基于解決復雜工程問題能力培養的課程設計

孫巍偉 郎需強

摘? 要 結合北京信息科技大學機電專業的特點，對檢測技術課程設計的教學模式進行探討，從課程設計的內容、選題、教學等多方面進行優化設計，使得學生了解和掌握測試系統的軟硬件設計思想、原則、過程、方法，使課程設計符合解決復雜工程問題能力培養的需求，培養具有創新設計能力的學生，提高其綜合能力，為以后設計和實現測試系統的搭建與應用打下良好基礎。

關鍵詞 課程設計;檢測技術;復雜工程問題;創新能力

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）22-0073-04

Curriculum Design based on Ability to Solve Complex Engi-neering Problems：Take Course Design of Detection Technology as Example//SUN Weiwei， LANG Xuqiang

Abstract Combining with the characteristics of our school of mecha-

nical and electrical professional， the course teaching mode of course

design of detection technology was discussed. And then the design was optimized in many aspects， including the content， topic selec-tion， teaching， and so on. The students could understand and master the software and hardware of test system design idea， principle， pro-cess and method. Meanwhile， it can make the curriculum design con-

forms to the requirements of cultivating the ability of solving com-plex engineering problems. Also， innovative design ability of stu-dents can be cultivated. And their comprehensive ability could be improved. Besides， it can lay a good foundation to solve practical problems of test system.

Key words curriculum design; detecting techniques; complex engi-neering problems; innovation ability

1 引言

中國高等教育的一個重要里程碑事件是于2016年正式加入《華盛頓協議》[1]。按照《協議》中的要求，大學本科培養階段需培養學生具有解決復雜工程問題的能力。

同時，隨著“新工科”的提出，更加強調學科的實用性、交叉性與綜合性，更需要培養具備“新素養”“新視角”“新能力”“新思維”工程實踐能力的創新型人才，在理論學習的基礎上，增強動手能力，使得學生能夠解決復雜工程問題[2-5]。

檢測類課程，如測試技術、傳感器技術與信號調理等課程，已作為北京信息科技大學機械電子和機器人工程專業的核心專業課程。其中，測試技術課程面向工程應用，主要使學生了解并掌握基本的測試原理、傳感器信號分析、信號分析等內容，在理論學習的基礎上，結合課程實驗，增強學生的動手能力。理論聯系實踐，該課程可以很大程度上代表對學生綜合能力培養的需求。經過課內實驗，學生可以初步掌握檢測技術的相關理論知識。

為了能夠進一步提高學生能力，培養學生的創新意識，解決更為復雜的工程問題，還需要設置檢測技術課程設計環節。通過課程設計，學生可以更多地使用理論知識，解決一個完整的檢測任務。讓學生動手去完成傳感器的選型等工作，真正理解構建檢測系統的基本方法，進而明白該課程的重要性。在實踐中運用理論，可以加深學生的理解，起到事半功倍的效果。因此，合理的檢測技術課程設計的設置，對培養學生解決復雜工程問題能力具有非常重要的意義。

本文針對目前檢測技術課設中存在的問題進行分析，結合北京信息科技大學機電專業的的特點，對該課程的教學模式進行探討，從課程設計的內容、選題、教學、考核等多方面進行優化設計，建立全新的實踐教學訓練模式，最大限度提高學生的動手實踐能力，培養學生解決復雜工程問題的能力。

2 現狀分析

目前，檢測技術課程設計相比于課程實驗，并沒有明顯的區別，通常設計任務書都比較明確，學生只需要按部就班地跟著做就可以，學生處于被動接受的狀態。而且由于時間有限，很多檢測系統都是已經制作完成的，因此，學生只是對其進行調試，實習相關功能即可，這樣就很難調度學生的主觀能動性。目前存在下面幾個主要問題。

