培养高校工科学生解决复杂工程问题能力的探索与实践

路世青 何苗 袁博 黎波 丁军

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-7727

摘  要：复杂工程问题的解决能力是高校工程类专业毕业生应具备的核心能力，项目驱动式教学模式符合复杂工程问题解决能力培养的规律和路径。以培养学生解决复杂工程问题的能力为目标，结合高校机械类专业机械创新设计课程，分析了教学改革中存在的重点问题。研究了利用项目驱动式教学模式，培养学生解决复杂工程问题能力过程中教学案例的构建方法、教学组织设计及教学评价方法。在机械创新设计课程教学中实施与验证，取得了较好效果，为相关课程的教学改革提供参考。

关键词：复杂工程问题  项目驱动  机械创新设计  教学组织设计  教学评价

中图分类号：G642                            文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0129-04

The exploration and practice  in Cultivating students' ability to solve complex engineering problems

——Taking the course of Mechanical Innovation Design as an example

LU Shiqing  HE Miao  YUAN Bo  LI Bo  DING Jun

（College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing， 400054 China）

Abstract： The ability of solving complex engineering problems is the core ability that college engineering graduates should have. The project-driven teaching mode conforms to the law and path of cultivating students' ability to solve complex engineering problems. With the goal of cultivating students' ability to solve complex engineering problems， and based on the course of mechanical innovation design， the key problems existing in the educational reform are analyzed. The teaching mode of project-driven to cultivate students' ability to solve complex engineering problems is discussed. The methods of teaching case construction， instructional design and teaching evaluation have been studied and put into practice. This study has obtained good effect on teaching， and provides a reference for related courses.

Key Words： Complex engineering problems; Project driven; Mechanical innovative design; Instructional design; Teaching evaluation

培養学生解决复杂工程问题的能力，是当前我国高校开展工程教育专业认证的基本要求[1]，也是新形势下经济社会发展对现代工程教育提出的新的要求。因此，培养学生解决复杂工程问题的能力，应作为一种目标背景和规格主线，贯穿于各类课程教学的全过程。这就要求教学过程应该从传统的单纯按照内容分工方式转向按照能力培养的方式进行。其中，项目驱动式教学模式是实现这一教学过程转变的主要途径之一。项目驱动式教学即教师借助项目的拓展进行课程教学的方法。项目驱动式教学的特点是以学生为中心，以项目为载体，以问题为导向。学生在教师的指导下，通过采取各种灵活和个性化的学习方式，激励和引导学生主动发现问题，并且通过查阅资料、动手实践、综合分析等过程，最终解决问题并得出结论[2]。项目驱动式教学符合复杂工程问题解决能力培养和形成的规律和路径，是传统教学方式所不具备的。

《机械创新设计》是我国高校机械类专业学生进行素质教育和创新能力培养的专业课程。该课程开设时间、课程内容体系，以及综合性、实践性强的特点都适合在教学中植入高等级的复杂工程问题。本校本课程开设以来，一直采用项目驱动式教学模式，教学设计注重培养学生解决工程实际问题的能力，教学过程中除了教师对机械设计创新思维与技法的针对性讲解外，还包括工程案例研讨、项目方案设计和项目答辩等项目训练环节，使学生在解决工程问题的过程中学习到知识和研究方法，获得多方面丰富的体验。本文分析探讨了机械创新设计课程教学过程中进行复杂工程问题的案例库建设、教学设计、课程评价体系的优化等问题。

1  基于解决复杂工程问题能力的课程改革重点问题

随着我国高校不断推进工程教育专业认证，工程类专业教师认识到建立复杂工程问题案例库以支撑课程教学的重要性及紧迫性，但由于很多课程教师在工程实践方面的参与度有限，课程又缺少企业专家深度参与等，很难在短时间内提炼出典型的、足够多的复杂工程问题并反馈到课程教学各环节，导致在开展教学过程中，尤其是在项目驱动式教学时学生开展项目训练受到很大限制。其次，由于新形势下企业技术需求更新比较快，复杂工程问题也需要同步更新。复杂工程问题储备的不足直接影响到课程教学方法与教学内容的改革。

同时，很多工程类专业在开展专业认证以前，由于缺乏对毕业要求及各课程目标的理解与整体规划，各门课程教学设计“自成体系”的问题比较严重，造成教学设计与复杂工程问题融合不够，也导致“培养学生解决复杂工程问题能力”教学目标的实现受到很大影响。

