工程教育认证中复杂工程问题设计、布局与实施

朱凯然 仵杰 王萍 贾惠芹 武晓朦

摘  要：工程教育认证中深刻理解和把握复杂工程问题，并精心设计、周密布局与有效实施复杂工程问题是高等教育工作者面临的共性问题。文章依托西安石油大学测控技术与仪器专业认证，从明确复杂工程问题内涵入手，提出反映本专业特征的复杂工程问题，并将布局到可执行、可衡量以及可评价的课程教学当中，在此基础上能持续改进本专业的复杂工程问题。

关键词：工程教育专业认证;复杂工程问题;毕业要求;指标点分解;教学布局

中图分类号：G640         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）03-0091-04

Abstract： It is a common problem for higher education workers to understand and grasp complex engineering problems （CEPs） deeply， and design， arrange and implement them effectively in engineering education certification. In this paper， we start with the definition of CEP， and propose a CEP example of measurement and control technology and instrumentation （MCTI） of Xi'an Shiyou University （XSYU）， which reflects the characteristics of the profession. And then we decompose it into executable， measurable， and evaluable teaching course， and can continue to improve the professional CEPs. It is expected to provide a reference for the relevant college to do engineering education certification.

Keywords： engineering education professional certification; complex engineering problems; graduation requirements; index point decomposition; teaching arrangement

2016年6月，我国正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议《华盛顿协议》，标志着我国正在从工程教育大国迈向工程教育强国[1-3]。教育部评估中心积极构建“五位一体”高等教育质量评价监测制度，让教育质量接受社会评价，教育成果接受社会检验，教育决策接受社会监督。2014年，教育部首次把质量监测重心进一步下延到专业人才培养层面，聚集到学生和用人单位满意度上，这种理念正好契合工程教育认证理念：以产出为导向（Outcome Based Education， OBE），以学生为中心和持续改进[4]。

《华盛顿协议》与其他国际工程教育专业认证协议最大的不同体现在解决“复杂工程问题”的能力要求[1，5]。复杂工程问题和非技术因素是工程认证毕业要求的两大难题，也是专业认证过程中达成评价不足的共性问题。“复杂工程问题”在涉及工程技术问题的同时还涉及大量非技术因素。不同职业岗位所面对的“复杂工程问题”差异性很大，在实际工程中，解决“复杂工程问题”更是一种综合素质的体现，而不是就事论事的具体解决方法，这种能力学习应该贯穿于学生的整个教育过程[6]。

2018年6月25日认证专家组来西安石油大学开展测控技术与仪器专业工程认证工作并给予肯定，2019年6月17日教育部高等教育教学评估中心公布本专业已通过工程教育认证。本文结合本专业工程认证实际工作，就复杂工程问题展开讨论，主要包括以下三个方面的目标：明确复杂工程问题的内涵，并提出反映本专业共性特征的复杂工程问题;将所提出的复杂工程问题布局到课程教学当中，并将之实施;依据评价结果、行业发展和人才需求等因素，持续改进本专业的复杂工程问题。

一、复杂工程问题的内涵

“复杂工程问题”既是工程教育专业认证中的一个老问题，也是一个新问题。《华盛顿协议》对其界定如下：是指没有深入的工程知识就无法解决，需要进行基础性和原理性分析的问题，具有以下一个或多个特点，如表1所示。复杂工程问题的两个关键词是“复杂”和“工程”。根据我国工程教育标准对“复杂工程问题”的界定[5，7-8]，可以发现“复杂”两字在此处至少包含了三个层面的涵义，如表1所示。

“工程”是指数学、自然科学和工程知识、技术和技能整体的、有目的性的应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种机构、机器、产品、系统和过程，以最短的时间和精而少的人力做出高效率、高可靠且对人类有用的事物，工程包括四个方面的涵义如表1所示。

由此可见，这些特征是有别于具体技术问题的。通用标准中规定必须具备特征（1），还需要同时具备（2）-（7）特征的部分或全部[8-10]。具有“复杂性”的工程问题，并非一定是在技术层面难于理解或难于分析，而更多地因为这些问题可能是超越现有解决方法和标准、超越单一学科知识领域甚至是超越技术范畴的问题。当更多更纷杂的因素和利益方掺杂在问题中时，就会不可避免地存在冲突。工程教育培养的专业工程师需要在这种纷繁复杂的问题中找出平衡的解决方案，这正是“复杂工程问题”的“复杂”所在。“复杂工程问题”作为一类“工程”問题，从根本上是以应用为目的的问题。解决“复杂工程问题”所需的知识、能力，以及所采用的分析、研究方法，都需要在社会应用和工程应用中形成。

