本科工程教育：聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养

蒋宗礼

摘要：明确本科工程教育聚焦学生解决复杂工程问题能力培养的基本定位，加快实施国际接轨的工程教育的步伐，以促进内涵发展，提高教育质量与水平，并从这一基本定位内涵、相关的教育基本要求以及如何分解落实三个方面讨论相关问题。

关键词：工程教育：复杂工程问题；能力培养

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。2006年我国开始工程教育专业认证工作，它以工程教育国际接轨为突破口，通过强化内涵发展提高质量，发挥了重要的引领和示范作用，特别是在促进教育观念的更新、标准意识的建立、质量意识的强化上发挥了重大作用。这已被10年来的实践所证明。2016年6月2日，我国正式加入《华盛顿协议》（以下简称《协议》），被认为是中国高等教育取得的具有里程碑意义的历史性突破。未来，我们还需加大力度，促使更多高校的本科工程教育达到我国《工程教育专业认证标准》（以下简称《标准》），全面推进我国本科工程教育实现《协议》意义上的“国际等效”，同时也为其他专业门类的教育提供借鉴。

一、本科工程教育的基本定位是培养学生解决复杂工程问题的能力

《协议》倡导以学生为中心、产出导向（Outcome Based Education，OBE）、持续改进（Continue Quality Improvement，CQI）三大教育理念，要求从培养目标到毕业要求，从毕业要求到课程体系，再到教学落实、评价与反馈，进行系统设计与实施。培养目标是起点，起着“制导”作用，而且要求专业从面向学科办学（适应精英教育）转向面向社会需求办学（适应大众化教育），依社会需求确定培养目标。当然，作为基本要求，培养目标必须符合教育的基本定位。按照《协议》，两年制专科培养学生解决狭义工程问题（Well-defined Problems）的能力，三年制的大专培养学生解决广义工程问题（Broadly-defined Problems）的能力，本科培养学生解决复杂工程问题（Complex Problems）的能力。

什么是复杂工程问题？《协议》用如下7个特征进行刻画。其中第一条是必备的，它指出了复杂工程问题的本质；第二到第七条是可选的，它们可以看做是复杂工程问题的表象。

（1）必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决；

（2）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；

（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；

（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的；

（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中；

（6）问题相关各方利益不完全一致；

（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

与《协议》等效，《标准》所给出来的12条毕业要求，明确体现了这一基本定位。所谓毕业要求，就是学生在毕业时必须达到能力标准，按照人才培养系统化设计和实施的要求，它们需要分解到课程体系的相应教学活动中去落实。在这12条毕业要求中，“复杂工程问题”在其中8条中出现了9次，另外还有3条中分别出现了“多学科背景下”“跨文化背景下”“多学科环境中”的字样。

12条毕业要求是明确的、具体的。例如，关于“工程知识”，其要求是“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”。这一点与我们习惯的类似“掌握数学、自然科学、工程基础和专业知识”“理解法律法规基本知识”“了解经济和金融知识”的表述是不同的。其关键是明确给出了“掌握”“理解”“了解”的程度，即，足以支持“解决复杂工程问题”。再例如，关于“研究”，其要求是“能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据并通过信息综合得到合理有效的结论”。这就要求学生能够将基本原理用于实际问题的研究，要能够“构建”实验环境、“设计”实验、“实施”实验、“采集”实验数据、掌握“分析方法”、有效地“分析和解释”数据、“综合”结果，并“得到”合理有效的结论。注意到这些工作都是要“基于科学原理并采用科学方法”的，所以，需要将“动手能力”“实践能力”定位在“基于基本原理”的层面上，也就是“理论指导下的实践”“理论与实践的结合”，而不是简单的动手和实践。这不仅要在相应的教学大纲中明确给出，更要通过教学活动落实，并有效评价落实的程度（即达成度）。

此外，它们所透出来的对“基本原理”的要求等与“复杂工程问题”以及“解决复杂工程问题能力”的要求是一致的。

二、从复杂工程问题的定义看对专业教育基本要求

聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养对本科工程教育提出了什么样的要求？下面根据复杂工程问题的7个特征依次进行讨论。

（1）必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决。总体上，没有固定的、简单重复的规程、方法等解决这种问题，而是需要从深入的（不是浅显的）基本原理出發，且需要经过分析（不是直接套用）才可能解决。这就要求理论教学必须包括足够深入的基本原理，而且要强调使学生学会“分析”和“使用”的典型思想和方法，从而使学生具备扎实的理论基础（基础理论和专门知识），以及分析问题的能力。相应地，实践教学要给学生提供在理论指导下开展实践的机会，不仅使他们经历相应的实践，而且还要在实践中加强对相关原理的理解，并能更好地掌握相应的思想和方法。基于“深入的”“基本原理”，经过“分析”等要求，从另一个角度清晰地提出了本科教育“面向未来”“面向创新”的基本追求，也拒绝了那些认为“学了很多理论知识”“动手能力弱”，要“回归动手”的片面说法和做法。而那些以“职业培训”“产品教育”替代本科教育的做法更是格格不入的。对于理论基础，要追求“学会”：“教了”不等于“学了”，“学了”不等于“学会了”，“学会了”的标准就是“会应用”。endprint

