以复杂工程问题解决能力培养为导向的课程体系改革

谢胜利,李卫军,蔡述庭,章云

摘 要：毕业生具有解决复杂工程问题的能力，是华盛顿协议认证体系下本科与专科学生毕业要求的显著区别，也纳入了《工程教育专业认证标准》2015版的毕业要求。当前解决复杂工程问题的能力培养路线仍处于探索之中。文章结合我校自动化专业的特点，通过分析复杂工程问题的7个特征在本专业的定位，明确了毕业要求对教学环节的指引，制定了解决复杂工程问题能力的渐进培养路线。按照这一思路，开设了以智能制造实验室为依托的面向复杂工程问题的综合课程设计群。并以综合课程设计群为中心重构了课程体系，作为解决复杂工程问题能力培养的新探索。

关键词：工程教育认证；复杂工程问题；复杂工程问题特征；毕业要求；综合课程设计；课程体系

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）22-0004-06

Abstract： Undergraduates should have the ability to solve complex engineering problems， which is significantly different from college graduates under the certification system of the Washington Agreement requirements， and it is also included in the certification standard for engineering education in China of the 2015 edition. At present， the ability to solve complex engineering problems is still under exploration. This paper explores the characteristics of automation specialty in our school. Through analyzing the positioning of the seven characteristics of complex engineering problems in the major， it is identified that the requirements of graduation guide the teaching practice， and a progressive training route to solve complex engineering problems ability is developed. According to this train of thought， a comprehensive curriculum design group for complex engineering problems based on Intelligent Manufacturing Laboratory has been set up. Taking the integrated curriculum design group as the center， the curriculum system is reconstructed， which is a new exploration for the ability training of complex engineering problems.

Keywords： Engineering education accreditation； complex engineering problems； characteristics of complex engineering problems； graduation attributes； integrated curriculum design； curriculum system

一、概述

2016年6月，我國正式加入《华盛顿协议》，成为第18个会员国，标志着我国工程教育迈上了新的台阶。《华盛顿协议》[1]倡导以学生为中心、产出导向（Outcome Based Education， OBE）、持续改进（Continue Quality Improvement， CQI）三大教育理念，要求从培养目标到毕业要求，从毕业要求到课程体系，再到教学环节的实施、评价与反馈，进行系统设计与实施。而培养学生解决复杂工程问题（Complex Problems）的能力是其中的重中之重。与《华盛顿协议》等效，《工程教育专业认证标准》2015版以模拟解决实际复杂工程问题为载体构建的12条毕业要求中，1-5、11条面向内/外部技术问题，模拟解决现代复杂工程问题的研发步骤能力；6-8条面向外部的非技术类问题，理解与评价现代复杂工程对其影响的能力；9、10、12条面向从事解决复杂工程问题毕业生应具有的社会能力[2]。

毕业要求是学生在毕业时必须达到能力标准，需要分解到课程体系的相应教学活动中去落实。准确地理解复杂工程问题在专业中的定位，是建立合理的课程体系，优化教学环节，改进评估考核方法的重要依据。

自动化专业经过几十年的发展，人才培养要契合第四次工业革命对人才的要求，课程体系必须进行相应的调整、优化[3-4]。广东工业大学自动化专业经过多年准备，开展工程教育专业认证准备工作，并于2016年12月通过中国工程教育专业认证协会组织的认证。我校自动化专业以解决复杂工程问题能力培养为主线，重构了自动化专业的课程体系。

二、复杂工程问题的专业定位

参照《华盛顿协议》要求，《工程教育专业认证标准》2015版详细界定了“复杂工程问题”的7个特征。其中必须具备特征：①，同时具备特征：②-⑦的部分或全部[2]：①必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决；②需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④不是仅靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中；⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

上述特征作为复杂工程问题定义的一般性指导原则，当其具现于毕业要求中时，需考虑毕业要求对专业培养目标的支撑关系，以及对毕业要求的支撑课程与教学环节的指引与约束，而这意味者复杂工程问题的特征必须与专业特色相适应。因此，根据复杂工程问题特征，结合广东工业大学自动化专业特点，我校自动化专业对复杂工程问题定位为：

