解决复杂工程问题能力培养体系的构建与实践

乔美英 黄凯征 陶慧

摘  要：培养学生具有“解决复杂工程问题”能力是工程教育改革中一个重要部分。论文从自动化专业的特点出发，首先对“解决复杂工程问题能力”特性进行了界定;其次通过对能力的分解，由顶层设计构建了实现能力培养的教学环节，形成环环相扣架构;最后，通过层层落实、形成合力的态势实现能力培养。本体系可概括为：利用课堂教学环节保证能力的基本达成，利用多层次实践环节进行强化达成，最后利用毕业设计环节实现完善达成。整套体系以培养学生“具有解决复杂工程问题”能力为核心，将工程教育认证理念贯彻于各个教学环节中，实践表明此体系行之有效。

关键词：人才培养;复杂工程问题;培养体系;自动化专业

中图分类号：C961         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）03-0168-04

Abstract： Cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"is an important part of engineering education reform. In view of the characteristics of the automation profession， the ability to "solve complex engineering problems" are first defined; Secondly， through the ability decomposition， the teaching links of each ability are built through the top-level design， forming an interlocking structure; Finally， the training of each link is implemented， and capacity building is achieved through the formation of synergy. The system can be summarized as： the use of classroom teaching links to ensure the basic achievement of the ability， the use of multi-level practice links to strengthen the achievement， and finally the graduation designis linked to achieve perfection. The whole system is based on cultivating students' ability to "solve complex engineering problems"， and the concept of engineering education certification is implemented in various teaching links. Practice shows that this system works well.

Keywords： talent cultivation; complex engineering problems; training system; automation major

引言

2006年，我國开始全面构建国际实质等效的工程教育认证体系，2016年6月3日正式成为《华盛顿协议》缔约成员，一方面为我国工科专业毕业生进入国际市场提供了通行证，另一方面我国的工程教育也要按照国际实质等效的原则培养具有“解决复杂工程问题”能力的学生[1，2]。而我国之前实施的“卓越工程师”1.0计划也明确强调了实践工程能力的培养[3-6]。

现代工程问题不再是单纯的工程问题，而是协调多种非工程因素的综合问题。文献[7]对国际上学历互认的三个主要协议进行对比，指出解决“复杂工程问题”对于工程教育的重要意义，并对“复杂”与“工程问题”进行了深入剖析，分析了培养“复杂工程问题”能力的难点[7]。文献[8]从“复杂工程问题”的特性出发，将培养学生解决“复杂工程问题”能力分解到各个教学环节，并植入教学体系[8]。文献[9]指出本科工程教育应聚焦培养学生“解决复杂工程问题”的能力[9]。由此可看出“解决复杂工程问题”能力的培养在工程教育认证的推动下，在高等教育深化改革的进程中变得越来越重要[10]。

河南理工大学是全国第一所煤炭院校，也是河南省第一所创办自动化专业的本科院校，依托学校服务于煤炭行业办学定位，本专业从1989年开始就与平顶山煤业集团建立了长期的产学研合作关系，定期为该集团矿井提升机电控系统进行检测与调试，并为其培训技术人员，同时研发了“JTK矿用提升绞车电控系统”“全数字矿井提升绞车隔爆兼本安四象限智能变频调速控制系统”等设备，以此为基础自动化专业与行业背景企业建立了广泛深入的合作关系，同时也形成了注重学生实践能力培养的办学传统，2012年成为教育部第二批“卓越计划试点专业”，2018年6月通过了教育部专业认证。

经过长期的实践与不断的积累，自动化专业已逐渐形成了一整套培养学生“解决复杂工程问题”能力的教学体系，可概括为“顶层构建、能力分解、各环落实、综合强化，环环相扣、形成合力、完善达成”。

一、复杂工程问题的特性及实现途径

根据2015版的《工程教育认证标准》中关于“复杂工程问题”特征的说明[7]。我校自动化专业根据行业特色、人才培养定位与培养目标，多次组织校内外专家进行研讨，对本专业的“复杂工程问题”进行了界定：

1. 必须是来源于自动化专业领域的工程实际问题。

2. 体现知识的广度和深度，着重系统机理分析与工程实现，必须运用基本原理经过深入分析才可能得到解决的工程问题。

3. 具有非線性、时变性、随机性、不确定性、含有已知和未知干扰，无法用经典方法建立被控对象数学模型的问题。

4. 体现矛盾和冲突，存在多方案比较与选择的问题。

5. 无法用单一课程的理论和知识解答的问题。

为使学生具有以上描述的“解决复杂工程问题”能力，首先需要顶层构建、能力分解，其次是各环落实、综合强化，以达到环环相扣，形成合力的态势，最后通过毕业设计环节来完善达成。具体可概括为：

