基于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的工程實踐課程改革

摘"要：學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是工程教育認證的核心目標(biāo)之一，工程及其實踐類課程的建設(shè)是支撐該能力達成的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。結(jié)合我校微控制器相關(guān)課程探索了理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合、實踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練相連通、課內(nèi)實訓(xùn)與課外實踐相融合的課程改革模式，以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，形成了“基礎(chǔ)實踐—綜合實踐—PBL實踐項目—課外實踐”緊密銜接、層層遞進的實踐教學(xué)模式，促進培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，探討了知識與能力并重的多元考核評價機制，對標(biāo)工程教育認證中技術(shù)和非技術(shù)能力要求，實現(xiàn)考核支撐。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題；工程實踐課程；課程改革

中圖分類號：G426文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：The"cultivation"of"the"ability"to"solve"complex"engineering"problems"is"one"of"the"core"objectives"of"the"engineering"education"accreditation.The"engineering"practical"curriculum"is"the"key"teaching"procedure"to"support"the"achievement"of"the"ability.Combined"with"the"microcontrollerrelated"courses"in"our"university，the"reform"of"engineering"practice"curriculum"by"the"integration"of"theory"teaching"and"practice"teaching，practice"teaching"and"innovation"and"entrepreneurship"training，inclass"practice"practical"training"and"outofclass"practice"was"explored.Based"on"theoretical"teaching，the"practical"teaching"model"with"a"close"and"progressive"linkage"of"\"basic"practicecomprehensive"practicePBL"practice"projectextracurricular"practice\""has"been"formed"to"promote"the"ability"of"students"to"solve"complex"engineering"problems.The"multifaceted"assessment"and"evaluation"mechanism"that"emphasizes"both"knowledge"and"competence"is"explored"to"achieve"assessment"support"against"the"technical"and"nontechnical"competence"requirements"of"the"Engineering"Education"Accreditation.

Keywords：complex"engineering"problem；engineering"practical"curriculum；course"reformation

2016年，我國成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式成員［1］，《華盛頓協(xié)議》是目前最具國際影響力的工程教育學(xué)位互認協(xié)議，這標(biāo)志著通過我國工程教育認證的本科學(xué)位得到了該協(xié)議所有正式成員的認可。工程教育專業(yè)認證遵循學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進三個基本理念［2］。而《工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)》中技術(shù)和非技術(shù)能力的培養(yǎng)均以學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)為核心目標(biāo)?！豆こ探逃J證標(biāo)準(zhǔn)》詳細規(guī)定了復(fù)雜工程問題的7個特征［34］：（1）必須基于深入的工程原理，經(jīng)過分析才能解決;（2）涉及廣泛的和/或相互沖突的技術(shù)與非技術(shù)問題（如倫理、可持續(xù)性、法律、政治、經(jīng)濟、社會），以及對未來需求的考慮;（3）沒有明確或成熟的解決方案，必須通過問題抽象、原創(chuàng)性思考，經(jīng)過分析建立合適的模型才能解決;（4）涉及非常見的或新出現(xiàn)的問題;（5）涉及專業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)和實踐規(guī)范未完全包含的問題;（6）涉及跨工程學(xué)科、其他領(lǐng)域和/或具有廣泛不同需求利益相關(guān)方的合作;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題，需要系統(tǒng)的解決方案。因而，復(fù)雜工程問題不僅具有“工程性”，而且應(yīng)具備“實踐性和綜合性”。

解決復(fù)雜工程問題需要綜合運用基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識和技術(shù)基礎(chǔ)等進行分析研究，并能夠運用現(xiàn)代工具進行實踐與驗證，同時也要綜合考慮工程倫理、項目管理中涉及的非技術(shù)要素，具備團隊合作、溝通交流、文本撰寫及表達能力。因而，非技術(shù)能力的培養(yǎng)也是進行畢業(yè)要求達成考核的重要方面，在《工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)》進行了明確規(guī)定［56］。因此，以解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)為核心，結(jié)合非技術(shù)能力的培養(yǎng)要求對工程實踐類課程進行設(shè)計改革，對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的達成具有十分重要的實際意義。