特征①主要着重考虑知识的广度与深度。自动化专业研究动态过程，着重的是系统机理分析与工程实现。不仅需要掌握数学、物理、自控原理等的相关知识以对控制系统进行建模与分析，还必须掌握机械、电子、计算机、通信等工程知识与技能来实现解决方案。由于控制系统的多样性与复杂性，解决方案经常呈现定制化的特性。因此，需要从“掌握”知识提升到“应用”知识，在课程设计，综合实验，毕业设计等教学环节中注重培养应用基本原理分析复杂工程问题的能力。

特征②主要体现矛盾和冲突。自动化专业强调系统的观点，而控制系统的设计过程就是一个解决矛盾和冲突的过程。矛盾和冲突主要体现在两个方面，首先是系统机理内在的矛盾。控制系统的各项参数往往是有矛盾的，比如在反馈系统中提高反馈控制的精度与系统稳定性是有矛盾的，往往为了保证系统稳定性，而不能实现高精度的控制，因此常存在多方案比较与选择的问题。其次，理论与工程实现之间的矛盾。针对复杂工程问题的解决方案，包含系统的构成、部件、协调、软硬件综合等。各技术与工程因素的相互关系决定整体性，要明确这些因素间的局限性，相互间的关系以及它们之间可能存在的冲突。

特征③主要体现分析深度。自动化专业强调对自动控制系统进行稳态与动态分析。由于众多自动控制系统无法经数学推导得到解析解或者搭建实物模型进行分析与验证，在系统的设计与实施过程中，为了解决其中的矛盾和冲突，必须将具体的工程问题抽象建模，借助现代工具进行仿真对系统做深入的分析。而且这里更强调有指向性的工程性分析研究，不是基础科学的探究。对复杂工程问题进行提炼、定义、建模、分析，并体现一定的创新意识。

特征④主要体现多方案选择与决策。由于被控对象的多样性与复杂性，解决方案经常呈现定制化的特性，不是仅靠常用方法就可以完全解决的。而自动控制系统稳态与动态性能之间存在矛盾，设计时经常需要进行权衡与折中，而这必然意味着存在多种可能的解决方案。因此，在分析与设计的过程中，需要通过对多种可能的解决方案进行模拟、分析、比较，并从多种可选择的方案中选择出最佳的方案。

特征⑤强调标准外的行为准则。复杂工程问题是一个受多种因素制约的复杂体系，包括组织管理、经济、健康、安全、法律以及文化等要素，现有专业标准和规范不可能完全包含所有因素。为了解决复杂工程问题，在缺乏现有准则指引过程中，必须理解工程技术的价值与工程伦理准则，并以此指引科技活动和工程实践。

特征⑥强调冲突与协调。工程规模越大，复杂程度越高，与社会、经济、产业、环境以及伦理价值观念的相互关系也越来越紧密。工程的实施和运行，都会对自然生态系统和社会产生一定的影响，相关各方利益不完全一致时会导致冲突，需要进行沟通与协调。

特征⑦强调依存与关联。系统组成部分之间存在着相互联系、相互制约的关系。需要综合考虑复杂工程问题的各部分，通过文献研究、资料收集、信息分析等实现信息综合，从关联中寻找规律、资料收集、信息分析，为解决复杂工程问题提供思路和借鉴。

广东工业大学自动化专业的毕业要求与《工程教育专业认证标准》2015版中的12条要求一致[2]。根据上述自动化专业复杂工程问题的定位，结合此次认证中发现的一些问题，复杂工程问题特征在我校自动化专业的毕业要求的体现如表1所示。其中，“●”表示复杂工程问题必须具备的特征，“○”表示复杂工程问题具备的其他特征。

以上述复杂工程问题特征在我校自动化专业的具体体现，作为制定支撑毕业要求的教学环节的指引，明确设置各毕业要求教学环节的指导原则，如表2所示。

由表2可见，专业毕业要求应围绕培养学生解决复杂工程问题能力进行设计。根据产出导向教育（OBE）反向设计的理念，专业的毕业要求决定了专业的教学环节设置。

学生解决复杂工程问题能力的培养需要循序渐进，在大学四年期间通过多个教学环节综合集成，是一个动态形成的过程。根据复杂工程问题特征在本专业各个毕业要求中的具体体现，自动化专业制定的渐进培养学生解决复杂工程问题能力的路线如图1所示。

