工程教育認證中復雜工程問題解析

摘" 要：為進一步提高我國工程教育質量及適應國際工程教育發展變化趨勢，近幾年來國內高校許多專業正在積極申請工程教育認證。工程教育認證所倡導的三大基本理念的具體實現最終落實在培養學生解決復雜工程問題的能力之上。為了消除或減少對復雜工程問題認識所存在的誤區，首先詳解闡述復雜工程問題的7個特征。然后，指出當前高校培養學生解決復雜工程問題所存在的難點。最后，以我校自動化專業某畢業設計題目為例，詳細說明在該畢業設計任務中所體現出來的復雜工程問題的具體特征。

關鍵詞：工程教育認證；復雜工程問題；畢業設計；特征；難點

中圖分類號：G640" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0085-05

Abstract： In order to further improve the quality of engineering education in China and adapt to the development trend of international engineering education， many majors in domestic universities are actively applying for engineering education certification in recent years. The realization of the three basic concepts advocated by engineering education certification is reflected by the cultivation of students' ability to solve complex engineering problems. In order to eliminate or reduce the misunderstanding of complex engineering problems， seven characteristics of complex engineering problems are explained in details. Then， the difficulties of training students to solve complex engineering problems are pointed out. Finally， taking a graduation project of automation major in our university as an example， the specific characteristics of complex engineering problems reflected in the graduation project task are described in details.

Keywords： Engineering Education Accreditation; complex engineering problems; graduation project; characteristic; difficulties

為提高工程教育的國際影響力，我國于2016年6月正式加入了國際上最具影響力的工程教育學位互認協議《華盛頓協議》。由于通過認證協會認證的工程專業，其畢業生學位得到《華盛頓協議》其他組織的認可，因此國內眾多高校正在積極開展工程教育認證工作。截至2020年1月，在中國工程教育專業認證協會網站上，可以查閱到全國高校2 172個專業通過了工程教育認證[1]。

工程教育認證所倡導的三大基本理念為學生中心、產出導向和持續改進。以學生為中心，強調圍繞培養目標和畢業要求的達成來設置各個教學環節及進行資源配置；產出導向，強調專業教學設計和教學實施要以學生的學習成果為導向；持續改進，強調建立有效的質量監控和持續改進機制，推動專業人才培養質量不斷提升。上述三大基本理念最終落實在培養學生解決復雜工程問題的能力之上。因此，培養學生具備解決復雜工程問題的能力是工程教育認證的基本要求。在工程專業認證12條畢業要求指標點中，有5條與培養學生解決復雜工程問題的能力直接相關。換句話說，畢業要求指標點的實現就是以復雜工程問題為載體，經培養和引導學生通過解決復雜工程問題來實現畢業要求指標點的達成。不過，從目前進行工程教育認證的實際進展情況來看，許多專業教師和學生對復雜工程問題還存在著一些誤區。

一" 復雜工程問題的特征

工程教育認證標準中給出了復雜工程問題的7個特征[2]，依次為：① 必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；②涉及多方面技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；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問題相關各方的利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。復雜工程問題必須具備上述特征①，并同時具備特征②—⑦的部分或全部。

特征①說明復雜工程問題必須以深入的工程原理為基礎。所謂工程原理，一般包括自然科學原理、工程基礎、專業基礎、工程設計原理、工程實踐知識、專業及前沿理論和文獻知識等。具體到課程體系來說，工程原理包含了高等數學、線性代數、數值分析、數學建模等數學類課程，以大學物理、大學化學等為代表的自然科學類課程，以及專業基礎類課程和專業類課程等。這不僅要求學生對理論知識的掌握具有一定深度，而且能夠正確運用，強調了學以致用的目的。

特征②說明復雜工程問題不僅涉及工程與技術方面的問題，而且還會涉及非技術因素。這就要求學生解決問題時，不能僅從技術實現的角度考慮問題，還要從系統或工程的角度來考慮問題。在一個系統或工程的實現過程中，技術實現是需要考慮的重要因素，但也有一些非技術因素同樣重要。例如，在自動控制系統的設計中，除了技術實現，還有控制精度、實現成本、系統組裝等方面的問題，以及該系統可能對人類生活生存環境、健康安全的影響和可持續發展等非技術性問題。而且，控制系統的控制精度和實現成本在一般情況下也會呈現出矛盾性。

