培养解决复杂工程问题能力的工程实践课程改革——以河南工业大学测控技术与仪器专业为例

卢 涛

（河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州 450001）

2016年6月，我国正式加入《华盛顿协议》，成为第18个正式会员，标志着我国工程教育迈上了新的台阶。《华盛顿协议》倡导以学生为中心、产出导向（Outcome-Based Education,OBE）和持续改进（Continue Quality Improvement,CQI）三大教育理念。《工程教育认证标准》的12条毕业要求包含了技术和非技术能力的培养，这些能力均以培养学生解决复杂工程问题能力为目标。《工程教育认证标准》详细规定了复杂工程问题的7个特征［1-2］，以“综合性、深度性、冲突性”为核心。其中，复杂工程问题的综合性体现在能综合运用多门课程或多方面的理论知识和技术能力；深度性体现在能运用一定深度的科学理论、技术方法和现代工具对问题的解决进行推理、建模和仿真；冲突性表现在问题的解决不仅要考虑技术因素，同时要考虑非技术因素。而非技术因素是指与问题解决相关的内部和外部制约因素，如环境、社会、健康、法律、团队及沟通、职业道德和责任意识等，非技术能力的培养在《工程教育认证标准》12条毕业要求中进行了详细的规定，是毕业要求达成的重要考核方面。在培养方案中，工程实践类课程体系需要紧密围绕培养学生解决复杂工程问题能力的要求进行设计，不仅要包含理论知识和技术能力的培养，也要涉及学生非技术能力培养目标的达成。工程实践类课程是达成复杂工程能力培养目标的直接载体。本文以测控技术与仪器专业为例，针对该专业工程实践类课程的改革，围绕课程体系的设置、课程考核评价及持续改进等方面，对如何培养学生解决复杂工程问题能力进行了讨论。

一、工程实践类课程现状与问题

测控技术与仪器专业原有培养方案中的实践环节包括课内实验、校内实习、课程设计、校外企业实习等。其中，课内实验一般为验证性实验，校内金工和电工实习为技能培养，课程设计在综合能力培养尤其是非技术能力培养方面无法对培养解决复杂工程问题能力的目标进行有效支撑，校外企业实习的效果很大程度上取决于相关企业的参与程度，实际上多以现成参观讲解的形式进行。总体而言，以上各环节均无法满足培养学生解决复杂工程问题能力的要求。根据该专业近两年连续两届毕业生的第三方调查情况，毕业生认为最需要改进的地方是“实习和实践环节不够”（分别为71%与70%），认为“企业工程实习是实习实践环节最需要改进的方面”的毕业生占74%。调查也表明，专业实践和实习的经历对本专业毕业生的工作与专业相关度、教学满意度等均有较大的影响，主要是因为课程的开展没有按照工程认证目标导向的要求，实践课程目标针对解决复杂工程问题能力要素的支撑不明确，实践课程内容设置、组织形式和考核方法不能支撑能力要素的达成，如缺少对问题的综合分析能力、对非技术能力达成的目标要求，在实施过程中流于形式较多，缺少细化的能力达成评价机制。要解决此问题，首先应根据毕业要求中复杂工程问题能力培养的要素，对实践环节的课程目标进行有针对性的合理定义，要求“具体、可执行、可评价”［3］，进而根据课程目标的要求，设计实践环节中对技术和非技术能力进行培养的教学内容和考核评价机制。根据能力培养的特点和形成规律，改革实践课程的组织形式，按照“集中实践与分散实践相结合，课内实践与课外实践相结合”的原则进行实践课程组织实施方法改革。例如：将集中实践环节改为专业综合实践，包括以课程形式组织的课上集中指导，同时设立专业开放实验室，组织学生以团队小组的形式在课后开展常态化的实践锻炼。此外，充分利用第二课堂开展各类与专业相关的课外实践活动，如可按照学业进程针对全体学生组织校内专业竞赛，并纳入培养方案的学分要求。同时，实验室的建设、开放实验室的运行机制、教师工程能力的培养和考核要围绕对复杂工程问题能力培养的要求开展。

二、工程实践类课程的改革措施

根据OBE理念，实践课程体系要能支撑毕业要求中复杂工程问题能力要素的达成，包括技术能力和非技术能力两类要素。按照课程的递进关系，可分为自然科学和人文社科通识类、专业基础类、专业类（含课内实验）、工程实践、毕业设计。知识的积累可通过基础类课程和专业类课程的学习达成，但是要达到复杂工程问题能力中对技术能力培养的要求，还需要学生具有综合运用所学知识对问题进行识别、表达、分析和研究的能力。而非技术能力所要求的能平衡“技术性、经济性、安全性、可持续性、环境保护”等复杂关系的能力，以及自主学习、团队合作、沟通等能力，仅靠人文通识类课程很难达到。因此，工程实践类课程作为培养学生解决复杂工程问题能力的关键，不仅要对前期的基础类课程所形成的知识体系进行有效的衔接和包含，还要体现工程问题的复杂性，该复杂性体现在工程问题的选择具有行业和工程背景及一定的科学性和理论深度，具有“多目标、多环节、多约束”等技术特征，也要具有能平衡“技术性、经济性、安全性、可持续性、环境保护”等复杂关系及自主学习、团队合作、沟通交流的非技术特点［4-5］。因此，工程实践类课程本身要形成渐进的课程体系，以测控技术与仪器专业培养方案为例，课程体系介绍如下。

