提高本科生解决复杂问题能力探讨*

魏胜利 张丽莉 李敏

摘  要  依据复杂问题的特性，对提高学生解决复杂问题的能力进行探讨。提高本科生解决复杂问题的能力是一个系统工程，需要教育工作者和学生等参与方形成共识、理清思路、瞄准目标，遵循渐进原则，构建合理的课程体系，采用情景教学，通过实践锻炼和创新活动来达到目的。

关键词  高校；本科生；复杂问题；实践教学；工程教育认证

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）18-0123-04

0  引言

随着改革开放的持续深入以及经济社会的发展，人们的思想、理念、生活方式逐渐多元化，加之国际关系的不确定性增加，将来社会将会面临更多更大的挑战，非常规的复杂社会问题、经济问题将大量涌现。大学生是全面建设社会主义现代化国家的生力军，增强他们应对复杂问题的能力是当务之急。邓小平同志指出，教育要面向现代化、面向世界、面向未来。面向未来世界、未来问题以及社会和学生未来发展的教育，意味着必须提升未来的建设者和接班人解决复杂问题的能力以及创新能力[1]。

在全国教育大会上，习近平总书记提出“加快推进教育现代化、建设教育强国”的新要求。推进教育现代化、建设教育强国的一个重要目标就是提高学校培养具有解决复杂问题能力的社会主义建设者和接班人的水平。在工程教育认证中，将培养学生解决复杂工程问题的能力定义为本科生培养最主要的任务。这意味着提高本科生解决复杂问题的能力是一个全球性的问题，也是很多教育专家的共识。

1  复杂问题分析

对于什么是复杂问题，目前并没有一个准确的定义。一般认为，复杂问题是多输入多输出且相互耦合的、非线性的，结果具有不确定性的，需要有深刻原理才能解决的问题。对于这样的问题，一般需要进行高度概括，从繁多的因素中找出主要矛盾，通过分析找出关键的输入输出，建立模型，选择合适的求解方案进行解决。中国工程教育认证协会认为本科生的培养目标主要是培养他们解决复杂工程问题的能力。在认证标准提出的十二条毕业要求中，有八条和解决复杂工程问题有关。中国工程教育认证协会对复杂工程问题的定义为具备下述特征1和特征2～7的部分或全部的问题：

1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决；

2）涉及多方面的技术、工程和其他因素，可能相互有一定的冲突；

3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中体现创新性；

4）不是仅用常用的方法就可以解决的；

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；

6）问题相关各方利益不完全一致；

7）具有较高的综合性，包括多个相互关联的子问题。

工科专业需要面临复杂工程问题，非工科专业也会面临很多复杂问题，有的专业既会面临复杂工程问题，也会面临非工程的复杂问题。信息管理与信息系统专业不仅面临复杂的工程问题，还有复杂的社会问题、经济问题。复杂问题具有一定的共同特点。李一茗等[2]认为，复杂问题解决是指问题解决者与动态的任务环境之间成功交互的过程。这就意味着复杂问题通常不是一次性能解决的，往往需要多次的反复才能解决，并且需要持续改进。

在培养学生解决复杂问题能力方面仍然存在不足，很多学者对这个问题进行探讨。下面就如何提高本科生解决复杂问题的能力进行思考和讨论。

2  对于提高解决复杂问题能力的思考

要提高本科生解决复杂问题的能力是非常困难的，这也是为什么大家普遍认为它很重要，却没有行之有效的方法的原因。培养学生解决复杂问题的能力是一项系统工程，需要形成共识、共同努力，才有可能有所改观。

2.1  形成共识

所有教师必须形成共识，将培养学生解决复杂问题能力作为培养目标，都要围绕这个目标服务，不能只盯着自己教授的课程。讲授课程时不仅仅以知识点为中心，还要围绕培养学生解决复杂问题能力进行。不仅学校、教师要建立这样的共识，还要帮助学生建立这样的共识，才有可能达成目标。学校和教师要让学生明白，学习不是为了考试，也不仅仅是为了增加知识，而是要明白自己未来的责任和担当，明确自己未来在社会中充当的角色，有目的、有意识、有行动地增强解决复杂问题的能力。要帮助学生克服面对复杂问题时的畏难情绪（面临复杂问题的时候，难免会产生畏难情绪），帮助他们建立克服困难的勇气和决心。

改变学生被动学习的局面，增强学生学习的有意识性、目的性。学生有中小学学习存在的惯性思维，很多的学生想当然地认为学习就是为了考试，或者获得某种技能。这些认识具有片面性，学习更重要的是培养他们的综合素质以及提高他们客观认知人类社会和物理世界的能力，使他们能从纷繁的社会现象中抽象出问题，确定问题的边界，进而建立问题模型并求解。要帮助学生学会抓住主要矛盾，抽象出关键因素，从而为解决问题找到思路。爱因斯坦说过，教育就是当一个人把在学校所学全部忘光之后剩下的东西。剩下的东西就是清晰的头脑、敏锐的嗅觉、批判的精神，能够有条理地分析、有逻辑地推理、有说服力地阐释，从而得到可靠的结论。