特征③說明需要對復雜工程問題進行提煉、定義、建模和分析，對實際工程問題建立合適的抽象模型。復雜工程問題既源于工程，又用于工程，并在此過程中體現出創造性。當學生面對一個具體問題時，通常沒有可以完全照搬的系統模型，因此需要對復雜工程問題進行分析和提煉，必要時借鑒相似系統的現有模型，通過結構或參數調整等手段，以解決所面臨復雜工程問題的建模問題。在此過程中，自然會體現出創造性。

特征④體現的是學生開發和綜合運用現代工具的能力要求。隨著科技發展，復雜工程問題層出不窮、多種多樣，而傳統的工程方法難以解決。因此，在解決復雜工程問題的過程中需要學生進行思考、進行嘗試?？梢詫鹘y方法進行綜合運用而獲得，或根據現有方法的啟發，通過改造或改進而獲得，從而形成新的思路和新的方法[3]。

特征⑤說明復雜工程問題是受多種因素制約的復雜系統，涉及科學技術在生產過程中的有效應用，包括組織管理、經濟、健康、安全、法律及文化等要素[4]。由于現有專業標準和規范不可能完全包含所有因素，所以要求學生需要突破現有準則，以尋求解決問題的新方法和新途徑。在此過程中，還需要學生具備良好的工程倫理道德及工程師社會責任。

特征⑥說明復雜工程問題的解決會涉及多方面的利益，而且各方的利益不完全一致，甚至存在沖突。例如，某復雜工程問題涉及到利益或性能等的均衡與折中問題。從產品質量的角度考慮，希望采用更優質、更精密的器件；而從成本的角度考慮，則希望成本越低越好。這就需要根據其他方面的要求來調節產品質量與成本之間的均衡。

特征⑦突出了復雜工程問題的規模，涉及多個相互關聯的子問題。從解決問題次序的角度看，復雜工程問題包含問題分析、方案設計、系統實現、實驗驗證及結果分析等多個環節。在其系統實現過程中，又可能涉及硬件實現、軟件開發、系統集成等多個環節。特征⑦強調培養學生的系統觀，使學生能夠站在系統的高度，具備復雜問題分解和綜合的能力[5]。

二" 培養學生解決復雜工程問題的難點

目前，培養學生解決復雜工程問題還存在一些難點，其主要因素包括以下幾個方面。

（一）" 工程教育的基礎普遍薄弱

在我國的基礎教育中，歷來重視學科教育。但是，工程教育則是以解決工程問題為核心的教育，重點突出設計思維和實踐能力的培養，是跨學科教育。盡管我國的學科課程中內涵了一些跨學科元素，如物理中有數學，化學中有物理等，但非常有限，更沒有突出工程教育[6]。這導致了學生雖然具備較為扎實的學科理論基礎，但在解決實際工程問題中卻不知該如何運用。在中小學階段沒有充分培養學生的工程教育思維，以至其在大學階段解決工程問題的基礎就非常薄弱。

（二）" 高校教師本身解決工程問題的能力不足

一方面，我國高校教師從小接受傳統學科教育，缺乏工程教育中設計思維的訓練和實踐能力的鍛煉。另一方面，高校教師大多數是從高校畢業之后，直接加入教師行列，缺乏解決實際工程的經驗。這些因素也會導致教師對復雜工程問題的認識有所偏差。復雜工程問題并不等同于復雜技術問題[7]。例如，當高校教師與企業進行項目合作時，許多項目的技術原理并不復雜，甚至看起來較為簡單，因此從技術實現的角度考慮，教師能夠完全勝任。但從工程或產品的角度考慮，教師則難以解決技術之外的其他問題。教師本身解決工程問題能力的不足以直接影響對學生解決復雜工程問題能力的培養。

（三）" 傳統教學模式沒有體現復雜工程問題

傳統教學模式重在知識的講授，對知識的運用則講解較少，運用知識解決實際問題的案例則更少涉及。由此，則難以培養學生的實踐能力、創新能力與團隊協作意識等，從而限制了對學生解決復雜工程問題能力的培養。

