光电专业中复杂工程问题能力培养

2021-04-02沈常宇沈为民李晨霞冯桂兰

电气电子教学学报 2021年1期

沈常宇，沈为民，李晨霞，冯桂兰

(中国计量大学光学与电子科技学院，浙江杭州 310018)

0 引言

“复杂工程问题”的解决能力是工程认证专业毕业生必须具备的核心能力。我国的“工程教育专业认证标准”所给出的12条毕业要求中，“复杂工程问题”出现了8次，足见其重要性[1]。专业教育中每一个理论、实践教学环节都须紧紧围绕这一能力的培养。

“复杂工程问题”包含以下七个标志性特征：①必须运用深入的工程原理经过分析才能得到解决；②需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有冲突；③需要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不是仅靠常用方法即可解决；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问题相关的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。解决“复杂工程问题”的能力是工程专业学生面向未来日新月异的世界以及未来行业相关的各种问题的必备能力。

但是，工程教育专业认证协会并未给出统一的“复杂工程问题”的标准范式，而只是从宏观角度给出了上述特征。这使得在专业建设和认证过程中产生了较多的困惑：复杂是一个相对概念，如何认定各自的复杂工程问题？是问题越复杂越好还是另有玄机？与此同时，当前关于复杂工程问题的能力提升方法各不相同，有的从企业的角度提出要采用集成产品开发模式的方法论来进行[2]；有的提出在专业教育过程中分别在理论和实践教学中分解落实[3]；有的提出运用研究性学习培养复杂工程问题解决能力[4]；也有提出面向解决复杂工程问题的专业实践体系研究等[5～6]。上述这些办法都是从某一个方面，如企业角度、方法论或者实践教学方面叙述了如何解决复杂工程问题能力的培养，且大都是从方法论上进行了论述，并没有告诉大家如何具体去操作。

本文以我校通过工程专业认证且获批国家一流专业建设点的光电信息科学与工程专业为例，具体叙述了专业建设和专业课程建设中如何开展提升学生解决复杂工程问题能力培养。

1 专业体系中复杂工程问题能力

如图1所示，针对光电信息科学与工程专业，结合专业人才培养目标和毕业要求，明确本专业培养所涉及到的相对应的复杂工程问题是“面向光电信息科学与工程领域的光电系统设计及其分析”等问题。在此基础上分解、抽象出需要培养的能力，设计支撑这些能力达成的核心课程和相应的教学环节，最后制订相应的考核评价方法检验学生对解决复杂工程问题能力达成的程度，并建立相应的反馈和持续改进机制。

图1 解决复杂工程问题设计的实施方案及路线

1.1 解决复杂工程问题能力专业体系设计

针对毕业要求分解指标点中涉及的解决复杂工程问题能力，定位本专业的具体复杂工程问题为“面向光电信息科学与工程领域的光电系统设计及其分析”，并从其能力培养角度进行分解。确定需要培养的能力包含有光电信息获取和信号分析与处理能力、系统设计和仪器设计实现能力以及非技术因素能力等。同时，结合毕业要求并合理分解具备“复杂工程问题”特征的指标点，建立了各类指标点与课程之间的支撑关系，设计了合适的、可考核的教学活动予以支撑。为使学生具有解决复杂工程问题的这些能力，进行了共三个层次的教学设计布局，以支撑这些能力的达成，如图2所示。

图2 “解决复杂工程问题能力”课程体系设计框图

层次一：通过各类核心课程，实现“解决复杂工程问题能力”的基本达成。将解决复杂工程问题能力这一目标贯穿于基础课、专业基础课和核心专业课中。如光电信息获取能力通过“光学原理”、“光电信息物理基础”等的核心课程获得；信息分析与处理能力通过“光电检测技术”、“图像传感与图像处理”、“单片机原理及应用”等课程获得；系统设计和仪器设计实现能力通过“光学系统设计”、“光通信技术”、“激光原理与技术”等课程获得。基础类课程注重工程知识应用，分析问题能力等的培养，专业课程则注重学生方案设计、解决问题和研究等能力的培养。

层次二：通过专业实验、课程设计和各类学科竞赛，强化“解决复杂工程问题能力”的达成。以工程项目设计为导向、工程能力培养为目标，构建一个有机整体。例如，将一个复杂的智能仪器产品或系统进行分解，学生先完成包括“电路与电子技术实验”、“光电信息专业实验”课程训练，然后完成“光电电路综合设计”，在此基础之上完成“光电智能仪器综合设计”，实现复杂系统的完成。各个项目相互紧密衔接，前后贯穿于整个本科教学阶段。每个项目内容均包含问题分析、方案比较与选择，方案设计研究；每个项目分若干小组，每组2-3人，分工合作，以团队形式完成。