2.2  确定专业的复杂问题

解决复杂问题的能力不会凭空产生，需要在教师有意识的引导下，学生通过自主学习、模仿、思考和领悟获得。确定本学科领域的复杂问题，引导学生逐渐接触、认识、洞悉本学科复杂问题，是高校培养学生解决复杂问题能力的重要条件。培养学生解决复杂工程问题能力的关键要素之一是选择、准备或设计具有复杂工程问题特征的可用于工程师培养的复杂工程问题[3]。用于工程专业学生培养的复杂工程问题应该主要来源于工程实践，已经解决的复杂工程问题应是选项之一[3]。要保证这些复杂问题对于不同年级的本科生来说是合理的，既能体现出复杂性，又必须是学生能接受的。

每个人对“什么是复杂问题”有不同的理解，每个专业所涉及的复杂问题也不尽相同。确定合理的、学生能理解和接受的复杂问题很困难，每个专业的教师要结合企业、专家、家长、用人单位，确定好自己专业需要解决的复杂问题。如对信息管理与信息系统专业来说，多约束条件下的运输问题可以被看作一个复杂的工程问题，它是一个多因素影响下目标优化的问题。其实还可以把这个复杂工程问题扩展为一个更大的复杂问题：在经济社会中，哪些情况可以抽象成多约束条件下的运输问题呢？需要引导学生通过思考、观察、分析、抽象获得模型进行求解，为解决实际的社会经济问题提供参考。要培养学生从纷繁的经济社会现象中抽象出模型的能力，依据数学和工程学原理进行求解，并结合经济学、管理学的原则，以及对社会的责任作出判断，并能说明理由，为决策者决策提供依据。由此，学生应具有获取数据的能力、对数据分析的能力、提出问题的能力、模型抽象的能力、选择合适算法的能力、求解的能力、验证的能力、实施的能力等。

再如，对计算机科学与技术专业的学生来说，计算机硬件系统的设计是一个复杂的工程问题。计算机硬件系统设计是一个多因素相互制约的工程问题，需要用专业的知识基于数学原理和工程理论才能解决。而且，计算机硬件系统设计既要考虑成本、器件来源、设计难度、制造工艺等方面的问题，还需要考虑市场需求问题，这些问题可能是相互影响、相互制约的，选用好的器件意味着成本上升，选用新型的制造工艺可能会和现有的制造系统不兼容。因此，需要在一定条件的约束下，经过理论分析和推演，运用复杂的工程知识，才有可能找到合理的解决方案。需要学生懂得系统的设计方法、成本分析核算以及市场需求分析等专业知识，还需要学生具备敏锐的洞察力，找到问题的关键所在，并运用专业的理论和工程原理来解决问题。

2.3  要遵循贯通渐进的思路

培养学生解决复杂问题的能力是一项系统工程，不是仅依靠几门课程就能完成的，是一个长期的探索过程，需要不断反思和完善，必须通过系统地长时间地有意识地学习和锻炼才能达到这个目标。要制定科学合理的人才培养方案，通过大学四年的时间进行培养，在这个过程中始终要遵循这个目标，这个目标是一贯的。根据工程教育认证的要求，为了达到培养解决复杂工程问题能力的目标，要弄清楚哪些课程对应工程教育复杂问题的哪些指标，怎么讲授、考核能够达成目标。所有的课程构成一个整体，对复杂问题能力培养构成支撑。完成指标的对应和分解还不够，还要落实到位，构成一个有逻辑的整体，符合教育的发展规律，把这些课程串联起来。做好课程群建设，设计好前后课程的衔接，前面的课程要为后面的课程做好准备，提前预热；后面的课程要反过来加强前面的课程，构成有机的循环，使学生解决复杂问题能力的培养贯穿高校各个培养环节。现在流行的项目教学法较为集中地体现了这种思路，但单单采用项目教学法还不能满足要求，它只是注重解决问题，对于如何提出问题、抽象模型等没有体现。

2.4  构建情景教学环境

通过构建合理的情景教学环境，帮助学生理解什么是复杂问题，如何进行抽象，如何建立模型，如何选择解决问题的方法，如何进行验证，如何实施。课程设计选题就是一种情景创设，因此，选题要尽可能源于工程实际且具有明确的实际工程价值[4]，形成难度相当、需要学生努力克服而又力所能及的学习情境，全面培养学生的工程能力[5]。比如以团队形式组织的课程设计，可以很好地体现团队精神，适当减轻学生的心理压力，通过团队内部明确的分工和各自职责培养学生的自主学习能力、沟通能力、协作能力、互助能力，增强荣誉感和自信心，使学生做到积极主动投入，乐在其中。

