基于解决复杂工程问题能力培养的课程体系建设

曲云霞，张建辉，郭兰申，张小俊

（河北工业大学 机械工程学院，天津 300401）

引言

我国高等工程教育专业认证开始于20世纪90年代初的建筑专业认证。2006年3月，教育部成立了全国工程教育专业认证专家委员会，先后成立机械工程、电子工程、化工、计算机等四个专业试点工作组，并于2006年完成了对清华大学等8所高校的试点认证。2013年6月，我国成为《华盛顿协议》预备会员，2016年6月，成为《华盛顿协议》第18个正式成员。

我国开展工程教育专业认证工作时间不长，很多高等工程院校对建立具有国际等效性的认证体系研究和认识还不够充分，对工程教育专业认证与高校评估的区别认识不足，仍延续着本科教学评估的工作思路和方法，强调该专业拥有多少资源和什么样的学科优势，而不是以培养学生能力为办学宗旨，以学生学到什么为验证手段，以大多数受教育者达成的质量水平证明其办学效果［1］。

《华盛顿协议》的等效性从实质上承认了通过工程专业教育的学生所具备的能力，学生能力是教育质量最直接也是最有力的证明［2］。质量认证则是中国工程类学生走向世界的通行证，中国工程教育在迅速走向国际化。如何进一步推动工程教育改革，促进多样化工程人才培养，提高公众工程文化素养，就成为十分紧迫的问题［3］。

工程教育专业认证要求学生能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题，针对复杂工程问题具备分析能力、设计和开发解决方案能力、研究能力、使用现代工具能力、沟通能力等，能够理解与评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律及文化的影响，以及针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响等。

一、基于解决复杂工程问题能力培养的课程体系构架

不断提高教育质量是高等教育追求的永恒“不动点”。特别是我国的高等教育在较短时间内从精英教育跨入大众化教育后，目前正处于从以规模扩张为主的外延式发展转向以质量提高为主的内涵式发展的转型过程中，这个“不动点”的地位更加突出［4］。

紧紧围绕目前高等工程教育的需求，基于OBE工程教育理念，制订了我校机械设计制造及其自动化专业的培养目标及毕业要求，致力于培养德智体美劳全面发展，具有创新能力、团队精神、国际视野、不断学习与适应专业技术发展的能力，具备较高的社会责任感、良好的道德修养和人文科学素养，并能够在机械设计、制造及其自动化领域从事机械产品设计、制造、技术开发、应用研究、工程项目管理、生产管理等工作的高级工程技术人才。

解决复杂工程问题的能力培养贯穿于全周期的人才培养过程，从科学与人文基础、工程及专业基础理论到专业技术方法等各个教学环节，并在各实践教学环节集中体现和评价，如图1所示。

图1 解决复杂工程问题能力培养的课程体系框架

二、教学环节支撑解决复杂工程问题能力培养

（一）解决复杂工程问题能力内涵探析

随着现代社会、科技和经济的飞速发展，工程问题更加复杂化，对工程技术人员的要求也越来越高。为适应现代社会、科技的飞速发展对人才的高要求，高等工程教育以OBE的教育理念为核心，旨在能力和技能培养：优秀的分析能力、实践能力、创造力、沟通能力、商业和管理知识、领导力、道德水准、专业素养、终身学习；社会技能、系统技能、解决复杂工程问题的技能、资源管理技能、技术技能等复合交叉技能［5-6］。

解决复杂工程问题是工程教育专业认证要求学生毕业必须具备的一种能力，其内涵是指必须运用深入的工程原理，并经过分析才可能解决问题，且同时须具备下列6个特征之一或多个特征：（1）涉及多方面的工程、技术及其他因素，各因素间可能会存在冲突；（2）需要通过建立合适的抽象模型才能将冲突问题予以解决，在建模过程中能够体现创造性；（3）不是仅靠常用方法就可以将问题完全解决的；（4）问题中涉及的因素可能没有完全包含在本专业工程实践的标准或规范中；（5）问题相关各方利益不完全一致；（6）包含多个相互关联的子问题，并具有较高的综合性［7-8］。

在高等工程教育专业人才培养中，解决复杂工程问题的知识、能力、素质的综合能力培养，体现在人才培养过程各个阶段的方方面面。在教学环节的实践中，怎么发现、定义复杂工程问题是首要的，之后再基于复杂工程问题的内涵，按照工程问题、复杂工程问题的概念对其进行问题重构——改变以往仅仅关注技术问题解决的传统，改为按照复杂工程问题的基本内涵对于典型专业问题进行封装，提出新要求，设置新障碍，进行非技术性因素的设计约束和限制，使其尽可能地模拟、逼近实际的复杂工程问题，最终形成工程专业各自典型的复杂工程问题［9］。