另外，在复杂工程问题融入课程教学后，如何合理分解具备“复杂工程问题”特征的指标点并进行合理的“能力”达成度考核，目前可参考的研究成果还较少。同时，很多课程还缺少形成性评价过程，导致未及时获得教学过程中学生的连续反馈，对开展进一步的教学改革及持续改进工作造成阻碍。上述问题都是在开展项目驱动式教学改革中需要不断探索和解决的重点问题。

2  机械创新设计项目驱动式教学整体设计

以工程教育专业认证标准下的机械创新设计课程教学目标为出发点，通过开展企业调查、社会调查并结合专家咨询等方式，进行典型复杂工程问题案例的归纳、提炼、修改与补充，构建课程典型复杂工程问题案例库。在开展项目驱动式的课堂教学过程中，注重问题情境的引入，不断优化教学设计，进而构建并不断完善学生的课堂学习环境。通过形成性评价与终结性评价结合的方式，完善课程的评价体系，并根据评价结果，对课程教学设计、案例库更新、教学目标等进行持续改进。机械创新设计课程的项目驱动式教学模式与实施的整体思路如图1所示。

3  复杂工程问题的内涵及其案例库的构建

要培养学生解决复杂工程问题的能力，必须首先深入理解“复杂工程问题”的内涵。根据我国工程教育认证标准对“复杂工程问题”的界定，可以发现复杂工程问题包含“复杂”和“工程”两个方面的内涵。“复杂”指的不仅是从技术层面上难于理解或分析，更多是指问题涉及多个范畴以及多因素混合带来的冲突，从而导致问题没有规定的答案，也没有约定的解决方法，从而要求培养学生从复杂的问题中找出最优解决方案的能力。“工程”是指学生在解决问题过程中能够综合地、有目的性地应用数学、自然科学和专业知识，以及相關技术和技能，同时还要考虑到社会、环境等各方面因素的优化和平衡，因此复杂工程问题的解决一般需要较多的人力、物力及团队协作才能完成[3]。

合理的复杂工程问题设计是课程教学中必须重视的首要工作。复杂工程问题的层次应符合学校及专业人才培养的定位，同时还要符合工程教育认证标准的界定。根据工程教育专业认证的要求，复杂工程问题要具备7个基本特征，主要包括深入的工程原理、多因素的干预、方法与模型的复杂性、利益的多样性、问题的综合性等几方面[4]。因此，在教学过程中设计复杂工程问题案例时，要从工程问题的真实性、复杂性梯度[5]、学生状态等方面综合分析，要紧密围绕企业需求和社会需求的原则，在引入复杂工程问题时要强调工程规范标准化与执行力的培养，要强调创新力的培养。

机械创新设计课程组教师通过深入企业调研、社会调查等方式，收集、整理了大量具有典型代表性及前瞻性的复杂工程问题，结合本课程教学内容及教学组织形式，对复杂工程问题进行筛选、提炼及修改，建立了复杂工程问题的典型案例库，并以每学期持续改进的方式进行案例库建设，为机械创新设计项目驱动式教学的组织开展提供源源不断的项目案例支持。

4  教学组织优化设计

“复杂工程问题”是项目驱动式教学组织中设计的“问题”，同时，通过项目驱动式这种教学及学习方式能够达到解决复杂工程问题的“目的”。因此，教学组织设计与复杂工程问题之间存在着双向关系。教学组织设计要紧密围绕复杂工程问题展开，设计复杂工程问题引入的情境[6]，并不断优化课程解决复杂工程问题的教学组织设计，拓展解决复杂工程问题的学习环境，使复杂工程问题与课程教学活动产生深度融合的效果。

以机械创新设计课程为例，依托大学生创新创业实践基地、校内工程训练中心、专业实验室等实践教学平台，结合仿真模型、多媒体演示，以及机械专业前沿发展报告等渠道，以“新型机构设计”“结构创新设计”等问题为导向，通过一系列与复杂工程问题相关的子问题，构建了整个复杂工程问题的情境，着重培养学生的问题意识，从而激发学生的项目设计兴趣。

对课程讲授内容和讲授方式也进行了优化。课程中创新思维特征、TRIZ理论、实例剖析等难点问题进行课堂讲授，基本创新技法、机构组合、造型创新等内容利用专题讨论、师生互动等方式开展，项目训练环节通过合作学习、教师解惑、学生展示并答辩的方式完成。教学组织中既要注重与教学各环节相关联的复杂工程问题的引入，又要注重筛选学生在分析和解决复杂工程问题中遇到的普遍性问题并进行分析解答。

