以解决复杂工程问题为导向的课程改革探讨

景文倩 聂金泉 吴华伟

[摘 要] 在工程教育专业认证背景下，学校应紧跟工程教育发展的新趋势和新动向，培养一批专业基础扎实、实践能力突出、科研思维灵活、能够解决复杂工程问题的高素质人才。文章以汽车测试技术课程为例，以培养学生分析解决复杂工程问题的能力为导向，从教学内容优化、实践能力培养、考核方式改革等多个方面探讨课程优化改革问题，为其他课程改革提供借鉴意义。

[关键词] 工程教育专业认证;复杂工程问题;汽车测试技术;课程改革

[中图分类号] G640   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）03-0093-04   [收稿日期] 2020-09-07

一、引言

工程教育专业认证是国际工程教育界与工程界相互沟通的固定渠道，可促进国际工程人才对国际工程实践的适应性和互认性。我国工程教育专业认证旨在通过公平严格的质量监控体系，促进工程教育体制改革和建设，提高工程教育教学质量，促使我国工程专业教育质量得到国际的认可[1]。工程教育认证基于先进的育人理念，有可操作的目标指南，有科学明确的质量监控体系，深受国际工程界和工程教育界的推崇[2]。我校车辆工程专业顺应时代趋势，加入申请工程教育专业认证的大军。工程教育专业认证要求专业从面向学科办学转向面向社会需求办学，要遵循面向行业、面向企业开放的新观念，依社会需求确定培养目标，培养具有综合运用所学科学理论和技术手段分析、解决复杂工程问题的能力，能适应经济社会发展需要的综合型人才[3]。

“汽车测试技术”是车辆工程专业的核心基础课程[4]，课程内容涉及信号处理、材料科学、机械力学、光学、声学、物理学等专业的基础知识，是一门典型的多学科交叉课程，具有较强的技术性和实践性。由此，对该课程进行改革优化，对于探索如何培养学生解决复杂工程问题的能力及跨界整合能力，建設一批体现专业工程教育特性的核心课程，具有重要的借鉴意义。

二、复杂工程问题的内涵及核心

复杂工程问题是指具有多样性、综合性、跨学科交融性等特征的现代工程问题[5]。培养学生具有解决复杂工程问题的能力是工程教育专业认证毕业要求中的核心内涵，有很强的理论意义和现实意义。

工程教育专业认证协会对“复杂工程问题”做出了明确定义，涵盖七个方面：需要知识的深度、需要分析的深度、冲突需要的范畴、问题的熟悉度、使用准则程度、利益相关者参与程度及冲突要求的程度、相互依赖性和高标准性[6，7]。其中，第一个特征“需要知识的深度”是必备的，即必须运用深入的工程原理，经过分析才能够解决，其他六个特征，部分或全部具备均可。

根据以上定义可知：首先，复杂工程问题是一个多因素作用且相互联系的待解决的工程技术问题，那么如何发现和提出这样的复杂工程问题呢？工程技术问题一般有三个来源：一是生产生活中的实际问题，即生产生活中遇到的实际困难，需要解决的问题;二是别人提出的需要，这种问题在工程专业认证中通常以综合性或设计性实验、课程设计、毕业设计等为典型代表;三是以一定目的为前提的积极主动的思考，由设计者自主发现并根据设计需要提出的问题。在“汽车测试技术”课程教学过程中，通常可以考虑从综合实验设计的角度提出工程技术问题，或者以产学研项目为切入点，在生产实际中发现工程技术问题或者鼓励学生参加学科竞赛，引导学生主动思考、探索生活中的工程技术问题。其次，解决复杂工程问题需要运用深入的工程专业知识和原理，可能涉及工程、技术和其他非技术因素之间的冲突，并且是一个优化决策的过程。如何分析和解决复杂工程问题呢？工程教育认证要求能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达复杂工程问题，并通过文献研究分析、解决复杂工程问题，以获得有效结论。因此，分析和解决复杂工程问题可概括为以下几个环节：一是信息调研，针对某个问题，进行文献搜集和整理，形成对该问题的科学认识;二是剖析本质，运用工程原理和科学原理，将实际问题转化为工程技术问题;三是建立模型，深入运用工程原理和数学、物理方法，建立工程问题的数学或物理模型，并能够有效表达工程问题;四是关键分析，抓住关键环节、关键参数等主要问题，采用定性分析或定量分析、逻辑分析、系统分析等方法，对所建立模型进行深入研究和分析;五是得出结论，以最小的成本、最快的速度、最好的质量、最高的效率解决复杂工程问题。