那么，有哪些基本原理呢？根据《协议》，“工程是包括数学、自然科学和工程知识、技术和技能整体的、有目的性的应用。”因此，从课程体系来讲，数学类（如，高等数学、线性代数、概率与数理统计、数值分析、工程数学、数学建模，以及专业相关的离散结构等）、自然科学类（如，大学物理、大学化学、大学生物等）、学科专业基础类、专业类的课程成为必需，而且它们包括的不仅仅是基本概念和结论，更有思想和方法。《标准》要求，数学、自然科学的教学内容，不能低于总学分的15%，工程与专业基础、专业类课程不能低于总学分的30%，工程实践与毕业设计不能低于总学分的20%。因此在专业课程体系中，以所谓“专业的需要”为理由过度削减数学类课程、取消自然科学类课程、弱化学科专业基础课程，用“职业培训”“产品教育”替代专业课程都是错误的。

（2）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。首先，课程体系和课程内容需要包括本学科专业的基本内容，以及有关应用领域和学科的相关内容，要求和鼓励学生跨专业选修课程，更要避免把专业教育限定在某一个非常窄的方向甚至技术上。例如，对计算机科学与技术专业来说，就不能把学生培养成诸如“我是学JAVA的”“我是学.NET的”那种局限于用一种语言（开发工具）的程序实现者。其次，相应的教学内容要包含多因素、多技术，要讨论它们的长与短，让学生学会选择和折中、借鉴和综合，学习从全局的角度考虑问题。

（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性。培养学生理解抽象模型、能够根据实际需要选择抽象模型、通过形式化处理用抽象模型表示问题（系统的状态和状态的变化规律）、构建抽象模型、基于抽象模型进行工程实践等，是基本要求。在数学和自然科学课程中获取基本知识、基本模型、基本思想和方法，并在学科专业基础课、专业课程中学习专业相关的基本知识、典型模型、典型思想和方法，在课程设计、实习、毕业设计等实践环节，甚至在理论课程的习题中去深入体验和实践。一个基本追求是要让学生有机会基于基本原理完成模型理解、模型选择、模型构建、模型处理，甚至模型计算和基于模型的工程实施。停留在简单套用的层次上是无法满足要求的。

（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决。这一条与下面一条和上面一条表现出了复杂工程问题求解的创造性。

常用的方法无法完全解决，就需要综合，需要寻求新的方法。当然，这种新的方法通常是受已有方法的启发、改造而来，也可以是多种方法综合而来。体现的是对学生“综合”能力和“开发”工具能力的要求。就实验来讲，需要从“验证性实验”开始，更多地强调“综合性实验”“设计性实验”，让学生逐渐递进地在可完成的层面上学会根据目标，基于原理寻求方法，实现问题的求解。当然，这种教育需要多环节协同。如在习题中安排更多综合性和设计性题目。

（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中。虽然“问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中”，但问题求解都是符合“基本原理”的，要求学生能够根据工程实际，灵活运用所学，同时考虑工程与相关的社会、环境、伦理、道德等，统筹地、创造性地考虑问题求解。

（6）问题相关各方利益不完全一致。主要是利益均衡与折中，局部优化和全局优化，局部服从于全局。

（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。体现问题和系统的规模、难度、复杂度、综合性。强调培养学生的系统观，使学生能够站在系统的高度，以系统的视角去看问题，去适应错综复杂的“场面”，并实现问题的系统求解，不至于陷于局部，也不至于只能针对一些特定现象而忽略了整个问题空间。

从以上7点可以看出，解决复杂工程问题，需要学生能够灵活地、综合地、创造性地运用所学，对其包括创新意识、创新能力在内的培养必须落实到第一课堂中，并且也是可以具体落实的。那种觉得创新高不可攀，只是一个“笼统”的口号，或者将其培养简单地寄托于隶属于第二课堂的所谓的“科技活动”都是不对的。

三、分解落实解决复杂工程问题能力的培养

学生解决复杂工程问题能力的培养必须通过整个“培养体系”实现，要将此进行分解，落实到培养的各个环节中。特别需要指出的是，“复杂工程问题”和“解决复杂工程问题的能力”是两个不同的概念，不能将培养学生“解决复杂工程问题的能力”狭义化为参加一个具体复杂工程的开发，甚至仅仅依靠毕业设计、综合实践等一两个实践环节。

1.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，安排理论课程内容

强调课程内容必须包含相应领域的深入工程原理，而不是仅仅限于其简单内容，要包括完整的基本内容，更不是简单的知道，简单的计算等，必须达到一定的深度。更重要的，还要包含相应的思想和方法，特别是学生在其职业生涯中将反复用到的思想和方法。这些内容必须在课程的教学大纲中给予具体的描述，那种“教材目录式”教学大纲是不满足要求的。

