基于解决复杂工程问题的课程教学实践

高秀华 袁国 邱春林 张晓明

摘 要 培养学生具有解决复杂工程问题能力是工程教育中一个重要方面。本文论述了复杂工程问题的特征要求，介绍了材料成形工艺学课程中基于项目学习的培养学生复杂工程问题的实践，开展复杂工程问题能力培养的评价措施。这种课程改革方式促进了材料成型及控制工程专业本科生解决复杂工程问题能力的培养，促进了本专业学生毕业要求达成度的达成。

关键词 项目学习 复杂工程问题 教学实践 工程教育认证

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.03.048

Teaching Practice Based on Solving Complex Engineering Problems

GAO Xiuhua， YUAN Guo， QIU Chunlin， ZHANG Xiaoming

（State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract It is an important to cultivate students' ability of solving complex engineering problems in engineering education. This paper discussed the characteristics and requirements of complex engineering problems， introduced the practice of cultivating college students' complex engineering problems based on project learning in the course of material forming technology， and the evaluation measures for developing the ability of solving complex engineering problems. This kind of curriculum reform promoted the cultivation of the ability of solving complex engineering problems for undergraduates majoring in material forming and control engineering， and also promotes the achievement of graduation requirements of students in this major.

Keywords project learning; complex engineering problems; teaching practice; engineering education certification

隨着我国加入华盛顿协议，工程教育认证工作在我国高等院校已进入如火如荼的阶段。工程教育认证对于提升我国高等教育质量具有非常重要的意义，是国际工程教育学历互相任课的前提。通过申请工程教育专业认证，可以进一步推进工程教育标准化和规范化建设，建立有效的教育质量保障体系，促进工程专业建设持续发展。[1-3]东北大学材料成型及控制工程专业其前身金属压力加工专业始建于1950年，是全国高等学校特色专业，在长期办学过程中逐渐形成了自己的特色，2011年材料成型及控制工程专业进入卓越工程师培养计划，2012年通过了国家工程教育专业认证，[4-5]这对于我校材料成型及控制工程专业的发展和一流学科建设具有指导意义，2019年本专业获批国家级一流专业建设点，工程教育认证工作进一步助推了本专业人才培养质量提升。

工程教育认证中，培养学生具有解决复杂工程问题能力是一个新的突出特点，将学生工程能力的培养提高到了十分重要的位置，凸显了对工程能力培养的高度重视，如何培养学生解决复杂工程能力是工程教育毕业要求的重要方面。材料成形工艺学课程是本专业重要的平台课程之一，多年来一直在积极探索如何在课程中培养学生解决复杂工程问题的能力，探索新的教学方法，改进考核评价方式等。这些探索对于培养大批材料成型及控制工程专业高素质应用型本科人才起到了很好的推动作用，促进了教学质量的提高，对加强毕业生工程实践能力的培养具有重要意义。

1 复杂工程问题具备特征

培养学生具有解决复杂工程问题的能力，需要首先明确什么是符合本校材料成型及控制工程问题的复杂工程问题特征，并且在材料成形工艺学课程中涉及和体现。工程教育专业认证标准中，对复杂工程问题具有明确的说明，要求涉及的复杂工程问题必须具备特征1和部分或全部特征2-7。（1）复杂工程问题是必须包含深入的工程原理，需要经过深入细致地分析和细致地研究才可能得到解决。（2）复杂的工程问题涉及很多方面的技术、工程以及其他因素等方面，并且这些因素会存在一定程度的冲突。（3）复杂工程问题没有明确的解决方案，需要建立一些抽象模型才能得以解决。（4）复杂工程问题是并非一般常见的方法可以完全解决的问题。（5）针对复杂工程涉及的因素，目前还没有成熟的规范。（6）复杂工程问题具有较高综合性。（7）复杂工程问题具有较高综合性。

材料成型及控制工程专业涉及的复杂工程问题特性：（1）复杂工程问题来源于金属材料塑性加工过程中工程实际难题;（2）这些问题是非线性、多因素;（3）没有明显的解决方案，需要深入分析和建立抽象的数学模型才得到解决;（4）针对某些复杂工程涉及的因素，目前还没有现成的规范和标准;（5）具有较高综合性的问题，涉及多门课程，无法一门课程得以解决。

