以解决复杂工程问题为导向的工科课程教学模式研究

赵秀栩，木尼布，付 钰

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

随着我国工业化进程不断加快，社会需要大量具有扎实基础知识和能综合运用多种工程技术解决复杂工程问题的人才。新一轮科技和产业革命催生出了许多与传统产业不同的新兴产业和新经济模式，也产生了许多用传统工程方法难以单独解决的复杂工程问题。这类工程问题包含十分庞杂的要素，各要素之间具有强烈的非线性相互作用，这对工程教育提出了新的要求[1]。根据《华盛顿协议》，工程专业要通过工程教育认证的条件是必须按照国际实质等效原则来培养学生，并使其具有解决复杂工程问题的能力[2]。

但是，当前的工程类专业课程教学存在着几个突出问题，与新形势下的人才培养战略需求相矛盾。这些问题主要包括：（1）目前的专业课程内容是以工具为导向而不是以具体的工程问题为导向，这是因为在设计课程内容时，有意识地将工具和方法从特定的问题中抽象出来，以使方法和工具更具普遍性，但是却导致了实际的教学重点从问题本身向机械性的工具转变，缺乏专门设计和传授学生如何将课程中所学的知识用来解决工程实际问题的手段；（2）各课程之间通常缺少联系，使学生难以将所学课程知识用来解决具体问题，例如，学生通常不能将其在运筹学中所学的线性规划知识用来表达并解决复杂的实际生产管理问题[3]。课程设计局限于理论知识的讲授，缺乏与实际工程问题之间的联系，这导致学生对于复杂工程问题的分析和解决能力都相对不足[4]。

针对这些问题，本文以培养工科学生解决复杂工程问题的能力为目标，提出一种新的工科课程教学模式，并以工业工程专业的“单元制造理论与方法”课程为例进行应用和实践。

1 复杂工程问题的特征分析

复杂工程问题主要包括工程知识、学科（专业范畴）、综合因素（包括社会问题）及解决手段等要素[5]。根据工程教育专业认证工作指南，“复杂工程问题”除了应具备基本特征之外，还应同时具备多项非必备特征，其具体要求如表1所示。

表1 复杂工程问题的特征

2 实例研究

2.1 课程样本选取

下面选取工业工程专业本科课程“单元制造理论与方法”为样本进行研究。学生通过学习该课程，能够掌握成组技术的原理，充分利用被加工对象之间的相似性进行产品族的划分，按照合理的分类准则组织制造单元，通过制造单元的设计与布局，使得同一类产品能够采用同一方法进行处理，以便在满足客户多样化需求的同时最大程度地提高生产率和经济效益，以近似批量生产的成本来生产多品种少批量产品[6]。通过对相关案例的学习，学生能够把在其他专业课程中（如生产计划与控制、设施规划、先进制造技术等）学习的相关知识融入到解决相应的工程问题当中。通过其中各个教学环节的设计逐步引导学生将课程中所学到的理论知识、方法和工具应用于分析和解决问题的具体过程中。

根据工业工程专业人才培养的目标和定位，其中所涉及的复杂工程问题应当是与工程实际需求相关并涉及工程技术多个方面的因素，具有非线性、不确定性、复杂性和综合性，必须运用相关的工程原理、采用多学科融合的方法、通过合适的抽象模型才能得以解决；要求学生应具备提出问题和通过文献查阅分析问题的能力，能够综合运用本专业所学的理论知识和方法分析问题，能够以科学原理为依据并采用多种技术工具解决问题，能够在解决复杂工程问题的过程中开展有效的团队协作、进行有效的沟通、表达和展示。

2.2 课程结构设计

传统的课程结构特点是以知识点为主，分布在各个章节中的单个或多个知识点通常与一个简单的工程问题相对应，通过这些问题让学生了解相关工具和方法。但是，由于各个工程问题较为独立，未形成一定的连续性，使得学生难以形成系统观。因此，在以培养解决复杂工程问题能力为导向进行课程内容设计时，不仅要为学生提供来自工程实际中的典型问题，还要设法让解决问题的过程与课程知识点有机融合，使各章节知识点、问题连贯，并设计与课程内容、工程问题相关的实践环节。

按照这一思路，论文以“单元制造理论与方法”课程为例进行了应用研究，首先对课程当中的所有知识点进行结构化设计，对其中相关度高的子知识点进行合并形成主要知识点，再对各主要知识点进行融合，形成体系，具体如图1所示。

图1 知识点划分与集成

其次，根据课程培养目标、课程知识点，选取与知识点相关的复杂工程问题。本课程所选复杂工程问题为“企业A的单元制造生产方式构建”，其中可拆分成的子工程问题以及涉及的复杂问题特征如表2所示，主要知识点与一级子工程问题相对应，子知识点与二级子工程问题对应。

