工程教育背景下培养学生解决复杂工程问题能力研究——以《机械制造装备设计》课程为例

疏 达，贾文友，刘有余，于 华

（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000）

工程教育专业认证对学生解决复杂工程能力的培养高度重视，工程教育专业认证标准中关于学生毕业的要求提出，学生能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程；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。[1]因此，如何培养学生的复杂工程问题受到了众多教育工作者的重视，并就此展开了一系列的教学研究工作。王慧亮等以郑州大学为例，提出了5个水文与水资源工程专业的复杂工程问题，分析了其特征及内涵。[2]孙超等从课程设计的结构与内容调整、学生参与方法的改善以及考核体系方面，研究了交通工程学课程设计教学过程中的复杂工程问题与该课程之间的相互关系。[3]王莹等针对计科专业开设课程，提出了课程体系的建设思路与方法，构建了四层次课程体系以培养计科专业学生解决复杂工程问题能力。[4]张浩军强调培养解决复杂工程问题能力应该注重学生工程思维方法训练，并提出工程思维方法的培养需要在理论课程及实验课程教学的各个环节中实施。[5]蒋善庆等针对给排水科学与工程专业课程体系，构建核心学科知识课程群，并制定了递进式实践课程体系，实现解决该专业复杂工程问题所需知识的运用能力。[6]尽管诸多学者对学生工程能力的培养提出了很好的建议，但由于学科差异，每门课程都有独特的教学特征，因此培养学生过程能力问题的教学手段也有所不同。

机械制造装备设计课程是机械设计制造及其自动化专业的一门主要专业主干课程，该课程对于培养学生的创新意识、机械制造装备设计能力和机械工程实践能力等方面起到了举足轻重的作用。[7]本课程的主要任务是使学生掌握机械制造装备现代设计理论与方法，为提高多学科综合判断能力及应用打下基础，为今后的新产品设计及开发提供更多的实践知识和经验。本文基于专业认证背景下，分析教学过程中培养学生解决复杂工程能力存在的一些问题，以机械制造装备设计课程教学为例，提出一些改革及建议，研究成果可作为专业认证其他相关专业课程的参考。

一 复杂工程能力培养存在的问题

（一）学生自然科学及专业基础学科掌握不足

工程教育专业认证标准提出学生解决复杂工程问题的前提是掌握数学、自然科学以及专业基础学科的基本原理。由此可知，要能很好地解决复杂工程问题，首要的是夯实数学、自然科学以及各专业学科的基本知识。机械制造装备的课程大纲明确该课程的先修课程包括：画法几何及机械制图Ⅰ、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械工程材料、互换性与技术测量、机械制造学等专业基础课程及相关主干课程。然而在教学过程中，授课教师往往忽视学生对这些基础课程的掌握情况，默认学生们均已经较好地掌握了相关课程。然而实际情况表明，很多学生由于前期学习松懈，对很多专业基础课程的重要基本知识点未能很好地消化吸收，或者是随着时间的推移而导致知识点模糊。在这种情况下，对于新知识点的讲解茫然失措，接收新的教学内容非常吃力。比如机械制造装备课程中金属切削机床章节要求对齿轮齿数进行设计，而齿轮设计在机械设计及机械原理课程中均有详细的设计及工作原理。但是在授课过程中，学生就如何确定齿轮齿数的原则总是模糊不清，很少有同学能准确地进行讲述。因此，正确地了解学生对专业基础课程的掌握程度，督促他们在新课程的授课之前进行补缺补差是非常重要的措施。

（二）教学上存在的问题

传统的教学大部分以教师为中心，教学模式以灌输式、填鸭式教学方法为主。从培养学生的角度来说，这种单向灌输式教育使得学生们在学习过程中逐渐失去兴趣。此外，从工程教育专业认证的角度来说，违背了以学生为中心，背离了培养学生素质与能力的目标。尤其在复杂工程问题的教学上，忽视了培养学生采用专业基础学科知识对复杂工程问题的描述及处理能力，遏制了学生的学习兴趣，最终结果是对复杂工程问题无从下手。

（三）复杂工程问题训练力度不够

安徽工程大学开设的机械制造装备课程的课时为48学时，内容涵盖了机械制造装备设计方法、金属切削机床设计、金属切削刀具与刀具系统设计以及物流系统的设计等内容。其中金属切削机床设计包括金属切削机床总体设计、主传动系统设计、进给传动系设计、主轴组件设计、支承件设计、导轨设计、机床刀架和自动换刀装置设计、机床控制系统设计等诸多内容。如此多的教学内容在这么少的课时内如何进行讲解，并让学生进行有机消化及吸收，给教师及学生都带来了极大的挑战。最突出的问题表现为对复杂工程问题的训练时间被大大压缩，复杂工程问题的训练强度极大降低。

