强化机械电子工程专业解决复杂工程问题能力培养的课程体系改革

高海涛 韩亚丽 郝飞 欧益宝

摘  要 对复杂工程问题进行深入分析，给出自己的理解。以机械电子工程专业为例，归纳出本专业所面临的复杂工程问题，总结学生解决复杂工程问题时应该具备的能力和素养。针对这些能力的培养，从专业课程体系建设、实践课程综合性提升及多样化考核方式等几个方面，对机械电子工程专业课程体系进行改革，以强化学生解决复杂工程问题的能力。

关键词 工程教育;复杂工程问题;机械电子工程;课程体系

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）02-0089-04

1 前言

2015年，我国制定《中国制造2025》发展纲要，致力于我国制造业的转型升级，实现我国由制造大国向制造强国的转变。在这一转型升级过程中，创新型工程人才培养的数量和质量是其中的关键因素之一[1]。而从目前高校工程人才培养模式来看，工程人才培养还存在一些问题，如培养目标与企业需求脱节、与工程实际脱节等矛盾突出。为了让工程教育回归工程，我国加入工程教育国际互认协议《华盛顿协议》，以此来保证工程教育质量并推动工程教育的规范化、标准化和国际化。

《华盛顿协议》倡导学生为中心、产出为导向、持续改进的教育理念，具体从培养目标、毕业要求、课程体系、持续改进、师资队伍和支撑条件等多个方面提出要求。其中对于学生毕业时应该具备的能力，中国工程教育专业认证协会制定的《工程教育认证通用标准》（2015版）中做出明确规定，核心内容就是要按照国际等效原则培养学生具有解决复杂工程问题的能力[2]。因此，深入分析复杂工程问题的实质和特征并培养出具有解决复杂工程问题能力的毕业生，是各工程专业高校必须重视的工作。

2 复杂工程问题的理解

什么是复杂工程问题？《华盛顿协议》中有明确的定义与界定。我国2015版的《工程教育认证通用标准》又对它进行了特别定义。标准中提出，复杂工程问题必须具备“运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决”的核心特征，以及“需求中涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能有一定冲突”“需要建立抽象模型才能解决”“不能靠常用方法就能解决”等补充特征。尽管标准中给出复杂工程问题的具体特征，但涉及具体高校和不同专业实际情况，对复杂工程问题的理解也不尽相同[3]。复杂工程问题实际上应该从两个递进的层次上理解。

1）工程问题的理解。从概念上讲，工程是指数学、科学和知识技术和技能整体的、有目的的应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。而工程问题就是在这一生产过程中所遇到的各类问题，其有别于偏重于自然界、人类社会和人类自身规律研究的科学问题和实现某一科学理论或者多个科学理论的技术问题。

由此可见，工程问题从根本上是一个以应用为目的的问题，是一个生产组织和实施问题。它不需要过多地关注问题对象是不是前沿，所采用的解决方案和技术是不是先进，而是更多地关注如何应用科学原理或者技术有目的实现对人类有益的东西。这就要求在培养本科生能力时，应重点培养学生的实践和综合应用能力，而不是追踪前沿科学的能力。

2）“复杂”工程问题的理解，工程专业认证培养目标要求毕业学生面对的工程问题具有一定的复杂性，根据工程认证标准中对复杂工程问题的界定，复杂两字在此处至少应包含以下含义。

①超越一般的工程问题场景。复杂工程问题并非一般的、可以重复的、简单分析就能解决的工程问题，复杂的工程问题可能没有固定重复的规程或方法来解决，而需要运用深入的基本原理，甚至要建立抽象模型，通过分析才能解决。

②超越单一因素的工程问题。复杂工程问题涉及的要素有多种，内部要素之间也可能存在矛盾和冲突。其解决需要其他学科领域或者交叉学科方法、技术和工具的支持和运用，解决方法需要创新和突破。

③超越纯粹的工程范畴。复杂工程问题涉及的因素可能并非完全的技术问题，通常涉及一些非技术问题，如社会、环境、伦理、道德等。在解决问题时需要用长远和发展的眼光统筹考虑问题解决方法。

