解决工程问题能力培养的课程建设研究

毕海普

摘    要：课程建设是高校人才培养的知识载体和信息平台。基于工程教育专业认证对解决复杂工程问题能力的要求，课程建设思路应包含课程目标驱动下的“正向跟进”和作业等任务驱动下的“反向跟进”，而内容则应涵盖课程目标、课程知识结构、课程系统思维以及课程实践实训方法。“安全风险分析与模拟仿真技术”课程建设实践表明，课程目标、基础知识结构、重点系统思维、实践实训方式的设置方法对解决复杂工程问题能力培养有积极作用。

关键词：复杂工程问题;课程建设;专业认证标准;安全工程

中图分类号：G642.3          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）07-0061-04

所谓工程问题解决能力培养包含技术、工程和其他因素，没有固定、简单重复的规程和方法，是工科人才培养的主要指标之一[1-2]。“华盛顿协议”更是明确指出，经济社会飞速发展对高素质应用人才需求的增大要求我们进一步深入探讨如何在日常的课程教学中培养学生在掌握扎实理论基础的同时“学会学习”，学会分析和使用典型思想和方法，切实提升培养学生解决复杂问题的能力[3-5]。鉴于课程是教学的基础，课程建设是保证教学水平和人才培养质量的手段[6-7]，本研究以解决复杂工程问题能力培养的课程建设为核心，以教学目标下的课程设置和实施方案为观照点，从理论与实践上探查工程教育认证体系下课程建设的基本思路、基础知识内容、系统思维及实践实训方法，为培养学生解决复杂问题能力提供支撑。

一、解决复杂工程问题能力培养的课程建设分析

加强课程建设是提高教学水平和人才培养质量的重要保证。传统的课程建设以课程大纲的教学目标确定教学内容和实施方式，然而，工程教育认证体系下，以解决复杂工程问题能力为目标的课程建设不同于其他课程建设的根本在于对学生能力的培养，课程建设在“正向跟进”和“反向跟进”的闭环提升思路指导下设置课程内容及课程实施的方式。

（一）课程建设思路

“跟进式”教育理念以学生的思想、需要和兴趣为导向，鼓励学生在实践应用中提升自己的能力[8]，这与解决复杂工程问题的能力培养思路一致。工程教育认证下我们注重学生应用能力的培养，尤其是解决复杂工程问题能力的培养，“跟进式”教学理念对复杂工程问题能力培养的助力作用表现在对学生思想和兴趣的关注上，以及对学生实践应用和知识内化的提升上。

工程教育认证下的课程建设以学生为本、从社会需求出发、以培养学生解决复杂工程问题能力为目标，在课程目标驱动下“正向跟进”，通过教学设计知识结构、教学引导系统思维和教学实施实践训练，以提高学生解决复杂工程问题能力;课后根据作业、研讨、小论文等方式综合评估学生解决工程问题能力的形成情况，从而提供任务驱动下的“反向跟进”信息，以此不断修正和完善课程目标和课程设置（如图1）。

图1中，课程目标是能力培养的关键，课程内容是课程建设的主体，在课程建设中要将“课程目标→知识结构→系统思维→实践实训→解决工程问题能力”精心设计，引导学生在各环节学习过程中达到预期的目标，以提高学生解决复杂工程问题能力。

（二）课程建设内容

以解决复杂工程问题为目标，在正向和反向跟进思想指导下，课程建设在课程目标和课程内容结构上与普通课程建设既有共性又有差异。

1.工程教育专业认证下的课程目标设置。课程目标设置首先要了解课程在人才培养中的地位及作用，此课程人才培养目标需要支撑哪些毕业要求，然后基于专业认证的课程知识—能力矩阵，明确课程要培养学生哪些方面的能力。现代高等教育的目标不只是为了传授知识，还要积累知识与发展能力，两者在教学过程中互相促进。知识是基础，能力通过知识内化形成，是外化的表现。解决复杂工程问题作为基于华盛顿协议构建的我国工程教育认证体系的核心，要求学生能够用数学、科学及特定专业的工程知识来解决复杂工程问题，并应用基本原理、采用基础性研究方法对复杂工程问题进行创新性分析研究。