（四）考核与课程目标脱节

安徽工程大学开设机械制造与装备课程的主要任务，是使学生掌握机械制造装备现代设计理论与方法，为提高学生多学科综合判断能力、应用能力打下基础，为今后的新产品设计、开发提供更多的实践知识和经验。为此设立了两个课程目标，分别为树立正确的设计思想，掌握现代机械制造装备设计的基本理论、基本方法，具备评价设计方案优劣的基本知识；掌握金属切削机床的设计原理和方法步骤。在课程的考核过程中，传统的考试方法偏重于知识点的考核，如题型的设计方面包括选择题、填空题、名词解释题以及小型的论述题，再加上一些简单的计算分析题。[5]这种考试方式，更多地要求学生死记硬背，只要记住知识点，考试肯定没问题。这种形式上的考核方式，根本不能测试出学生解决复杂工程的能力。

二 基于复杂工程能力培养的课程教学改革

为解决机械制造装备设计课程在教学过程中培养学生解决复杂工程能力上存在的一些问题，基于工程教育专业认证提出的教育理念，对该课程的教学改革进行了有益的探索，以提升该课程的教学效果。课程的教学改革实施过程如图1所示。

图1 课程教学实施过程

（一）相关专业基础课程摸底

在开设本课程之前，应该针对先行必修课程拟定一套模拟试卷，对学生进行前期的考核。该试卷内容应该涵盖学习本课程的重要相关基础知识。通过测试，教师对学生掌握数学、自然科学以及专业基础学科的基本原理的程度有所了解，指导学生对相关知识缺陷进行补缺补差，更好地接纳新课程带来的挑战。

（二）新教学模式的探索

避免灌输式教育的不足之处，引入一些新的教学手段及方法。第一，是基于成果导向的教育理念(OBE)可以引入到教学过程中。成果导向教育目前是国际上较多国家认可的一种先进教学理念，其特点在于重视学生对所学知识理解能力的评定，而不是对学生认知能力的检测。同时，OBE要求学生面对复杂工程问题时，能够进行思考、质疑、研究、决定和呈现等一系列能力的锻炼与提高。通过对复杂工程问题的实际训练，还可以极大地提高学生的创造性思维能力、分析和综合信息能力、策划和组织能力等。安徽工程大学对于机械制造装备课程，基于OBE教育理念，根据教育认证标准指南，修订了该课程的教学大纲，制定了课程目标，确立了课程目标与学习成果之间的相互关系，为该课程的顺利实施提供了保障。第二，要改变传统教学的先教后学的教学模式，重难点教育环节引入翻转课堂的教学方法。翻转课堂能够极大地激发学生的学习主动性与积极性，学生在课堂上带着问题与教师同学相互探讨，加深了他们对教学重难点的把握，更重要的是在思考的过程中培养了他们解决复杂问题的能力。如在讲解主传动系统方案确定中关于传动布局的课程内容时，要求学生通过课前自学，掌握主传动系统的功能及设计要求等相关内容，了解主传动系统的传动布局方式。上课时给出典型的车床、铣床、刨床、磨床等常见机床作为案例，然后对学生进行分组，要求每组学生课上讨论并设计出主传动系统，根据机床的工作特点，与教师互动分析所设计主传动系统的依据。

（三）加强复杂工程问题能力训练力度

机械制造装备设计这门课程学时少、内容多，导致复杂工程能力的训练时间被大大压缩，所以要采取其他的方法来加强训练。其中，针对课程章节设定大作业，是比较好的方法之一。安徽工程大学机械制造装备设计这门课程的刀具设计章节，在课程结束后可设置相关大作业，以提高学生解决复杂工程问题能力。大作业的设计需要尽可能做到一人一题，而且要注重大作业的评价，尤其要从学生的大作中总结存在的问题以便于改进。通过对不同章节复杂工程问题的不断设计训练，可以提高学生利用所学知识解决工程实践问题的能力、图纸表达能力、清晰陈述观点和回答问题能力。

（四）考核方式及成绩评定

课程考核不仅检测学生对学科知识的掌握程度，也能为教学的持续改进提供有益的参考。安徽工程大学机械装备与设计的考核分为两大部分，包括平时成绩和期末考试成绩，考核依据与课程目标密切对应。期末考试的题型规定为分析题、计算题、作图题及设计题等主要考察学生分析计算能力的试题，不再采用识记类试题，如取消了选择题及名词解释等。基于此，机械装备与设计课程的考核细则规定如表1所示。

表1 机械装备与设计课程考试细则

三 结语

本文就专业认证背景下学生解决复杂工程问题能力的培养，在机械制造装备设计课程教学过程中存在的问题，提出了一些改进措施。强调在课程教学前，要首先整体把握学生掌握应用数学、自然科学和工程科学等基础学科的程度，打好学习该课程的前期基础。在教学过程中，引入OBE及翻转课堂等教学手段，激发学生学习的积极性与主动性，并通过章节大作业加强学生解决复杂工程问题能力的训练。最后提出考试应该以测试能力为主，尽量避免识记类试题的考核。