掌握算法和流程圖。基于建構主義的任務驅動法，根源于杜威的“從做中學”的教學理念，能夠改變傳統教師講、學生聽的狀態，讓學生積極主動地參與學習，完成任務，發散思維。因此，教師可以鼓勵學生通過“確立目標—分析需要收集的數據—描述參與的任務—分析任務數據”的步驟繪制任務流程，對問題層層剖析，培養學生的科學思維能力[5]。

（二）教學內容

在工程概論課程中實施任務驅動教學方法，所布置的任務要符合學生的認知特點和現實水平，可以多設置與生活密切聯系的問題，激發學生學習的興趣，但要具有較強的真實性、實踐性和趣味性，要注意區別于習題。例如，可燃性氣體對于材料學科教學與實驗來說是非常危險的因素。材料專業的學生通過物理、化學及材料領域知識的學習基本掌握了滅火器種類及填充材料、火災種類及滅火要點等相關的理論知識[6]。為此，教師可以通過真實場景的提煉與模擬，引導學生基于原有經驗建立聯系，發現問題，展開思考。首先向學生介紹傳感器在物聯網系統中的功能，使學生清楚傳感器的概念及作用，了解傳感器不同的分類方式，以及傳感器的選用原則；之后，引導學生思考在氣體傳感器中，傳感器與氣體之間的作用過程，分析傳感器的構成。針對可燃性氣體監測這一設計目標，依據安全與精準的設計理念，確定設計思路。

在討論分析中，可以不斷增加問題復雜度，推動學生深度分析問題。引導學生分析化學氣相沉積法制備半導體材料的原理、燒結工藝等[7]。綜合分析材料制備流程和影響因素，引導學生對材料科學與工程基礎、固體物理、納米材料與納米器件、納米電子學等材料學科基礎知識的回顧與應用，促進學生內化所學知識。在此基礎上，進一步提出問題：如何提高所設計氣體傳感器的性能？首先向學生介紹傳感器的基本特性，包括靜態特性和動態特性。可以結合影視資料讓學生了解氣體傳感器的工作原理，清楚在實驗進行中首先獲得的是動態特性曲線，通過對動態圖進行多維度分析才能獲得特定的靜態特性值。然后帶領學生分析影響傳感器響應特性的兩大方面：敏感材料與轉換單元。引導學生探索納米材料與二維材料等學科前沿研究，提示學生特別關注相關研究中氣敏材料的種類、表面形貌、晶體結構、半導體特性、材料的表征與性能分析方法、測試氣體等[8]。通過不斷豐富情境，促進學生分析問題，自主學習，使學生明白材料的合成工藝路線會顯著影響材料結構和缺陷，而結構和缺陷又會影響材料的性質，進一步會影響其使用性能。對于知識的刨根問底和信息的深度挖掘，是學生形成大視野、系統性思維方式，培養面向復雜問題時分析問題、應對問題能力的有效途徑。需要注意的是：在繪制任務流程圖的時候，需要清楚界定任務流程圖每一步的關鍵詞，以及每一步發生的條件或者是觸發操作，獲得多個任務之間的獨立性和關聯性信息，來幫助制定設計方案。可燃性氣體傳感器設計流程圖如圖1所示。

20世紀70年代末80年代初開始，我國高等院校面向各個專業的大學生開展計算機教育。因此，本文提到的教學方法具有較強的可操作性，適用于具有一定計算機基礎的學生。繪制任務流程圖是一項引發積極思維的活動，靈活有趣。設置豐富的生活情境，進行任務分析的過程就是培養科學思維方法的過程，繪制相應的任務流程圖能夠有效地培養學生的邏輯思維與分析問題的能力，使學生具備解決復雜工程問題的能力，同時能夠起到動手能力與動腦能力同步培養的效果。此外，繪制任務流程圖還有助于充分地了解任務信息，使學生在討論中能夠更好地表達與溝通，極大地提升處理復雜工程問題的能力。