基于复杂工程问题解决能力培养的课程改革——以建筑给水排水工程为例

颉亚玮，高延红，刘宏远

（浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310014）

引言

中国工程教育认证标准明确将解决复杂工程问题能力的培养作为本科工程教育的聚焦点。在我国现行的《工程教育认证通用标准解读及使用指南（2022版）》的12条毕业要求中，8条直接提及“复杂工程问题”，而其余4条则是对复杂工程问题解决能力的素质类要求［1］。

目前，全国已有49所高校的给排水科学与工程专业通过了住建部的专业评估（认证）。“建筑给水排水工程”是给排水科学与工程专业的核心专业课程之一，其特点在于知识点多而散，实践性极强且与现行规范标准结合紧密。在此背景下，如何基于课堂教学培养学生的复杂工程问题解决能力，实现课程的持续改进，是践行OBE教育理念，达成培养目标，并创建一流本科专业的关键所在。

一、“建筑给水排水工程”课程中涉及的复杂工程问题特征

复杂工程问题（Complex Engineering Problems）指的是复杂的工程问题，而不是复杂工程的问题。在《华盛顿协议》所描述的复杂工程问题的7个特征中［2］，“（1）必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决”是本质，是复杂过程问题的天然属性，必然具备［1］。其余特征在建筑给水排水工程中集中体现在：“（2）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。”比如如何在保障供水可靠性和用水舒适性的同时实现节能供水和节约用水；“（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的。”如工程实践中涌现出的新技术和新设备，按部就班的常规设计或者施工方式就难以适应这种变化；“（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。”比如在自喷系统的设计计算时，对于越来越多的构造奇特、流线、不规则的建筑的最不利点处作用面积常常难以形成规范中的规则矩形；“（6）问题相关各方利益不完全一致。”建筑给排水工程是建筑物整体工程的一部分，随着建筑物承载的功能日益增多，建筑给排水中涉及的供排水管线面临和其他专业管线设计方案的协调问题。“（7）具有较高综合性，包含多个相互关联的子问题。”比如建筑给排水设计中通常包括给水、热水、排水、中水、消防等子专项，呈现了较高的综合性。

二、复杂工程问题解决能力培养目标下，“建筑给水排水工程”课堂教学存在的问题

（一）课堂讲授过度重视工程应用方法，轻视理论原理学习

“建筑给水排水工程”是一门实践性很强的课程，工程设计实践中许多设计数据都是根据经验获得或可以在规范/标准中查表得到的；加之专业课时不断减少，该门课程的课堂讲授逐渐演变成“规范条文的应用指南”，缺乏对规范、标准或实际操作方法背后理论支撑的教授。在本科的培养目标要求下，工程实践方法固然重要，但使学生知其然并知其所以然、掌握工程经验的理论来源是极其重要且不可缺少的一环。因此当前针对理论原理的教学内容不是太多，而是太少、太浅。

（二）缺乏对复杂工程问题认知及其解决能力的培养

当前的教学内容、课程设计和教学过程中对建筑给水排水工程中复杂工程问题的特征认识不足，认为一切按照标准规范即可，方案、技术等都是有经验的、成熟的，不存在复杂的工程问题，课程教授和考核内容以教材上的、记忆的内容为主，忽视了培养过程中对复杂工程问题识别和解决能力的训练。

三、“建筑给水排水工程”课程中复杂工程问题解决能力培养的策略

（一）复杂工程问题解决能力培养目标下课堂教学内容的重构

理论原理是专业知识强有力的支撑，对培养学生解决复杂工程问题的能力具有重要作用。但在教学实践中发现，一方面专业课教学时长普遍不足，另一方面单纯的理论知识晦涩，学生学习兴趣不高；此外，还存在理论知识体系与专业实践应用脱节的现象，导致课堂教学中忽视基础知识教授。然而，没有基础知识支撑的工程应用是无本之木，不掌握基本原理的学生也很难具有创新精神。

以“工程问题，理论解决”的理念为指导，强化理论教学。改变目前教学“照表查、照书抄”的现状，优化教学内容侧重点。在教学过程和内容上，首先让学生明确本科教学的培养目标，在心中深植复杂工程问题的解决方法源自强大理论支撑的基本观念；其次在课堂教学中应让目前不被重视的工程中各种参数的理论原理重返课堂，教学内容应在经验数据、规范/标准条文背后的理论基础上有所偏重。

引入工程实例，根据课堂教学内容合理设计基础理论知识，转化为具体的工程实践任务，引导学生基于已有知识完成相关任务目标。通过让学生探究某一工程经验或规范条文后深层次原因强化理论原理和工程经验的结合，倒逼学生自主学习，提升课程的高阶性、创新性和挑战度。比如建筑给水排水工程实践中一个普遍的认识是排水通气系统和管材对排水立管的通水能力有显著影响，而且在《建筑给水排水设计标准》中也有相关建议数据，通过查表就能够满足设计基本要求，但如果学生的学习仅仅停留在此，就很难理解通气特性和管道内壁对排水能力的影响机理，也就不能解决目前为了提高排水能力而盲目扩大通气管径的错误做法。在课时限制下，教学内容要强本弱末：基本原理是本，工程应用和经验参数是末，指导学生探究表象背后的本质，才能立于主动学习的不败之地。理论不再是抽象的数字和公式，而是发现和解决问题的工具，不仅实现基础理论知识与专业知识的结合，也增强学生的专业自信，同时培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和创新精神。

