面向复杂工程问题解决能力的多元化实践教学体系构建

李艳+王海梅+吴益飞+彭栋

摘 要： 基于自动化专业人才培养目标和毕业能力通用标准的要求，建立一套与自动化类工程师基本素质训练内容相衔接、循序渐进的实践教学模式，并按照专业基本技能、系统设计能力、研究创新能力三个层面，逐层递进地培养学生解决“复杂工程问题”的能力，为提高大学生工程实践能力和工程素质，培养適应社会需求的工程创新人才提供参考和借鉴。

关键词： 复杂工程问题 工程实践能力 自动化

引言

工程教育认证制度是国际通行的工程教育质量保证制度，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，也是连接工程教育界和工业界的桥梁。2015版工程教育认证标准中，对普通高等学校本科生的毕业要求通用标准共12条，其中有8条提及“复杂工程问题”，这种对于复杂工程问题的解决能力，不仅需要全面扎实的理论知识功底，更需要工程实践能力的积累，全面体现出工程教育的实践性、创新性、系统性。因此，认证专业必须要求教育过程合理地规划与实现在工程资源范围、系统相互作用的层次水平、工程实施的社会环境后果、培养学生的创新能力以及相关学科的基础理论应用于复杂工程问题等方面的工程教育活动[1]。本文以南京理工大学自动化专业为例，立足本专业培养目标，在深入剖析复杂工程问题的内涵与特征的基础上，对本科培养过程进行重新规划，在教学活动的各个环节中设计并实施培养学生解决复杂工程问题能力的工程教育活动，以满足工业界对现代工程人才的需求。

1.面向工程教育专业认证需求，剖析复杂工程问题内涵

所谓“复杂工程问题”，是指必须运用深入的工程原理，并经过分析才可能得到解决的问题，须同时具备下列6个特征中的部分或全部：（1）它涉及多个工程、技术及其他方面的因素，各因素间可能会有一些冲突；（2）需通过建立适当合理的并能体现出一定的创造性抽象模型才能将冲突问题予以解决；（3）问题中涉及的部分因素没能完全包含在本专业工程实践的标准或规范中；（4）不是仅靠一般的方法就能够将问题完全解决的；（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有一定的综合性[2]。

从上述对“复杂工程问题”的解释可以看出，解决复杂工程问题是工程教育认证对学生毕业能力的要求。工程教育的培养过程要求学生：有深厚的工程知识，会解决复杂性工程问题的某一或某几个方面，会创造性地分析建模与解决问题，会解决涉及工程与其他方面及不同利益相关者的多样化需求，能深入工程标准与规范涵盖之外的可能不太常见的问题，能开展研究以解决高水平且包括多个组成部分或子问题的问题[1]。

2.针对解决复杂工程问题的能力需求，构建多元化实践教学培养体系

面向国家工程教育专业认证目标，针对解决复杂工程问题的能力培养需求，自动化专业对本科教育的实践培养环节进行了梳理与重新规划，按照基本技能训练、系统设计能力培养及研究创新能力培养三个层面，重组了实践教学内容，合理安排不同类型实验的比例，优化了基础性实验，加强综合性、设计性和创新性实验，构建了多层次、多元化实践教学培养体系，如图1至图4所示：

3.“科教融合，校企协同”，构建高层次校内学生实践创新平台

所谓科教融合，是指以创新人才培养为前提，使科研与教学在形式和内容上相互渗透而形成的人才培养的新路径，它是对我们普遍倡导的“科研与教学相结合”的更深层含义的表达[3]。如何使科研资源、科技成果及前沿课题不断有效地转化为优质的教学资源。针对这一问题，本专业在具体实践过程中，一方面，结合专业教师高水平科研项目，通过自制与购买相结合的方式，多渠道开展实验室建设。另一方面，通过与国内外著名企业建立联合实验室和创新实践基地，构建一系列高层次实践创新平台。一流的实践平台、一流的实验环境为大学生工程实践能力的培养提供了坚实的保障。

3.1依照多层次实践教学模式，实施实验中心功能整合。

校内实验室是学生工程实践能力培养的摇篮，在教学投入上应高度重视实验室的建设，及时更新相关实验设备及软件，在加大投入的同时，也应该对实验室资源进行有效的整合，避免重复、闲置等现象，以提高实验室的质量和效率。以“自动化省品牌专业”建设及校“一院一品”建设为契机，对自动化实验教学中心进行全面整合，将中心实验室全部调整到同一楼层，按功能整合成四个区域：基础实验区、专业综合实验区、智能运动体控制实验区（含开放和创新实验区）、联合建设实验室区，并明确各实验室在学生复杂工程问题解决能力培养过程中的作用。图5为按功能进行整合的自动化实验中心体系结构。

3.2自制与购买相结合，多渠道开展实验室建设。

实验室的建设与改善是培养学生创新能力和实践能力的必备条件。本专业在实验室建设的具体实践中，一方面，利用教师长期从事本行业军民品科技项目的优势，通过将最新技术与成果转化为实验装置，自行开发研制了10余种，160余套高水平、综合型、设计型和创新型实验装置。如：利用国防科研成果开发了“高精度数字伺服系统”；结合横向科研课题，针对一类典型控制系统，研制出“组合式过程控制系统”。基于上述设备进行实验，能够使学生在成功案例的分析过程中获取实践经验、扩大认知面，进而激发学生探究解决实际问题的愿望，培养学生自主学习的能力和主动思维的习惯。将科研成果转化为教学内容，同时促进了科研项目与科研训练、毕业设计等培养环节的结合，增强了实践教学环节的工程背景，有效提高了学生的工程实践能力。另一方面，利用自动化省品牌专业建设专项资金与国家修购经费，添置了100多台套高水平的实验装置（近2年），包括三维姿态采集分析系统、无人机DIY设备、多种竞赛机器人、加拿大Quanser运动控制平台等。这些设备代表了控制学科的技术前沿，某些设备本身即为典型的复杂控制系统，包含了复杂的控制工程问题，能够为本科生科研训练、毕业设计、课程设计和相关学科竞赛等提供一流的创新实践平台。

