工程教育认证背景下设计能力培养模式探讨与实践

摘"要：设计能力是解决复杂工程问题能力的重要组成要素，也已经成为检验工程教育质量的重要指标。工程教育认证则要求为达成设计能力培养目标提供全面而具体的支撑。尽管不同的工科专业针对的设计对象不同，但教学过程存在共性问题。该文探讨如何深化工程教育认证背景下设计能力培养改革，构建新的培养模式，并从教学规范性、大工程格局、设计与工程的衔接、责任意识和从个体装备到系统的设计五个方面开展综合性实践；进而，结合我国工科专业自身的特点，对设计能力培养提出建议，为新时代工科专业建设提供参考。

关键词：工程教育认证；设计能力；教学改革；过程性评价；思政教育

中图分类号：G640"""文献标志码：A"""""文章编号：2096-000X（2024）36-0050-05

Abstract：Thedesignabilityservesasanimportantcomponentoftheabilityofsolvingcomplexengineeringproblems，anditscultivationhasbeendeemedasanindicatorofthequalityofengineeringeducation.Accordingtotherequirementsfromtheengineeringeducationaccreditation，acomprehensiveandspecificsupportshouldbeprovidedforaccomplishingthegoalofthedesignabilitytraining.Althoughengineeringmajorsdifferintermsofthedesignedobjects，theteachingprocessessharecommonproblems.Inthepresentstudy，thereformofthetrainingprogramforthedesignabilityunderthebackgroundofengineeringeducationaccreditationisinvestigated.Anewtrainingmodeisexpectedtobeestablished.Acomprehensivepracticeisimplementedfromfiveaspects，namelynormalizedteaching，engineeringlandscape，connectionofdesignandengineering，senseofresponsibility，andextensionfromproductdesigningtosystemdesigning.Furthermore，accordingtothecharacteristicsoftheengineeringmajorsinChina，suggestionsareputforwardforthetrainingofthedesignability，offeringareferenceforprofessionalconstructionofengineeringmajorsinthenewera.

Keywords：engineeringeducationaccreditation;designability;teachingreform;processassessment;ideologicalandpoliticaleducation

我国的高等工程教育规模居世界第一位，且整体实力已进入世界第一方阵。近年来，制造业对国民经济的强支撑作用凸显，而工程教育的重要性随之被提升至新的高度，这对当前的工科人才培养提出了挑战。通过卓越工程师教育培养计划、专业综合改革试点专业、新工科、产教融合专业和学院等一系列教学改革实践，工程教育的内涵得到深化，工程教育质量不断提升。然而，我国目前的工科人才培养尚未达到供需有序衔接的效果，与产业领域的关联也非密切。2016年，我国成为《华盛顿协议》第18个正式成员，凡通过中国科协所属的中国工程教育专业认证协会（CEEAA）认证的中国大陆工程专业本科学位将得到美国、英国等所有该协议正式成员的承认。截至2023年底，全国共有321所普通高等学校的2395个专业通过了工程教育专业认证。“学生中心、产出导向、持续改进”解决的是能力培养的规范性问题；然而，是否能够持续激发能力培养的内在动力，尚需在人才培养的时效性、专业性和系统性方面进行探索与实践。

通过了工程教育认证是不是意味着不需要继续进行教学改革？答案是否定的。工程教育认证侧重构建支撑毕业能力的体系，强调以教学过程监测、评价和反馈、持续改进实现培养目标的达成[1]。教学改革是适应新形势、保障高等工程教育高质量输出的重要手段。工程教育认证并不排斥教学改革，更不建议弱化专业特色。尊重工程逻辑、紧扣社会需求、满足学生个性化发展要求的教学改革与工程教育认证相辅相成。如何深化教学改革，使其不至于成为工程教育认证的“额外负担”，是工科专业面临的现实问题。

设计能力是工程能力的重要组分。不同的工科专业面向的产品对象不同，设计能力的具体表现有所差异。同一个专业可能涉及多个产品对象，且各具特点。以能源与动力工程专业为例，其涵盖了能源转化、能源利用和动力系统，且被划分为特色鲜明的模块方向，如动力机械、流体机械、热能工程和制冷与空调工程等。该专业关注以流体为介质、发挥特定功能的能源装备的设计，也强调设计对象在所属系统中发挥的功能，所以集机械、流体、控制和材料等交叉学科知识为一体。当前，能源开发利用与环境保护是全世界关注的焦点，因此该专业的人才培养具有鲜明的时代特征。我国能源与动力工程专业的工程教育认证工作较其他工科专业起步晚，但该专业在其发展历程中一贯注重设计能力的培养，且构建了系统的支撑体系；只要加强过程性评价，并明确培养目标、毕业能力与各支撑环节之间的逻辑关系，就能够满足工程教育认证的要求。

