提高学生解决复杂工程问题能力的探索—以哈尔滨理工大学金属材料工程专业为例

康福伟 冯义成 姜文勇 俞泽民 曹国剑 胡茂良 陈宏涛

哈尔滨理工大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨 150040

工程教育专业认证在我国虽然已经开展十余年了，但是直到2016年6月我国成为《华盛顿协议》正式成员国以后，工程教育专业认证在我国才快速地展开。目前全国已有846个工科专业通过了工程教育专业认证。在工程教育专业认证实施过程中，复杂工程问题变得越来越重要，在通用标准毕业要求12条中，有8条涉及复杂工程问题，已成为认证专业毕业生的核心能力，可见其在学生培养中的重要地位。对于复杂工程问题的内涵和理解，每个专业的特点各不相同，但必须符合工程教育专业认证通用标准的要求。本文以哈尔滨理工大学金属材料工程专业为例，分析和讨论如何在教学过程中确定和解决复杂工程问题，进而培养学生工程实践能力。哈尔滨理工大学金属材料工程专业具有60余年的历史，是由20世纪50年代黑龙江工学院的铸造和热处理专业发展合并而来的。本专业是黑龙江省重点专业、国家级特色专业以及省级卓越工程师试点专业，2014年本专业着手进行工程教育认证工作，2017年7月通过工程教育专业认证申请，11月专家组完成了进校考查工作，2018年6月中国工程教育认证协会公布本专业通过了工程教育认证，有效期6年(有条件)。

1 复杂工程问题的设计

复杂工程问题是有效培养学生解决工程实际问题、提高实践能力的关键，复杂工程问题贯穿于学生的整个大学学习过程中。在工程教育专业认证工作指南中对复杂工程问题有详细的界定，它包括以下7个特征：(1)必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决；(2)涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定的冲突；(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；(5)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；(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。其中特征(1)是复杂工程问题的本质，是必须具备的；特征(2)～(7)是复杂工程问题的表象，是可选的。

可见，复杂工程问题是从工程知识、学科(专业范畴)、综合因素(包括社会问题)及解决手段的四个工程问题要素中提炼出来的。如特征(1)指出复杂工程问题“必须运用深入的工程原理经过分析才能得到解决”，这意味着该问题可能涉及数学、自然科学及专业知识的综合运用，体现了知识需求深度属性。特征(3)则说明该类复杂工程问题仅靠一般的公式计算和实验方法是无法解决的，解决手段与一般方法不同，体现了问题深度的属性。其他的复杂工程问题特征都有类似关系，7个特征也完全覆盖了现实的工程实践问题[1-4]。

根据复杂工程问题的特征，结合本专业课程内容和特点，以工厂实际的典型零部件为例，模拟生产全过程设计复杂工程问题，要运用专业综合知识才能解决。本专业包括铸造和热处理两个方向，因此复杂工程问题应涵盖这两个方向的核心内容，同时要注意“复杂工程问题”不是“复杂技术问题”，要将非技术制约因素考虑进去，非技术因素包括健康、安全、法律、环境、文化等，它们与技术成果之间可能会有一定的冲突[5,6]。

2 学生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来实现，要将支撑解决复杂工程问题毕业要求的指标点落实到理论课和实践课中。这些课程包括数学与自然科学课程、工程基础类课程、专业基础类课程、专业类课程，每一类课程中都有具体课程来支撑含有复杂工程问题的毕业要求指标点。课程内容必须包括相关领域深入的工程原理，这就要求在课程大纲的修订中要做到清楚本课程支撑的指标点有哪些，是否包含“复杂工程问题”的指标点，在教学内容和方法上如何支撑这些指标点，在考核内容和方式上如何衡量这些指标点的达成。

例如，本专业的金属学原理、铸件成型原理、热处理原理、铸造工艺及设备、热处理工艺及设备等课程，其教学目标都有与之对应的毕业要求指标点，它们是整个培养体系中的一部分。这些课程内容包含了金属材料工程领域(即铸造和热处理)深入的工程原理，在教学工程中决不能照本宣科，而要与生产实践相结合，采取研究型教学方式，培养学生对知识应用的探索，提高学生分析和解决问题的能力，同时要将知识连贯在一起，培养学生综合利用所学知识的能力。

理论课教学效果的评价可通过考试、答辩、报告、成果验收等方式进行。考什么、如何考是根据课程所支撑毕业要求指标点达成度的实现来确定，按照产出导向要求，考试内容应摆脱“概念、填空、简述”等题型。

课程设计、毕业设计、技能训练、生产实习等实践课是提高学生解决复杂工程问题的重要途径。根据实践教学活动所支撑的毕业要求指标点，选择合适的内容，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。下面以本专业技能训练为例进行具体说明。技能训练是本科生在第七学期完成的为期3周的一门实践课。本课程将多门课程知识综合在一起，完成一项产品的设计、制造、检验等全过程，涉及多门专业基础课和核心课，而且还要有团队合作才能完成。经过任课教师团队的反复讨论，制订了本课程教学目标如下：(1)运用所学知识及查询资料分析不同条件下球铁合金工艺特点，制订合理的铸造及热处理工艺；(2)掌握球铁件的质量检测、缺陷分析及评定，了解铸造及热处理产业政策、环保政策；(3)掌握实验用设备的特点，并从实际生产出发，按照降低成本的原则合理选择生产设备；(4)了解球铁模拟生产车间的管理制度及生产计划与安全生产制度及措施等；(5)培养学生团队合作意识，提高学生表达能力。将上述课程目标与毕业要求之间进行对应，见表1。

表1 技能训练教学目标与毕业要求对应表

专业每年从教师所承担的横向课题中遴选出来适合的项目作为学生技能训练内容，所以训练内容与实际应用紧密相关，应用背景明确。首先是将铸造方向和热处理方向学生搭配分组，每组5人，一个小组完成一个项目。内容涉及合金成分设计、造型材料成分设计、铸造工艺设计、热处理工艺设计、材料质量检测等，检测内容包括金相组织观察、冲击和硬度测试、拉伸性能测试、断口扫描观察等，以及在设计过程中要考虑安全、健康、成本等因素。训练内容自然就包含了复杂工程问题的某些特征，具体内容及其与复杂工程问题特征的关系如图1所示。可见，技能训练包含了复杂工程问题特征(1)(2)(3)(6)(7)。其次是采用启发式教学，通过典型案例讲解，使学生对所学知识融会贯通，做到举一反三，从而实现过去以“教师为主导”的教学模式逐渐转变为以“学生为主导”的教学模式，激发学生的学习兴趣。

图1 技能训练内容与复杂工程问题特征对应图

3 技能训练考核

课程考核是实现OBE理念的关键，必须紧紧围绕课程目标所支撑的毕业要求指标点进行。技能训练成绩由平时成绩(占20%)、技能训练日志(占30%)和答辩(占50%)三部分构成，考核按五级(即优、良、中、及格、不及格)分制评定，各项成绩构成及考核标准见表2。考核前，学生必须完成实习报告，同时将生产实习日记一并交予指导教师审阅，否则不得参加考核。

表2 技能训练成绩构成及支撑的指标点

4 结语

本文以哈尔滨理工大学金属材料工程专业为例，说明了专业在培养学生解决复杂工程问题方面的做法，主要包括学生解决复杂工程问题能力的培养、复杂工程问题的设计、复杂工程问题举例、课程的考核等。通过两届学生的实践，效果比较好，培养学生解决复杂工程问题能力是一项长期多门课程支撑的教学过程，要在不断的持续改进中逐渐完善。