课程设计教学与复杂工程问题解决能力培养

杨培林 蒋克俭 陈丽 文永红

[摘 要]课程设计是工科专业课程体系中的一门重要课程，对培养大学生解决复杂工程问题的能力具有举足轻重的作用。本研究首先分析了课程设计的特点，指出课程设计主要是程序性知识的学习，基于项目的学习是课程设计的主要教学模式;然后分析了目前课程设计教学中存在的问题;同时按照基于项目学习的理念，以培养学生解决复杂工程问题能力为目标，对课程设计的题目选择、教学内容、组织模式及考核方式进行了论述，以期提高课程设计的教学质量，切实提高学生分析和解决复杂工程问题的能力。

[关键词]课程设计;复杂工程问题;解决能力;基于项目的学习

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）06-0069-03

2016年我国正式加入《华盛顿协议》组织，这是我国高等教育的一项重大突破。按照《华盛顿协议》的要求，通过工程教育认证的工程专业不仅要使学生深入理解和把握复杂工程问题，更要能按照国际实质等效原则培养学生具有解决复杂工程问题的能力[1-3]。在我国成为《华盛顿协议》正式成员后，解决复杂工程问题能力就成为我国高等院校工科专业毕业生的基本素质。

为了有效培养学生解决复杂工程问题的能力，应该根据复杂工程问题的基本特征及工程教育专业认证对毕业生能力的要求，结合OBE（Outcomes-Based Education）理念对原有的课程体系及内容进行改革。改革后的每门课程都应在一定程度上支撑学生复杂工程问题解决能力的培养。

在工科专业的课程体系中，课程设计是与基础技术课程和专业基础课程配套的重要课程模块。课程设计通常安排在相应的理论课程之后，是建立在前期理论知识学习基础之上的一项涉及本课程主要内容的综合性实践教学环节，它不但有利于对前期理论课程内容的进一步理解和掌握，还有利于培养学生综合运用所学其他先修课的基本理论和知识，结合实际去分析和解决复杂工程问题的能力。因此，课程设计在培养学生解决复杂工程问题的能力中占据着十分重要的位置，具有举足轻重的作用，在课程建设中必须给予高度重视。

本文首先分析了课程设计这门课程的特点，从培养学生解决复杂工程问题能力的角度提出了课程设计教学应考虑的一些问题。然后分析了目前课程设计教学中存在的不足，并按照基于项目的学习理念从培养学生复杂工程问题解决能力的角度，对课程设计的选题、教学内容、组织模式及考核方式进行了论述和规划，同时以机械设计基础课程设计为例做了介绍。

一、课程设计学习的特点

经济合作与发展组织在《以知识为基础的经济》的研究报告中将知识分成四类[4]：（1）知道是什么（know what），即关于事实的知识;（2）知道为什么（know why），即客观事物发展、变化的原理和规律方面的知识;（3）知道怎么做（know how），即做事情的技巧和能力;（4）知道是谁（know who），即什么人知道某些事以及谁知道怎么做某些事的信息。其中（1）（2）和（4）属于陈述性知识，是关于事物性质、状态和关系的知识，通常以概念和命题的方式表征，而（3）属于程序性知识，是关于“如何做”的知识。

课程设计是一项主要涉及前期理论课程知识的综合性实践教学环节。理论课程的学习主要解决“是什么” （know what）和“为什么”（ know why），课程设计则是进一步学习和掌握“如何做”（know how）。因此，理论课程主要涉及的是陈述性知识，而课程设计就要求把陈述性知识转化为行动指南，也就是要把陈述性知识转化为程序性知识，解决“如何做”的问题，在这一过程中会涉及许多与 “如何做”相关的技术或技能。例如在机械类专业中，机械设计基础课程介绍的是机械设计方面的程序性知识，机械设计基础课程设计则是综合运用这些知识去分析和解决机械产品设计中的实际问题，学习和掌握机械设计的基本技能与一般流程，并最终完成某一产品的设计。

课程设计的上述特点决定了课程设计这门课主要是程序性知识的学习。对程序性知识而言，内隐学习是其最有效的学习方式[5-6]。从认知学习理论来看，内隐学习往往需要通过实践活动才能获得良好的学习效果，在实际的教学过程中实践活动可以通过情景创设来实现。基于项目的学习PBL（Project-Based Learning）就是一种很好的情景创设，因此基于PBL的课程设计教学就应该成为课程设计的主要教学方式。

为了有效培养学生解决复杂工程问题的能力，基于PBL的课程设计教学必须考虑三个问题：（1）如何设计或规划能体现工程问题复杂性的课程设计题目（项目）;（2） 如何围绕这一项目规划设计教学组织模式，如何实施主要教学环节;（3）如何将解决复杂工程问题所需要的各种原理和知识在课程设计教学中得到合理运用，从而锻炼学生分析和解决复杂工程问题的能力。