层次三：通过毕业设计完善解决复杂工程问题能力的达成。每个学生毕业设计选题都具有较高综合性，符合“复杂工程问题”要求。学生都需要通过查阅文献，分析方案，设计方案来完成。

1.2 处理非技术因素能力课程体系设计

一是通过通识教育课程来实现知识方面的处理非技术因素能力达成。学生所需选择的通识教育课程除了数学自然科学类课程以外，还需选择人文社会科学类课程，包括马克思主义毛泽东思想类、思想道德类、英语类，以及文史哲法、艺术类课程等。这使学生具备基本职业素养及人文社科类知识。与此同时，我们还设立了“工程经济与管理基础”和“工程与社会”课程，全面实现同学们的知识层次的处理非技术因素能力达成。

二是通过实践环节来实现应用方面的处理非技术因素能力达成。在方案设计中要求所设计内容必须考虑社会、环境、法律、文化、安全与健康等非技术因素的影响，要求能够综合技术因素、非技术因素，给出设计方案的可行性分析与见解，以此培养学生关于“处理非技术因素”的能力。总体而言，培养学生解决复杂工程问题的能力贯穿于整个四年的培养过程中，注重在重点支撑课程中都灌输和培养学生解决复杂工程问题能力的同时，也注重在整个培养过程中加强学生解决复杂工程问题的综合能力。

2 课程中复杂工程问题能力培养

课程体系设计中，实践类课程，比如课程设计、综合性设计性实验、毕业设计等本身在设计时会多考虑些学生能力培养。而对于普通的课程，尤其是基础课或者专业基础课，往往不注重学生解决复杂工程问题的综合能力的培养，或者不知道怎么在这些课程中开展该能力培养。下面我们以专业核心课程“光学原理”为例，举例说明如何在基础课程中开展培养复杂工程问题能力培养。

学习完“几何光学”之后，布置学生一个设计题目：“门镜系统的设计”。本设计为全开放，设计的内容、方法、目标等由同学自拟，评分时首先看自拟目标是否实现，再看自拟题目难度如何。可以是双透镜、三透镜或四透镜门镜系统。需要用Word文档说明门镜的结构、原理，并给出适当的参数(如透镜的焦距、间距等)计算像的位置、大小、虚实等，说明为什么人在房间内通过门镜可以看到外面，但从外面却看不到里面？

本设计的“复杂工程问题”属性主要体现在以下几个方面：

(1)本问题虽然看似简单，但实际上必须运用多光组成像原理，考虑各透镜之间的组合、放大倍率以及光瞳衔接等技术参数和原理。

(2)本设计与实际工程应用等限制因素相联系，并面临一定冲突，例如想通过门镜观测门外较大范围，必须尽量扩大视场角；而视场受到系统长度、口径、光阑以及成像清晰限制(边缘存在较大场曲和畸变)。

(3)本系统设计需要通过学生电脑编程或应用ZEMAX等专业软件，建立多球面光学系统模型；需要设计各个球面参数、口径，协调各折射球面的各项参数，成像距离以及与人的眼睛联用，这个过程没有直接答案，需要创造性地设计和计算。

(4)本设计不能靠常用方法完全解决的，因为本项设计为全开放，设计的内容、方法、目标等由同学自拟。

(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：学生接触的教材或可查阅的文献资料中很少涉及门镜问题，没有现存的标准或规范可用，尤其是关于本系统到底由几组透镜构成、像差怎么消除以及怎么样尽量增大视场，需要综合考虑多种因素，设计合理的解决方案。

(6)问题相关各方利益不完全一致，如技术与成本的冲突，扩大视场角与实际工程应用限制等。

(7)本设计具有较高的综合性，包括光学系统设计、光学像差与视场分析、系统构造与工程造价等多个相互关联的复杂子问题。

3 实施效果

对于本系统设计，学生已有知识基础，但需要对知识进行综合，同时需要用到电脑与软件，这要求学生有所创新。综合与创新是解决复杂工程问题最重要的方法与手段。(沈常宇等文)

从学生实际完成结果看，学生在设计多个透镜组实现基本功能后还会充分考虑各种工程因素，如清晰度、视场、光束限制、像差以及造价等。除了多个光组成像外，还充分地考虑系统的像差、视场、光阑等参数；同时也体会到了工程方面的要素设置和各种冲突因素等，对非技术因素如对环境的影响以及工程伦理等做了思考。另外，为了完成本设计，学生在现代工具的使用上有所提升，虽然大家使用工具各不相同，有的应用通用软件如Excel、Matlab等，也有用专业软件如ZEMAX，这些在以往课程没有学过，需要学生学习拓展，在学习中应用，应用中提高。这种设计让学生体会了“复杂工程问题”的基本特征，初步掌握了处理复杂问题的思路与方法。