大學生解決復雜工程問題能力的培養

閻 群， 李 擎， 崔家瑞， 徐銀梅， 王國霞

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

大學生解決復雜工程問題能力的培養

閻 群， 李 擎， 崔家瑞， 徐銀梅， 王國霞

(北京科技大學 自動化學院, 北京 100083)

以培養學生解決復雜工程問題能力為核心，基于OBE理念和卓越工程師教育培養計劃構建具有自身特色的實踐教學體系、自主研發配套實訓裝置、開發配套教學資源、在教學實施過程中引入CDIO教學模式和現代化教學手段、加強實驗室開放和實踐教學師資隊伍建設。探索與實踐結果表明，這一系列教學改革有效提高了自動化專業學生解決復雜工程問題的能力。

實踐教學； 復雜工程問題； 教學改革

在國家對創新型人才和復合型高級工程技術人才需求大幅增加的新形勢下，教育部開展了諸如卓越工程師教育培養計劃、CDIO特色專業建設、中國工程教育專業認證等多項工程教育實踐改革，均在不同程度上強調培養學生解決實際工程問題的能力[1-3]。2014年中國工程教育專業認證協會又專門提出了培養學生解決復雜工程問題的能力。我校自動化專業辦學歷史悠久，主要以過程控制、運動控制及模式識別為特色，在長期的辦學過程中形成了區別于國內其他高校的特色。我校自動化專業2009年獲批“國家級CDIO特色專業”建設，2013年獲批“卓越工程師教育培養計劃”，2014年申請工程教育專業認證，并于2015年順利通過。歷經多年的探索與實踐，從實踐教學入手，抽取3種工程教育理念精髓中共有的特征，結合自身人才培養定位和自動化專業特色，以社會需求為導向、以實際工程為背景、以工程技術為主線，構建實踐能力培養體系，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，完成學生解決復雜工程問題能力的培養。

1 自動化專業解決復雜工程問題能力特征

1.1 正確界定復雜工程問題

要培養學生解決復雜工程問題能力，首先要正確界定什么是符合我校自動化專業的復雜工程問題。根據工程認證標準[1]，結合我校人才培養定位、自動化專業培養目標和行業特點，自動化專業在多次組織外校和企業專家、責任教授充分研討后，正確界定符合我校自動化專業人才培養的“復雜工程問題”：

(1) 必須是來源于自動化專業領域的工程實際問題；

(2) 具有非線性、時變性、隨機性、不確定性，含有已知和未知干擾、無法用經典方法建立被控對象數學模型的問題；

(3) 必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決的問題；

(4) 存在一定的約束、技術指標要求多且有可能相互沖突的問題；

(5) 涉及多門課程、無法用單一課程的理論和知識解決的問題。

1.2 解決復雜工程問題的能力特征

解決復雜工程問題能力主要表現為信息加工、獨立分析判斷與決策、實踐以及科研等方面的能力。依據我校自動化專業界定的復雜工程問題，解決復雜工程問題應具有的能力特征可歸納為以下幾點[1]：

(1) 通過觀察提出問題的能力；

(2) 通過深入調查、查閱文獻，進而獨立分析和解決工程問題的能力；

(3) 綜合運用多種理論知識和技術手段進行工程設計的能力，體現個人的創新意識；

(4) 運用多種技術工具進行工程實踐的能力，具有開拓創新和創業意識；

(5) 利用多種交流工具進行團隊協作與交流的能力；

(6) 具有信息獲取、知識更新和終身學習的能力。

2 構建科學合理的自動化專業實踐教學體系

成果導向教育(outcome-based education，OBE)是一種以學生的學習成果(learning outcomes)為導向的教育理念，認為教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果[2-3]。OBE的核心在于反向設計教學環節，使學生成為真正意義上的“學習主人”。針對解決復雜工程問題的能力特征、基于OBE的反向設計思想，科學合理地重新構建了自動化專業實踐教學體系，如圖1所示。