2 基于项目学习的复杂工程问题的实践

2.1 设计课程的复杂工程问题

材料成形工艺学（下）课程主要内容包括轧制过程基本原理、工艺过程及成形规律，成形过程的数学模型及相关计算方法，轧制过程力能、工艺参数计算，材料轧制过程工艺设计、产品设计，材料成形工具设计，高精度材料成形与质量控制方法以及轧制新技术等。课程教学方法包括课堂教学、实验教学和基于复杂工程问题培养的项目学习等等。教学过程中贯穿以学生为中心，以成果为导向工程认证教育理念，确定了4个课程目标，对应3个毕业要求指标点，分别是指标点3.2、9.2和12.2。指标点3.2能够针对材料成形过程中的复杂工程问题，确定明确的设计要求，提出设计的解决方案。指标点9.2能在团队中发挥作用，承担团队成员以及团队负责人的角色。指标点12.2具有终身学习的知识基础，具有跟踪本学科领域发展的能力。

在材料成形工艺学课程中涉及的复杂工程问题包括热轧板带、冷轧带钢、型材和管材产品轧制成形过程中产品形状和质量缺陷控制、工艺过程控制等等。例如热轧板带产品质量控制：瓢曲、局部边裂、翘皮和麻点缺陷、翘头、板形不良、头尾形状不规则。冷轧带钢产品质量：边裂缺陷、屈服纹、黑带和粘结缺陷、“镰刀弯”缺陷、“橘皮”和“褶皱”。型材质量控制方面：冷镦钢开裂现象、轴承钢网状碳化物、弹簧钢脱碳原因;钢管质量控制：内壁折叠缺陷、外圆内多边形缺陷和拉凹缺陷等质量问题。例1“某热连轧厂采用半连续轧制方式，在生产3.5mm的板卷时发现存在边浪缺陷。经测量板卷边部厚度出现了如下情况：距边部40mm内测量，其厚度较中部略厚，即并没有出现边部减薄现象。需要同学们根据从控制模型、工艺和设备多角度分析产生这种现象的原因及解决措施。”例2“某中厚板企业采用双机架生产中厚板，在生产过程中存在蛇形和翘头等问题。”例3“某企业采用CDCM机组生产DC04冷轧钢板，产品出现严重的单边浪形，经技术人员测量，钢板横向两侧厚度存在较大偏差。并且纵向厚度存在周期性变化，且在长度方向上的波长大约是工作辊径的3倍。试从钢铁生产全流程分析其原因及解决措施。”大作业所涉及的这些问题均来自实际科研实践或实际生产中遇到的典型问题。学生并不能从书本上利用单一的知识单元来解决问题，需要通过认真思考，结合工艺、设备等知识综合分析才能找到解决问题的思路。通过这样的学习过程，使学生对所学的知识能够细致的梳理、有效的应用，活学活用，大大提高了学生解决实际问题的能力。

2.2 项目学习过程的实践

在教学过程中以提升学生解决复杂工程问题能力培养为重点，以学生成果为导向，以完成学生毕业要求达成度为目标，提高学生自主学习意识，创新多种形式的教学方法。本课程在2015年引入了以解决复杂工程问题为主的项目学习的大作业环节，着重培养学生综合运用所学知识解决复杂的工程实际问题。以小组形式，每组由4～6名同学组成，在课下完成，每组一个命题，这些问题都来自工业生产实际遇到的难题以及共性问题。具有复杂工程问题特征。最终完成一个作品或者综述论文，包括对问题的描述，解决问题方法以及提出解决方法等等。在完成综述论文中，需要同学们灵活运用高等数学、材料成形力学、金属学等相关知识，分析实际工程问题，并提出解决措施。在完成大作业过程中，小组成员要明确各自承担的任务和责任，开展多次小组讨论，共同协作完成最终作品，最终以PPT形式在课堂进行汇报和回答评委提出的问题。