基于工程教育专业认证标准，学生毕业时应该掌握的知识和能力从工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习12个方面做了具体的要求[9]，其中8个具有聯系的系统性地提到了解决复杂工程问题的能力，如毕业要求1、6、7、10是解决复杂工程问题所需的前提知识和素质;毕业要求2、4、5是解决复杂工程问题的分析和研究方法;毕业要求3是解决复杂工程问题的系统解决方案所提的能力要求[10]。

2.工程教育认证体系下的课

程内容结构调整。课程内容设置是课程实施的依据，是课程各部分的配合和组织，课程内容的设置原则是要解决如何实现课程目标的问题。工程教育认证体系强调学生解决复杂工程问题能力的培养，因此除却课程目标设置的调整外，课程内容结构也必须做适当的调整，以满足工程人才培养需求。工程教育认证前提下，课程内容结构的调整应该按照“课程基础→教学重点→教学方式”原则进行（如图2）。

知识结构是课程的基础和核心问题，系统思维是课程的教学重点和骨架，实践实训是课程的教学方式和目标达成手段。工程教育认证下，课程内容的设置必须涵括合理的知识结构，培养学生科学思维方式，提高学生实践实训技能，以达到对解决复杂工程问题能力培养的要求。

不同于其他专业课程设置，工程教育认证下的课程内容设置时，（1）明确课程的基础，即以问题为导向，学生在问题分析时必须具备哪些知识或技能的学习与积累;（2）确定教学重点，即如何帮助学生学会并进行系统的分析问题解决问题的思维训练;（3）制定满足工程教育认证需求与学生自身实践需要的实训的方法，如线上自主学习与线下工程问题实训。如此一来，学生学会学习，掌握了解决复杂工程问题的思路和方法。

二、“安全风险分析与模拟仿真技术”课程建设实践

安全工程专业认证适应国家经济建设需求，满足安全科技进步和社会发展需要的安全工程本科专业人才最低要求。专业认证标准包括通用标准和安全专业补充标准。安全工程专业认证标准在专业实验要求方面，提到“计算机仿真实习”的设置，基于计算机仿真和计算，补充一般现场实验和实践难以达到的内容和目的，加深对安全生产的认识与理解。常州大学安全工程专业作为江苏省品牌专业建设项目，以优秀成绩通过了两轮专业认证，注重对学生综合能力的培养，学生实践应用能力得到了用人单位的一致好评;“安全风险分析与模拟仿真技术”是在专业认证思想指导下课程建设的典型案例，是贯彻解决复杂工程问题能力培养理念的核心课程。“安全风险分析与模拟仿真技术”课程建设过程充分体现了课程辅助解决复杂工程问题能力培养的教学理念。

（一）课程建设目标

基于人才能力培养的社会需求和工程教育专业认证标准毕业要求，设置课程建设目标。“安全风险分析与模拟仿真技术”在课程与毕业要求的对应关系矩阵中满足毕业要求2的问题分析、毕业要求5的使用现代工具。

对应设置课程目标如下：课程目标一是培养学生掌握模拟仿真技术与风险分析理论，分析和解决安全工程问题;课程目标二是培养学生应用现代计算机模拟和仿真工具，对复杂的安全工程问题进行模拟预测和风险分析。

（二）知识结构设置

课程目标要求指导知识结构设置，而知识结构设置则反映课程目标要求。根据“安全风险分析与模拟仿真技术”的课程建设目标，该课程在实践教学中设置安全风险分析、计算机信息化技术，以及计算机辅助风险分析三部分知识结构内容，以支撑仿真模拟技术与风险分析对复杂工程问题所需的知识点（如图3）。

1.风险分析。风险代表着一种不确定性，既可以是一个正面的概念，也可以是一个负面的概念。风险一方面表达系统的安全状态，另一方面分析系统中存在的危险状况。因此，课程内容应该从不同的角度衡量和判断系统的状态，譬如，从安全的角度分析对象是否安全，以及安全程度和可靠度;从危险的角度分析系统是否有危险，以及危险程度，最终得出系统的风险系数。