教学组织中要考虑为学生解决复杂工程问题创造良好学习环境。机械创新设计课程从学习资源与人际关系两方面进行了建设。课程组教师整理了与专业信息资源（各类专业数据库）、课程相关资源（课件、文献资料、MOOCs）、专业现代工具（Solidworks、Adams）等学习资源。同时，通过QQ群、微信公众号等方式，为学生建立了与同学、教师及其他与解决复杂工程问题相关人员之间的人际交往渠道，使学生在解决复杂工程问题过程中能够得到及时、有效的帮助。

5  课程评价方法

课程评价的目的是为了改进教学，即通过闭环反馈来保证教学活动始终不偏离教学目标并促进目标更好达成。复杂工程问题融入课程教学后，通过合理分解具备“复杂工程问题”特征的指标点并设计合理的“能力”达成度考核方式，结合形成性评价，及时获得教学过程中学生的连续反馈。项目驱动式教学模式下课程评价体系要体现“项目训练”全过程的能力指标，并着重突出课程设定的解决复杂工程问题能力的指标。

机械创新设计课程围绕“复杂工程问题”，在项目驱动式教学模式下，注重从发现问题、分析问题到解决问题全过程能力的培养，采用了全过程评价方式。课程评价体系突出设定的复杂工程问题能力考核指标，建立了每一个指标相应的考核目标，并根据课程目标给予不同权重的量化分值。结合课程已建立的“平时作业”“设计方案”“项目答辩”等考核指标，共同够成课程的终结性评价体系;同时，为了获得更好的课程持续改进支持，建立了形成性评价体系。结合机械创新设计课程目标，重点在学习自主性、沟通合作能力、小组团队管理等方面做出发展性评价，帮助学生规范学习过程，提升信心与合作精神，并通过“细致观察”“交流谈话”“问卷调查”等方式，广泛征集、分析、梳理学生的意愿、要求、意见等，对教学各环节进行形成性评价，获得教学全过程反馈，明确了教学持续改进的目标和策略。

6  实施效果

本校机械创新设计课程开课多年以来，坚持以学生为中心、以产出为导向，不断探索、实践项目驱动式教学模式，充分激发学生的创造力，开展自我导向学习。课程教学中设置的“机电液系统创新设计”等项目训练环节，激发了学生的创新意识，培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，在项目训练过程中也培养了学生团队合作意识、沟通交流能力和自主学习能力。课程建设取得了较好的效果，涌现出许多的优秀学生作品。仅上一学年依托该课程学生取得的成果中，已有7个学生小组取得了学校的大学生科研立项资助，12个小组参加了全国大学生“机械创新设计大赛”，获得全国一等奖、二等奖各1项，省部级奖多项，其中5个小组设计作品还申报了国家专利。整体来说，课程的课堂教学与课外实践环节都有效培养提升了学生解决复杂工程问题的能力，很好地达成了课程教学目标，也促成了专业人才培养目标的实现。

7  结语

探索实践了面向复杂工程问题的项目驱动式课程教学模式，相比传统教学模式，该模式具有“复杂工程问题贯穿教学始终，教师讲授与学生项目实践并重，教学评价系统科学”的特点，能够较全面培养提升学生解决复杂工程问题的能力。培养学生解决复杂工程问题的能力是一项系统工程，不是仅仅靠一两门课程所能达到的，必须将“复杂工程问题”按照其复杂性梯度贯穿融入到专业人才培养的课程教学及实践体系各环节，尤其是要重视在实践性较强的专业课程中植入梯度等级较高的复杂工程问题。机械创新设计课程教学改革的方法与成果，为工程类专业各课程开展复杂工程问题的设计、教学设计、课程评价等方面提供方法支持，对其他课程相关教学改革也有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证工作指南（2018版）[S/OL].https：//www.ceeaa.org.cn/

[2] 齐卫，王文青.项目式教学过程与效果评价[J].河北师范大學学报：教育科学版，2020，22（6）：119-121.

[3] 徐广晨，霍仕武，赵凤芹.基于复杂工程问题的应用型本科机械专业教学案例剖析——以机械产品综合实训为例[J].大学教育，2019（7）：86-88.

[4] 王章豹，张宝.培养新工科人才解决复杂工程问题能力的探讨[J].高教发展与评估，2019，35（6）：74-85.

[5] 陈志旺，杨亚娜，李军朋，等.基于复杂性梯度的项目实训教学设计研究[J].教学研究，2019，42（5）：110-114.

[6] 郑鲲，周晶，王卓峥.基于复杂工程的创新实践情境设计与评价[J].高等工程教育研究，2019（3）：170-174，194.