通过这种大作业形式，调动了每个小组同学的积极性，相互之间通过分工协作，在锻炼独立思考能力的同时，也提高了团队合作意识，体会到了合作的重要性，形成了团队合作精神。在完成作业过程中学生积极性很高，并充分利用课余时间和指导老师沟通探讨。除当面交流外，也利用手机等现代通讯工具和老师交流研讨，甚至争论。此外，在实际教学过程中，难免碰到学生思路出现严重偏离题目主旨的情况，这时教师可以及时引导和纠正，使学生的思路步入正轨，提高了学生利用所学到的知识解决复杂的工程实际问题能力。

2.3 评价与持续改进

在连续6年项目学习过程中不断发现薄弱环节，持续改进考核评价机制，进行毕业要求达成度的评价与分析，进而不断改进措施，提高学习效果。如2017年规范了作业格式要求，培养学生撰写科技论文的能力;2018年加入了组内自评得分，根据完成过程中小组成员表现给出组内自评分，充分考虑每个学生在小组中的贡献度，调动每位同学学习主动性、创造性，以便正确评估每位同学，给出合理的评价。2019年制定了大作业评分标准，对学生考核更加客观。目前最终成绩中既包含作品内容成绩又包括现场答辩成绩。现场答辯成绩中即包含小组整体成绩又含有个人成绩。个人成绩包含小组内成员互评得分又包含指导教师给出成绩。这种评价方式可以更加客观地评价每位学生学习效果，也提高了学生学习的主动性、自觉性和创造性。并在基础上建立了评价机制，制定了项目学习的大作业评价标准，如表1所示，更加客观准确。在每次结束后都和同学们交流，反馈执行过程中还存在的问题情况;同时开展形成性评价，发现不足之处，持续改进。

通过小组项目学习的大作业形式，针对每个组对于工程实践问题完成度，评估学生对所学知识的理解和掌握情况。这种方式锻炼了同学们综合分析问题、解决实际问题的能力，国内外文献阅读能力，培养了学生自主学习意识，小组成员团队协作能力和责任担当意识，为同学们后续开展课程设计、毕业设计（论文）的学习奠定了良好基础。这种大作业形式充分调动了同学们学习积极性，加强了理论知识、原理与工程实践的结合，受到了同学们的欢迎和肯定。

3 课程思政实践

结合教学内容，在教学过程中引入典型思政案例，将思政元素与教学内容实现有机结合。通过思政元素案例，探寻把课程知识点和理想信念、奉献精神和创新精神有机结合。增加教学的趣味性，实现育人润物细无声的效果，让专业课成为铸魂育人的生动课堂，让学生在学习专业知识的同时，实现价值塑造。

小组项目学习的题目存在一定的难度，在完成过程中需要遇到多方面的复杂问题，要对工艺理论和生产实际都十分了解，做到全面掌握问题的本质才能完成，其过程是较为困难而且复杂的。在其中引入“超级钢”、港珠澳大桥、建国70周年我国钢铁工业成就等思政元素激发学生爱国情怀、创新精神、科学精神，培育创新底蕴塑造创新思维，助力学生创新精神培养，在学习知识时实现价值塑造。实现知识、能力和素质三位一体式的有机融合，培养学生解决复杂问题的能力和高级思维。

4 结语

解决复杂工程问题的能力是工科专业学生必备能力，本文总结了本课程在项目学习实施过程中的相关工作经验以及考核评价方式。通过项目学习方式提高了学生分析和解决复杂工程问题的能力，同时在文献查阅能力、总结分析能力、团队合作意识、科技写作能力、终身学习能力等方面获得了提高，为材料成型及控制工程相关人才的能力培养提供了新思路。

参考文献

[1] 王慧亮，林晓英.水文与水资源工程.专业复杂工程问题探讨.教育理论研究，77-78.

[2] 林建.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.高等工程教育研究，2016.5：17-26.

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[4] 丁桦，赵宪明，唐正友.通过工程认证促进专业建设[J].中国冶金教育，2016（4）：69-71.

[5] 彭良贵，蔡明辉，丁桦，等.以解决复杂工程问题为核心的材料成形工藝课程设计教学[J].中国冶金教育，2019（3）：55-58.

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[7] 陈平.专业认证理念推进工科专业建设内涵式发展[J].中国大学教学，2014（1）：42-47.