培养解决复杂工程问题能力的新工科实践教学研究

李睿　曹荣敏　于镝

摘要：文章基于本校前期工科建设经验，提出面向工程问題解决能力培养的教学模式;建立以“解决复杂工程问题”模式为核心的自动化类专业实践教学设计。重点研究如何在实践教学环节中，以含需求分析和设计阶段的工程项目的时间跨度为根本，使得学生以积极主动的理论联系实际，最终达到学以致用。提出基于解决复杂工程问题能力的“多层次”实践教育体系。

关键词：复杂工程问题;能力培养;综合实践教学平台;多层次实践教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）13-0084-02

一、引言

解决复杂工程问题是工科教学的重中之重，在高速信息时代显得尤为突出和紧迫。因为我们在实际的教学过程当中，经常发现学生尽管学习了很多门课程，但是仍然无法将多种知识在实际的工程应用中有机地结合起来，进而有效地去解析和设计一个方案应对复杂工程问题。除了平时的教学以及课程设计外，在毕业设计、企业实习等环节都突出了这一严重的问题。所以本文也基于这点，积极探索和发掘如何将解决复杂性工程问题的能力培养融入教学内容中[1]。

二、新工科教育中普遍存在的问题

我们新工科建设的重中之重是实施卓越工程师培养，急需培养出大量具有匠人精神的创新型人才。在此过程中，积极探索培养学生获得面向工程问题解决的能力十分重要，这也是与世界一流高校相对比之下，我们的教育体系存在的问题之一[2]。存在的问题具体表现为以下两个方面。

第一，在工程实践教学过程中对学生独立探索解决工程问题能力的培养，及相关的课程体系不够合理;本质上，职业教育和工程教育对社会的建设支持力度更加直接，也是我们当今中国社会最需要关注的领域。对于实践和实验教学的工作量化补贴有待提高。对自动化专业而言，工程实践教学涉及知识面较广，如工程任务的分解、计算机编程、硬件电路开发、自动控制数学模型建立、模式识别以及被控对象物理性质，等等。

第二，新工科教学中对工程创新思维培养有所不足。

在我国政府大力提倡创新创业发展的背景下，虽然创新本身随机性很大，不便于规划，但是，面对一个具体的工程，策略能够更好地引导学生去发挥发散思维。例如，美国的哈佛大学、斯坦福大学等名校为创业摇篮硅谷培养人才，其模式值得借鉴。目前，我国新自动化学科建设，迫切需要探索设计一套完整的学生创新思维实践方案[3]。

三、实践与多层次教学框架设计

依托我校的信息专业特色，以及依据自动化专业的卓越工程师计划2.0体系，通过研究和实验实践，基本形成一套新工科面向工程问题解决能力培养的自动工程实践教学体系。可概括为“一个理念、两任务，三阶段、四措施和五环节”。

一个理念是指理论联系实际，即以实践是检验真理的唯一标准贯彻到整个实践教学的始终。两任务：一方面是针对学生的创新理念转变，如何转变思想意识去面对一个复杂工程问题;另一方面是实践中怎样去反馈理论问题，即另一个任务是学以致用，运用书本的知识以及丰富的网络资源去解析工程问题。三阶段，即学生对一个复杂工程的认知理解阶段、消化学习阶段以及动手应用阶段，每个阶段都以工程化理念为指导。四措施，即学校的制度体系、老师的教学方案、学生的学习平台软硬件建设，以及教育教学评估体系，全面围绕工科实际解决工程问题能力而进行设计和调整。五环节就是平时课程的教学、实训、综合实验、企业的顶岗实习、毕业设计以及课外开放式创新课题，五个环节全方位、全时段地培养学生解决复杂工程问题的能力。