设计是工程装备研发与制造的基础。设计过程中的构思、表达、分析、优化和验证等环节无不体现工程的魅力和对逻辑思维能力的考验。设计能力的培养需要完备的支撑体系，且与科学合理的教学方法密不可分。国外工程教育较为先进的高校如麻省理工学院、普渡大学等，均强调要培养具有STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）素养的人才。在这种教育理念指引下，学生在解决复杂工程问题的过程中需要综合运用科学、技术、工程和数学4个方面的知识，而设计能力的培养被贯穿其间[2]。2016年，我国香港对当地的高等工程教育进行了反思，发现普遍存在的问题是学生的书面表达能力强，但产品设计与解决实际问题的技能较弱，认为必须更加重视培养学生的动手能力和解决问题的能力。

无论是工程教育本科专业国际互认协议，还是欧洲工程教育项目的跨国许可与认证，均将设计能力的培养置于首要位置，这是基于工程的本质对工程教育进行引导，因此具有重要的现实意义。我国的高等工程教育既参照工程教育认证的规范性要求，也要结合我国的国情开展相应的教学改革。设计能力培养是教学改革的关注点之一，也迎合了时代发展之需。本文聚焦工程教育认证背景下的设计能力培养，从规范性、大工程格局、设计与工程的衔接、责任意识和从产品到系统的延伸5个方面强化设计能力培养，并阐释设计能力培养的时代意义。进而，结合我国工科专业自身的特点，提出建议，为工科专业建设提供借鉴。

一"强化设计能力培养的规范性

我国工科专业的发展与产业技术进步的历程高度契合，也符合我国工程教育的发展规律。近年来，我国高校重视培养过程规范性的程度不断加深，这一点由能力培养的细化及不断完善的支撑体系所印证。通过有效的人才培养实践，为各个产业领域输送了高质量的专业人才。从培养方案中各个具体环节的落实来看，不同的专业根据自身特色和学生的个性化发展需求，修订了实践实习、毕业设计、创新训练等环节的实施细则，明确了对毕业要求中知识、技能和素养的支撑，并从不同的角度支撑了设计能力的培养。对照工程教育认证标准，我国工科专业的设计能力培养尚存在以下3个方面的差距：

①形成性评价不完善。例如设计类课程的部分命题与课程目标的关联不明确，试卷分析无法反映具体知识点的掌握情况，支撑课程目标达成的元素缺失。②支撑设计能力培养的课程设置欠合理。例如课程之间的逻辑性较差，对设计能力培养的支撑较为分散，部分课程的内容呈现“理工不分”的特点。③非技术能力的培养缺少明确的教学环节支撑。例如职业规范、团队意识、终身学习等的培养无从追溯，其对综合能力培养的支撑作用未引起足够的重视。

工程教育认证的目标不是证明而是改进。在以往的教学过程中，注重设计类课程的考评结果，而针对教学过程监控、分析与改进所开展的有效工作较少。为了全面掌握设计能力培养目标的达成情况，需专门对设计类课程的教学过程进行监控，从出勤率、练习、师生互动、评教和评学等各个角度，对教学效果进行综合评价，深入分析影响能力培养的因素，并形成改进方案。为了提高课程评价的可操作性，有的专业还专门开发了数据处理与分析程序，任课教师通过网络平台可进行课程评价的数据输入、校核、分析、图形表达与输出，课程负责人和专业负责人有权限在网络平台查看课程评价结果，详细了解课程教学过程，分析各个培养环节的教学效果，制订改进方案。

社会需求是工程教育认证标准制订和教学改革的依据，而科学合理、具有时效性的培养方案则是人才培养适应社会需求的直接体现。培养方案修订是工程教育认证的要求，也是专业建设的需要。培养方案是人才培养的纲领性文件，其修订应充分征集高校、用人单位、实践基地、校友和家长等不同群体的意见。对这些意见进行分析、归类、确认后，提交培养方案修订小组进行讨论和最终确定。对于同一专业存在若干模块方向的情况，需要各模块的能力培养标准与国际标准实质等效。仍以能源与动力工程专业为例，其涵盖动力机械、流体机械、热能工程和制冷与空调工程等模块，需要为每个模块设置原理与设计综合课程，并辅以相应的课程设计和实践环节，确保每个模块在产品设计、技术开发和系统运维三个方面均满足毕业要求。