三" 復雜工程問題體現示例

在課程設計和畢業設計（以下簡稱“畢設”）等課程中，均可以設置體現復雜工程問題的題目。現以我校自動化專業的畢業設計為例，說明對復雜工程問題特征的體現。通過完成這類題目，可以實現學生對解決復雜工程問題的能力培養。首先，教師根據自行給出的畢設題目，填寫本畢設滿足復雜工程問題7個特征中的哪幾個特征。其中，特征①是必須要滿足的。教研室組織會議，討論每個畢設題目是否確實具備復雜工程問題的特征。最后，在教務系統中向學生發布畢設題目及其簡介，以便學生選擇。

現以2020年畢設題目《基于ZigBee的農業溫室環境無線傳感器節點設計》為例做進一步說明。在該題目的任務書中提出了如下的基本要求。

1）針對溫室小氣候環境監測領域，根據國家標準或行業標準或技術手冊等確定相應的溫室小氣候環境因子監測的基本要求，并以此為依據選擇出合適的傳感器元件，用于檢測溫室空氣溫度、相對濕度、光照度和CO2濃度。

2）完成傳感器節點的硬件電路設計與實物制作。

3）了解ZigBee協議棧的結構、工作原理及其無線通信技術，完成節點軟件開發。

4）要求傳感器節點能夠連續采集環境數據，并無線傳輸至PC端，實時顯示。

接著列出了本題目所滿足的復雜工程問題具體特征：必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；涉及多方面技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

（一）" 復雜工程問題特征①的體現

首先，深入的工程原理體現在專業基礎理論方面。學生需要理解單片機的工作原理。此外，為了選擇出合適的傳感器器件，學生還需要從傳感器工作原理、工作溫度范圍、精度及測量范圍等多個方面進行考慮。在本示例滿足技術指標的前提下，學生通常選擇方便使用的數字式傳感器器件。這就要求學生必須理解數字式傳感器的讀寫時序，這是實現數據采集的基礎。其次，深入的工程原理體現在工程設計原理方面。在完成本畢設的過程中，不可避免需要涉及單片機系統工作所需要的時鐘電路、復位電路，以及單片機與傳感器元件、顯示器和按鍵之間的接口電路設計等工程設計原理。最后，深入的工程原理體現在工程實踐知識方面。在以往的畢設過程中，學生多是僅實現系統的功能要求，很少考慮非技術因素。例如，學生焊接了電路，可以實現功能演示，但是電路沒有保護，甚至元器件焊接并不牢固，例如本畢設初期所設計的電路，如圖1（a）所示。自從自動化專業開始申請工程教育認知以來，加強了對學生的畢設任務的工程實踐要求。若僅以為圖1（a）所示電路進行畢設答辯，則不予以通過。要求學生必須從工程的角度考慮和解決問題。為此，學生購買了可用于室外的防水盒及相關配件，把電路固定在防水盒中。在盒子頂部中央開孔，讓照度傳感器露出來，并用焊接膠水固定。溫濕度傳感器和CO2傳感器從防水盒底部漏出來，并使用電纜防水PG接頭將其固定。由于太陽輻射對溫濕度傳感器的測量值有很大影響，因此學生查閱相關工程知識，了解到把溫濕度傳感器和CO2傳感器放在防輻射罩中，可以有效克服輻射影響。節點工作的5 V電源線也采用防水PG接頭將其固定。制作后的傳感器節點如圖1（b）、（c）所示。在此過程中，切實鍛煉了學生的工程實踐能力。

（二）" 復雜工程問題特征②的體現

特征②表現為多方面技術、工程和其他因素，及相互之間可能存在沖突問題。該畢設任務涉及硬件電路設計技術、軟件開發技術、電路工作安全等多個方面。關于沖突問題，主要表現在CO2傳感器的選擇上?，F行的國家行業標準JB/T 10306—2013《溫室控制系統設計規范》給出了聯棟溫室環境溫濕度、照度和CO2氣體濃度等的測量要求[8]。其中，對CO2氣體的測量范圍要求是10～2 500 ppm。結合溫度測量范圍0～50 ℃可知，CO2氣體傳感器在0 ℃時必須能夠正常工作，因此其工作溫度范圍的下限應當低于0 ℃。由于一般的氣敏傳感器普遍存在測量精度過低、功耗過大等問題，因此紅外氣體傳感器成為重要選擇。學生查閱了多種紅外CO2氣體傳感器。圖2給出了3種典型紅外CO2氣體傳感器，其測量范圍及工作溫度范圍見表1。