二、确定本专业复杂工程问题

12项毕业要求中有8项涉及解决复杂工程问题的能力。要求必须明确表述反映本专业特质的共性复杂工程问题，这就需要从以下几个方面考虑：（1）由哪个机构分析归纳出复杂工程问题？可以是学院教学委员会，专业教学委员会和第三方职能机构。（2）该机构由谁负责？教学院长和专业负责人。（3）依据（来源）有哪些？毕业生就业行业、岗位，行业/企业专家和本专业教师。通过问卷调查、走访调研、座谈纪要和研讨会的形式获得相关信息。通过合理性评价分析，应体现专业、行业和工作环境特质。

（一）专业特质及体现

结合钻井和测井仪器在石油领域的应用，石油钻、测井仪器所面对的复杂工程问题的主要特征有：非均质性、环境未知性、高温、高压和强振动以及空间狭小所带来的复杂性。石油钻测仪器专业特质如图1所示，具有以下七个特征。

1. 钻测环境的复杂性，石油钻测仪器面临极端复杂的地上和地下环境，地上环境包括海水、荒漠和极地等，地下环境包括高温、高压、强烈的振动冲击和承载机体受到强烈的拉压弯扭等。

2. 钻测对象的复杂性，所探测地层的非均质性和多样性，包括砂泥岩、碳酸盐岩、变质岩和页岩等。

3. 钻测方法的多样性，是指利用电、声、核以及磁测井方法对地层信息进行测量。地层中非电量信息到电量的转化涉及直接和间接测量方式。直接测量如压力温度、振动冲击等;间接测量如多种地层参数的测量必须通过正演和反演方法得到。由此需要建立专用的测量模型和特殊的模拟装置，并经过大量的试验验证，最后才能将测量结果落实到测量模板上。

4. 信号传输的复杂性，主要是指勘探、测井、钻井、完井、固井和开采等生产环节中，地面设备与井下设备之间的信息传输。

5. 解释评价的复杂性，是指根据电、声、核、磁测井模型对地层特性进行准确地解释和评价，该过程涉及现代信号处理等学科知识。

6. 钻测控制的复杂性，主要是指构建油气生产通道过程中的工程导向控制和地质导向控制。所谓工程导向就是利用智能钻井工具按照设计轨迹完成井眼钻进;所谓地质导向是指在工程导向的基础上利用仪器探测的地层信息，将井眼导向资源最富集区域。

7. 涉及学科的多样性，是指石油钻测仪器涉及学科面广，极具交叉性，包括测井、钻井、地质油藏、计算机、数学、物理、化学、电子信息、自动控制、机械及机电一体化等。

依据通用标准中复杂工程问题的描述，本专业的复杂工程问题更多地体现在以下三方面：（1）环境的极端复杂;（2）通信的复杂;（3）测量对象无法直接观测，更多的工程问题要采取间接测量。

（二）复杂工程问题举例

本专业在1980年恢复招生后的“应用地球物理勘探仪器”专业基础上组建。坚持石油特色与地方经济建设服务相结合的科学研究方向，在旋转导向钻井、随钻测井和电磁测量技术等方面形成了鲜明的学科发展特色。根据专业、行业和工作环境特质，以行业内一个共性复杂工程问题为例：随钻测量（Measurement While Drilling， MWD）与数据传输[11]。

MWD是定向钻井中一种先进的技术手段，可以不间断定向钻进而测量近钻头地层信息，并将信息即刻传送到地表的过程。随钻测量系统较电缆测量系统的优点：可实时进行地层评价和钻井地质导向，在解决水平井或大斜度井、困难测井环境等的地层评价问题方面，展现出经济上和技术上的优势。随钻测井数据是在地层刚钻井后不久测量得到的，此时地层还未受到钻井液污染或侵入尚浅，测井响应受钻井液侵入影响小，能较真实地反映原始地层特性。随钻测量的数据传输方式一般包含两种：有线和无线方式，如图2所示。

三、复杂工程问题在教学环节中的布局

毕业要求是复杂工程问题在教学环节中布局的“指挥棒”，而教学体系（包括课程和实践教学）是实现毕业要求的。因而“复杂工程问题”最终都要落实于相关的课程和实践环节[12]。

将复杂工程问题布局到教学环节中的方式如表2所示。复杂工程问题可以分解成多个子问题，每个子问题又可以落实到具体教学环节，所以依据毕业要求的层次性，分解复杂工程问题并设置相应的教学环节，应遵循三个原则：对应原则，层次原则和支撑原则。

复杂工程问题的教学布局与实施步骤如下：

（1）问题设计，提出本专业共性的“复杂工程问题”;（2）课程布局，安排能支撑子问题的教学环节;（3）教学实施，在课程大纲中必须明确说明能够支撑具体复杂工程问题能力培养的教学内容、学时、方法和考核方式，并通过课程评价来证明课程目标的达成。其中，课程评价主要通过教师自评、课程组评价与第三方评价相结合的方式来完成。该评价环节的主体包括任课教师、课程组负责人及督导组。可根据评价结果进行持续改进，形成闭环以提高教学质量。

