面向复杂工程问题的应用型高校教学体系内涵分析与实践

夏金威 顾涵

摘  要：基于工程教育专业认证的背景，培养解决复杂工程问题的能力已成为应用型高校教学改革的内在要求。这要求各高校在人才培养过程中应紧密联系实践，遵循OBE教育理念，以培养实践创新能力强的学生为教学目标，培养具有解决复杂工程问题能力的学生。以常熟理工学院为例，在分析复杂工程问题基本内涵的基础上，提出了基于解决结构不良问题的课程教学，同时探讨了如何培养解决复杂工程问题能力的改革举措。

关键词：专业认证  复杂工程问题  STEM  教学体系

Abstract： Based on the background of engineering education specialized certification， cultivating the ability to solve complex engineering problems has become the internal requirement of teaching reform in applied universities. It is required that colleges should contact with practice in the process of talent cultivation， follow the OBE education concept， take cultivating students with strong practical and innovative ability as the teaching goal， and cultivate students with the ability to solve complex engineering problems. Taking Changshu Institute of Technology as an example， on the basis of analyzing the connotation of complex engineering problems， this paper puts forward the curriculum teaching based on solving the bad structural problems， and discusses some reform measures on how to cultivate the ability to solve complex engineering problems.

Key Words： Specialized certification; Complex engineering problem; STEM; Teaching system

复杂工程问题融合了现代社会工程中跨学科、多样性及综合性等特征，在2018年公布的《工程教育认证标准解读及使用指南》中规定的12条毕业要求中有8条明确了培养“解决复杂工程问题”能力的要求。但国内不少高校还是局限于“知识+能力+素质”的人才培养模式，对于目标导向的OBE教育理念理解得不够深入，各专业在课程设置、学科交叉及实践训练等方面还是较难适应现代工程技术发展的需要，特别是缺失非技术因素能力的培养，这些导致了对理解如何培养具有“解决复杂工程问题”能力的偏差。基于这样的背景，该文剖析了复杂工程问题的基本内涵，提出如何构建基于STEM理念的复杂工程问题，针对传统教学模式存在的问题，提出了基于解决结构不良问题的基本方法，同时还给出了如何培养“解决复杂工程问题”能力的一些举措。

1 复杂工程问题的基本内涵

在应用型高校教育过程中，问题的不断出现和解决就是实践的过程，可以把问题分为结构良好问题和结构不良问题。问题的出现、初始条件、解决思路、目标状态清晰确定的称为结构良好问题，反之则为结构不良问题[1]。在平时的传统教育中，分析、解决问题主要以掌握知识为目的，大多为结构良好问题。而按照工程教育专业认证通用标准中关于复杂工程问题的描述除了特征1以外，还必须具有特征2～7的部分或全部，特征点如下。

特征1：必须具备运用深入的工程原理，经过分析才能得到解决;

特征2：涉及多方面的技术、工程和其他因素，并有可能相互有一定的冲突;

特征3：需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模的过程中需要体现创造性;

特征4：不是仅依靠常规方法就能完全解决的;

特征5：问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;

特征6：问题相关的各方利益不完全一致;

特征7：具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

与传统教育中的结构良好问题不同，复杂工程问题本质上是结构不良问题。比如：与复杂工程问题特征2、4、5相对应，问题的初始条件和原始数据是不确定的;与特征4、6、7相对应，问题的解决方案可以有多种选择，不具有规定性，是不确定的;与特征1、3、5相对应，问题所涉及的概念、原理是比较复杂的，需要经过一定的探索和研究才能解决的。在人才培养过程中，需要逐步形成将原来的结构良好问题转换为结构不良问题，用以“解决复杂工程问题”的教学体系。

2基于STEM理念复杂工程問题的构建

STEM理念[2]的核心是围绕真实的项目和问题，设置真实的场景和参数，有机融合科学理论、工程技术和数学模型的一个整体。复杂工程问题属于结构不良问题，特征与STEM理论相符。如何把基于良好结构问题的传统教学转化为结构不良的复杂工程问题能力培养的教学，如图1所示，通常可以按照下面的流程来获取复杂工程问题。

