工程教育認證背景下設計能力培養模式探討與實踐

摘"要：設計能力是解決復雜工程問題能力的重要組成要素，也已經成為檢驗工程教育質量的重要指標。工程教育認證則要求為達成設計能力培養目標提供全面而具體的支撐。盡管不同的工科專業針對的設計對象不同，但教學過程存在共性問題。該文探討如何深化工程教育認證背景下設計能力培養改革，構建新的培養模式，并從教學規范性、大工程格局、設計與工程的銜接、責任意識和從個體裝備到系統的設計五個方面開展綜合性實踐；進而，結合我國工科專業自身的特點，對設計能力培養提出建議，為新時代工科專業建設提供參考。

關鍵詞：工程教育認證；設計能力；教學改革；過程性評價；思政教育

中圖分類號：G640"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2024）36-0050-05

Abstract：Thedesignabilityservesasanimportantcomponentoftheabilityofsolvingcomplexengineeringproblems，anditscultivationhasbeendeemedasanindicatorofthequalityofengineeringeducation.Accordingtotherequirementsfromtheengineeringeducationaccreditation，acomprehensiveandspecificsupportshouldbeprovidedforaccomplishingthegoalofthedesignabilitytraining.Althoughengineeringmajorsdifferintermsofthedesignedobjects，theteachingprocessessharecommonproblems.Inthepresentstudy，thereformofthetrainingprogramforthedesignabilityunderthebackgroundofengineeringeducationaccreditationisinvestigated.Anewtrainingmodeisexpectedtobeestablished.Acomprehensivepracticeisimplementedfromfiveaspects，namelynormalizedteaching，engineeringlandscape，connectionofdesignandengineering，senseofresponsibility，andextensionfromproductdesigningtosystemdesigning.Furthermore，accordingtothecharacteristicsoftheengineeringmajorsinChina，suggestionsareputforwardforthetrainingofthedesignability，offeringareferenceforprofessionalconstructionofengineeringmajorsinthenewera.

Keywords：engineeringeducationaccreditation;designability;teachingreform;processassessment;ideologicalandpoliticaleducation

我國的高等工程教育規模居世界第一位，且整體實力已進入世界第一方陣。近年來，制造業對國民經濟的強支撐作用凸顯，而工程教育的重要性隨之被提升至新的高度，這對當前的工科人才培養提出了挑戰。通過卓越工程師教育培養計劃、專業綜合改革試點專業、新工科、產教融合專業和學院等一系列教學改革實踐，工程教育的內涵得到深化，工程教育質量不斷提升。然而，我國目前的工科人才培養尚未達到供需有序銜接的效果，與產業領域的關聯也非密切。2016年，我國成為《華盛頓協議》第18個正式成員，凡通過中國科協所屬的中國工程教育專業認證協會（CEEAA）認證的中國大陸工程專業本科學位將得到美國、英國等所有該協議正式成員的承認。截至2023年底，全國共有321所普通高等學校的2395個專業通過了工程教育專業認證?！皩W生中心、產出導向、持續改進”解決的是能力培養的規范性問題；然而，是否能夠持續激發能力培養的內在動力，尚需在人才培養的時效性、專業性和系統性方面進行探索與實踐。

通過了工程教育認證是不是意味著不需要繼續進行教學改革？答案是否定的。工程教育認證側重構建支撐畢業能力的體系，強調以教學過程監測、評價和反饋、持續改進實現培養目標的達成[1]。教學改革是適應新形勢、保障高等工程教育高質量輸出的重要手段。工程教育認證并不排斥教學改革，更不建議弱化專業特色。尊重工程邏輯、緊扣社會需求、滿足學生個性化發展要求的教學改革與工程教育認證相輔相成。如何深化教學改革，使其不至于成為工程教育認證的“額外負擔”，是工科專業面臨的現實問題。