圖1 自動化專業實踐教學體系

自動化專業實踐教學體系按認識論觀點與理論課程融合、分層次循序漸進原則，分為4個方面：

(1) 人文社會實踐，如軍訓、社會實踐、公益勞動等；

(2) 工程基礎實踐，包括物理等基礎實驗、電路等專業基礎實驗以及專業課程實驗，著重培養學生良好的實踐習慣和學以致用的理念，培養學生嚴謹的學習態度和細致的工作習慣，實現學生基本工程實踐能力的訓練；

(3) 工程技術實踐，按基本工程訓練、綜合工程訓練進行，課程設計按照“項目驅動”模式，引導學生運用所學知識、自己動手、結合生產現場實際，做出符合工程規范的自動控制系統設計，培養學生的工程思維和工程意識，強化學生的工程設計意識；

(4) 綜合實踐，如生產實習、畢業設計、科技創新活動等，培養學生優良的工程素質、工程規范、工程意識、工程實踐能力和企業文化[4]。

教學體系中實踐、畢業設計類課程包括了本專業教學計劃中設置的21門課程，總計學分38學分，占總學分的20.1%，其中驗證性實驗由原來的60%縮減為20%，綜合設計性實驗由40%增加到60%，并新增了20%的創新性實驗。在4年的學習中，學生要經歷課程教學實驗、課程設計、實習和畢業設計(論文) 等實踐環節的訓練，每一學期都有專門時段進行專題訓練或實習。每年隨著主流技術更新、調整、優化部分實踐內容，2014年在“自動化生產線實訓”實踐教學中增加了基于網絡的多容水箱串級控制項目，2015年在“運動控制系統設計”實踐教學中優化調整了轉速和電流雙閉環雙極性PWM調速系統。

3 培養學生解決復雜工程問題能力的措施

3.1 構建自動化生產線實訓平臺

源于專業辦學積累、依托冶金行業背景，專業教師和實驗教師在聽取企業專家和生產廠商建議的基礎上，充分考慮設備的實用性、先進性、可擴展性，共同設計開發具有冶金行業背景的工程項目實踐教學裝置。目前已開發完成的實訓系統有多熱工參量控制實訓系統、三容水箱過程控制實訓系統、磁粉制動交流電機控制實訓系統、柔性制造實訓系統、卷曲張力控制實訓系統、鋼鐵廢水處理實訓系統等。

基于現有實驗條件以及新開發的實訓系統，采用工業網絡形式，建立由現場控制層、車間調度層、場級管理層組成的自動化生產線實訓平臺，模擬典型的自動化工廠，使學生在實驗室感受到現代化工廠的氛圍[5-6]，具體架構如圖2所示，主要由行業對象系統、集成網絡和信息安全系統、集成企業信息系統3部分組成，可開展包含自動化專業主要核心課程和能力要求的項目，完整地、前后銜接地貫穿于整個本科教學階段。該實訓平臺榮獲北京科技大學第十一屆校級實驗技術成果獎特等獎，在2014年北京市高等學校實驗教學示范中心驗收中，專家在指標點“特色項目”打分中給出了滿分10分的評價。

圖2 自動化生產線實訓平臺架構

3.2 采用CDIO工程教育理念完成教學

在培養學生解決復雜工程問題能力的教學過程中引入了CDIO教學模式，即構思(conceive)、設計(design)、實施(implement)、運行(operation)4個環節。它以產品從構思研發到運行的全生命過程為載體，不斷地訓練和提高學生的工程能力，包括工程實踐能力、工程設計能力、工程管理能力和創新能力，讓學生身臨其境地了解當前企業解決工程實際問題的流程與方法[7-9]。

CDIO教學模式以工程項目設計為導向、工程能力培養為目標，學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式進行學習，具體項目實施流程如圖3所示。在構思環節，教師提出項目需求，學生通過查閱資料，完成項目的需求分析，教師對學生的“項目需求分析報告”進行點評，培養學生突出問題、獨立分析問題的能力。在設計環節，學生主要根據在構思環節完成的項目需求分析，通過查閱技術資料、文獻等教學資源，設計項目總體方案，撰寫“項目詳細設計報告”，教師主要提供相關技術支持、進行項目方案評審，培養學生工程設計能力、創新意識。在實施環節，學生到實驗室完成項目現場實施，主要包括了解工藝流程、硬件電路連接與測試、軟件仿真與調試、系統組態設計與調試、項目方案優化與調整，最后完成“項目實施工作總結”，培養學生工程實踐能力、創新意識、團隊協作能力。在運行環節，教師根據項目中可能出現的問題，驗證學生項目實施的可靠性和魯棒性，學生依據測試結果現場優化、調整系統，完成“項目結題總結報告”，進行項目結題答辯，培養學生團隊協作能力、交流能力。