三、课程教学存在的问题

（一）教学内容系统性不强

我校“汽车测试技术”课程的教学内容主要包括测试系统和传感器两部分。测试系统部分涉及的理论知识及公式推导较多，其中信号的描述及分析中涉及的傅里叶变换、拉普拉斯变换等内容，测试系统的动态特性和静态特性，典型测试系统的动态特性分析等内容更是晦涩难懂，学生学习起来比较吃力，容易产生厌学情绪。第二部分讲授传感器的教学内容略显凌乱，传感器种类讲解了很多，每一种传感器都仔细介绍了工作原理、调理电路等，但各个章节都仅限于某一类传感器，相互之间的区别、联系和应用环境的讲解与讨论明显不够。此外，从“汽车测试技术”课程的名字来讲，测试方法、测试过程、数据分析研究的方法及过程等环节并没有实际介绍和应用。现有教学内容的前后两部分相互独立，要么只介绍理论方法，要么只介绍传感器，缺少一个系统的综合测试部分，因此可将二者结合起来呼应课程的“测试技术”，帮助学生掌握测试流程、测试方法、数据分析方法等。

（二）实验设计缺乏分析和思考

虽然“汽车测试技术”课程设置了多个实验，但这些实验都是验证性实验，仅仅对各种传感器的输出特性曲线进行简单的测试和验证，且实验指导书对每个实验的操作流程和步骤都进行了详细的解释和说明，学生基本不需要深入思考和分析，完全体现不出复杂工程问题的特征，谈何培养学生解决复杂工程问题的综合能力。

（三）考核方式不能反映综合能力

目前，“汽车测试技术”课程的考核方式比较重视结果，把期中/期末考试作为衡量学生成绩的重要标准，占比高达60%，而考核学习过程的平时成绩仅占20%，另外20%的比例是实验成绩，而且期中/期末考试的试卷有大量的选择题、填空题、判断题、名词解释等客观题，仅有的计算题、分析题等也是课堂讲解的类似例题，学生只需机械掌握课堂讲解的知识点即可获取高分，基本不需要分析解决复杂的工程问题。不仅如此，平时成绩也不能很好地反映学生的学习情况，因其通常是以学生的课堂出勤率和平时作业为依据来进行评定的，而平时作业一般都是课堂讲解的基础知识或简单例题，更算不上复杂的工程问题。实验成绩主要依赖实验报告进行评定，而实验报告也比较机械，如誊抄实验目的、实验步骤，唯一有考核意义的就是画出传感器的输出特性曲线，但这依然算不上复杂工程问题的范畴。所以，现有的考核方式体现不出学生分析解决复杂工程问题的综合素质和综合能力，亟待改革以满足工程教育专业认证的需求。

四、教学方法的几点建议

（一）教学内容优化调整

首先，“汽车测试技术”课程中有关测试系统的理论部分应适当精简，讲解晦涩难懂的公式时，应当深入浅出，注重引导学生理解其工程意义，切实让学生认识到该课程的技术性和实践性，而不局限在枯燥、晦澀难懂的理论知识中，培养学生的工程思维。

其次，从传感器工作原理的角度考虑，重新梳理传感器的分类。在讲解其各自工作原理和工作特性时，要以工程案例举例说明，并引导学生发散思维，真正理解掌握传感器的工作原理和特性，同时系统性地对比分析各类传感器的特性和应用条件，且重点讲解各种传感器在汽车上的应用和区别。

最后，增加一个综合测试部分，将理论部分的测试、分析方法与传感器的原理和特性等有机结合起来，设计2～3个常见测试工况，引导学生一步步地分析，比如测试目标是什么、可采用何种测试方法、如何选用合适的传感器、如何对测试数据进行分析研究，以及如何整理总结测试分析结果等，让学生真切掌握整个测试流程，能够运用所学测试方法、数据分析方法等对实际工程技术问题进行研究和分析。

（二）实验设计综合化

解决复杂工程问题的实质是要学生以工程实际问题为研究对象，通过分析研究问题，从中找出最佳解决方案。现有的无须深入思考分析的验证性实验方案显然不能满足培养学生解决复杂工程问题能力的要求，因此实验设计的复杂化、综合化势在必行。除了现有的验证性实验，再增设一个综合测试实验，以课堂教学内容增加的综合测试部分为基础，比如轮速传感器的测量，引导学生自己动手设计整个实验流程，包括传感器选型、测试手段、测试方法、设备调试、数据采集、数据分析等，并撰写完整的实验报告，且实验报告要能体现出学生个人或团队在设计操作实验的全过程中做到了主动思考、主动发现问题、主动分析解决问题，从而培养学生解决复杂工程问题的能力。

（三）开展项目教学

工程教育专业认证要求学生应具备复杂工程问题的分析能力、设计/开发能力、研究能力、理解与评价现代复杂工程问题对社会影响的能力等。因此，“汽车测试技术”课程不能仅仅局限于实验室的教学实验，还应当鼓励学生进入企业参与一线的实习工作。目前，学校有多个产学研实习实训基地，但出于安全考虑，学生只能观摩学习，提交的实习报告也只是摘抄企业简介等，基本流于形式。