2.信息化技术。安全事故多具有危险性和破坏性，使得对事故实验模拟的可行性较差，因此目前事故评估多以同类事故的经验教训为主要依据;由于事故的发生具有随机性，来自其他同类事故的数据虽然具有很好的参考价值，但并不充分。借助安全检测大数据及云计算功能可以为安全分析和事故评估提供数据支持;采用计算机仿真手段建立事故场景，模拟事故发生、发展过程的动态变化，是进行事故评估、机理分析、预防和控制技术研究的有效手段之一。

3.计算机辅助风险分析。基于安全与危险在同一问题中的平衡方式，应用模拟仿真技术的计算结果，对复杂的安全工程问题进行模拟预测和风险分析主要包含计算机辅助安全分析、事故概率和后果计算及事故疏散模拟三个方面（ 如图3）。

借助计算机速度快、精度高、容量大等优势，通过将计算机技术与传统安全分析和评价方法结合，得到如计算机辅助事故树分析、计算机辅助危险与可操作性分析等的计算机辅助安全分析与评价技术。

借助计算机模拟分析事故概率及后果，如蒙特卡罗模拟求解某事故出现的概率，通过某种试验方法得到事故出现的频率和不确定性分布范围;如泄漏事故或火灾事故的数值模拟，求得流场中基本物理量（如速度、压力、温度等）的分布情况，可以应用于模拟计算有毒气体扩散、火灾和爆炸等具体事故场景。

借助计算机仿真技术构建事故疏散的建筑物，并对个体和群体的运动进行图形化的演示和计算，分析不同出口的人员流量率、不同区域人员的疏散时间、个体的逃生时间和最佳逃生路径等风险因素，最终得出建筑物的事故疏散风险情况。

（三）系统思维训练

“安全风险分析与模拟仿真技术”是基于专业认证的理论与实践相结合的课程，注重解决问题的系统思维训练，由此把课程中风险和模拟仿真技术的基本知识点有机组合起来，形成课程的核心知识链，并内化为学生解决风险分析问题的思维模式和能力。解决工程问题能力的思维模式训练包含所需要的基本知识点、运用的现代分析工具、对复杂工程问题的分析三部分内容。

1.解决问题所需的基本知识点的学习。一门课程的知识点较多，但其中有一些屬于基本知识点并且是课程教学的基础，如安全、风险、风险分析、安全模拟与仿真等。本课程建设了在线课程，学生可以针对自身学习的特征，在系统学习过程中查漏补缺，自主线上学习和完善课程知识体系。同时，教师在教学中通过工程案例分析归纳知识点、通过系统学习巩固知识点、通过工程问题的练习运用知识点。

2.解决问题所运用的现代工具的练习。根据安全风险分析对计算方法的需求，通过上机实验，加强学生对安全风险分析方法和手段的理解与掌握，借助上机操作设置事故场景并输出风险评估所需参数。

3.对复杂工程问题的分析。解决一个复杂安全工程问题，应用线上学习的知识和线下练习的计算方法辅助分析所研问题的安全风险，形成解决复杂工程问题方案的系统思维模式。

（四）实践实训方法

基于课程目标和课程特点的不同，实践实训方法也千差万别。以解决复杂工程问题为目标的“安全风险分析与模拟仿真技术”的实践实训方法主要包含工程问题导入、系统风险思维启发、现代工具和技术方法引导、方法的延伸应用四个步骤。下面简要以地下空间事故疏散与救援风险分析为例，说明课程实践实训方法的实施。

1.工程问题引入。高层建筑火灾事故疏散案例介绍：2011年11月15日上海市28层公寓楼发生火灾，至11月19日10时20分，大火已导致58人遇难，70余人受伤。

引入问题主题：高层建筑火灾事故后果严重，事故疏散效果如何分析？

2.系统思维启发。人员能否在遭遇突发事件时顺利而安全地获救，取决于人员的个人反应、人员之间的相互作用以及人员与环境之间的相互作用。

引导学生思考：疏散与救援风险分析的影响因素是什么？疏散与救援仿真模拟的工具是什么？如何提高疏散与救援效果？

3.方法引导。事故疏散模拟中个体的信息感知、反应时间和路径选择规律直接影响疏散风险分析。事故疏散软件如Pathfinder、Simulex等疏散模拟，输出疏散时间、疏散路径等信息。