二、课程设计的教學现状及问题

在目前的课程设计教学中，大都是围绕设计题目（项目）、设计任务以及最终作品进行的，即针对设计题目（项目）并结合课程设计的教学目标，让学生按规定的流程完成特定的设计任务，最终提交设计作品。从总体上看，目前的课程设计教学属于一种基于项目学习的教学模式PBL。但在多年的教学实践中，我们发现目前的课程设计教学模式与严格意义上的PBL还有较大的差距，在培养学生解决复杂工程问题能力方面还比较薄弱，主要表现在以下方面。

（一）课程设计题目单一

课程设计题目单一，也没有充分关注学生的兴趣。由于设计题目单一并且多年不变，针对这一设计题目的总体设计方案、具体设计步骤以及相关设计方法也基本不变，已成为一种设计定式;同时，由于设计题目多年不变，导致出现大量的参考资料出版物，这些资料不仅给出了设计思路和总体方案，还有详细的设计步骤和设计计算方法，学生只需照葫芦画瓢，无须动脑思考，不能激发学生的学习兴趣。兴趣是最好的老师，在缺乏兴趣的情况下，学生主动参与学习的积极性不高，也就无法有效培养学生分析问题和解决问题的能力，更谈不上创新设计能力的培养。

（二）课程设计教学内容陈旧

由于课程设计题目单一并且多年不变，使课程设计教学内容陈旧、缺乏挑战性，也没有强调知识的系统性完整性运用，更缺少多学科交叉知识的综合运用。例如在机械设计基础课程设计中，偏重单元和零部件的设计，忽视整机系统的设计，碎片化设计知识应用较多，系统设计知识欠缺。

（三）课程设计教学模式僵化

在目前的课程设计教学中，主要还是以设计内容为中心进行课堂讲解，没有形成以设计问题为基础、以学生为中心、以教师为导向的小组讨论式教学模式，具体表现在：（1）在教师角色定位上，教师没有把自己从知识传授者和灌输者转变为学生主动建构知识的帮助者和促进者;（2）在教学过程中，缺乏良好的情景创设，没有形成以问题为中心、通过分析问题和解决问题来探求知识的学习机制;（3）没有自觉构建协作学习环境和强调合作学习，学生无法通过合作学习实现知识的意义建构，也缺乏对学生团队协作能力的培养。

（四）课程考核形式简单

传统的考核方式由平时表现、期末考试两部分组成，而对学生学习过程的考核相对薄弱，从而出现部分学生平时散漫、期末突击学习的现象，影响了课程设计这门课的学习效果，也难于客观公正地对学生进行考核评价。

三、对基于PBL的课程设计重新规划

依據工程教育专业认证，学生能够综合运用各种工程原理和知识去分析和解决复杂工程问题是工程教育的主要目标。为了培养学生解决复杂工程问题的能力，从建构主义角度来讲首先要进行情景创设，也就是要合理规划和设计复杂工程问题，通过复杂工程问题使学生去感知和理解实际工程问题的复杂性。对课程设计而言，应按照基于项目学习的理念，以有效培养学生解决复杂工程问题的能力为目标，对课程设计题目、课程设计内容、课程设计的教学及组织模型进行科学的规划与创设，以实现对复杂工程问题解决能力培养的有效支撑。

（一）课程设计的选题

选题是课程设计教学过程中首先要考虑的一个关键问题，选题是否得当直接影响到课程设计的教学效果。课程设计选题时应该考虑以下三个方面。

（1）从PBL教学理念出发，课程设计选题就是一种情景创设，因此选题尽可能要源于工程实际并具有明确的实际工程价值。例如题目可来自工程实际需求或横向科研项目、学科竞赛题目等，鼓励学生根据自己的兴趣自主选择题目。

（2）从培养复杂工程问题解决能力的角度出发，课程设计的选题应体现出一定程度的复杂性，具有复杂工程问题的基本特征，使学生去感知和理解实际工程问题的复杂性，实现对学生复杂工程问题解决能力的培养。

（3）从教学计划和课程目标出发，选题的复杂性要与相应的课程设计教学相匹配，具有合理的复杂性梯度，具体表现为该课程设计题目对学生而言是“可望可及”，而不是“可望不可攀”，在教学计划的有限时间内是可以完成的。

例如，我们在新规划的机械设计基础课程设计教学中不再布置统一的设计题目，而是确定某一个“设计主题”（如输送机、楼道代步梯等），学生通过生产生活实际调研，自主确定设计题目。