本文以微控制器相關(guān)實踐訓(xùn)練課程為例探索了理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合、實踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相連通、課內(nèi)實訓(xùn)與課外實踐相融合的工程實踐課程改革模式，探討了以遞進性實踐教學(xué)促進培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的方法。

1"課程問題

微控制器作為計算機發(fā)展的一個重要分支，具有低功耗、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單等特點，已成為各類控制系統(tǒng)、機器裝備的核心。而現(xiàn)有微控制器系統(tǒng)原理與應(yīng)用類課程仍存在重理論輕實踐、教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用脫節(jié)、考核方法不合理等問題。存在局限性問題的同時，又不能緊跟時代發(fā)展的要求，導(dǎo)致無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，無助于提高學(xué)生應(yīng)用能力。目前存在的主要問題包括以下方面。

1.1"教學(xué)設(shè)計不合理，能力培養(yǎng)銜接不緊密

傳統(tǒng)微控制器類課程以理論講解和基礎(chǔ)驗證性實驗為主，教學(xué)銜接缺乏設(shè)計性、創(chuàng)新性，理論與實踐教學(xué)相脫節(jié)；實踐教學(xué)內(nèi)容相對孤立，缺乏層次化設(shè)計，學(xué)生無法通過實踐教學(xué)訓(xùn)練將所學(xué)理論知識融會貫通；無法滿足對學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

1.2"實踐教學(xué)效率不高，缺乏外拓性持續(xù)性

傳統(tǒng)微控制器類課程的實驗平臺模塊有限，功能固化，不具備開發(fā)設(shè)計功能，不能滿足綜合性、設(shè)計性及創(chuàng)新性實踐項目的開展，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；傳統(tǒng)課程局限于課內(nèi)基礎(chǔ)性驗證實驗，缺乏培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計與實踐能力的綜合性實訓(xùn)項目，以及向課外拓展創(chuàng)新性訓(xùn)練項目，不利于學(xué)生綜合實踐能力的培養(yǎng)和提高。

1.3"評價方法缺乏融合性，教學(xué)效果不佳

傳統(tǒng)微控制器課程的考核以知識為主，多以期末試卷考核的形式為主，且實踐效果在期末考試綜合評價中所占比例較少，考核指標(biāo)不合理，不能滿足工程認證的目標(biāo)導(dǎo)向，無法有力支撐對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力及非技術(shù)能力的考核要求，導(dǎo)致學(xué)生對實踐教學(xué)及非技術(shù)能力培養(yǎng)的重視程度不夠，影響實際教學(xué)效果。