圖3 基于CDIO的項目實施流程

為了使學生能夠充分利用課上時間完成項目的實施和運行，學生必須在課下完成項目的構思與設計，因此，結合現代教學理念和方法的發展趨勢，在實踐課程中積極引入MOOCs、翻轉課堂、微信公眾平臺等新型教學手段，并配套開發了多樣化的教學資源，比如：在“自動化生產線實訓”課程的微信公眾平臺上發布了“實訓指導書”“創新項目任務書”“貝加萊PLC使用手冊”等教學資源；“嵌入式控制”將實驗中用到的知識點和裝置使用說明等內容錄制成8～15 min的視頻，每個資源后配有在線測驗。在2014年北京市高等學校實驗教學示范中心驗收會議上，全國教學名師——北京交通大學王移芝教授、北京理工大學自動化學院副院長——劉向東教授，對我們自制系統配套教學資源建設給予了高度評價。

3.3 創新實驗室開放與管理

培養學生解決復雜工程問題能力是一項系統工程，離不開實驗室的開放實踐。實驗室開放是指各類教學實驗室在完成日常教學、科研任務的前提下，利用現有師資、儀器設備、環境條件等資源對學生進行開放，供學生進行實驗學習和科學研究之用，包括時間、空間的開放及實驗內容的開放[10]。我校自動化實驗教學中心制定了“自動化學院實驗教學中心實驗室開放管理辦法”[11]，采取多種途徑全面推進實驗室開放，引導學生進入實驗室動手實踐，提高實驗室和設備的利用率，實現實驗教學資源共享，為培養學生專業興趣、創新思維營造良好環境。

在實踐教學過程中，實驗內容中難度較大、綜合性較強的項目安排在課外，實行半強制性開放。學生利用實驗室開放時間完成，這部分成績占綜合成績的20%，如“電機及其運動控制”課程中的“基于DSP或FPGA的交流矢量控制系統調速”和“自動化生產線實訓”課程中的“水平雙容水箱液位解耦控制”。

針對學生自選課題、SRTP項目、學科競賽項目、畢業設計項目等，實驗室實行自主式開放，學生依據實驗室開放流程預約進入實驗室。國家級SRTP項目“多傳感器信息融合的無軌公交電車智能分析系統”充分利用了嵌入式控制系統實驗室，獲得國家一等獎的優異成績。全國大學生“西門子杯”工業自動化挑戰賽邏輯控制、運動控制組利用CDIO實驗室，近2年獲得國家級特等獎4項、一等獎5項的優異成績。

3.4 實踐教學師資隊伍建設

教師作為學生解決復雜工程問題能力的組織者，首先必須具有過硬的工程實踐能力、豐富的工程實踐經歷和精湛的工程實踐教學能力，在此基礎上，還要具備扎實的工程設計開發能力和超凡的工程技術創新能力等[12]。自動化專業近年來引進的青年教師全部具有博士學位，學術水平較高，但缺乏自動化工程設計與實施經歷，工程實踐經驗不足。部分教學多年的教師也存在著過多專注于理論研究忽略應用技術的問題，因此須加強實踐教學師資隊伍建設，提升實踐教師自身的科研能力與業務素質。