基于STEM 理念构建复杂工程问题可以分为三步：第一，教师应先进行实际情况分析，主要包括学情分析和资源分析，掌握学生的专业知识基础。第二，构建出与实际教学内容相符的真实应用场景模型或能体现实际教学内容的问题模型;第三，教学设计以实验为例，在模拟真实参数的情况下，要弄清解决的原理和方案，要预测和分析实验的结果。整个过程中，还需要考虑技术难度、投入成本、结构工艺等约束因素，同时还要考虑社会环境、安全、法律等非技术因素[3]等的制约，综合技术因素和非技术因素的整体考虑后，最终构建出STEM理论的复杂工程问题。

3 面向复杂工程问题的课程教学

3.1以综合项目形式加强基础课程的能力培养

专业基础课是后续专业课学习的基础，起到了前期铺垫的作用，应注重从专业基础课的教学中来凝练学生“解决复杂工程问题”能力的培养。以电子信息工程专业为例，模拟电子技术、数字电子技术为两门专业基础课，课程的教学可以结合电子技术课程设计内容，设立综合项目教学环节，并提高总评成绩占比，结合课程的重点和难点内容，选取综合性项目案例[4]，如表1所示，列出了2019—2020年秋季学期综合项目的案例选题。

表1中的选题从复杂工程问题主要特征的角度来分析，主要体现在：（1）选题在设计实现时需要借助仿真软件来完成调试和验证;（2）每个选题的设计方案不是唯一的，学生需要通过前期分析、查阅资料、交流探讨后才能确定最为合适的方案;（3）在方案实现过程中，需要设定相应的参数，建立相关的模型，综合考虑整体性能和制约关系后才能完成。

3.2基于学科竞赛的研究性学习

研究性学习是为了更好地激发学生的创新思维，提高解决实际工程问题的能力，由传统单一的接受性学习转变为自主多样的创新性学习的方式。学科竞赛的开展正是为了培养学生的创新实践能力，学生通过把学到的理论知识运用到学科竞赛的项目设计中，理论联系实际。图2为学生团队参加全国“互联网+”大学生创新創业大赛时设计完成的图书馆分拣机器人3D效果图，该机器人系统由书籍分拣子系统和路径自动识别与运行规划子系统组成，系统由36 V锂电池组通过DC-DC模块转换后进行24 V电压的供电。其中书籍分拣子系统主要实现对步进电机的控制及组态屏与输入之间的数据传递;路径自动识别与运行规划子系统通过寻找磁钉位置来实现自动运行，同时能够通过CAN通信方式获取书籍分拣子系统所扫描的书籍信息，从而实现路线的自动规划。

3.3实践教学内容的改革

以电子信息工程专业为例，“单片机技术与应用”课程[5]在改革前，教学内容与技术发展脱节严重。原先以51系列单片机开发为主，工程实践内容复杂程度低，满足不了嵌入式系统应用人才的培养要求;针对以上情况，从2018年秋季学期开始，开展了实践教学改革：在教学讲义上，依托学校自制仪器项目开发了基于Cortex-M3内核的自编实验手册，“理实一体”授课同步采用Corex-M3处理器。

以实验项目“城市智慧光影”为例，其实验内容为：打破常规的流水灯设计，要求设计一款汽车转向灯控制系统，要求学生在开展实验时必需掌握多个LED驱动、GPIO口控制、定时器、矩阵键盘扫描4种电路的设计能力，该实验项目体现了“解决复杂工程问题”的特征。

（1）不是靠常规方法就能解决的，需要用到多种工具软件（keil4与Proteus软件），对应特征4。

（2）必须深入分析系统工程原理，经过分析才能解决，结合辅助工具软件和工程参数设置进行系统性设计才行，对应特征1。

（3）具有较高的综合性，复杂程度高，包含多个子问题（定时器、矩阵键盘、LED驱动等），对应特征7。

4 培养解决复杂工程问题能力的举措

应用型高校特别是以理工科为主的应用型高校更应该注重学生“解决复杂工程问题”能力的培养。以常熟理工学院为例，学校坚持服务地方，积极深化产教融合，共建行业学院，推进新工科、新文科建设，探索跨学科、跨专业的复合型应用型人才培养模式。主要包括以下3个方面.