在保证学生安全的前提下，本文给出了三种学习企业一线的工程测试分析方法：一是邀请企业一线专家进课堂，从企业的角度讲解工程案例，既能提高学生的学习兴趣，又能加深学生对工程问题的形象认识，引导学生采用所学的测试知识、传感器工作原理和特性等，在讲解的工程案例中开展测试、分析工作，并总结整理得出结论。二是把学生实习实训落到实处，进入一线可以只观摩学习，但企业要安排专家针对某一个测试过程进行系统介绍和阐述，并且以学习小组的形式鼓励学生参与讨论相关的测试知识，最终撰写成实习报告。实习报告要能体现出学生个人或团队在测试过程中做到主动思考、发现并提出问题，甚至给出解决方案，从而达到培养学生分析和解决复杂工程问题能力的目标。三是让学生参与校企产学研项目，既达到学生的实习目标，又能促进产学研合作进一步加深。学校与一些地方企业广泛交流合作，校企产学研项目众多，因此可以从中选取若干涉及汽车测试业务的企业，让学生进入实习，真正参与到一线生产中。作为产学研项目的参与者，学生应当紧跟教师的步伐，真正参与到项目中，切身地感受何为工程问题，并结合自己所学的专业知识，学习如何分析解决工程问题，协助教师一起为企业生产中遇到的工程问题提供分析解决方案。

此外，学生可以依托教师的科研项目参与学术课题研究。目前虽有本科生参与教师科研项目的现象，但学生数量非常少，且他们大多是为了获取创新学分，并没有像研究生一样真正地参与到科学研究中，因此建议教师多鼓励本科生进入科研项目组，并且让他们切实地参与项目研究工作：一方面，学生可以向师兄师姐、教师、企业专家等学习如何开展学术研究、如何解决工程问题等;另一方面，教师给学生分配具体的任务，引导学生独立的或以团队协作的方式分析解决项目进展过程中遇到的各种问题，积累科研经验，提高科学素养，提升科研素质，培养学生分析解决复杂工程问题的综合能力。

（四）考核方式改革

在专业认证背景下，建立多元化、综合化的课程考核方式已迫在眉睫。所谓多元化考核，即课程考核可以有多种形式，比如学术论文、学科竞赛项目、参与教师科研项目，以及有限开卷考试等。其中，学术论文考核指学生撰写发表1篇及以上高水平学术论文，且论文与“汽车测试技术”课程内容有一定的相关性;学科竞赛项目考核指学生参加涉及汽车测试技术的学科竞赛，并获得相关奖项或荣誉;参与科研项目考核指学生加入教师的科研团队，并在教师的指导和帮助下取得一定的科研成果;有限开卷考试考核指学生能且只能携带1页A4纸的课程笔记进入考场，应用自己整理记录的笔记进行答题，且试题全部是设计、分析、计算类综合考题，能全面考核学生分析解决复杂工程问题的能力。而综合化考核是指学生应当具备各方面的能力，包括自学能力、动手能力、分析能力、创新能力等，以保证学生具备分析解决复杂工程问题的综合能力。

综上，多元化、综合化的考核方式打破了传统的“一刀切”考核模式，不再局限于试卷考试，充分调动了学生自主学习的积极性，促使学生充分发挥自己的优势特长，比如发表学术论文、参与学科竞赛、参与科研项目等，鼓励引导学生提升自己的学术能力、创新意识、工程思维、科研素质等，培养学生分析解决复杂工程问题的能力。

五、结语

本文探讨了在工程教育专业认证背景下，以解决复杂工程问题为导向的“汽车测试技术”课程改革优化问题。首先讨论了课程教学中存在的教学内容系统性不强、实验设计缺乏分析和思考、考核方式不能反映综合能力等三个方面的问题，然后从教学内容优化调整、实验设计综合化、开展项目教学、考核方式改革等四个角度给出了思考和建议，以达到培养学生分析解决复杂工程问题能力的目标。

参考文献

[1]张崟，余华，刘达玉，等.对地方工科院校应对工程教育专业认证的思考[J].教育与教学研究，2016，33（6）：99-104.

[2]张春娇，陈微，赵亮，等.工程教育认证理念指导下的教学改革[J].计算机教育，2019（2）：123-126.

[3]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.

[4]吴华伟，聂金泉，景文倩，等.以应用型人才培养为核心的汽车测试技术教学改革初探[J].轻工科技，2017（4）：183-184.

[5]张彩丽，杨海波.工程教育专业认证中复杂工程问题的内涵及其分析能力辨析[J].教育探索，2019（11）：143-144.

[6]孟庆民，张立强，龙红明.基于培养解决复杂工程问题能力的实验教学改革研究[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2017，34（3）：78-79.

[7]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，2017，9（6）：14-18.