以随钻测量与数据传输为复杂工程问题实例。将随钻测量与数据传输这一复杂工程问题，按照通用标准的特征描述分解开来并做特征符合说明，以及分解点在教学环节中的布局。其所涉及的知识点将分解在每门课程中，具体如表3所示。例如，针对特征1可分解为：

（1）井斜、方位、工具面和温度等参数测量，在确定井下传感器选型及参数测量时需具备相应传感器工作原理，并考虑工作环境因素对井下特殊环境中信号拾取进行分析，其支撑课程为《传感器原理》。

（2）误差放大器、低通滤波器，涉及信号电压放大及滤波原理，支撑课程为《模拟电子技术基础》。

（3）井下与地面通信，涉及数据异步传输工作原理和电磁干扰与抗干扰技术，课程布局为《数字传输原理与系统》。

（4）地面信号检测，涉及信號检测技术，课程布局为《数字信号处理》。

（5）井下仪器控制，涉及自动控制工作原理相关知识，课程布局为《自动控制原理》。

再如特征3，需要对井下信号建立模型，从非电量到电量的物理量模型转化，该过程中涉及模型抽象并存在创新的可能，其支撑课程有《测井仪器方法及原理》和《数字信号处理》。另外，在毕业设计、课程设计和实习等实践环节也是围绕解决复杂工程问题开展的，由于篇幅有限，在此不再赘述。

总之，提炼出反映专业特质的复杂工程问题并将其分解布局到教学环节中，是“知”的层面。在具体的教学活动中，如何体现复杂工程问题并将之付诸于工程实践之中，是“行”的层面。

四、复杂工程问题在教学过程中的实施

根据本专业复杂工程问题及教学布局制定合理的教学大纲是保障教学实施的重要基础，是复杂工程问题在教学中达到“知行合一”境界的重要一环。教学大纲是教师与学生之间的“契约”，它必须明确地包含以下几点：教什么？通过什么方式教？能够得到什么？得到的程度如何？除此之外，还需要考虑以下几个问题：（1）教学大纲由谁制定、评审？（2）课程目标必须明确表述培养学生复杂工程问题的哪些能力。（3）如何安排对应相关子问题的教学内容？（4）采用何种教学方法？（5）相应教学内容如何评价？

这些问题都是具体问题，因课程的不同而不同，应遵循实事求是，因材施教，具体问题具体分析的原则。当然，复杂工程问题和对应的教学大纲都不是一成不变的。随着知识和技术的更新，依据社会和行业发展需求，持續改进本专业的复杂工程问题，修订教学大纲以适应人才培养需求的发展。

五、结束语

随着坚持以本为本，推进四个回归教育理念的提出和工程教育认证工作的开展，建设工程性人才培养机制以匹配国家发展趋势和人才需求。培养学生分析和解决复杂工程问题的意识和方法是重要的一部分。OBE教学模式的关键点在于明确了教学活动中所有可衡量和可评价的教学环节，教学环节又服务于毕业要求能力的培养。这对科学合理地评价教学质量、持续地改进教学具有重要意义。鉴于此，在人才培养过程中需要深刻理解和把握复杂工程问题，并精心设计、周密布局与有效实施复杂工程问题。结合本专业工程认证的实际工作探讨了上述问题，以期为“复杂工程问题”的教学体系改革提供参考。

参考文献：

[1]周红坊，朱正伟，李茂国.工程教育认证的发展与创新及其对我国工程教育的启示——2016年工程教育认证国际研讨会综述[J].中国大学教学，2017（1）：88-95.

[2]蔡志平，胡罡，曹介南，等.网络工程专业工程教育认证的探索和研究[J].中国大学教学，2016（9）：36-41.

[3]杨毅刚，王伟楠，孟斌.以提升解决“复杂工程问题”能力为目标的工程教育培养模式改进研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.

[4]李文君.正确评估中国工程教育质量[J].教育与职业，2015（1）：54-56.

[5]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）：72-78.

[6]彭文庆，朱永健，彭刚.基于“培养解决复杂工程问题能力”的工程教育专业认证探讨[J].当代教育理论与实践，2017（6）：14-18.

[7]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）：27-30，84.

[8]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26，38.

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[11]周静，白莎，刘道勇.随钻测量中加速度传感器的标定分析[J].仪表技术与传感器，2012（1）：4-6，12.

[12]周克宁，罗朝盛，康敏.植入“复杂工程问题”的教学体系改革探索[J].中国大学教学，2016（10）：51-54.