3.3引进自动化相关企业的设备，建立校企联合实验室。

自动化专业是电气工程与自动控制、计算机与信息技术等新技术相结合的宽口径专业，其鲜明的特点就是学科交叉。在专业实验室建设方面，要充分考虑各类相关学科专业人才培养的需求，突出培养学生的实践能力和创新能力。为此，本专业先后与西门子数控（南京）有限公司、飞思卡尔半导体（中国）有限公司、罗克韦尔自动化（中国）有限公司、德州仪器公司（TI）等企业建立了联合实验室。校企联合共建实验室，能够为学生提供最先进的、具有明显行业背景的、系统性强的实验平台。基于上述平台，学生可以接触世界领先的工业自动化设备、控制和技术解决方案。所引进的企业设备，都是实际运行的自动化设备，缩小了教学实验与社会实际应用的差距。借此展开各类综合、创新实验项目，极大地增强了学生多学科知识交叉融合与科技创新能力。

3.4以科技竞赛为牵引，构建开放式大学生创新实践平台。

科技竞赛既能体现学生专业基础能力，又能极大地发挥学生的创新思维，是提高学生实践创新能力的有效途径。本专业成立了一支由教学、科研第一线教师组成的大学生科技竞赛专业指导团队。团队成员实践教学能力强、科技竞赛经验丰富，热心于大学生科技活动事业，创设的全校机器人大赛已经连续组办11届，学生参与度极高。

组建了“无限自动”科技俱乐部，先后创建了智能车、机器人、无人机等5个本科生创新平台，吸引了跨专业、跨学科的学生积极参与到课外科技活动中。俱乐部由学生自己组织、自我管理，可充分展示学生的个性，激发学生的求知欲和探知欲，强化学生自主学习的意识。专业为“科技俱乐部”配备了有经验的指导教师，使学生的自主学习与专业指导紧密结合。大学生科技创新平台实验条件优越、经费充足，为学有余力、勤于动手的学生提供了实现自己设想的实践场所，为培育新时代拔尖人才创造了条件。

针对学生层次差异及各科技竞赛对学生能力培养的侧重点不同，大学生创新实践平台设计了由兴趣培养→动手能力培养→主动实践和创新能力培养的三层次能力培养模式：对于大一、大二学生，通过机器人竞赛引导学生实踐动手的兴趣和积极性；对于进入专业课程学习的大三学生，通过创新杯、电子设计竞赛和科研训练等，提高学生的实践动手能力；对于大四学生，主要通过参加国家级科技竞赛项目，引导学生主动实践，进而提高其实践创新能力。

4.校企合作打造实训实习基地，有效提高学生的工程实践能力

专业与多个国内知名企业建立了长效的合作机制，通过邀请具有丰富工程实践经验的企业高端人才或高级管理人才来校授课讲学，组织学生到优秀企业参观、实训或实习等方式，建立校企合作人才培养机制。专业所建立的实训实习基地具有技术研发工程实验条件和明确的产品研发方向，学生参与企业项目，能够接受企业导师与校内导师的共同指导。学生在项目实施过程中，通过将自己的知识和技能用于实践，体验创业的过程，并在学习过程中掌握项目的设计、实施和管理方法，在企业项目的驱动下提高解决复杂工程问题的能力。校企合作也将带动项目驱动型校企实训实习基地的“共建、共享、共管、共赢”。自动化专业目前已与南京中电熊猫液晶显示科技有限公司、江苏银河电子股份有限公司、中国卫星海上测控中心、南京地铁运营有限责任公司等多家企业建立了实训实习基地。

在上述实训实习基地中，南京中电熊猫液晶显示科技有限公司由夏普提供全方位技术支持，具有GDM技术、4次光罩技术、光配向技术等该领域世界最新技术，拥有工艺技术最先进的第六代液晶面板生产线。该公司为本专业学生开设了“液晶器件制造工艺”、“光电子技术概论”、“电路CAD及印制电路板设计技术”三门课程的教学，并承担学生的毕业实习任务。学生在企业环境中接受训练，由经验丰富的工程技术人员上课，边学习边实践，实践创新能力得到了普遍提高。南京中电熊猫液晶显示科技有限公司于2014年被评为“国家级工程实践教育中心”。

结语

实施工程教育认证标准过程中，加强学生培养全过程中面向“复杂工程问题”的训练与能力培养，注重工程实践能力的积累，是保证我国高等工程教育的质量的重要条件。本文在剖析复杂工程问题内涵与特征的基础上，构建了基于“基本技能、系统设计能力、研究创新能力”的实践课程培养体系，通过“科研成果转化与购买相结合，校企共建，高水平建设校内学生实践创新平台；以科技竞赛为牵引，构建开放式大学生创新实践平台；校企合作，打造实训实习基地”等途径，设计了多元化实践创新能力培养方案，全面体现了工程教育的实践性、创新性、系统性，确保了大学生复杂工程问题解决能力的稳步提高。

参考文献：

[1]余寿文.工程教育评估与认证及其思考[J].高等工程教育研究，2015（3）：1-6.

[2]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2015年版）.

[3]风天宏.科教融合主导下大学生科研创新能力的培养[J].教育教学论坛，2014（11）：177-178.

基金项目：自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究项目，批准号：2014A09。