（二）课程设计的教学组织模式

在PBL教学理念指导下，以培养学生解决复杂工程问题能力为根本目标，建立课程设计的教学组织模式。

（1）建立学习小组（设计小组），形成以问题为基础，以学生为中心，以教师为指导的讨论式小组协作学习模式;强调小组设计过程中的合作学习，形成“学习共同体”。

（2）小组成员合理分工，协作设计，共享信息，全体小组成员共同完成对所学知识的意义建构，在合作学习中锻炼学生的沟通协调能力、人际交往能力、团队合作能力和语言表达能力。

（3）针对课程设计教学的特点，将课程设计教学分为若干阶段。每一阶段以问题为开始，该阶段结束时，小组代表借助PPT进行讨论交流与答辩，教师可通过观察学生讨论交流与答辩过程，对学习效果进行阶段考核与评价。

例如，我们将机械设计课程设计分成四个阶段：第一阶段，结合设计主题进行调研并自主选择设计题目;第二阶段，进行原理方案设计;第三阶段，进行总体设计;第四阶段，进行详细技术设计。第一阶段结束后，各小组利用PPT汇报调研情况和选题过程，并讲解小组确定的设计题目和与之有关的主要技术参数，指导教师对小组选定的设计题目进行评判。在第二阶段，根据选定的设计题目完成原理方案设计，最后设计小组通过PPT汇报方案设计过程及最终的原理方案设计结果，教师对原理方案设计结果进行评判并提出改进意见。第三阶段和第四阶段主要完成具体的设计计算和绘图，在教学过程中可针对一些共性问题进行专题讲解。

（三）课程设计的教学内容

将一些最新的学科知识和工具应用到课程设计当中，设计内容应体现出相关知识的综合和系统运用，以培养学生的系统设计理念;设计内容的复杂程度要与学生的知识积累相符合，其复杂性梯度应与学生在该阶段的学习相适应。

例如，我们新规划的机械设计基础课程设计内容主要有以下特点：

（1）方案的多解 —— 根据设计题目的特点（所处的特定工作环境和工作任务要求），可构思多种原理方案，拓展了创新思维空间，有助于学生创新能力的培养。

（2）强调系统设计 ——所设计的对象是一个完整的机械系统，有助于学生对机械系统的理解和培养学生的机械系统设计能力。

（3）适度运用现代设计方法和手段 ——利用 CAE软件对关键零部件进行强度和刚度分析计算，可加深学生对现代设计方法与手段的理解和掌握，强化学生的现代设计理念。

重新规划的机械设计基础课程设计所涉及的主要知识（包括CAE）都已在前期的课程中学习过，部分知识（例如输送带的设计计算）尽管前期未曾学习，但根据学生的已有基础通过自主学习是可以掌握的，因此课程设计的内容及其复杂性梯度与学生的前期知识积累相符合，在教学计划的有限时间内是可以完成的。

（四）课程设计的考核

根据课程设计的阶段任务与目标，对整个课程设计教学进行分阶段考核，阶段考核以PPT答辩方式进行，最终结果考核以设计作品为主。对学生的考核应注意过程考核与结果考核并重，这样可以激励学生在整个设计过程中的全面投入，并能全面客观地考核学生的学习效果。

例如，在我们的机械设计基础课程设计中，对学生的考核评价分成四个部分：第一部分是调研和自主选题的PPT答辩（占20%）;第二部分是对方案设计进行PPT答辩（占20%）;第三部分是完成全部课程设计后的最终答辩（占20%）;第四部分是对学生提交的设计图（零件图、装配图）、设计计算说明书以及CAE分析报告进行评价考核（占40%）。

四、结语

课程设计教学对培养学生解决复杂工程问题的能力具有十分重要的影响。课程设计的特点是程序性知识的学习，基于PBL的课程设计教学是课程设计的主要教学模式。针对目前课程设计教学中存在的问题，应以PBL的教学理念为指导，以培养和提高学生解决复杂工程问题的能力为目标，对课程设计的题目选择、教学内容、组织模式及考核方式进行科学的规划与创设，以有效提高学生解决复杂工程问题的能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 林健. 如何理解和解决复杂工程问题[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26.

[2] 周应国，孙小梅.高等工程教育人才培养质量评价体系构建[J].大学教育，2019（5）：144-147.

[3] 林健.运用研究性学习培养复杂工程问题解决能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.

[4] 谢逢春.建构主义与工科基础理论课教学研究[J].高等工程教育研究，2010（4）：151-155.

[5] 金悦，陈晓南，杨培林.综合创新性实验中的学习引导[J].高等工程教育研究，2012（2）：152-155.

[6] 安蓉.大工程观背景下的认知化学习机制研究[J].高等工程教育研究，2008（5）：25-28.

[责任编辑：钟 岚]