（二）毕业设计教学环节实施案例

对于高等教育工科专业的学生，在大学四年的学习，由最初建立起来工程的基本概念到后续较为完善的理论体系，无处不体现着解决复杂工程问题能力的培养，由浅入深，由易到难，由单一到综合，由碎片化到系统化，而其中毕业设计教学环节最为综合。

针对解决复杂工程问题的能力培养，我校机械设计制造及其自动化专业制订毕业设计教学环节的课程目标为：课程目标1：掌握文献检索、资料查询、调研及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法，并能用于工程问题分析。课程目标2：能够正确阅读和理解本专业的外文科技文献，了解国内外机械工程领域的发展动态，能够规范地撰写技术报告和设计文稿。课程目标3：能够全面运用本专业所学的相关工程基础知识和专业知识，具有对机械系统各功能模块进行方案设计的能力，并在方案的设计过程中能够运用创新方法与工具进行技术问题的解决。课程目标4：能够采用理论工具和评价方法对设计方案进行建模、分析和论证，并在方案设计过程中综合考虑经济、环境、法律、安全、健康等制约因素。课程目标5：初步具备相关技术、技能和现代化工程工具的使用能力，能用于机械系统及其零部件的设计，并能对机械设计、制造过程、传动与控制中的复杂工程问题进行预测与模拟。课程目标6：了解与机械专业相关的职业和行业的生产、设计、研究与开发的法律、法规等方面的方针、政策和法律、法规等知识，能正确认识机械工程对于客观世界和社会的影响。课程目标7：了解与机械制造过程、产品应用相关的环境和社会可持续发展等方面的现代社会问题的知识，并在复杂工程问题解决过程中考虑其影响。课程目标8：具有一定的组织管理能力、较强的表达能力和人际交往能力。

基于上述课程目标，制订了本专业的毕业设计选题指南，从而在设计题目的选择上能够体现解决复杂工程问题能力培养的各要素要求。选题原则主要包括：符合本专业的培养目标和毕业要求，具有较全面的知识覆盖面，涵盖本专业主干课程的知识内容及解决工程问题的理论方法，使学生得到比较全面的工程训练；课题来自生产生活的实际需求以及专业领域科学研究的实际问题，有工程应用背景和科学研究价值；题目类型可以多种多样，贯彻因材施教原则，使学生的创新能力得以充分发挥；题目难易程度和工作量能够满足专业培养目标及毕业要求，研究论文题目的类型应符合课题所需的实验条件，能使学生经过努力在给定的时间内完成规定的研究任务；毕业设计要求一人一题。如果一个课题总体工作量过大，可多人合作此课题，但是必须明确每位学生应该独立完成的设计研究任务，并给出具体的子题目。

本专业课程体系知识模块，以科学与人文基础、工程基础理论、专业基础理论、专业技术方法四大模块的系统综合，成为解决复杂工程问题的能力保障。

本专业毕业设计教学大纲，清晰地确定了各阶段所需完成的设计研究任务与解决复杂工程问题的对应关系，体现了复杂工程问题特征，既是师生教学的纲领指南，也是教学成果评价的有力依据。在满足本专业毕业设计选题原则的情况下，课题在设计研究过程基于研究对象运用所学原理方法进行计算分析、结构设计等，获得所需方案结论，均体现了复杂工程问题的特征1：必须运用深入的工程原理经过分析才能得到解决，同时满足以下6个特征之一或多个特征：（1）针对研究对象进行总体方案分析、比较、设计，体现了复杂工程问题的特征1：涉及多方面技术、工程和其他因素，并可能相互有一定的冲突。（2）依照任务要求建立研究对象或问题的抽象模型，体现了复杂工程问题的特征2：需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模中体现创造性。（3）通过已学或自修相关理论方法或工程软件工具处理解决设计问题得出有效结论，体现了复杂工程问题的特征3：不是仅靠常用方法就可以完全解决的。（4）根据设计任务及特殊要求，创新性地提出改进及设计研究方案，体现了复杂工程问题的特征4：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。（5）考虑多方因素并协调，在现有条件下进行方案设计比较得到合适方案，体现了复杂工程问题的特征5：问题相关各方利益不完全一致。（6）综合运用所学知识、理论、方法和所查阅的文献资料进行综合完成指定任务要求，体现了复杂工程问题的特征6：具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

结语

以OBE工程教育理念为核心，遵循机械类工程技术人才培养的基本原则和学生掌握知识、能力培养、分析研究和解决复杂工程问题循序渐进的认知规律，笔者基于我校机械设计制造及其自动化专业的课程体系，并以毕业设计教学环节为例，探索解决复杂工程问题能力培养的思路、途径及实施方法，通过构建不同教学环节的拓扑关系，旨在指导教学内容的改进、教学设计与教学实施的创新。使学生在学习过程中从获取“碎片化知识”到凝练“系统化知识”，从“以知识体系为中心”到“以能力达成为目标”，最终可以运用于解决复杂工程问题，希望能够为相关院校工程教育认证工作及人才培养提供有益的借鉴作用。