設計能力是工程能力的重要組分。不同的工科專業面向的產品對象不同，設計能力的具體表現有所差異。同一個專業可能涉及多個產品對象，且各具特點。以能源與動力工程專業為例，其涵蓋了能源轉化、能源利用和動力系統，且被劃分為特色鮮明的模塊方向，如動力機械、流體機械、熱能工程和制冷與空調工程等。該專業關注以流體為介質、發揮特定功能的能源裝備的設計，也強調設計對象在所屬系統中發揮的功能，所以集機械、流體、控制和材料等交叉學科知識為一體。當前，能源開發利用與環境保護是全世界關注的焦點，因此該專業的人才培養具有鮮明的時代特征。我國能源與動力工程專業的工程教育認證工作較其他工科專業起步晚，但該專業在其發展歷程中一貫注重設計能力的培養，且構建了系統的支撐體系；只要加強過程性評價，并明確培養目標、畢業能力與各支撐環節之間的邏輯關系，就能夠滿足工程教育認證的要求。

設計是工程裝備研發與制造的基礎。設計過程中的構思、表達、分析、優化和驗證等環節無不體現工程的魅力和對邏輯思維能力的考驗。設計能力的培養需要完備的支撐體系，且與科學合理的教學方法密不可分。國外工程教育較為先進的高校如麻省理工學院、普渡大學等，均強調要培養具有STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）素養的人才。在這種教育理念指引下，學生在解決復雜工程問題的過程中需要綜合運用科學、技術、工程和數學4個方面的知識，而設計能力的培養被貫穿其間[2]。2016年，我國香港對當地的高等工程教育進行了反思，發現普遍存在的問題是學生的書面表達能力強，但產品設計與解決實際問題的技能較弱，認為必須更加重視培養學生的動手能力和解決問題的能力。

無論是工程教育本科專業國際互認協議，還是歐洲工程教育項目的跨國許可與認證，均將設計能力的培養置于首要位置，這是基于工程的本質對工程教育進行引導，因此具有重要的現實意義。我國的高等工程教育既參照工程教育認證的規范性要求，也要結合我國的國情開展相應的教學改革。設計能力培養是教學改革的關注點之一，也迎合了時代發展之需。本文聚焦工程教育認證背景下的設計能力培養，從規范性、大工程格局、設計與工程的銜接、責任意識和從產品到系統的延伸5個方面強化設計能力培養，并闡釋設計能力培養的時代意義。進而，結合我國工科專業自身的特點，提出建議，為工科專業建設提供借鑒。

一"強化設計能力培養的規范性

我國工科專業的發展與產業技術進步的歷程高度契合，也符合我國工程教育的發展規律。近年來，我國高校重視培養過程規范性的程度不斷加深，這一點由能力培養的細化及不斷完善的支撐體系所印證。通過有效的人才培養實踐，為各個產業領域輸送了高質量的專業人才。從培養方案中各個具體環節的落實來看，不同的專業根據自身特色和學生的個性化發展需求，修訂了實踐實習、畢業設計、創新訓練等環節的實施細則，明確了對畢業要求中知識、技能和素養的支撐，并從不同的角度支撐了設計能力的培養。對照工程教育認證標準，我國工科專業的設計能力培養尚存在以下3個方面的差距：

①形成性評價不完善。例如設計類課程的部分命題與課程目標的關聯不明確，試卷分析無法反映具體知識點的掌握情況，支撐課程目標達成的元素缺失。②支撐設計能力培養的課程設置欠合理。例如課程之間的邏輯性較差，對設計能力培養的支撐較為分散，部分課程的內容呈現“理工不分”的特點。③非技術能力的培養缺少明確的教學環節支撐。例如職業規范、團隊意識、終身學習等的培養無從追溯，其對綜合能力培養的支撐作用未引起足夠的重視。

工程教育認證的目標不是證明而是改進。在以往的教學過程中，注重設計類課程的考評結果，而針對教學過程監控、分析與改進所開展的有效工作較少。為了全面掌握設計能力培養目標的達成情況，需專門對設計類課程的教學過程進行監控，從出勤率、練習、師生互動、評教和評學等各個角度，對教學效果進行綜合評價，深入分析影響能力培養的因素，并形成改進方案。為了提高課程評價的可操作性，有的專業還專門開發了數據處理與分析程序，任課教師通過網絡平臺可進行課程評價的數據輸入、校核、分析、圖形表達與輸出，課程負責人和專業負責人有權限在網絡平臺查看課程評價結果，詳細了解課程教學過程，分析各個培養環節的教學效果，制訂改進方案。