影響模拟人反应时间和路径选择的因素包含模拟人的信息感知、反应速度、场景判断、路径选择等，现实人通过对事故场景的知识积累、应对速度和决策系统的思考和训练等提高个体应急反应时间和反应方式，最终可以降低事故疏散与救援风险。

4.延伸应用。以生活（如宿舍楼）和生产（如某商业建筑）实例中的安全工程问题引导学生思考，并实践应用解决一个复杂安全工程问题。

为了解决事故疏散与救援风险评估的工程问题，（1）明确解决问题所需要的事故疏散风险知识;（2）基于系统思维确定疏散风险分析的影响因素及计算机辅助工具，接着对事故疏散因素、疏散模拟计算、疏散结果等进行系统分析;（3）以生活实例激活解决问题的思路并以工程实例促进解决问题的实践应用。同时在实践应用中结合在线课程、实验室上机及讨论课堂不断完善自己工程问题的解决方案，最后达到解决工程问题能力的形成和固化。

三、结语

工程专业认证以满足解决复杂工程问题能力培养为核心。基于工程教育认证对解决复杂工程问题能力培养的要求能够进一步促进人才培养质量的提高。工程教育认证理念下的课程建设应从课程目标、知识结构、系统思维、实践实训到解决工程问题能力进行“正向跟进”提高学生能力，并根据“反向跟进”不断修正和完善课程目标。“安全风险分析与模拟仿真技术”课程建设实践表明课程建设的思路、内容、实施方法能够有效支撑对解决工程问题能力的培养。基于国际工程教育理念，学生解决复杂工程问题能力的培养是一个系统工程，课程的建设和实施应注意综合考虑毕业要求、课程目标、课程内容、教学大纲、教学设计、教学实施、教学效果等方面内容，形成一个完整的学生能力培养与课程建设共同提升的闭环体系，教学相长。

参考文献：

[1]蒋宗礼.本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养[J].中国大学教学，2016，（11）.

[2]周廷勇，周作宇.高等教育质量观的理论反思[J].大学教育科学，2018，（2）.

[3]Kuosa K，Distante D，Tervakari A，et al. Interactive Visuali-zation Tools to Improve Learning and Teaching in OnlineLearning Environments[J].International Journal of Distance Education Technologies，2016，（1）.

[4]孙爱晶，陈怡君，石晓娟.基于OBE的本科人才培养目标评价体系探究[J].高教学刊，2017，（9）.

[5]Oladiran M T，Pezzota G，Uziak J，et al. Aligning an engin-eering education program to the Washington Accord requi- rements： Example of the University of Botswana[J].Internat- ional Journal of Engineering Education，2013，（6）.

[6]邵辉，葛秀坤，毕海普，等.工程教育认证在专业建设中的引领与改革思考[J].常州大学学报：社会科学版，2014，（1）.

[7]宋守信，杨书宏，傅贵，等.中美安全工程专业教育及认证 标准对比研究[J].中国安全科学学报，2012，（12）.

[8]浦玉忠，韩晓庆.“跟进式教育”理念的实践模式浅析[J].江苏工业学院学报：社会科学版，2010，（2）.

[9]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证工作指南：2018版[Z].中国工程教育专业认证协会秘书处编印，2017：11.

[10]杨毅刚，孟斌，王伟楠.如何破解工程教育中有关“复杂 工程问题”的难点——基于企业技术创新视角[J].高等工程教育研究，2017，（2）.

收稿日期：2018-11-13

作者简介：毕海普（1982—），女，河南南阳人，常州大学环境与安全工程学院讲师，主要从事安全工程信息化技术研究。

基金项目：江苏省高等教育教改研究重点课题“‘互联网+下安全人才培养教学模式改革的研究与实践”（2017JSJG026）;江苏高校品牌专业建设工程一期项目“常州大学安全工程品牌专业”（PPZY2015B154）;常州大学校本科课程教学创新

工程项目“国际工程教育理念下翻转课堂教学研究”（CXGC201629）