与国外相比，国内工科专业要求修读的人文社科类和交叉学科类课程的学分相对较少。国外强调学生的人文情怀与素质的培养，侧重培养学生的理性分析、独立批判与解决复杂问题的能力。在这一点上，我国的工程教育存在改进的空间。只有将设计能力与非技术能力有机结合，才能保证能力培养支撑体系的完整性。在优化专业基础课程、设计课程、课程设计和实践实习等环节的基础上，将非技术能力的培养融入教学环节，在专业基础课程和专业课程中均设置基于案例（Case）或问题（Problem）的教学环节[3]。同时，在课程设计和毕业设计中，除对设计能力进行系统训练外，需要补充非技术能力培养要素，确保达成毕业要求中的非技术能力培养目标。

二"从大工程格局视角审视设计能力培养

工程之所以能够吸引学习的兴趣，在很大程度上取决于其时效性。当前，以智能制造为主导的第四次工业革命已经在工业生产中占据重要地位，人工智能、数字化、物联网等技术与制造业的结合已成为产业结构改革的重要方向。从工程教育来看，这些前沿技术已经渗透至卓越工程师教育培养计划2.0专业、产教融合课程、微专业等具有导向性的教学改革实践中[4]。从近几年的工程实践来看，工程对先进技术的反应要先于高校。例如，对中央空调水系统中的水泵运行进行实时监测、采用机器学习方法对风机故障进行预判、基于大数据对化工流程进行节能改造等，均发挥了先进技术的优势。工程教育必须对技术进步做出响应，不能对新的技术视而不见。微专业是近年来实施的一种进阶式人才培养方案。微专业的引入为学生提供了拓宽专业领域的平台，更为专业交叉和个性化培养提供了有效工具。

无论从产品的功能发挥还是产品应用的社会意义出发，均应将产品设计能力的培养置于大工程格局中进行规划。结合设计对象面向的用户、市场、运行环境等，设计者需要清晰地认识设计的意义和设计伦理。从设计能力培养的角度，教学案例不仅要解释工程问题的解决思路与过程，也要说明问题的来龙去脉，尤其是问题的悬而不决或解决不彻底对社会的影响，这样才能使学生客观地认识工程并不断增强工程意识。以潮流能水轮机的设计为例，需要引导学生认识设计对象在5个方面的社会价值：①合理开发清洁能源有助于调整我国的能源结构；②结构合理的水轮机的特点是能量损失小、运行稳定、维护成本低，相当于增加了收益；③水轮机的规模化生产将带动发电机、轴承、密封等产业的发展，有助于增加就业；④水轮机的设计水平是一个国家制造业发展水平的重要体现；⑤潮流能水轮机是国际新能源利用领域关注的热点对象，其对于促进国际交流具有积极作用。这些内容不但可以延伸学生对能源装备的思考，也能够促进非技术能力的培养。

三"强化能力培养与工程元素的结合

支撑设计能力培养目标达成的是逻辑完整的知识体系。除了设置具有递进关系、交叉协作的课程外，对实践环节应当给予高度重视[5]。课程设计和毕业设计等实践环节是培养设计能力的关键环节[6]。例如，叶片泵是一种重要的通用机械，经常被作为能源与动力工程、化学工程与工艺、机械工程等专业学生的设计对象。学生在学习机械设计、流体力学、流体机械原理与设计等课程的基础上，参加叶片泵试验和课程设计，逐步理解与叶片泵设计相关的安全、健康、法律、文化及环境等因素，并在企业生产一线进行产品认知与工艺实习，最后通过设计课程完成典型叶片泵的水力和结构设计，这是培养叶片泵设计能力的一般路径。随着叶片泵应用领域的不断拓宽，其结构型式趋于多样化，如输送液化天然气的超低温泵、低噪声船用泵、用于移动核电站的超高速高温泵等，仅仅掌握典型泵的设计方法已不能适应现代产业的发展。及时吸纳新的工程元素已经成为当前工科专业建设的重要任务之一。换言之，能力培养要与工程需求接轨、与市场互动，避免“闭门造车”现象。对于新的叶片泵结构，应借助企业的平台和师资力量，为学生提供具有针对性和专业性的指导，以提升学生的产品设计能力、问题分析能力及结构优化能力。