现在推行的智慧教学在很大程度上体现了情景教学的要求，使学生体验沉浸式学习。在教学实践中，针对企业资源规划这门课程，采用虚拟企业运营仿真的教学方法。通过构建一个模拟企业经营的环境，让学生体验如何有效地利用有限的资源达到经营收益的最大化。这样的教学方法比课堂上灌输式的讲授效果要好得多。针对计算机组成原理这门课程，利用模拟的仿真软件，让学生体会编写的程序是怎样被转换成可执行代码，又是怎样执行这些指令从而完成任务的。直观的、可视化的方法显然要好过抽象的文字说明更容易接受。在CPU的设计中，让学生利用Logisim软件设计串行进位加法器和并行进位加法器，对比两者在进位延迟和电路复杂度上的差别，从而明白用复杂度换取速度的思想。

2.5  发挥实践教学和创新活动的作用

在培养学生解决复杂问题能力的培养体系中，实践教学能让学生更接近实际的问题，更能锻炼学生运用课堂所学理论知识解决实际问题的能力，真正掌握和明白解决复杂问题的具体步骤[6]，因此，实践教学更为重要。在此过程中，实践教学的内容如何安排、实践教学如何展开效果更好、实践教学如何进行客观评价等方面，都需要深入探讨并提出可行性方案。创新活动更是激发学生直面新问题、查找资料、分析问题、建立模型、解决问题，能够全流程锻炼学生解决复杂问题的能力。这些实践和创新活动需要在教师的指导下有意识地进行，才能取得较好的效果。

近年来，安阳工学院更加重视实践教学，增加实践教学环节，在整个教学学时不变的情况下增加实践教学学时，同时提高设计性和综合性实验学时的比重，要求设计性和综合性实验要达到实验学时的60%以上。学校积极鼓励学生参与各类学科竞赛和科技创新活动。目前，几乎所有的学科都有对应的实践创新活动，如程序设计大赛、电子设计大赛、数学建模大赛、工程训练大赛、营养配餐大赛、企业运营仿真大赛等。同时，每年举行综合性的科技创新活动并给予经费支持。积极宣传、组织学生参加全国或省科技创新大赛、创新创业大赛、工程大赛、挑战杯、蓝桥杯、ACM大赛等活动，对获得奖项和发表论文的学生给予奖励，极大地鼓舞学生参加活动的积极性。全面推行导师制，设立多种创新团队，鼓励学生加入教师的科研项目，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。为解决学生专业能力提升中存在的痛点，各专业推出专项训练计划，突破学生能力提升障碍。编程能力是提高计算机专业的学生解决专业问题的关键一环。为此，计算机学院专门推出编程训练计划，提升学生的编程能力，为提升后续解决专业复杂问题能力打下基础。

3  结束语

复杂问题解决是指问题解决者与动态的任务环境之间成功交互的过程[2]。既然如此，复杂问题就不是一次能解决的。单向的知识灌输方式显然不是很好的解决复杂问题的策略和方法，而交互式、讨论式的授课方式是更适合的方法。在实践教学活动中并不要求学生一次性完美无缺地完成实验，反复讨论、修改、迭代、尝试正是学习锻炼的过程。现在，许多专家学者意识到培养学生解决复杂问题能力方面存在不足，提出很多有价值的建议，进行大量实践，但效果不佳。一个主要的原因也许是现在教育资源存在不足，生多师少的局面还没有明显改善，批量培养模式或许还将持续一定时间。但随着时间的推移，教育条件的改善、新的教育技术的采用以及更多人对解决复杂问题能力培养的认同，将有助于这个问题的解决。

参考文献

[1] 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）：27-30，84.

[2] 李一茗，黎坚.复杂问题解决能力的概念、影响因素及培养策略[J].北京师范大学学报（社会科学版），  2020（5）：36-48.

[3] 林健.如何理解和解决复杂工程问题：基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（6）：17-26，38.

[4] 杨培林，蒋克俭，陈丽，等.课程设计教学与复杂工程问题解决能力培养[J].大学教育，2020（6）：69-71.

[5] 潘钊，侯培国，孟宗，等.基于情境构建培养学生解决复杂工程问题能力[J].电气电子教学学报，2020，42（3）：16-21.

[6] 刘邱云，付雪峰.面向解决复杂工程问题能力培养的实践课程教学探索[J].教育现代化，2020，7（5）：30-31.

*项目来源：河南省高等学校重点科研项目计划“数字孪生技术在智能制造中的应用研究”（20B520001）；安阳工学院“十百千”品牌项目计划“计算机组成原理”品牌课堂。

作者：魏胜利，安阳工学院计算机科学与信息工程学院教研室主任，副教授，研究方向为智能制造、制造信息化；张丽莉、李敏，安阳工学院计算机科学与信息工程学院，讲师，研究方向为管理信息系统、教育信息化（455000）。