工程概论课程中学生挖掘工程问题的能力培养探索

顾 陇 刘金妹 崔暖洋 周 楠

一、工程概述

1794年，在老卡诺、蒙日、贝托莱、拉普拉斯等科学家的发起下成立的法国巴黎综合工艺学校，是第一所授予工程学位的学校。自此，“工程”这个词在欧洲开始出现。初期的工程多指土木工程和水利工程，包括建造房屋、桥梁，制造机械设备，开发新的工业产品及技术改造等。随着人们生活和探索领域的扩展，新的科学技术和知识不断地被发现和应用于生产生活，新的工程领域被不断地开辟出来，如航天工程、生物工程、食品工程、软件工程、金融工程、交通工程等。如今，工程已成为将自然科学原理应用到工农业生产部门中去而形成的各学科的总称，通过集成科学和技术来解决实际问题。

二、工程特征

工程具有复杂性。与科学研究和技术开发不同，工程实践强调在一定时限内利用有限资源解决实际问题。完成一项工程除了需要专业技术外，更需要经济管理方面的方法和技能，因此工程活动是复杂的。此外，工程活动所包含的群体数量越来越多，构成也越来越复杂。这些参与者共同构成了工程活动复杂的行动者网络。不同类型的行动者之间的交互作用，构成我们通常所说的工程共同体。同一类型的行动者之间的交互作用，构成工程师共同体，使得工程更加复杂。因此，要完成复杂的工程活动，需要一批具备解决复杂工程问题能力的工程师[1]。

三、工程问题

工程教育要培养具有国际视野的行业骨干和引领者，使毕业生具有解决复杂工程问题的能力。同济大学的陈以一教授从三个层次阐述了工程专业要培养解决复杂工程问题能力的工程师人才，分别是：工程师（Engineer）、技术专家（Technologist）、技师（Technician）。陈以一教授从两个方面举例说明了他们的区别。从“创新性”角度来看：工程师能够将工程原理进行创造性应用，并建立基于研究的知识和新方法；技术专家能够应用新材料、新技术和尚未标准化的新工艺；技师仅需应用既有材料、技术和有所改进的工艺。另外，从“对社会与环境的影响程度”来看：工程师能处理复杂背景下和难以预测或避免的重大问题，技术专家能够合理预测并处理对局部影响重大、对全局有一定影响的问题，而技师仅需处理对局部有较大影响但影响有限的问题[2]。在校本科生通过学习学科基础知识与开展基础实验，已然具备第一层次的能力。在提升高层次能力的过程中，本科生只有充分认识并灵活应用既有材料和技术，且在改进工艺过程中发现问题，找到问题，才能够向着应用新材料、新技术和尚未标准化的新工艺的层次迈进，进一步深度剖析工程，预测问题，处理问题，从而创新性地利用工程知识。然而，复杂的工程活动本身并不是问题，工程师要能够透过工程活动表面现象找到问题根源，以便解决问题。国际工程联盟（IEA）对工程师的职业能力（工程胜任力）要求的第三条就是界定、研究和分析复杂工程问题。因此，能够在复杂的工程活动中发现和识别工程问题是非常重要的。

四、工程问题分析中的思维力培养

工程概论课程一直在强调通过专业学习，培养学生解决“复杂工程问题”的能力，即要能够将专业技术知识和非技术工程基础知识相融合，设计出满足社会需求、面向实际应用的解决方案，且解决方案具有产生经济回报的可能；了解产品开发的整个周期和流程，制定完善的产品设计和开发方案[3]。那么这种能力是否通过专业课结合通识课的学习就能够获得呢？工程概论课程是否能够加深或者拓宽学生对本专业毕业要求或者自我学习评价认知？答案是不确定的。主要原因在于，在学生的培养过程中主要沿用研究性思维，注重技术方案本身，往往追求部分技术指标的最优和突破。而产出导向的工科教育目标不仅仅是技术员，还是工程师，不仅要会设计、编码，还要具有全面、有高度、有深度、可持续发展的工程师思维，在追求部分技术指标最优的同时，更关注在产品（复杂工程）开发的全生命周期过程中，在发生多重因素的冲突后，对产生恶化的技术指标性能的识别及风险的排除。因此，对于复杂工程概念的掌握和分析，在学生的认知和培养中非常关键。