表2 问题的分解与特征列表

根据表2中的问题层次，以解决一个复杂工程问题为主线，将其拆解为主要的一级子问题，再将一级子问题拆解成多个简单的二级子问题，设置相关教学环节，并以解决工程问题为核心凝炼形成课程核心知识点，在课程教学过程中提供解决该问题所使用的工具或方法，引导学生采用所学其他课程的方法或工具解决问题，以一级子问题为例，如下页表3所示。

表3 一级子工程问题课程内容构建

然后，基于课程知识体系与复杂工程问题，设计相关实践内容，形成知识层、实践层、问题层3个层面。例如，在Q1问题阶段，为了便于学生理解机器-零件矩阵的形成，基于SPSS软件，设计了0-1矩阵的上机实验；在Q3问题阶段，为了验证厂房内的制造单元布局的合理性，设计了基于Flexsim的实验与展示环节，具体的层次结构如下页图2所示。

从图2可以看出，以解决复杂工程问题为导向设计恰当的问题，使各个问题间具有一定的关联，层层递进，且与课程内容、知识点建立联系，将知识、问题有机贯连，同时结合一定的工程实践内容将加深学生对知识的理解，有利于他们未来解决工程实际问题。

图2 课程的层次结构设计

2.3 教学方法设计

传统的教学方法主要以知识点、工具为导向，采取一对多的课堂知识传递，课堂教学过程较为枯燥，学生知识获取效率有限。为了让学生真正成为教学活动的主体，提高他们的学习积极性和课堂参与的主动性，就需要对教学方法进行改革。根据培养目标与培养能力，按照工程问题应具备的特征以及涉及的知识点将其进行难易程度划分，教学方法也需要根据问题的难易程度进行相应的选择，具体类型包括以下3个。

（1）简单子工程问题。教师讲解所涉及的相关知识点，引导学生分析问题，提出解决问题的思路，传授解决问题的工具和方法，若涉及其他学科也一并点出。在课堂上由师生共同完成工程问题的分析、解答。通过互动在引导学生掌握相关知识点的同时，提高他们分析问题的能力。

（2）难度较大或涉及知识点较广的工程问题。教师在引出问题后，对其中涉及的知识点以及方法进行初步讲解，鼓励学生运用已学习的专业课程知识在课下进行问题的分析和讨论。对于其中的疑难点也可以通过线上QQ群和老师进行交流。目的是通过这样的过程培养学生运用已有知识对问题进行综合分析的能力。

（3）复杂的子问题。在讲解了相关知识点以及案例后，以分组的形式进行课下讨论与实践，并整理形成文档，在课上以PPT等形式展示解决该问题的思路、手段，以及遇到的问题和克服该问题的方式，培养学生通过分工协作来解决复杂工程问题的能力。

根据上述问题类型，设计与其所对应的教学方法，具体的实现过程如图3所示。

图3 具体实现过程

在整个工程问题解决之后，布置小论文的撰写任务，要求学生进行课堂展示与答辩，目的是加深学生对于相关知识的理解，对其中涉及的所有知识点、工具与方法进行梳理和总结，达到融会贯通的效果。

2.4 课程考核模式设计

以解决复杂工程问题为导向的课程考核需要与教学内容的多样性相适应，重新设计的多元化教学考核指标体系如图4所示。

课程考核根据教学活动主要分为两大类：（1）平时考核，占比50%，分为A，B两类。A为课堂教学类，主要考察工程问题理解分析、课堂知识、工具与方法掌握等能力，占比20%，由教师进行评价。B为小组实践展示类，考察分工协作能力，工程问题分析、解决能力，创新能力，成果展示能力，占比30%。综合考虑诸多工程要素，由教师与学生共同分析和评价一个工程项目方案的合理性和可行性。（2）期末考核，占比50%。结合专业论文写作规范以及解决复杂工程问题应具备的能力制定评价标准，由教师评价。

3 结论

针对工科学生对于复杂工程问题的分析和解决能力不足问题，本文提出了一种以解决复杂工程问题为导向的课程教学模式，并通过工业工程专业的“单元制造理论与方法”课程进行了应用研究。结果表明，以解决复杂工程问题为导向的课程内容设计，不仅可以培养学生对各课程知识的综合应用和实践能力，同时能够促进课程内容的有效集成，引导学生形成解决工程问题的思路，活化基本的学科知识，增进学生对于工程的兴趣，为培养解决复杂问题能力为导向的新工科课程教学模式设计提供了参考。