2"理論教學(xué)與實踐教學(xué)相融合

實踐類課程要對前期基礎(chǔ)理論課程所形成的知識體系進行有效的銜接和包含，但實際中往往存在理論學(xué)習(xí)和實踐訓(xùn)練脫節(jié)的問題。針對此問題，探索了理論教學(xué)和實踐教學(xué)相融合的模式。以“微控制器”相關(guān)課程為例，在教學(xué)環(huán)節(jié)安排上，分別安排“微控制器系統(tǒng)原理與應(yīng)用（28學(xué)時）”課程和“微控制器系統(tǒng)綜合設(shè)計與實訓(xùn)（48學(xué)時）”課程，理論課教師同時承擔(dān)實訓(xùn)課，理論課和實訓(xùn)課均在實驗室開展。其中，“微控制器系統(tǒng)原理與應(yīng)用（28學(xué)時）”課程包含緒論、C語言在固件庫組織代碼中的應(yīng)用、時鐘系統(tǒng)、通用I/O端口、串行通信、外部中斷、通用定時器、輸入捕獲、輸出比較9大模塊，“微控制器系統(tǒng)綜合設(shè)計與實訓(xùn)”中包含18學(xué)時基礎(chǔ)實踐訓(xùn)練項目與理論內(nèi)容一一對應(yīng)，實現(xiàn)理論與基礎(chǔ)實踐的無縫銜接，對應(yīng)關(guān)系如表1所示，使學(xué)生可以在仿真、調(diào)試的過程中，優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，加深對先導(dǎo)理論課程知識的理解深度，具備對基礎(chǔ)知識的實踐運用能力，可在通用單元上開展嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元研發(fā)。在此基礎(chǔ)上，將電子競賽項目和真實工程項目經(jīng)教學(xué)化處理轉(zhuǎn)化為3項綜合性實踐訓(xùn)練項目，通過綜合性設(shè)計進一步加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，加強對通用單元的綜合運用能力，為工程研發(fā)能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。最終形成理論講解與基礎(chǔ)性訓(xùn)練無縫銜接、基礎(chǔ)性訓(xùn)練與綜合性訓(xùn)練緊密銜接的教學(xué)設(shè)計，不僅解決了理論與實踐的脫節(jié)問題，而且形成了“知識—基礎(chǔ)能力—綜合能力”層層遞進的培養(yǎng)模式，實現(xiàn)了學(xué)生對所學(xué)知識的融會貫通，滿足了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)要求。

針對實踐教學(xué)與理論教學(xué)相互融合的課程體系設(shè)計，為滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，搭建了與實踐教學(xué)內(nèi)容相匹配的，集工程性、實踐性、綜合性為一體的綜合實訓(xùn)平臺（如圖1所示），平臺包含MCU、繼電器、串口、CAN、AD/DA、流水燈、矩陣鍵盤、數(shù)字溫度傳感器、數(shù)碼管、TFTLCD、24V隔離輸入及擴展單元，并搭配有伺服電機、直線滑臺、三相交流電機、溫度變送器、超聲波、逆變器、TFTLCD等外圍實驗對象。綜合實訓(xùn)平臺具有設(shè)計靈活、接口豐富、資源豐富、可擴展性強等特點，且能夠兼容科研成果和工程實踐項目轉(zhuǎn)化，保證了實驗平臺的教學(xué)適用性和先進性，為學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

3"實踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練相連通

培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的核心目標(biāo)是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，僅通過實踐教學(xué)項目，很難完成創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因而，在理論知識與實踐教學(xué)相融合的基礎(chǔ)上，延伸PBL實踐訓(xùn)練項目，貫穿課程始終，提升學(xué)生對微控制器系統(tǒng)進行綜合應(yīng)用、開發(fā)、實踐和創(chuàng)新的能力，并通過有效融入行業(yè)規(guī)范、技術(shù)文檔撰寫、研發(fā)管理、市場分析、營銷戰(zhàn)略、融資計劃，以及設(shè)計方案對社會、安全和法律以及文化領(lǐng)域影響等非技術(shù)能力訓(xùn)練要素，實現(xiàn)實踐教學(xué)內(nèi)容與非技術(shù)能力培養(yǎng)的有機融合，進一步提升學(xué)生參加學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的核心競爭力。以實際項目任務(wù)為引導(dǎo)，以PBL實踐訓(xùn)練項目為橋梁，以競賽為牽引，驅(qū)動學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決實際工程問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，從而支撐解決復(fù)雜工程問題能力所需的綜合分析、深度研究能力的培養(yǎng)。