4.1加强课程体系建设

强化工程能力是应用型高校面向学生培养“解决复杂工程问题”能力的重要举措。学校基于工程教育认证，进一步完善课程体系，在课程体系的制定中坚持邀请企业和行业专家共同参与，实现了从传统“工程知识传授”到“工程能力培养”的转变。

如图3所示，学校采用“自顶向下落实，自底向上实现”的方式[6]构建了“解决复杂工程问题”能力培养的实现过程。培养目标的实现需要毕业要求来支撑，毕业要求的达成需要课程体系的支持，可见课程设置的重要性。其中实践类课程的建设尤为重要，以电子信息工程专业为例，实践类课程占比达到30%，为此，学校实施了“五合一”基地方案[7]，让专业教师参与到学生实践教学的整个过程中，学生通过参与教师和企业导师共同的科研项目来不断提升实习的成效，也有利于满足学生复杂工程问题能力的提升在工程领域的需要。

4.2提升教师工程实践能力

具有一支具有工程背景，实践动手能力强的教师团队是培养学生“解决复杂工程问题”能力的重要前提。以电子信息工程学院为例，共有专业教师85人，其中90%以上的主干课授课教师具有电子信息类专业相关的教育背景;80%以上的教师进企业研修过，承担或参与了企业中的工程项目，具有“工程背景”;50%以上的教师具有指导学生学科竞赛项目的经验，并都取得了不错的成绩。教师普遍具有坚实的专业基础，能够深入理论开展研究，同时也具备较强的将科学技术转化为生产力的工程能力。

5结语

基于工程教育专业认证的背景，培养“解决复杂工程问题”的能力已成为应用型高校教学改革的内在要求，是人才培养领域的一个重要趋势。这要求各高校在人才培养过程中应紧密联系实践，在课程设置、教学内容、实验室建设等方面都必须进一步探索和改革。高校的各专业不论是否申请专业认证，都必须遵循学习产出的OBE教育理念，以培养动手能力强、实践能力强、创新能力强的学生为教学目标，培养具有“解决复杂工程问题”能力的学生。该文以常熟理工学院为例，在分析复杂工程问题基本内涵的基础上，提出了基于解决结构不良问题的课程教学，同时探讨了培养“解决复杂工程问题”能力的一些举措，希望可以为相关院校提供借鉴。

参考文献

[1]杨帆，张彩丽，马令坤.工程认证中的复杂工程问题及其构造研究[J].电气电子教学学报，2019，41（5）：70-73，77.

[2]张彩丽，杨海波.工程教育专业认证背景下基于STEM理念的复杂工程问题的构建[J].高等教育，2019（2）：172-173.

[3]叶明，陈蔚芳，陆永华.解决复杂工程问题的“测试技术”课程实践教学方法探索[J].工业和信息化教育，2019（1）：90-94.

[4]杨马英.自动化专业复杂工程问题能力培养的实践[J].电气电子教学学报，2019，41（6）：18-23.

[5]李擎，崔家瑞，杨旭.面向解决复杂工程问题的自动化专业实践能力培养体系研究[J].高等理科教育，2017（3）：113-118.

[6]张朝磊，张在云.基于工程教育认证标准培养解决复杂工程问题能力[J].中国冶金教育，2017（4）：14-17.

[7]钱振江，龚声蓉，徐文彬.面向复杂工程问题的应用型本科计算机类专业人才培养模式研究和实践[J].计算机教育， 2017（6）：10-13.