1）課程設計的差異性不夠。目前的課程設計中，很多學生一組，題目相對較少，因此，成果驗收的時候會出現重復的情況，難以判斷學生是否真正動手去制作。

2）設計任務書中解釋得相對詳細，因此，學生只需要看結果，并不會去理解原因，知其然不知其所以然，不能夠靈活運用。

3）很多設計以模擬為主，缺少對學生動手能力培養的環節，不能夠與實際生活緊密聯系。因此，學生即使做完課程設計，也不理解為什么，不具有實際價值。

4）在課程設計過程中，很多學生缺乏紀律意識，也缺乏團隊意識，分組不合理的情況時常發生，就會造成整個課程設計僅僅只有幾個能力較強的學生完成，其他學生“蹭吃蹭喝”的情況，這樣就嚴重違背了課程設計的初衷。

5）課程設計的成績手段相對單一，評價手段以教師打分為主，教師的主觀意愿可能占較大比重，不能從根本上反映課程設計教學效果。

3 解決復雜工程問題能力的需求

新工科背景下，培養學生具備哪些能力，才能使其能夠解決復雜工程問題？

必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決? 實際的工程中，沒有問題是能夠直接解決的，都需要經過多次的分析和處理，因此需要培養學生分析問題的能力，要學會對問題進行分解，找到每個分解點的解決方法。實踐教學需要注重該能力的培養，加深學生對所掌握的理論知識的理解，經過實際工程的運用，加強對原理的理解，進而能夠分析復雜的工程問題。

需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突? 目前科技的發展是多元化的，因此，學生掌握的知識也應該是綜合的。以機電專業為例，鼓勵學生跨專業選修課程，比如計算機類的編程等課程，要掌握多領域和學科的知識，不能把專業教育限定在一個非常窄的方向上。

需通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性? 在實際工程中，很多問題相對比較抽象，需要學生有很強的創新思維能力。因此，要培養學生的綜合思維能力，能夠根據實際問題構建合適的數學模型，由抽象聯系實際，進而進行工程應用，解決相對復雜的問題。

具有較高的綜合性? 通常，一個實際的工程問題會包含諸多環節，問題大都也是互相關聯的。因此，要培養學生的大局觀，使得學生的思考能夠從全局出發，以整體解決方案的角度看問題，不能僅僅針對某個環節或細節進行問題的解決，防止以偏概全現象的出現。

總之，培養學生具有解決復雜工程問題的能力，需要培養學生多方面的能力，包括分析能力、創新能力、協作能力等。

4 檢測技術綜合課程設計的教學模式

課題內容和方案設計? 在安排培養實踐教學能力的時候需要做到：實踐教學必須選擇恰當的載體;要形成一個完整的體系，能夠讓學生從簡單問題入手，逐漸解決復雜問題，有一個循序漸進的過程;要根據學生的畢業要求，對選題和內容進行安排，與理論教學緊密聯系，爭取取得“1+1>2”的效果，培養學生解決復雜問題的能力。

以下研究中，以溫度測量儀為例，對課程設計展開說明。溫度測量儀總體設計要求為：擬定測試方案和設計步驟;設計完整的溫度測量儀的電路，當溫度超出設定值時，能夠預警提示;根據設計畫出完整電路圖，并在仿真軟件中進行仿真驗證，完成中期答辯;根據需求，完成傳感器、放大器等電子元器件參數及型號的選擇;實物制作并進行調試;完成最后答辯，撰寫設計報告。

課程設計主要包含兩部分：軟件與硬件設計。軟件主要是培養學生的仿真能力，使用Proteus軟件對設計的電路圖進行仿真;在仿真的基礎上，利用放大器、電阻等電子元器件搭建實物，最終完成演示，完成課程設計。

課程設計的課題難度分級? 根據學生選題的不同，根據題目設置有不同的難度分級，完成度一樣的情況下，難度越大，得分越高;同一個題目下，也會有不同的分數。以溫度測量儀為例，在前一小節總體設計任務的基本要求上，另外增加有設計擴展要求：Protel畫出印制板圖;自行設計環節，提高電路穩定性，如加入防抖電路等。通過此種方式，鼓勵優秀學生進行更大難度的挑戰，激發學生的研究興趣。

綜合課程設計的教學方法

1）結合《厲害了，我的國》《大國重器》等視頻，通過觀看視頻，讓學生認識到我國在經濟、科技等各方面進入迅猛發展時期，進而舉例說明檢測技術在這些領域的應用，讓學生明確課程設計的重要性，從主觀上重視起來。