社會需求是工程教育認證標準制訂和教學改革的依據，而科學合理、具有時效性的培養方案則是人才培養適應社會需求的直接體現。培養方案修訂是工程教育認證的要求，也是專業建設的需要。培養方案是人才培養的綱領性文件，其修訂應充分征集高校、用人單位、實踐基地、校友和家長等不同群體的意見。對這些意見進行分析、歸類、確認后，提交培養方案修訂小組進行討論和最終確定。對于同一專業存在若干模塊方向的情況，需要各模塊的能力培養標準與國際標準實質等效。仍以能源與動力工程專業為例，其涵蓋動力機械、流體機械、熱能工程和制冷與空調工程等模塊，需要為每個模塊設置原理與設計綜合課程，并輔以相應的課程設計和實踐環節，確保每個模塊在產品設計、技術開發和系統運維三個方面均滿足畢業要求。

與國外相比，國內工科專業要求修讀的人文社科類和交叉學科類課程的學分相對較少。國外強調學生的人文情懷與素質的培養，側重培養學生的理性分析、獨立批判與解決復雜問題的能力。在這一點上，我國的工程教育存在改進的空間。只有將設計能力與非技術能力有機結合，才能保證能力培養支撐體系的完整性。在優化專業基礎課程、設計課程、課程設計和實踐實習等環節的基礎上，將非技術能力的培養融入教學環節，在專業基礎課程和專業課程中均設置基于案例（Case）或問題（Problem）的教學環節[3]。同時，在課程設計和畢業設計中，除對設計能力進行系統訓練外，需要補充非技術能力培養要素，確保達成畢業要求中的非技術能力培養目標。

二"從大工程格局視角審視設計能力培養

工程之所以能夠吸引學習的興趣，在很大程度上取決于其時效性。當前，以智能制造為主導的第四次工業革命已經在工業生產中占據重要地位，人工智能、數字化、物聯網等技術與制造業的結合已成為產業結構改革的重要方向。從工程教育來看，這些前沿技術已經滲透至卓越工程師教育培養計劃2.0專業、產教融合課程、微專業等具有導向性的教學改革實踐中[4]。從近幾年的工程實踐來看，工程對先進技術的反應要先于高校。例如，對中央空調水系統中的水泵運行進行實時監測、采用機器學習方法對風機故障進行預判、基于大數據對化工流程進行節能改造等，均發揮了先進技術的優勢。工程教育必須對技術進步做出響應，不能對新的技術視而不見。微專業是近年來實施的一種進階式人才培養方案。微專業的引入為學生提供了拓寬專業領域的平臺，更為專業交叉和個性化培養提供了有效工具。

無論從產品的功能發揮還是產品應用的社會意義出發，均應將產品設計能力的培養置于大工程格局中進行規劃。結合設計對象面向的用戶、市場、運行環境等，設計者需要清晰地認識設計的意義和設計倫理。從設計能力培養的角度，教學案例不僅要解釋工程問題的解決思路與過程，也要說明問題的來龍去脈，尤其是問題的懸而不決或解決不徹底對社會的影響，這樣才能使學生客觀地認識工程并不斷增強工程意識。以潮流能水輪機的設計為例，需要引導學生認識設計對象在5個方面的社會價值：①合理開發清潔能源有助于調整我國的能源結構；②結構合理的水輪機的特點是能量損失小、運行穩定、維護成本低，相當于增加了收益；③水輪機的規?；a將帶動發電機、軸承、密封等產業的發展，有助于增加就業；④水輪機的設計水平是一個國家制造業發展水平的重要體現；⑤潮流能水輪機是國際新能源利用領域關注的熱點對象，其對于促進國際交流具有積極作用。這些內容不但可以延伸學生對能源裝備的思考，也能夠促進非技術能力的培養。