在解决复杂工程问题能力的培养过程中，数学与自然科学类课程、工程基础类课程、专业基础类课程和专业类课程等应承担责任并作出贡献。不同类型课程的设置在能力的培养上应具有连贯性，后续教学环节的设计应基于前修環节的达成效果进行规划，以实现能力培养的渐进性。其中，数学与自然科学类课程主要体现基本科学能力培养；工程基础类课程和专业基础类课程主要体现数学和自然科学在本专业应用能力培养，以及工程与社会、职业规范等要求所需的知识与能力的培养；专业类课程应能体现系统设计和实现能力的培养。

由上述复杂工程问题特征在我校自动化专业的具体体现，以及解决复杂工程问题能力的渐进培养路线可见，在本科阶段工科教育中，需要一个相对完整的、有前瞻性的复杂工程系统为载体，以模拟该系统的研发过程为主线，融合理论课程、试验课程以及实践环节，通过前后衔接的系列课程，将解决复杂工程问题能力的渐进式培养转化为系统化、可操作的教学过程，其重点在于综合与实践。

三、面向复杂工程问题的综合课程设计群

按照上述解决复杂工程问题能力的渐进培养思路，自动化专业在2016年与德国西门子公司共建工业4.0智能制造实验室。该实验室实验场地310米2，一期已投入900万元用于系统硬件平台建设，二期拟投入350万元用于系统软件体系建设。该实验室主要含2大部分：

（一）工业4.0智能制造平台，如图2所示

该平台作为复杂工程问题的主要载体，从底层传感器、驱动，到高层的MES，PLM，涵盖了工业4.0全流程。平台通过模拟汽车生产线中上料、冲压、焊装、涂装、总装、仓储等六个环节的具体工艺，体现智能制造的理念，其中涵盖了机器人技术、气动技术、PLC及HMI技术、网络技术及驱动技术等先进技术，能够提供贴近真实生产的综合性智能制造技术的学习与实践平台。六个工艺环节都可以独立工作，可方便针对不同的教学内容侧重点制定不同的实验内容。同时，各个环节均具备独立的工业网络通讯能力，各模拟环节的工艺段通过网络连通后即可开展全集成自动化（TIA）系统的教学与实践。

（二）基础技术实验平台，如图3所示

该平台主要含8套ABB机器人实验平台与80台计算机。ABB机器人实验平台通过西门子1500系列PLC与PROFlBUS总线实现联网控制，在其上可进行机器人控制、PLC、直流与伺服电机控制、PROFlBUS总线构建、检测技术等等的相关教学与实践。

以该实验室为依托，自2015级自动化专业学生开始，在随后的每级学生的第四、五、六、七学期开设四个基于该实践教学平台的自动化综合课程设计（I，II，III，IV，共12学分）。该系列课程设计从现场层、控制层、操作层、管理层、企业层进行展开，形成“纵向及顶““横向达边“的制造训练新体系。所谓纵向及顶，即从专业技能培养方面逐步进入该领域技术前沿；所谓横向达边，即体现人才培养中，各科知识的融合与贯通，以及学科专业的交叉和渗透，使被培养者成为复合型、创新创业型人才。通过该课程设计，学生可以学习到工业4.0的点和面，从而达到掌握工业4.0整体框架的效果。课程设计群的设置需充分考虑相应课程的同步，让学生在学习理论知识的同时得到相关的课程设计实践，同步课程为综合课程设计提供理论基础，反过来课程设计实践可以加深学生对理论知识的理解，相互促进。4.0智能制造体系与课程设计对应关系如图4所示。

由图4可见，自动化综合课程设计的实践对象按照从分立到联合，从单元到系统的顺序，与相应的专业基础课程与专业课程相结合，以课程设计的考核结果为相关毕业要求的重要支撑，实现解决复杂工程问题能力的渐进培养。各课程设计的教学目标如表3所示。

上述综合课程设计的教学目标的重点在于综合与实践。通过持续4个学期的课程设计，以一个统一的复杂工程系统为对象，以模拟系统的设计与实现为主线，贯穿自动化专业所有主干专业课程的相关知识与技能，依靠对象的复杂性完整体现解决现代复杂工程问题的研发步骤的能力要求，即毕业要求1-5与11；依靠对象的系统性提供一个模拟环境，培养学生理解与评价现代复杂工程对其影响的能力，即毕业要求6-8；而在教学实践环节中，团队合作的模式，以及自主学习的要求，能够培养学生面向解决复杂工程问题应具有的社会能力，即毕业要求9、10、12。