（一）教学策略

在已有知识的基础上能够定义问题，对问题进行描述和演示，并能举例分析之前的工程，指出问题所在，这是学生学习能力的体现，也是《华盛顿协议》认证标准中通用标准对工科毕业生工程知识和问题分析能力的要求[4]。工程概论课程涵盖的内容繁多，包括认证标准、工程与科学和技术、工程理念与工程思维、工程方法特点与设计特点、工程风险等，包括工程中的非技术性问题、工程伦理、相关行业法规等众多学科领域，涉及非常庞杂的知识理论体系。教学内容中，需要了解与理解的知识占了大部分。学习过程比较平淡，会降低学生的参与度，难以吸引学生进行深度思考。西安电子科技大学是一所具有鲜明电子信息特色的工科院校，学生在大一阶段就开始学习C程序设计课程。结合这一背景，采用图框来表示各种操作的流程图直观形象且易于理解。美国国家标准协会（ANSI）对一些常用的流程图符号做了相关规定，通过C程序设计课程的学习，学生能够熟练掌握算法和流程图。基于建构主义的任务驱动法，根源于杜威的“从做中学”的教学理念，能够改变传统教师讲、学生听的状态，让学生积极主动地参与学习，完成任务，发散思维。因此，教师可以鼓励学生通过“确立目标—分析需要收集的数据—描述参与的任务—分析任务数据”的步骤绘制任务流程，对问题层层剖析，培养学生的科学思维能力[5]。

（二）教学内容

在工程概论课程中实施任务驱动教学方法，所布置的任务要符合学生的认知特点和现实水平，可以多设置与生活密切联系的问题，激发学生学习的兴趣，但要具有较强的真实性、实践性和趣味性，要注意区别于习题。例如，可燃性气体对于材料学科教学与实验来说是非常危险的因素。材料专业的学生通过物理、化学及材料领域知识的学习基本掌握了灭火器种类及填充材料、火灾种类及灭火要点等相关的理论知识[6]。为此，教师可以通过真实场景的提炼与模拟，引导学生基于原有经验建立联系，发现问题，展开思考。首先向学生介绍传感器在物联网系统中的功能，使学生清楚传感器的概念及作用，了解传感器不同的分类方式，以及传感器的选用原则；之后，引导学生思考在气体传感器中，传感器与气体之间的作用过程，分析传感器的构成。针对可燃性气体监测这一设计目标，依据安全与精准的设计理念，确定设计思路。

在讨论分析中，可以不断增加问题复杂度，推动学生深度分析问题。引导学生分析化学气相沉积法制备半导体材料的原理、烧结工艺等[7]。综合分析材料制备流程和影响因素，引导学生对材料科学与工程基础、固体物理、纳米材料与纳米器件、纳米电子学等材料学科基础知识的回顾与应用，促进学生内化所学知识。在此基础上，进一步提出问题：如何提高所设计气体传感器的性能？首先向学生介绍传感器的基本特性，包括静态特性和动态特性。可以结合影视资料让学生了解气体传感器的工作原理，清楚在实验进行中首先获得的是动态特性曲线，通过对动态图进行多维度分析才能获得特定的静态特性值。然后带领学生分析影响传感器响应特性的两大方面：敏感材料与转换单元。引导学生探索纳米材料与二维材料等学科前沿研究，提示学生特别关注相关研究中气敏材料的种类、表面形貌、晶体结构、半导体特性、材料的表征与性能分析方法、测试气体等[8]。通过不断丰富情境，促进学生分析问题，自主学习，使学生明白材料的合成工艺路线会显著影响材料结构和缺陷，而结构和缺陷又会影响材料的性质，进一步会影响其使用性能。对于知识的刨根问底和信息的深度挖掘，是学生形成大视野、系统性思维方式，培养面向复杂问题时分析问题、应对问题能力的有效途径。需要注意的是：在绘制任务流程图的时候，需要清楚界定任务流程图每一步的关键词，以及每一步发生的条件或者是触发操作，获得多个任务之间的独立性和关联性信息，来帮助制定设计方案。可燃性气体传感器设计流程图如图1所示。

20世纪70年代末80年代初开始，我国高等院校面向各个专业的大学生开展计算机教育。因此，本文提到的教学方法具有较强的可操作性，适用于具有一定计算机基础的学生。绘制任务流程图是一项引发积极思维的活动，灵活有趣。设置丰富的生活情境，进行任务分析的过程就是培养科学思维方法的过程，绘制相应的任务流程图能够有效地培养学生的逻辑思维与分析问题的能力，使学生具备解决复杂工程问题的能力，同时能够起到动手能力与动脑能力同步培养的效果。此外，绘制任务流程图还有助于充分地了解任务信息，使学生在讨论中能够更好地表达与沟通，极大地提升处理复杂工程问题的能力。