三"強化能力培養與工程元素的結合

支撐設計能力培養目標達成的是邏輯完整的知識體系。除了設置具有遞進關系、交叉協作的課程外，對實踐環節應當給予高度重視[5]。課程設計和畢業設計等實踐環節是培養設計能力的關鍵環節[6]。例如，葉片泵是一種重要的通用機械，經常被作為能源與動力工程、化學工程與工藝、機械工程等專業學生的設計對象。學生在學習機械設計、流體力學、流體機械原理與設計等課程的基礎上，參加葉片泵試驗和課程設計，逐步理解與葉片泵設計相關的安全、健康、法律、文化及環境等因素，并在企業生產一線進行產品認知與工藝實習，最后通過設計課程完成典型葉片泵的水力和結構設計，這是培養葉片泵設計能力的一般路徑。隨著葉片泵應用領域的不斷拓寬，其結構型式趨于多樣化，如輸送液化天然氣的超低溫泵、低噪聲船用泵、用于移動核電站的超高速高溫泵等，僅僅掌握典型泵的設計方法已不能適應現代產業的發展。及時吸納新的工程元素已經成為當前工科專業建設的重要任務之一。換言之，能力培養要與工程需求接軌、與市場互動，避免“閉門造車”現象。對于新的葉片泵結構，應借助企業的平臺和師資力量，為學生提供具有針對性和專業性的指導，以提升學生的產品設計能力、問題分析能力及結構優化能力。

設計能力的培養是一個綜合性過程，如圖1所示為該過程的導覽圖。設計能力培養的支撐為專業導論、專業課程、社會調查等8個主要環節，這些環節的先后次序可能因專業而異，各個環節的內容存在交叉。每一個環節包含的具體內容是相關且連貫的，對整體目標達成的貢獻度有所區別。圖1中所列的5個內容模塊貫穿于整個培養過程，并不專屬于某一環節。從能力培養的角度，工科專業強調6個方面的具體能力要求，如圖1所示。產品認知能力、專業工具應用、工程語言與表達和交流與合作4個要求包含在工程教育認證的框架內，而工程思維與優化設計則高于工程教育認證的要求，這是我國工程技術的高質量發展對人才培養提出的要求。

設計能力評價的三個要素為評價素材、評價的基本原則和評價的實施者（圖2）。不同的評價實施者所關注的評價素材不同[7]。對于課程學習，任課教師負責考評學生的試卷、隨堂練習作業等。在企業實踐階段，工程師對學生的現場表現、設計圖紙等進行評價，而企業管理人員將同學校的輔導員和學業導師一起對學生在實踐過程中的交流、合作、專業興趣等表現做出相應的評價。學業導師本身就是專業教師，其發揮的功能是引導學生深入專業學習，所以他們也將基于專業性的評價素材做出評價。不同評價實施者得到的評價結論在整個評價中的權重由專業建設委員會討論確定。

評價的實施者是多元化的，教師對課程教學效果的評價相對直接，而對能力的評價則需要任課教師、企業導師、輔導員、學業導師和行業專家等共同參與，必要時還需要進行學生互評。對于企業階段的實踐實習、課程設計和畢業設計，企業工程師的評價結果應該被賦予較高的權重。尤其是畢業設計答辯會，企業工程師和行業專家的數量至少占到答辯委員會總人數的1/3。畢業設計體現了專業知識和專業工具的綜合運用，也是校企協同育人的重要切入點[8]。從產業領域的角度審視畢業設計的質量，提出改進建議，對于本科生的最后一次“考試”具有重要意義。

圖2"設計能力評價方案

四"通過思政教育增強工程責任意識

在工程技術進步的過程中蘊蓄了極為豐富的思政元素[9]。對這些元素進行檢索、分類、組織和凝練，是專業課程思政的重要任務。對學生進行專業思政教育，不但能夠激勵他們的愛國情懷，還能夠促使他們認真總結歷史發展和技術進步規律，夯實他們以專業為工具推動技術進步、奉獻社會的信念。

開展專業思政教育，就是以專業為載體，緊密圍繞培養方案中的畢業要求和價值培養目標，提煉政治素養、家國情懷、專業使命和職業操守等核心價值要求，并將其融通至人才培養全過程。在設計類課程和實踐環節中開展思政教育，既借力設計能力培養環節與其他課程的內在聯系，實現專業能力培養與思想政治教育協同推進，又體現了思政教育與專業知識相互融合的特點，并且為構建具有專業特色的核心價值體系提供了指引。