设计能力的培养是一个综合性过程，如图1所示为该过程的导览图。设计能力培养的支撑为专业导论、专业课程、社会调查等8个主要环节，这些环节的先后次序可能因专业而异，各个环节的内容存在交叉。每一个环节包含的具体内容是相关且连贯的，对整体目标达成的贡献度有所区别。图1中所列的5个内容模块贯穿于整个培养过程，并不专属于某一环节。从能力培养的角度，工科专业强调6个方面的具体能力要求，如图1所示。产品认知能力、专业工具应用、工程语言与表达和交流与合作4个要求包含在工程教育认证的框架内，而工程思维与优化设计则高于工程教育认证的要求，这是我国工程技术的高质量发展对人才培养提出的要求。

设计能力评价的三个要素为评价素材、评价的基本原则和评价的实施者（图2）。不同的评价实施者所关注的评价素材不同[7]。对于课程学习，任课教师负责考评学生的试卷、随堂练习作业等。在企业实践阶段，工程师对学生的现场表现、设计图纸等进行评价，而企业管理人员将同学校的辅导员和学业导师一起对学生在实践过程中的交流、合作、专业兴趣等表现做出相应的评价。学业导师本身就是专业教师，其发挥的功能是引导学生深入专业学习，所以他们也将基于专业性的评价素材做出评价。不同评价实施者得到的评价结论在整个评价中的权重由专业建设委员会讨论确定。

评价的实施者是多元化的，教师对课程教学效果的评价相对直接，而对能力的评价则需要任课教师、企业导师、辅导员、学业导师和行业专家等共同参与，必要时还需要进行学生互评。对于企业阶段的实践实习、课程设计和毕业设计，企业工程师的评价结果应该被赋予较高的权重。尤其是毕业设计答辩会，企业工程师和行业专家的数量至少占到答辩委员会总人数的1/3。毕业设计体现了专业知识和专业工具的综合运用，也是校企协同育人的重要切入点[8]。从产业领域的角度审视毕业设计的质量，提出改进建议，对于本科生的最后一次“考试”具有重要意义。

图2"设计能力评价方案

四"通过思政教育增强工程责任意识

在工程技术进步的过程中蕴蓄了极为丰富的思政元素[9]。对这些元素进行检索、分类、组织和凝练，是专业课程思政的重要任务。对学生进行专业思政教育，不但能够激励他们的爱国情怀，还能够促使他们认真总结历史发展和技术进步规律，夯实他们以专业为工具推动技术进步、奉献社会的信念。

开展专业思政教育，就是以专业为载体，紧密围绕培养方案中的毕业要求和价值培养目标，提炼政治素养、家国情怀、专业使命和职业操守等核心价值要求，并将其融通至人才培养全过程。在设计类课程和实践环节中开展思政教育，既借力设计能力培养环节与其他课程的内在联系，实现专业能力培养与思想政治教育协同推进，又体现了思政教育与专业知识相互融合的特点，并且为构建具有专业特色的核心价值体系提供了指引。

当代大学生应当主动承担对国家、社会和环境的责任。设计是体现社会责任的重要方式。只有当学生以正确的态度对待产品设计，而不将其仅仅作为一种能力训练的渠道时，设计能力的培养才有意义。从这一角度，学生应该在设计阶段考虑设计对象的运行对环境和社会的影响[10]。产品是人的智慧的运用和工具应用的结晶，其不但发挥既定的功能，也包含着设计人员对自然和工程之美的理解。以能源装备为例，其中蕴含着丰富的美学特征，如流动之美、结构之美、图形之美等，如图3所示。对于该类装备，无形的流体与有形的刚体之间形成了鲜明的对比，且两者之间存在着相互作用，这其中不但体现力学原理，也展现出装备要素之间互相依存、协同工作的特点。通过机械之美的传递，培养学生的专业审美素养，加深他们对工程与自然统一性原理的认识。

图3"机械设计的美学特征

五"将设计能力培养从产品向系统延伸

工程装备的性能往往无法依据单一的指标进行衡量，需要从安全性、效率、振动、噪声和服役时间等方面进行综合考虑，这就必然要求设计能力的培养覆盖设计、性能分析、安全性校核和优化等各个具体环节。工程装备设计的目标在于不但要满足个体的性能指标，还要在其安装于系统中时，满足系统的运行要求。