可见，综合课程设计群是课程体系的核心主线，在教学环节设置，教学内容安排，课程考核等方面需围绕课程设计的教学目标进行设计。

四、以综合课程设计群为中心的课程体系设置

工业4.0智能制造实验平台体系复杂，涵盖机器人技术、PLC及HMI技术、网络技术、驱动技术等一系列的先进技术，学生需要在4个学期的学习与实践中将其熟练掌握并具备较好的解决复杂工程的能力有一定的难度。因此，自动化综合课程设计I、II、III、IV作为前后衔接的系列课程，需要很好地统筹各课程设计的先修课程、同步课程与后续课程的关系，以PBL（Project-Based Learning）的教学模式，将教学与实践有机地整合到各门相关课程中，协调各门相关课程的考核内容与评分标准。

在课程体系与教学环节的设计中，遵循以下基本原则：

1. 以自动化综合课程设计的教学目标为基准，尽量将课程设计所需的基础知识与技能的相关课程安排为综合课程设计的先修课程或同步课程。

2. 相关课程的实践教学内容应尽量向综合课程设计的实验对象倾斜。

3. 难度较大及关键技术应尽量分布在多个综合课程设计中，通过系列训练实现从入门到熟悉再到掌握的渐进能力培养，如机器人控制、电力拖动等。

4. 以个人课程报告为主，小组课程报告为辅的课程考核方式，促进个人基本能力要求的达成与团队合作能力发展的平衡。

基于以上原则，广东工业大学自动化专业制定的2016教学计划中围绕自动化综合课程设计进行了课程体系设计，主要框架如下所示。

自动化综合课程设计I通过系统建模与仿真的系列训练，着重培养学生运用所学知识，具备仿真与建模能力，了解智能制造的发展现状与基本体系框架。教学安排如表4所示。课内学时合计48学时，课外学时要求为96学时。

本课程与其他课程的联系如表5所示。

自动化综合课程设计II通过自动化专业基础技术的系列训练，着重培养学生问题分析与工程实践能力，具备复杂工程系统基本的分析能力。教学安排如表6所示。课内学时合计48学时，课外学时要求为96学时。

本课程与其他课程的联系如表7所示。

自动化综合课程设计III通过团队合作的模式，完成仓储，上料，冲压，焊装，涂装，总装等各子系统的设计与调试，使学生具备解决复杂工程问题的基本能力。教学安排如表8所示。课内学时合计48学时，课外学时要求为96学时。

本课程与其他课程的联系如表9所示。

自动化综合课程设计IV通过将各子系统联调，完成整个生产线的建模规划、设计和调试，进一步培养学生解决复杂工程问题的能力；并在此基础上通过产品生命周期管理仿真、制造企业生产过程仿真等环节提高学生对工程与社会、可持续发展的认识、以及项目管理的基本能力。教學安排如表10所示。课内学时合计48学时，课外学时要求为96学时。

本课程与其他课程的联系如表11所示。

五、结束语

广东工业大学自动化专业以认证为契机，重构了专业课程体系，以自动化综合课程设计为主线，从分立到联合，从单元到系统，与相应的专业基础课程、专业课程相结合，以课程设计的考核结果为相关毕业要求的重要支撑，实现了解决复杂工程问题能力的渐进培养。将工业4.0技术植入课程体系，符合教育部自动化类专业教学指导委员会主持的“自动化专业课程体系改革与建设试点”工作的指导精神，是自动化专业课程体系改革的有益尝试。

参考文献：

[1]25 Years of the Washington Accord，http：//www.iea-greements.org/assets/Uploads/Documents/History//25YearsWashingtonAccord-A5booklet-FINAL.pdf[EB/OL].

[2]2015工程教育认证工作指南[Z].2015.

[3]吴晓蓓.《中国制造2025》与自动化专业人才培养[J].中国大学教学，2015（8）：9-11.

[4]刘燕，徐本连，鲁明丽.工业4.0下自动化专业课程体系的发展研究[J].常熟理工学院学报（教育科学），2016（6）：34-37.