如表1和表2所示，培养学生解决复杂工程问题能力的课程体系分为第一课堂和第二课堂两个部分。在符合认证专业补充标准和国家专业质量标准的基础上，基于OBE的反向设计理念，对人才培养目标进行充分的利益相关方调研和合理性评价，设置了该专业的毕业要求，根据毕业要求中关于解决复杂工程问题能力的培养要求，设置了从电类专业入门实训、测控核心课程实训，到具有专业特色的嵌入式及专业综合实训的实践教学课程的递进培养体系。

表1 工程实践类必修课设置

表2 第二课堂自主创新实践环节设置

培养解决复杂工程问题能力中的非技术因素是非常重要的目标，技术能力的培养是非技术能力培养的基础，非技术能力的培养蕴含在技术能力的培养中，二者是有机整体。非技术能力的培养是一个长期渐近的过程，仅靠实训课程很难达到目标，而第二课堂的组织和实施是达到这一目标的重要环节。所谓第二课堂，就是在实训课程实施的基础上，进一步拓宽、加强、拉长学生参与实践创新培养的渠道和过程。在实施过程中，为了保证其针对全体学生在实施过程中可管理和可评价，专业需要制定较为具体的第二课堂实施和考核评价办法，完善实验室开放管理办法等配套措施，明确规定学分要求、获得渠道及评价的主体。举例来说，第二课堂创新实践环节可由若干子项目构成（见表2），包括社会调查与实践、学术交流与研讨、学科专业竞赛、开放性实验项目、学生科研、证书等，并在培养方案中明确规定，学生在校期间必须在创新实践环节修最少4学分，例如：学术讲座或交流与研讨（1学分）、校级专业竞赛（1 学分）为全体学生必修子项目，其余2学分可由学生根据自身兴趣特长在各子项目中自主选择。

综上，设置实训课程的渐进培养体系，在课程实施上将“课上、课下、第二课堂”进行有机结合，有利于循序渐进地培养学生综合运用多方面专业知识和工具对复杂工程问题进行分析、研究、推理、建模仿真和实验验证等技术能力，也有利于非技术能力培养目标的达成。

三、课程评价与持续改进

面向产出的评价与改进机制是一个完整的系统，课程目标的达成评价是毕业要求达成评价的基础，而对工程实践类课程目标的达成评价是衡量复杂工程问题能力达成的关键。课程目标的达成与持续评价机制如图1所示。

图1 课程目标的达成与持续评价机制

如图1所示，培养学生解决复杂工程问题能力的课程体系分为工程实训课程和第二课堂实践两个教学环节。课程目标的合理性和达成情况评价是整个闭环评价体系的基础，没有合理性评价则达成评价的结果不可靠，也就无法进行有效评价结果分析并用于持续改进。教学目标的合理性评价主要采用间接评价的方式，间接评价针对“应届毕业生、用人单位、毕业校友”进行问卷调查，目标的合理性主要体现在“可实现、可教学、可评价”，涵盖复杂工程能力培养的技术和非技术因素，技术能力的评价以直接的“定量评价为主”，可采用“测验成绩分析、第三方专业证书考试、设计报告与成果技术水平评估”等方式实现。非技术因素目标的评价既要注重能力形成过程的评价，如沟通合作能力、项目管理能力、责任感等，采用项目小组互评和教师评价相结合的方式，也要对技术成果中蕴含的非技术目标的达成进行评价，如技术方案和设计成果是否包含了“环境与可持续发展、知识产权和法律法规”的考虑及其可行性。不论是技术能力目标还是非技术能力目标的评价，评价方法要可操作，评价结果要客观和真实。

培养学生解决复杂工程问题的能力，是达成毕业要求的核心。解决复杂工程问题的能力包含了技术能力和非技术能力两方面的要素，具有“综合性、深度性、冲突性”等核心特征。工程实践类课程是支撑该能力达成的关键环节。本文以测控技术与仪器专业为例，针对实践教学环节的设置与实施，探索了课上集中实践、课下实践和第二课堂自主实践相结合的创新实践方式，并对实践环节能力达成的考核评价机制及课程的持续改进机制进行了讨论。