首先，從行業標準給出的測量范圍來看，CJ-102 CO2傳感器不滿足要求。COZIR-WX系列CO2傳感器的測量范圍滿足要求，而且容易封裝（在封裝盒的底部開孔，使得圓形傳感頭露出來即可），但是其工作溫度范圍的下限（0 ℃）太高，而且傳感器的價格非常高。JX_CO2_102型CO2傳感器的測量范圍和工作溫度范圍最為理想，但是不易封裝，而且整個傳感器露在封裝盒外面時，有部分電路管腳裸露在外面，會造成電氣隱患。綜合考慮測量范圍、工作溫度范圍、電氣安全等因素之間的沖突，學生最終選擇了JX_CO2_102型CO2傳感器。關于電氣隱患的解決辦法是，對JX_CO2_102型CO2傳感器裸露的電路管腳部分噴灑了三防漆。

（三）" 復雜工程問題特征⑦的體現

特征⑦為系統具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。不難理解，該畢設任務具有較高的綜合性，包含了硬件電路設計部分、軟件開發部分及工程實踐部分等多個關聯子問題。

硬件設計部分可以進一步分為2個相關子問題。第一，根據畢設任務要求、《中華人民共和國無線電管理條例》、行業標準JB/T 10306—2013《溫室控制系統設計規范》及價格等其他因素，選擇傳感器、微處理器、無線收發模塊等元部件；第二，電路設計的關鍵在于理解各元器件的接口電路，并恰當地實現傳感器元件、無線收發模塊等與微處理器之間的接口電路設計。

傳感器節點的軟件開發也可以進一步分為2個相關子問題。第一，理解ZigBee協議棧的工作原理，理解協議棧各層次之間的關系及如何在應用層中添加設備，并熟練IAR嵌入式開發平臺的使用；第二，根據各個數字傳感器的工作時序原理，在IAR嵌入式開發平臺中編程實現各個傳感器數據的采集、處理和無線發射。

工程實踐部分為傳感器節點面向實際應用所要解決的諸多細節問題。例如，選擇合適的防水盒及相關配件，以及在合適位置為傳感器元件打孔；使用防水PG接頭固定傳感器元件，增強其牢固性；選擇并使用防輻射罩以克服太陽輻射對溫濕度傳感器的影響；使用三防漆克服電路接口裸露在外的電氣安全隱患等。

四" 結束語

本文在分析復雜工程問題特征及培養學生解決復雜工程問題能力不足的基礎上，以我校自動化專業的畢設任務為例，詳細說明了該畢設任務所體現出來的復雜工程問題特征，有助于高校同行更清晰理解何為復雜工程問題，并在課程設計、畢業設計等環節設置恰當的復雜工程問題，切實培養學生解決復雜工程問題的能力。相信隨著國內高校許多專業正在積極申請工程教育認證，廣大教師也越來越能夠理解和接受工程教育認證的理念，我國工程教育質量將會取得顯著的實質性進展。

參考文獻：

[1] 中國工程教育專業認證協會[EB/OL].[2021-05-15].https：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/gcjyzyrzjlcx/a717dbc6-1.html.

[2] 林健.運用研究性學習培養復雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.

[3] 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].北京：中國大學教學，2016（11）：27-30，84.

[4] 陳關龍.如何理解和評價解決復雜工程問題[EB/OL].[2021-05-15].https：//www.docin.com/p-2113819980.html.

[5] 楊馬英.自動化專業復雜工程問題能力培養的實踐[J].電氣電子教學學報，2019，41（6）：18-23.

[6] 布雷特·A.漢德利，戴維·M.馬歇爾，克雷格·庫恩.工程原理（上）[M].黃兆祺，譯.上海：上海科學教育出版社，2017.

[7] 楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關“復雜工程問題”的難點——基于企業技術創新視角[J].高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[8] 溫室控制系統設計規范[EB/OL].[2021-05-15].https：//max.book118.com/html/2017/0612/114264984.shtm.

基金項目：教育部新工科項目“應用型高校新工科專業‘模塊化課程池’建設的實踐研究”（E-ZY JG20200225）；安徽省級質量工程項目“線上教學示范高校項目”（2020xssfgx14）、“電子技術III（EDA技術）線上線下混合式教學”（2020xsxxkc387）；安徽省重大教研項目“以工程教育認證為抓手，改進合肥學院自動化專業應用型人才培養模式”（2020jyxm1618）

第一作者簡介：徐振峰（1981-），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師。研究方向為深度學習與智能感知。