由上述理解，可以看出复杂工程问题作为一类工程问题，从根本上是以综合知识应用为目的的问题。培养学生具备解决复杂工程问题的能力，学生就应该能够应对全局性、综合性工程问题，在不具备成熟工具的条件下创新性地运用知识和技术解决工程问题。

3 机械电子工程专业面对的复杂工程问题分析

南京工程学院是一所以应用型人才培养为办学定位的普通省属高校，机械工程学院是学校的老牌院系之一，其中的机械电子工程专业是江苏省“十二五”重点建设专业。机械电子工程专业的目标是培养具备机械、电子、控制等学科的基本理论和基础知识，能在机电系统的设计制造、研究开发、工程应用、运营管理和技术服务等方面工作，具有良好的职业道德和素养的高水平应用型工程技术人才。为了进一步提高人才培养质量，并与国际化接轨，本专业正按照认证的标准进行改革。

机械电子工程专业是一个机、电交叉融合的专业，其面对的多为综合性工程问题，具体地，应该具备以下特征：

1）必须是来源于机电专业领域的工程实际;

2）所面對的机电产品或系统具有一定的复杂性和先进性，无法用经典的传统方法解决;

3）必须运用深入的机电工程原理或者借助于现代工具经过分析才可能得到解决;

4）存在一定的约束，技术指标要求多，且指标间有可能相互冲突;

5）涉及多种知识，无法用单一的理论和知识解决。

要想解决以上机电系统中所面对的复杂工程问题，学生至少应该具备通过观察提出复杂机电问题的能力，通过深入调查、实验、查阅文献进而独立分析复杂机电系统问题的能力，综合运用多学科知识和技术、多种现代化工具进行机电产品工程设计的能力，与团队成员协作和交流的能力，以及具备工程师的社会责任意识和环境可持续发展意识。这些能力与意识是今后机械电子工程专业的重点培养方向。

4 以培养解决复杂工程能力为目标的机械电子工程专业课程改革

培养学生上述解决复杂工程问题的能力与意识是一个系统化工程，其改革和提升涉及大学教育的各个环节，除了提升专业教师的工程能力和完善教学支撑条件外，加强课程体系建设也是其中的关键举措之一[4]。本文将在南京工程学院现有机械电子工程专业开设课程的基础上，通过整合和重组来构建合适的专业课程体系，强化机械电子工程专业学生解决复杂工程问题能力的培养。

专业知识课程群建设  传统的机电课程体系是将每门课程视为一个相对独立的知识单元，学生在学习时只了解单一课程的知识，这弱化了课程之间的相互关联关系，导致学生难以将不同学科的知识融会贯通并加以应用，因而在解决工程问题时无法综合运用多学科知识。为了体现学科知识间的关联关系并让学科知识能够融合提升，根据课程特点，将原有专业课程根据系统性和相关性进行重组和整合，形成课程群，是一种打破原有课程之间壁垒，融会贯通课程联系的方法。

对机械电子工程专业，根据学科特点和培养要求，分别组建专业认知、机械工程、检测与控制、机电集成等四个专业课程群，人文社科及自然数学等两个公共课程群（如图1），每一个课程群均完成一个培养内容。其中，专业认知课程群主要是开设一些专业入门的理论课程，包括机械工程导论、机电专业概论、专业认知等理论课程;机械工程课程群主要包括机电系统中与完成机械机构设计、分析、建模和机械制造等任务相关的课程;检测与控制课程群主要包括机电系统中和电相关的控制基本理论、控制器、控制电路、信息检测等理论课程;在完成机和电基础课程的基础上，形成机电集成课程群，主要包括机电结合、机电耦合过程中用到基础理论和基础知识。各专业课程群的具体课程如图2所示。

由于机械电子工程专业的课程一般都具有很强的工程实践性，因此，每门核心课程都有课程实验或者相应的课程设计。为了避免理论课程与实践环节割裂，故将配套的课程设计、实验课等实践环节也归属到相应的课程群。并且为了达到综合训练的目的，在不增加原有课程实践课程学分的基础上，每个课程群下改造设置一个综合实践环节，以对课程群所学的理论知识进行综合应用。

在上述专业课程群的基础上，辅以自然数学和人文社科课程，形成机械电子工程专业课程体系，提高学生解决复杂工程问题的能力。

这样的课程教学设计，既能够保持学科课程的相对系统性，明确每门课程在知识、能力和素质方面的定位，又利于学生获得整合学习的技能，也便于按照工程认知思维进行课程顺序的安排。