1. 将“解决复杂工程问题”能力分解为知识、能力与素养的培养，贯穿于整个四年的教学体系中，包括各个体系中的各个环节，如基础课、专业基础课、专业主干课、实践环节和综合课程设计环节对各个能力点的培养。

通过以上环节，环环相扣，形成合力，使得所有学生基本具备解决复杂工程问题的能力。

2. 在不同学年设置不同的实训环节，对所有学生，通过实训手段，强化解决复杂工程问题能力目标的达成。

3. 通过“毕业设计”综合环节，完善此目标的达成。

二、顶层构建能力分解，确保基本达成

由于解决“复杂工程问题”能力是一项综合能力，培养学生具备此能力需要一个完善的教学体系[11-13]。为此本专业通过将所有环节根据其教学内容相关性归类为10个基本的课堂教学体系，而每一个体系承担一个能力指标，其分解结果见图1所示。每种能力又被分解到所在课程体系中的各门课程目标中，课程目标通过掌握教学知识点与课内实验知识点来达成，所有学生在达成每一门课程的同时基本具备了“解决复杂工程问题”的能力。

为了确保此能力的基本达成，还需要从以下方面予以保障。

1. 按支撑“复杂工程问题”能力需要，安排教学内容。强调课程内容应包含相应的自动化领域的深入原理。强调能力不是简单知道，简单计算，需达到一定的深度，更重要的是要强调具有工程思想与工程分析能力[14，15]。对应能力要求在各个教学大纲都有明确的要求。

2. 按支撑“复杂工程问题”能力需要，开展教学活动。教学活动需落实大纲规定，确保学生深入基本原理，理解精髓，将基本原理与工程问题有机地结合，讨论应用方法，体验知识应用于实践中产生的效果[16]。再通过综合实验或实训进行能力巩固。

3. 按支撑“复杂工程问题”能力需要，实施教学评价。强调多种形式的能力考核，将能力点对应于目标点，通过对目标点考核评价能力达成情况。

如“三电”基础课程学完后，要求基本具备了电子设计与应用能力，理论课程通过课堂来考核，基本运用知识能力通过各门课程课内实验来考查，而综合运用知识的解决复杂工程问题能力，通过综合实训课程来考查，教师提供通用电路板、变压器、二极管、小电机等基本元器件与工具，要求学生通过查资料自行完成不同电压等级的电源设计并实现、完成收音机安装与调试，利用示波器分析电源特性、电机特性以及收音机调试中的各种现象，通过答辩给出学生成绩，在答辩中一方面考察学生的工程知识能力，另一方面考查学生的表达、沟通与交流的能力。

三、多层次实践环节构建，实现强化达成

在强化达成环节，构建实践教学环节，将“解决复杂工程问题”的能力转化为实践教学目标贯穿在实践教学的全过程，实现环环相扣态势，最终形成从多层次课内实验、课程设计、实习环节、工程实训到科技竞赛项目的实践教学体系。实践教学体系结构如图2所示。

（一）构建多层次实验教学体系，将创新意识贯穿到实践教学中

实验项目的设置上增加设计型和研究型实验的比重，着重培养学生创新思维能力。在此类项目中，教师只提出实验要求和任务，由学生自己确定实验方法步骤、设计实验电路、选择测量仪器仪表。充分发挥学生自我学习的能力，综合应用所学理论知识，自主设计实验电路、安排实验步骤，从而培养了学生综合素质。

如“DSP原理与应用”中在AD转换学习过程中，由学生自行设计模拟信号发生电路，并通过DSP的AD采集过来，引导学生分析模拟信号发生变化时的转换结果，以及模拟信号加噪声时的转换结果，并将CCS7.3寄存器读取的数据与外部件器件（如示波器）测量数据比较分析其误差，并给出减小误差的设计方案。

这些环节的培养，使学生能独立自主分析具体问题，并通过实际动手解决具体工程问题，并能表达对工程问题的见解，由此可将学生的探索性学习转化为实践经验，将“知识掌握”提升到了“知识应用”，是一个将知识转化为能力的一个强化环节。

（二）构建“基础型、综合设计型和研究创新型”多层次实训项目群

结合我校国家级电工电子示范中心每年度的实验室开放基金项目，优化实践课程内容，构建基础型、综合设计型和研究创新型多层次实训项目群，开展以项目驱动方式的系列实践环节。

首先，将工程训练中心的矿用绞车提升机电控系统装置接线实训作为基础型实践环节引入到教学中，提供基本实验台与实验用器件，包括：断路器、熔断器、空气开关、各类继电器、行程开关等，要求学生通过接线实现三个电路正反转设计，从而实现货物的六自由度运行，并考虑启动时的自锁与互锁功能，实现点动与自动运行模式，在自动运行模式下，对于左右行与前后行时考虑运行到终点自动返回等功能，整个过程中需自学器件的基本工作原理及使用方法，并根据应用场合对熔断器进行选型，整个设计过程需要团队分工合作才能完成。