四、解决复杂工程问题能力的综合实践能力培养平台建设

为实现面向工业4.0的综合自动化工程问题解决导向教育，北京信息科技大学的综合自动化专业实验室最新引入了智慧生产实训系统，依据我国工业制造2025的标准而制作的智慧订单和生产系统是简化版的一个微型智能工厂。该实验平台不仅能加强专业知识的巩固，还更加注重实践技能的培养，让自动化专业的学生在动手操作中活学活用专业知识。这套自动化设备从理论上涉及了物联网、大数据和人工智能的多学科交叉融合。

实践课程中首先布置给学生基本工程设计目标，将各个控制单元的基本功能和基本要求约定如下：

1.智能仓库单元。初始化之后，机械手在二维平面或三维立体坐标系内设计电机驱动（其中可能包含不同类型的电机，如直流电机、交流步进电机和交流伺服电机等）。能够根据上位机下达的指令和摄像头拍摄的仓库平面图像数据，驱动合理的运动轨迹，实现对应原料的自动取货并送到指定位置准备出库。

2.模拟灌装单元。首先通过光电传感器或超声波传感器，判定物料已经送达到位，然后发出电机和流量阀的驱动指令，完成仿人工的罐装动作。没有实际流体罐装的情况下，我们不妨在下压部件上有一个喷气口，模拟动作即可。将容器填满并紧接着平稳送回到指定点，等待进入下一流程。

3.压盖单元的基本功能。按照生产单的要求，分别进行黑白两种瓶盖的压盖操作，两种工件的选择依赖于生产单。

4.质检单元的基本功能。按照本批次的灌装要求，对灌装装配的产品进行质检。

5.传输单元核心任务。这个单元和其他四个单元的协调是设计重点，简单的功能是有序的双向精准传送带，需要在合适的时间位置将物料运送到指定的接续点。这就需要综合运用传感器实现位置感知，并且配合长距离电机实现平稳运输。

通过使用这套实验平台，可以显著提高学生解决复杂工程问题的能力，如设计、软硬件开发及团队协作能力，以生动的趣味性极大调动学生的学习积极性。在此动手解决复杂工程问题的实践中，学生可以深刻理解从“物理”到“信息”的自动控制系统实现过程。未来，相对于“物理”意义上的零部件，我们智能工业界将更重视带有“信息”功能的附加价值。即未来智慧工厂环境中，从“群体”到“个体”。“大规模私人定制”概念的实践，如此，我们更容易地实现学以致用，寓教于乐，努力培养高实践技能的自动化专业人才。

五、结论

基于本校前期工科建設经验，提出面向工程问题解决能力培养的教学模式;建立以“解决复杂工程问题”模式为核心的自动化类专业实践教学设计。本研究是为了培养学生动手解决智能工厂的控制类科技问题。我校引进了智慧工厂实训平台，其基本情况如下：坚持理论联系实际，以专题课程形式给学生讲授工业4.0的概念，工程项目旨在理论联系实际，让学生在实践到理论、理论再到实践的闭环探索过程中，不断迭代升级自身的复杂工程解困能力。

参考文献：

[1]蔡培君.实践教学培养学生解决复杂工程问题能力探索[J].阴山学刊（自然科学版），2017，31（2）.

[2]陈雯柏，吴细宝，许晓飞.基于机器人足球平台的工程训练研究[J].实验室研究与探索，2017，36（5）：228-231.

[3]李开宇.新工科背景下检测技术综合课程设计教学模式探索[J].科教文汇（中旬刊），2018，（7）.

Research on Practical Teaching of New Subjects to Cultivate Ability to Solve Complex Engineering Problems

LI Rui，CAO Rong-min，YU Di

（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Abstract：Based on the experience of engineering construction in the early stage of our school，this paper establishes a practical teaching design of automation specialty with the core of "solving complex engineering problems" mode，which is oriented to the cultivation of engineering problem solving ability.Focus on how to make students take the initiative，practice and organic connection between courses in the practice teaching link，taking the life cycle of the project as the carrier.Then，a "multi-level" practical teaching mode based on the ability to solve complex engineering problems is put forward.

Key words：complex engineering problems;ability training;comprehensive practical teaching platform;multi-level practical teaching