开展综合性实践课程  实践在工程能力培养中非常重要，没有充分的实践，解决复杂工程问题能力的培养只能是纸上谈兵。为此，建立一个以实践为主导，以课程群为基础的专业实践教学体系，如图3所示，主要分为课内实践和课外实践两大部分。其中，课内实践课程以原有的课程实验、课程设计、实习为主体构成;课外实践课程主要由各类工程训练、创新竞赛、社团活动、社会实践、企业学习等选修实践课程组成。

此外，为了提高学生的综合应用能力，在每组实践课程群的基础上，增设针对该课程群的综合课程实践。这些综合实践项目引入一些企业真实的工程问题，经过设计和改造，使之成为既能覆盖目标理论知识，又具有企业和社会真实背景的训练项目。这种项目既训练了学生综合运用多门课程知识解决问题的能力，又通过面对复杂工程问题所涉及的各种复杂情景，以及在工程实践中与不同领域的人进行沟通交流，提高了学生的交际能力和素质。

此外，实践课程改革还准备采用逐步深入的递进式设计方法，将实践课程从低年级到高年级逐步提升，从小规模到大规模，循序递进，使学生逐步深入地了解解决复杂工程问题的过程。如对单片机来说，学生首先学习单片机相关基础理论知识，这些内容主要由单片机原理与接口的基础理论课程完成，在该课程的学习过程中要求学生掌握基础知识;然后通过单片机原理与接口实验课程完成单片机基本的编程和算法设计能力培养，进一步通过课程设计提高学生的硬件设计、软件设计、算法设计能力;最后通过面向工程的控制和检测综合实践，再次检验和提高学生面对实际工程问题时的解决能力和创新能力，强化学生解决问题能力，训练学生的动手实践能力。

多样化的考核方式  培养学生解决复杂工程问题的能力，除了需要按照上述教学体系实施外，还需要对实施效果进行评价，以确保相关课程的教学质量能够达到课程教学目标的要求。传统的考核评价大多是通过考试或者大作业的形式来评判课程教学目标的达成度。这种评价方式对于文科理论课程的学习效果考核是有效的，但对以各种能力培养为主的工科教育而言，尤其是要考核评价学生解决复杂工程问题的动手能力和综合应用能力培养效果时还存在一些不足[5]。改进方式是针对不同课程及能力指标点，采用不同的考核评价方式，即采用多样化的考核方式。

根据课程特点，对基础课程，采用课程作业、考试、专题分析报告和专题讨论等方式进行考核;对于课程对应的实验或者课程设计，则采用实验报告、文献报告、课程设计作品、课程设计答辩、生产实习报告等形式进行考核;对于综合性实践课程，则采用系统开发方案及可行性分析、使用各种现代化工具解决复杂工程问题的方案、综合报告、研发报告等进行考核，以此检验培养效果。

5 结语

随着社会的进步和技术的融合，现代工程问题已经演变为复杂的综合性问题。为了适应现代工程的需要，学生应该具备解决复杂工程问题能力。因此，深刻地理解和把握复杂工程问题的实质并培养出具有解决复杂工程问题能力的本科毕业生，不仅是拟认证专业，而且是我国高等教育所有本科工程专业当前和今后必须重视的工作。

参考文献

[1]《中国制造2025》与工程技术人才培养研究课题组.《中国制造2025》与工程技术人才培养[J].高等工程教育研究，2015（6）：6-10.

[2]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2015版）[DB/OL].[2015-11-27].https：//fzghb.fjut.edu.cn/78/9a/c1676a30874/page.htm.

[3]楊毅刚，孟斌，王伟楠.如何破解工程教育中有关“复杂工程问题”的难点：基于企业技术创新视角[J].高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[4]李擎，崔家瑞，杨旭，等.面向解决复杂工程问题的自动化专业实践能力培养体系研究[J].高等理科教育，2017（3）：113-118.

[5]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（5）：17-26.

[6]韩婷，李红斌，文劲宇，等.培养复杂工程问题解决能力的一体化课程体系：华中科技大学电气工程及其自动化专业改革[J].高等工程教育研究，2018（2）：52-59.