4"課內(nèi)實訓(xùn)和課外實踐相融合

解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一個“漸進”和“持續(xù)”的過程，按照教學(xué)計劃規(guī)定的時間和地點集中進行的課程教學(xué)很難滿足，需要充分利用課外時間持續(xù)性、常態(tài)化地開展創(chuàng)新培養(yǎng)。在完成課上教學(xué)的同時，將課內(nèi)實訓(xùn)與課外實踐相結(jié)合，開展常態(tài)化拓展性課外實踐訓(xùn)練。一是積極開展“專創(chuàng)融合”案例庫、創(chuàng)新文獻資料庫、工程實踐項目庫等線上課外資源的建設(shè)，為學(xué)生自主開展課外實踐訓(xùn)練，提升創(chuàng)新思維和工程能力奠定基礎(chǔ)。二是整合實驗資源，建設(shè)開放性創(chuàng)新實驗室，向?qū)W生開放，配置常用的電子測試設(shè)備和配套實驗平臺，為學(xué)生提供自由的工程訓(xùn)練環(huán)境，并制定了較為具體的《實驗室開放管理辦法》等配套措施。三是以課內(nèi)實訓(xùn)為依托，搭建與之配套的課外實踐訓(xùn)練任務(wù)，由淺入深，由易到難，逐層遞升，促進學(xué)生理解知識內(nèi)涵和擴大知識外延，從而引導(dǎo)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)向縱深推進。最終形成“理論基礎(chǔ)—課內(nèi)實訓(xùn)—課外實踐”相融合的育人模式，讓學(xué)生有更多機會發(fā)現(xiàn)自己的專長，培養(yǎng)其分析解決問題的能力、理論聯(lián)系實際能力和創(chuàng)新實踐能力，為雙創(chuàng)項目的開展與重點孵化提供有力支撐，同時達成非技術(shù)能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

5"知識與能力評價并重

實行知識與能力評價并重的多元考核評價體系。將傳統(tǒng)的期末考試改革為理論課中貫穿學(xué)期始末的4次周期性測試項目，在課后作業(yè)的基礎(chǔ)上，以周期性測試的方法促進學(xué)生鞏固、夯實基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，占比40%。提升課前線上學(xué)習(xí)任務(wù)、課中表現(xiàn)及課后作業(yè)等過程性考核的比例（每項占10%，共30%），并將具有綜合性和外擴性的PBL實踐設(shè)計項目（產(chǎn)品及項

目設(shè)計說明

書）的占比提升至30%，重點考核學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、實踐能力解決實際項目和復(fù)雜工程問題的能力。實訓(xùn)課的考核以課內(nèi)實訓(xùn)實操效果和PBL實踐設(shè)計項目（項目策劃書）為主，并將外延的課外實踐任務(wù)納入考核體系，促進學(xué)生開展常態(tài)化持續(xù)性的實踐訓(xùn)練，并通過實驗報告及PBL實踐設(shè)計項目策劃書的形式實現(xiàn)對學(xué)生文本撰寫、工程管理等非技術(shù)能力的考核。具體考核方式如表2所示。

結(jié)語

針對目前工程類課程存在的問題，討論了理論與實踐相融合、實踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練相連通、課內(nèi)實訓(xùn)與課外實踐相融合的實踐類課程改革的具體做法，以構(gòu)建遞進性實踐教學(xué)及知識和能力并重的多元課程考核評價機制為特色，達到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目標(biāo)。教學(xué)改革實施效果表明，學(xué)科專屬知識目標(biāo)已達成，學(xué)生進行微控制器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的能力得到提高，學(xué)生團隊協(xié)作、溝通交流、技術(shù)文本撰寫及表達的能力得到了加強，學(xué)生參加競賽的人數(shù)和獲獎的數(shù)量呈上升趨勢。

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基金項目：河南工業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究與實踐項目“地方高校電氣類專業(yè)學(xué)術(shù)型人才培養(yǎng)存在的問題與對策研究（JXYJ2023027）”；河南省科技攻關(guān)計劃“大數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)在電梯集群遠程智能監(jiān)測中的應(yīng)用研究（222102220100）”；河南省專業(yè)學(xué)位研究生精品教學(xué)案例項目“科技實踐與創(chuàng)新”（YJS2024AL037）

作者簡介：張弛（1987—"），女，漢族，河南鄭州人，博士研究生，副教授，研究方向：智能控制系統(tǒng)。

*通信作者：盧濤（1974—"），男，回族，河南鄭州人，博士研究生，教授，研究方向：測控技術(shù)與儀器。