其次，将基本嵌入式系统的智能穿戴产品开发设计作为综合设计型的工程实训项目，采用嵌入式系统的最小核心板，通过自行设计外围接口电路，通过相应的软件开发环境，利用I2C或SPI接口实现外接各类传感器（如陀螺仪、加速度计和磁强计）的数据采集，分析、补偿与滤波，并对数据进行特征分析与特征提取。项目需团队协作才能完成。

最后，将智能车竞赛中的“电磁组直立行车”的项目思路引入，开发了基于DSP控制器的自平衡小车实训项目，两轮自平衡小车工程实训项目是集成机械、电子、通讯、自动控制、嵌入式芯片技术于一体的小型智能机器人，是一个典型的非线性、强耦合、多變量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，它是一个理想的教学实验设备，许多抽象的控制概念都可以通过两轮平衡小车直观地表现出来;本项目的完成不仅要求学生具有一定的理论知识储备，如自动控制理论中系统的稳定性、可控性、收敛速度和抗干扰能力，传感器技术及信号处理的滤波技术等，还需要学生掌握DSP芯片在控制中运用的基本功能与实现方法。此项目必须是学生在团队协作、交流沟通及查找文献的基础上才能完成。

（三）建立人才培养、科学研究和社会服务“三位一体”的科技竞赛模式

为了与企业展开合作，平顶山煤业集团、焦作煤业集团及晋城煤业集团建立合作协议，郑州光力科技股份有限公司、焦作华飞电器有限公司、运城职业技术学院教学矿井实践基地等多家企业签订了同建大学生创业实践基地的协议。由我校优秀校友创办的焦作华飞电器股份有限公司，于2011年11月与自动化专业签订协议，10年内每年投入10万元人民币，设立“华飞奖学金”，开展“华飞杯”科技竞赛活动，目前此项活动已成功举办6届。

此外，为保证课外科技活动能够稳定持续地开展，学校和企业共同设立科技竞赛创新基金，每年拨专款用于学生参加各类科技创新和发明创造活动的资助和成果奖励。在学生科技竞赛方面，聘请企业中的优秀技术人员和高级工程师来担任科技竞赛的指导老师，结合竞赛题目的专业方向为参赛师生开展专题讲座和指导。各类活动极大地开阔了学生的视野，激发了学生参与科技竞赛的积极性，最大限度地提高了学生“解决复杂工程问题”的能力。

四、强化毕业设计管理，实现完善达成

本专业专门开发了一套毕业设计管理系统，把对学生的整个指导过程都用管理系统详细记录，用工程教育认证的标准进行过程考核，强化过程管理，从而严把毕业设计的质量关，毕业设计管理主要包括六个方面分别是：课题管理（申报与审核）、任务书（下达与审核）、过程管理（开题、中期、外文阅读、工程图纸、辅导答辩等）、论文审核、毕业答辩（申请审核、评阅教师指派、答辩分组管理等）、材料归档（材料审核、质量评价、各类汇总报表）。

首先，从题目与任务书中针对设计内容多偏向于理论与仿真研究、针对往年本专业毕业设计选题中控制思想体现较弱的问题，专业教学委员会组织教师在选题初期通过对题目与任务书的内容进行研讨，将从整体系统考虑，加强整个设计过程中对控制与决策的思想的体现，使毕业设计的选题更科学化、规范化和合理化，从而符合本专业的培养目标;其次，加强开题审查、中期检查及辅导答疑等过程管理与控制，确保毕业设计过程无漏洞，以确保毕业设计的进度与质量;最后，通过完善环节的考核细节，来严把毕业设计的质量关，考核主要分为两个方面：总结性考核（包括：评阅书、评定书及毕业答辩）与形成性考核（开题报告、中期检查），而每个方面又分别从分析研究、工程设计、沟通交流、技术规范、工程伦理五个角度，这五个角度也体现了工程教育认证的标准要求，最终对每位同学都形成一份质量分析报告。从所有学生的质量分析报告中，又可以总体分析本专业的毕业设计质量。

五、结束语

从培养学生“解决复杂工程问题”能力出发，从能力的分解、达成途径、达成过程进行初步实践与探索，限于目前的实际情况，离完全达到华盛顿协议指标，尚有一定的距离，这也将是一个长期的、不断完善、持续改进的过程，需要政府、社会与高校共同努力。从培养目标与毕业要求确立、课程体系建设、师资力量的强化、保障制度完善等各个方面着手，将培养学生具有解决复杂工程问题能力作为核心，始终贯彻以学生为中心、成果导向和持续改进的理念于各个教学环节中，为我国的工程技术人员走出国门，参与国际事务培养人才。

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