相应地，理论教学强调以知识为载体，让学生学习基本概念和基本结论的同时，学会学科方法论的相关内容，并让学生掌握相应的专业技能，形成专业能力，这称为“产出（outcome）”。既然是对应学生身上的产出，就必须考虑实际需求与效果。所以，虽然我们强调深入的基本原理，但不是单纯地、不切实际地（脱离毕业要求达成需要）追求更多、更深的知识而忽略效果。

在教學大纲中，还必须将课程的教学目标与相应的毕业要求对应起来，以便将课程真正置于整个培养体系中。

2.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，开展理论教学活动

课程教学要落实教学大纲的规定，使学生能够掌握深入的基本原理，理解其精髓，掌握其思想和方法，并能够将基本原理与工程实践问题有机地结合起来，探讨应用的方法，体验应用的乐趣。

为达到此目的，在整个教学过程中，绝不能照本宣科，“满堂灌”，要有充分的分析内容。要采取研究型教学，“教师在对问题的研究中教，学生在对未知的探索中学”，引导学生积极探索和思考，促使学生掌握分析的基本思想和方法，使他们逐渐养成分析、探索之习惯，学会分析和探索，并能得到有效结论。要适时、适当地归纳总结，将知识和方法等串起来，以利于学生的综合使用。还要设计恰当的环节，给学生提供解决问题的锻炼机会。endprint

3.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，进行理论教学评价

通过考试、答辩、报告、成果验收等方式评价教学结果。

教学活动的价值体现在其对毕业要求达成的支持，所以，采用什么样的评价方式？以什么（题目等）为载体？测试点是什么？要根据课程所承担的毕业要求达成任务来定，以保证评价能够有效反映其对承担的毕业要求达成的实际贡献度。之所以这样要求，是因这个评价结果是毕业要求达成度评价的基础数据，如果该数据不可信，那么毕业要求达成的评价就不可信。所以，必须保证考核内容、方式，以及评分体系等能够充分体现相应毕业要求达成度评价的需要。

产出导向要求最终是聚焦解决复杂工程问题的能力，考试必须摆脱“概念、填空、單选、多选、判断对错、简述、简答”等主观性题型为主，更要杜绝简单追求及格率的倾向，真正按照教学大纲规定的课程教学目标进行考核。

4.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，安排实践教学内容

首先，实践教学必须选择恰当的载体，使学生经历复杂工程（系统）构建，并在构建过程中体现知识、技术、方法的综合应用。其次，要构成体系，要从简单到复杂，从小规模到大规模，循序递进；还要使学生尽可能全面地经历专业的主要实践。例如，对计算机类专业来说，学生要有机会参与基础硬件系统、基础软件系统、应用软件系统、应用硬件系统的实践。最后，从选题和具体内容安排上，要根据该课程所承担的毕业要求达成任务，与理论教学相结合，追求理论指导下的实践；要包括设计、实现、分析（系统分析、结果分析）；要能够有效地促使学生掌握深入的工程原理，结合工程实际，避免简单地为了实践而实践；要给学生创造机会，使他们得到更全面的锻炼。例如，学习协作、沟通、表达、组织，学习如何在工程实践中考虑社会、环境、法律、伦理、道德等问题。

5.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，开展实践教学活动

根据实践教学活动所承担的毕业要求达成任务，选择恰当的环境，设计与之相适应的环节和实施要求，具体落实学生解决复杂工程问题能力培养的目标；要严格要求，并给学生恰当的指导。

在具体教学中，要督促学生学习问题分析，研究相关内容（数据），引导学生搜集相关资料和信息，学习新的技术，帮助他们掌握实验的技术和方法；落实设计与实现，开展与人、物、系统的多方协同，实现团队协作；学习对系统和工作的评价；学习工程开发对社会、环境、法律、行规、伦理、道德等的影响，培养自己的社会责任；引导学生深入考虑问题及其解决的方案、方法、途径、工具，在基本原理与工程实践结合的实际案例中体验原理之美。

为获得更好的实践效果，还要做到课内课外结合，校内校外结合。

6.按照支持解决“复杂工程问题”毕业要求达成的需要，进行实践教学评价

按照教学大纲的规定进行评价（考核），相应考核方式、计分标准能够真实体现该项教学活动对所支持的毕业要求达成的实际贡献度。

总之，本科教育面向未来，包括未来的世界、未来的问题求解、学生未来的发展，最终体现在面向社会未来的发展。这些“未来”与“解决复杂工程问题”“创新能力培养”的追求是一致的。明确聚焦学生解决复杂工程问题能力的培养的基本要求，掌握其内涵，并将其分解到人才培养的各个环节中落实。进入“卓越计划”的各个专业，应该发挥示范和带头作用。同时，以此为参照，其他学科门类的本科教育，也应该聚焦“解决复杂问题能力的培养”，将此作为人才培养的基本定位，促进本科教育质量和水平的快速提高，以适应社会及其发展的需要。

[责任编辑：余大品]endprint