當代大學生應當主動承擔對國家、社會和環境的責任。設計是體現社會責任的重要方式。只有當學生以正確的態度對待產品設計，而不將其僅僅作為一種能力訓練的渠道時，設計能力的培養才有意義。從這一角度，學生應該在設計階段考慮設計對象的運行對環境和社會的影響[10]。產品是人的智慧的運用和工具應用的結晶，其不但發揮既定的功能，也包含著設計人員對自然和工程之美的理解。以能源裝備為例，其中蘊含著豐富的美學特征，如流動之美、結構之美、圖形之美等，如圖3所示。對于該類裝備，無形的流體與有形的剛體之間形成了鮮明的對比，且兩者之間存在著相互作用，這其中不但體現力學原理，也展現出裝備要素之間互相依存、協同工作的特點。通過機械之美的傳遞，培養學生的專業審美素養，加深他們對工程與自然統一性原理的認識。

圖3"機械設計的美學特征

五"將設計能力培養從產品向系統延伸

工程裝備的性能往往無法依據單一的指標進行衡量，需要從安全性、效率、振動、噪聲和服役時間等方面進行綜合考慮，這就必然要求設計能力的培養覆蓋設計、性能分析、安全性校核和優化等各個具體環節。工程裝備設計的目標在于不但要滿足個體的性能指標，還要在其安裝于系統中時，滿足系統的運行要求。

設計能力的培養體現在產品設計的全過程中。從設計要求提出到設計結果呈現，產品設計經歷了一個知識、方法、工具和智力綜合運用的過程。當獲得設計結果后，設計工作尚未完成，此時還需將設計對象置于系統中進行匹配性分析，根據分析結果對設計對象的功能發揮進行評估，從而改進設計。設計能力的培養需要與工程問題的解決思路相匹配，這就要求不僅僅針對設計對象本身、還要結合設計對象所在的系統開展設計工作。

在設計能力的培養過程中，應強調設計結果的實效性。這就要求產品設計理念向系統進行拓延，即由單個裝備向系統和流程過渡，因為系統才是產品設計的落腳點。例如，應用于凝結水系統中的凝水泵，其在獨立的產品設計階段按照既定性能參數，如流量、揚程、轉速和必需汽蝕余量等進行設計，設計結果在試驗臺上（理想的來流條件、理想的介質）得到客觀地驗證。然而，一旦凝水泵被安裝入凝結水系統，泵的流量必須服從系統的需求，即泵所提供的能量與克服系統阻力所需的能量之間達到平衡，這是在設計之初就需明確的設計原則。為拉近設計能力培養與工程應用之間的距離，需要引入更多的工程案例。

六"結論與思考

本文將工程教育認證理念與教學改革相結合，增強培養方案實施的規范性，將設計能力培養融入大工程格局中，強化工程元素對能力培養的支撐作用，通過專業思政教育增強專業責任感，并將設計能力培養的載體從個體裝備向系統拓延。結合我國工程教育和專業建設特點，提出三個值得繼續深入思考的問題：

1）工程信息的傳遞和工程元素的交流均依靠表達，所以表達能力的培養至關重要。裝備和系統的設計思路需要借助圖形、文字、語言和數據等進行表達。表達能力的培養是一個循序漸進和積累的過程，應該貫穿于人才培養的全過程。

2）建設一系列適應時代發展、具有專業特色、符合人才培養規律的專業教材至關重要。要充分汲取國外教材的優點，并與我國自行編寫的教材相對照，從專業思政、教材內容與工程銜接、知識點凝練和例題設計等方面改進國內教材。

3）校企共建一支工程能力強的師資隊伍顯得急迫。開展該項工作需要合理的建設方案。一方面，高校可以借助企業產品制造與應用一線培養青年教師；另一方面，應大力開展吸納企業工程師入教工作，使工程元素有序進入課堂，并逐步完善專業知識體系。

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基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“新工科理念下新卓越工程人才四維度交融培養模式改革與實踐”（教高廳函[2018]17號）；江蘇高校品牌專業建設三期工程項目“能源與動力工程”（蘇教高函[2024]17號）；江蘇省卓越工程師教育培養計劃2.0專業項目“能源與動力工程”（蘇教高函[2023]2號）

作者簡介：康燦（1978-），男，漢族，河北寧晉人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為工程能力培養機制與工科專業思政教育。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.012