（二）基于项目的引导—探索—深入的课堂教学模式构建

强调学生在学习过程中通过新旧知识的联系理解知识，并且能够在高水平思维的学习活动中主动、批判性地理解和运用知识，是达成深度学习的重要途径［3］。由于课程体系的时序特点，学生在学习专业课时，通识基础课和专业基础课均已经成为“旧知识”，而复杂工程问题的发现和解决则是“新知识”，强调学生在学习过程中通过新旧知识的联系进行学习就是强调将专业基础原理与复杂工程问题的发现和解决相结合。

引导的责任在教师。教师收集具有真实性、针对性、启发性和问题性的工程案例，源自实际工程中的案例天然具有复杂特性［4］。工程项目案例的搜寻本身也是课程内容的一部分，它不是简单的“拿来主义”，需要根据教学要求、学生素质和教学规律进行适当修改［5］，避免为了复杂而复杂，失去了教学意义。案例涉及的复杂问题没有统一的标准答案，需要学生在学习过程中自行发现、甄别、总结和判断。教师主要起到掌控案例教学大方向、引导学生明确思考路径的作用。

探索的主体是学生，师生关系互换。探索学习的过程是让学生从对零散的“点”知识的学习逐步转移到对知识的整合上来，形成知识“线条”，连线成“面”，进而利用它们发现和分析问题、解决问题。只有在学习者解决真实世界里发生的问题，通过论证或应用而激活已知知识，并将其作为理解新知识的基础时，新知识才会被整合到学习者的世界中［3］。工程实例或项目教学没有唯一确定的答案，引导学生用已有知识探究解决问题的更好方案，培养针对复杂问题的思考、发现和分析方法，才是这一教学过程的目的所在。学生通过主动学习和思考，阐述发现的复杂问题以及解决思路并进行讨论。在上述过程中“交流”“合作”等行为自然而然地出现了，对获得深层的、有意义的学习成果是非常有益的［6］。

深入的核心是合作。师生关系进一步转化为合作者，师生享有平等的地位，平等参与讨论［7］。对复杂工程问题进行分析、讨论、辨别。但由于学生的专业知识基础不深厚，因此教学实践中教师需要掌控讨论的大方向。这种合作还可以延伸，比如学生以项目成员的身份加入教师的科研团队参与开展科研项目。师生双方在合作中互相学习，实现教学相长，使各自成为更好的教师和学生［7］。应该指出教师在案例的选择方面尤其要注意，切忌难度过大，要以激发兴趣、培养能力为原则，避免造成学生过大的挫败感，过犹不及。

（三）面向复杂工程问题解决能力培养的课程考核方式改革

课程的考核是教育教学过程重要的组成部分和必不可少的环节［8］，要实现面向复杂工程问题解决能力培养的课程考核，就必然要求我们强化针对复杂问题的分析、解构和解决能力的评价。在“复杂问题，理论解决”的理念下，课程的考核评价内容应该全面评价学生对理论知识的掌握情况以及发现和解决复杂工程问题的能力。让学生共同参与评价，引入生讲生考、生讲师考、师生共评的机制，考核侧重点是复杂问题的发现、思考过程以及解决方案；在考核过程中产生的师生和生生之间的交流、讨论、辩论事实上也成为教学过程的一部分。如此一来，教学考试评价过程则从教学过程的结束变成了教学过程的延续，也有利于体现评价的客观公正，从而提高学生对评价结果的认可度。

重视学生复杂工程问题能力培养，就是要通过考核模式的改革扭转目前学生普遍重考试、轻考查、重期末、轻平时的学习态度。课程的考核评价要更具综合性、全面性和经常性，应同等重视期末考评和过程考评，但不同考核过程的侧重点应有所不同，过程考核应该理论实际并重；而在期末考评中，案例中复杂工程问题的发现、分析、思考和解决，以及课程中理论知识的连贯和综合应用等则应该成为重点。

最后，考核评估的结果应成为持续改进的基点，考核结果中反映出来的学生对知识掌握及其应用情况不足之处，应该体现在后续教学的持续改进中，形成课程质量的螺旋上升。

四、课程思政赋能复杂工程问题解决能力培养

学生的培养要有专业，但不以专业为本，而是以人的全面发展为本［9］。课程思政的目的是培养健全的、全面发展的人，和工程教育专业认证标准中“要使学生……考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”的理念相向而行，不谋而合。

结合课程思政，阐述复杂工程问题的产生根源。复杂工程问题通常涉及多专业、多学科的交叉。复杂工程问题产生的根本原因首先是改革开放以来中国经济社会的高速发展，促进了建筑内部多功能的集成；其次是我国近年来科技的高速发展使得多功能建筑、绿色建筑等建设成为可能。从这一点出发，增强学生对国家繁荣昌盛的荣誉感、对人民安居乐业的社会责任感和使命感，以及专业自信。

结合课程思政，培养钉钉子精神。复杂工程问题之所以复杂，就是由于它不是通过常规的、既有的方法和手段能够解决的，这就要求在课程教学和指导学生的过程中，培养学生勤于思考、善于思考和科学思考的习惯，训练学生不怕苦、不畏难，锲而不舍、不怕失败的钉钉子精神，通过对已有知识的深入和外延知识的拓展、学习和总结，发现、分析、解决复杂工程问题。

结合课程思政，弘扬科学精神。复杂工程问题的解决，依赖于对问题的准确判断和分析，在引导学生拓展已有知识的过程中，要让学生理解前人面对工程难题时的思考方式、解决思路和逻辑链条；对于建筑给水排水而言，复杂工程问题的解决关系到供水是否安全、排水是否通畅、消防是否有效等，来不得半点儿虚假和模棱两可，在这一过程中，培养学生踏实做事、科学严谨、实事求是的科学精神和工作态度。