2）強調學生的自主性，提出總體設計任務，由學生自行決定設計方案，并對其提出的設計方案進行資料的搜集和論證工作。

3）設計方案定型后，需要對各自的方案進行匯報，由教師和其他學生共同驗證，引導學生開展討論，對每組的設計方案的可行性進行論證，確保其正確性，并明確每組題目的關鍵點。

4）課程設計過程中，要學生對自己采用方法所用到的理論知識進行推導，而不只是拿結果來運用。同時，遇到問題時要相互討論，遇到解決不了的問題的時候再去向教師請教。教師需要做好相關的記錄工作，學生在課程設計中提出的問題也是后期評分的一個重要參考，通過這種方式，鼓勵學生進行思考，培養學生的團隊意識。

5）課程設計的過程中也要注重學生的思想培養，鼓勵師生之間的互動，營造一種相對輕松的氛圍，有助于提高學生的積極性。

課程設計考核方式的設計? 檢測技術課程設計中，學生采用分組方式，每組由兩個學生組成，針對軟件和硬件兩部分，協作完成設計與制作。

課程設計的考評方式應該是多元化的，而且應該重視學生課程設計過程中能力的體現，不能僅僅以最后的實物制作為標準。成績由平時成績（主要是出勤）、過程表現（主要是問題的提出與解決、團隊意識等記錄）、中期答辯（主要是軟件仿真、配合提問）、實物答辯（功能實現為基礎，結合元器件的布局等）和設計報告成績五部分組成。成績要包含學生從課程設計開始的各項，而不只局限于最終成績，這樣可以促進學生提高自己的各項素質。

多元化的考核方式，可以避免部分學生“混日子”的現象，也可以激勵學生的能動性，提高學生的參與度，保證學生能夠綜合發展。

5 檢測技術綜合課程設計內容分析

以溫度測量儀的一種解決方案為例，所設計電路圖由電壓采集、放大電路、報警電路組成。

電壓采集? 分為兩部分，2.5 V恒壓源電路，以及橋式電壓采樣電路，如圖1所示。該部分對學生提出要求：對恒壓源電路的理解;電橋電路的作用及其求解方式。這些問題都屬于在答辯的時候需要學生解答的問題中的一部分。

放大電路? 同樣，該電路也分為兩部分，即放大電路及比較電路，分別如圖2和圖3所示。

圖2中為兩級放大電路，分別是差動放大和同相比例放大，要求學生學會放大倍數的推導過程，并在后期進行考核。在課程設計期間，只需要提出一個放大比例的要求，比如放大20～30倍，要求學生進行不同放大倍數的組合，或者選型三級、四級放大的形式來完成，不能夠形式一致。

圖3為比較電路，主要是用于設定溫度閾值，并以此來控制后續報警電路的運行。

報警電路? 如圖4所示，該報警電路主要由繼電器驅動電路及報警燈控制電路組成。

總體的設計方案如圖5所示。

6 實物要求

學生對設計進行仿真后，基于解決復雜工程問題能力培養的需求，增強動手能力也是一個必備環節。具體要求：

請根據所設計的放大電路，自行挑選電阻。課程設計提供有100 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、100 kΩ的電阻，10 kΩ的滑動變阻器，LM358若干，TL431、1N4007

二極管等元器件。根據電路圖確定元器件的擺放等;進行焊接等相關工作;實物調試，完成相應的功能演示;通過最終答辯環節。

其中兩組學生的課程設計如圖6所示。從圖片中可以看出，在實際制作過程中，學生的差異性還是存在的，如不同的電子元器件的布局、布線方式等。差異性的存在也可以側面反映學生是自主思考和動手制作的。根據布局方式及焊點的情況也可以給出不同的分數，反映到最終的成績中。

7 結語

1）通過對檢測技術課程設計的研究和改革，將基于解決復雜工程問題能力的人才培養方法應用于實踐課程教學中。

2）提出一種機電專業實踐教學環節基于解決復雜工程問題能力教學模式的具體實施方式，可以提高學生的工程實踐素質，激發學生的創新能力，增強學生的專業技術能力。

3）本研究實踐性強，受益面寬，一旦獲得成功，可以為其他工科專業的實踐教學提供一定的借鑒經驗。

參考文獻

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