设计能力的培养体现在产品设计的全过程中。从设计要求提出到设计结果呈现，产品设计经历了一个知识、方法、工具和智力综合运用的过程。当获得设计结果后，设计工作尚未完成，此时还需将设计对象置于系统中进行匹配性分析，根据分析结果对设计对象的功能发挥进行评估，从而改进设计。设计能力的培养需要与工程问题的解决思路相匹配，这就要求不仅仅针对设计对象本身、还要结合设计对象所在的系统开展设计工作。

在设计能力的培养过程中，应强调设计结果的实效性。这就要求产品设计理念向系统进行拓延，即由单个装备向系统和流程过渡，因为系统才是产品设计的落脚点。例如，应用于凝结水系统中的凝水泵，其在独立的产品设计阶段按照既定性能参数，如流量、扬程、转速和必需汽蚀余量等进行设计，设计结果在试验台上（理想的来流条件、理想的介质）得到客观地验证。然而，一旦凝水泵被安装入凝结水系统，泵的流量必须服从系统的需求，即泵所提供的能量与克服系统阻力所需的能量之间达到平衡，这是在设计之初就需明确的设计原则。为拉近设计能力培养与工程应用之间的距离，需要引入更多的工程案例。

六"结论与思考

本文将工程教育认证理念与教学改革相结合，增强培养方案实施的规范性，将设计能力培养融入大工程格局中，强化工程元素对能力培养的支撑作用，通过专业思政教育增强专业责任感，并将设计能力培养的载体从个体装备向系统拓延。结合我国工程教育和专业建设特点，提出三个值得继续深入思考的问题：

1）工程信息的传递和工程元素的交流均依靠表达，所以表达能力的培养至关重要。装备和系统的设计思路需要借助图形、文字、语言和数据等进行表达。表达能力的培养是一个循序渐进和积累的过程，应该贯穿于人才培养的全过程。

2）建设一系列适应时代发展、具有专业特色、符合人才培养规律的专业教材至关重要。要充分汲取国外教材的优点，并与我国自行编写的教材相对照，从专业思政、教材内容与工程衔接、知识点凝练和例题设计等方面改进国内教材。

3）校企共建一支工程能力强的师资队伍显得急迫。开展该项工作需要合理的建设方案。一方面，高校可以借助企业产品制造与应用一线培养青年教师；另一方面，应大力开展吸纳企业工程师入教工作，使工程元素有序进入课堂，并逐步完善专业知识体系。

参考文献：

[1]项聪，郭雅兰.工程教育认证的内在逻辑及自我超越[J].高等工程教育研究，2022（4）：65-69.

[2]徐锦泱，刘松恺，夏天成，等.国内外一流工科大学机械工程专业体系对比研究[J].高教学刊，2021（19）：27-30，35.

[3]耿俊浩，田锡天.马炳和.工业界视角下面向专业认证的工程实践类课程教学改革[J].高等工程教育研究，2018（2）：136-141.

[4]李欣，薛冰，王伟.“新工科”背景下工程实践课程内涵建设的路径及举措[J].大学，2021（35）：152-154.

[5]施晓秋.新需求、新理念视域下一流课程建设思考与实践[J].高等工程教育研究，2022（4）：52-58.

[6]张明礼，王立宪，侯彦东.面向工程教育认证标准的实践类课程达成情况评价-以“地下结构设计课程设计”为例[J].大学教育，2021（11）：51-53.

[7]朱露，胡德鑫，王凯峰，等.基于产出导向工程教育理念的毕业要求达成评价（上）[J].高等工程教育研究，2024（3）：42-57.

[8]刘莹，阎绍泽，殷皓.基于新工科的校内外协同育人模式探索与实践[J].中国大学教学，2021（4）：13-16.

[9]张继龙，戴建国，路君.航海类课程思政教学设计与实践-以“航海基础”课程为例[J].海军工程大学学报（综合版），2021，18（2）：69-71.

[10]张建桃，曾莉，韦婷婷.基于市场需求的工业工程专业课程设置[J].高等工程教育研究，2022（3）：67-73.

基金项目：国家级新工科研究与实践项目“新工科理念下新卓越工程人才四维度交融培养模式改革与实践”（教高厅函[2018]17号）；江苏高校品牌专业建设三期工程项目“能源与动力工程”（苏教高函[2024]17号）；江苏省卓越工程师教育培养计划2.0专业项目“能源与动力工程”（苏教高函[2023]2号）

作者简介：康灿（1978-），男，汉族，河北宁晋人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为工程能力培养机制与工科专业思政教育。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.012