首先，加強校內專職實踐教師隊伍建設。鼓勵教師積極申報各種縱向和橫向課題，同時針對青年教師，實行以科研課題為內容的工程實踐培訓，鼓勵青年教師與企業聯合開發新技術，鍛煉和提高青年教師的工程實踐能力，拓展他們的研究視野。其次，建立穩定的校外兼職教師團隊，鼓勵和吸引更多科研水平高、工程能力強的企業資深專業技術人員和高層管理人員承擔現場實習指導、實踐案例專題講座，設計面向實際應用的實踐教學項目，指導課程設計、畢業設計等。目前自動化專業共有兼職教師20人。第三，搭建國際學術交流橋梁。有計劃地選派不同層次的教師赴海外知名高校、科研院所進行學術交流的同時，吸引國際著名教授和跨國公司技術專家來校交流，介紹國際最前沿的技術和重大國際項目案例，搭建與跨國公司、國外高校聯系的橋梁。

4 結語

經過多年的探索與實踐，學生解決復雜工程問題的能力明顯增強。工程教育認證專家組在2015年10月進校考察期間，通過觀摩學生實驗課和在校生座談與測試，認為絕大多數學生已經具備了解決復雜工程問題的能力，處于國內領先水平。雖然取得了一定的成績，但解決復雜工程問題能力培養是一個長期的過程，如何突出我校自動化專業的辦學特色、加強專業建設、充分鍛煉學生的工程實踐能力和創新創業能力，是需要繼續深入研究和探索的課題。

References)

[1] 中國工程教育專業認證協會.工程教育認證標準(2015版)[M]. 北京:中國工程教育專業認證協會,2015.

[2] 李志義. 成果導向的教學設計[J]. 中國大學教學,2015(3):32-39.

[3] 顧佩華,胡文龍,林鵬,等. 基于“學習產出”(OBE)的工程教育模式：汕頭大學的實踐與探索[J]. 高等工程教育研究,2014(1):27-37.

[4] 馮梅琳, 何學文, 羅小燕, 等.基于CDIO理念的測控專業實踐教學創新體系[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):180-184.

[5] 徐銀梅,李擎,董潔,等.自動化實訓實驗室的建設與實踐[J].實驗技術與管理,2016,33(5):240-244.

[6] 崔家瑞,李擎,閻群,等.“卓越計劃”下項目驅動型自動化生產線實訓平臺研究[J].實驗技術與管理,2015,32(10):199-202.

[7] 胡文龍. 基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J]. 高等工程教育研究,2014(1):163-168.

[8] 王曉敏,崔巍,宋燕林.迭代式CDIO工程教育模式的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理,2015,32(5):200-205.

[9] 曹丹華, 吳裕斌, 武樹斌, 等. 基于CDIO理念的光電系統課程設計實踐教學改革[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(4):237-239.

[10] 李坤, 史永宏. 創新型人才培養實驗室開放體系探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(1):250-261.

[11] 徐銀梅,王國霞,王尚君. 實驗室開放的探索與實踐[J].中國教育技術裝備,2015(6):17-18,21.

[12] 邱學青, 王眉. 樹立“三位一體”實踐教育觀培養高素質拔尖創新人才[J]. 現代教育管理,2012(4):92-95.

Cultivation of college students’ ability to solve complex engineering problems

Yan Qun, Li Qing, Cui Jiarui, Xu Yinmei, Wang Guoxia

(School of Automation, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

By taking the cultivation of student’s ability to solve complex engineering problems as the core, and based on the OBE (outcome-based education) idea and the education training plan for excellent engineers, the practical teaching system with its own characteristics is constructed, the supporting practical training devices are independently developed and the supporting teaching resources are explored. The CDIO (conceive, design, implement and operation) teaching mode and the modern teaching means in the teaching process are introduced, and the laboratory opening and the construction of the practical teaching staff are strengthened. The results of the exploration and practice show that the series of teaching reforms have effectively improved the students’ ability of automation majors to solve complex engineering problems.

practical teaching; complex engineering problems; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.044

G642.0

A

1002-4956(2017)11-0178-04

2017-05-26修改日期2017-07-05

北京科技大學教育教學改革與研究重點項目(JG2015Z01)；北京科技大學教育教學改革與研究面上項目(JG2016M29)

閻群(1970—)，女，陜西華縣，博士，講師，主要從事電工電子技術實驗、自動化生產線實訓，電動汽車與新能源控制系統、智能控制等方面教學與研究工作.

E-mailelec_experiment@163.com