工程教育認證中復雜工程問題設計、布局與實施

朱凱然 仵杰 王萍 賈惠芹 武曉朦

摘? 要：工程教育認證中深刻理解和把握復雜工程問題，并精心設計、周密布局與有效實施復雜工程問題是高等教育工作者面臨的共性問題。文章依托西安石油大學測控技術與儀器專業認證，從明確復雜工程問題內涵入手，提出反映本專業特征的復雜工程問題，并將布局到可執行、可衡量以及可評價的課程教學當中，在此基礎上能持續改進本專業的復雜工程問題。

關鍵詞：工程教育專業認證;復雜工程問題;畢業要求;指標點分解;教學布局

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）03-0091-04

Abstract： It is a common problem for higher education workers to understand and grasp complex engineering problems （CEPs） deeply， and design， arrange and implement them effectively in engineering education certification. In this paper， we start with the definition of CEP， and propose a CEP example of measurement and control technology and instrumentation （MCTI） of Xi'an Shiyou University （XSYU）， which reflects the characteristics of the profession. And then we decompose it into executable， measurable， and evaluable teaching course， and can continue to improve the professional CEPs. It is expected to provide a reference for the relevant college to do engineering education certification.

Keywords： engineering education professional certification; complex engineering problems; graduation requirements; index point decomposition; teaching arrangement

2016年6月，我國正式加入國際上最具影響力的工程教育學位互認協議《華盛頓協議》，標志著我國正在從工程教育大國邁向工程教育強國[1-3]。教育部評估中心積極構建“五位一體”高等教育質量評價監測制度，讓教育質量接受社會評價，教育成果接受社會檢驗，教育決策接受社會監督。2014年，教育部首次把質量監測重心進一步下延到專業人才培養層面，聚集到學生和用人單位滿意度上，這種理念正好契合工程教育認證理念：以產出為導向（Outcome Based Education， OBE），以學生為中心和持續改進[4]。

《華盛頓協議》與其他國際工程教育專業認證協議最大的不同體現在解決“復雜工程問題”的能力要求[1，5]。復雜工程問題和非技術因素是工程認證畢業要求的兩大難題，也是專業認證過程中達成評價不足的共性問題。“復雜工程問題”在涉及工程技術問題的同時還涉及大量非技術因素。不同職業崗位所面對的“復雜工程問題”差異性很大，在實際工程中，解決“復雜工程問題”更是一種綜合素質的體現，而不是就事論事的具體解決方法，這種能力學習應該貫穿于學生的整個教育過程[6]。

2018年6月25日認證專家組來西安石油大學開展測控技術與儀器專業工程認證工作并給予肯定，2019年6月17日教育部高等教育教學評估中心公布本專業已通過工程教育認證。本文結合本專業工程認證實際工作，就復雜工程問題展開討論，主要包括以下三個方面的目標：明確復雜工程問題的內涵，并提出反映本專業共性特征的復雜工程問題;將所提出的復雜工程問題布局到課程教學當中，并將之實施;依據評價結果、行業發展和人才需求等因素，持續改進本專業的復雜工程問題。

一、復雜工程問題的內涵

“復雜工程問題”既是工程教育專業認證中的一個老問題，也是一個新問題。《華盛頓協議》對其界定如下：是指沒有深入的工程知識就無法解決，需要進行基礎性和原理性分析的問題，具有以下一個或多個特點，如表1所示。復雜工程問題的兩個關鍵詞是“復雜”和“工程”。根據我國工程教育標準對“復雜工程問題”的界定[5，7-8]，可以發現“復雜”兩字在此處至少包含了三個層面的涵義，如表1所示。

“工程”是指數學、自然科學和工程知識、技術和技能整體的、有目的性的應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各種機構、機器、產品、系統和過程，以最短的時間和精而少的人力做出高效率、高可靠且對人類有用的事物，工程包括四個方面的涵義如表1所示。

由此可見，這些特征是有別于具體技術問題的。通用標準中規定必須具備特征（1），還需要同時具備（2）-（7）特征的部分或全部[8-10]。具有“復雜性”的工程問題，并非一定是在技術層面難于理解或難于分析，而更多地因為這些問題可能是超越現有解決方法和標準、超越單一學科知識領域甚至是超越技術范疇的問題。當更多更紛雜的因素和利益方摻雜在問題中時，就會不可避免地存在沖突。工程教育培養的專業工程師需要在這種紛繁復雜的問題中找出平衡的解決方案，這正是“復雜工程問題”的“復雜”所在。“復雜工程問題”作為一類“工程”問題，從根本上是以應用為目的的問題。解決“復雜工程問題”所需的知識、能力，以及所采用的分析、研究方法，都需要在社會應用和工程應用中形成。

二、確定本專業復雜工程問題

12項畢業要求中有8項涉及解決復雜工程問題的能力。要求必須明確表述反映本專業特質的共性復雜工程問題，這就需要從以下幾個方面考慮：（1）由哪個機構分析歸納出復雜工程問題？可以是學院教學委員會，專業教學委員會和第三方職能機構。（2）該機構由誰負責？教學院長和專業負責人。（3）依據（來源）有哪些？畢業生就業行業、崗位，行業/企業專家和本專業教師。通過問卷調查、走訪調研、座談紀要和研討會的形式獲得相關信息。通過合理性評價分析，應體現專業、行業和工作環境特質。

（一）專業特質及體現

結合鉆井和測井儀器在石油領域的應用，石油鉆、測井儀器所面對的復雜工程問題的主要特征有：非均質性、環境未知性、高溫、高壓和強振動以及空間狹小所帶來的復雜性。石油鉆測儀器專業特質如圖1所示，具有以下七個特征。

1. 鉆測環境的復雜性，石油鉆測儀器面臨極端復雜的地上和地下環境，地上環境包括海水、荒漠和極地等，地下環境包括高溫、高壓、強烈的振動沖擊和承載機體受到強烈的拉壓彎扭等。

2. 鉆測對象的復雜性，所探測地層的非均質性和多樣性，包括砂泥巖、碳酸鹽巖、變質巖和頁巖等。

3. 鉆測方法的多樣性，是指利用電、聲、核以及磁測井方法對地層信息進行測量。地層中非電量信息到電量的轉化涉及直接和間接測量方式。直接測量如壓力溫度、振動沖擊等;間接測量如多種地層參數的測量必須通過正演和反演方法得到。由此需要建立專用的測量模型和特殊的模擬裝置，并經過大量的試驗驗證，最后才能將測量結果落實到測量模板上。

4. 信號傳輸的復雜性，主要是指勘探、測井、鉆井、完井、固井和開采等生產環節中，地面設備與井下設備之間的信息傳輸。

5. 解釋評價的復雜性，是指根據電、聲、核、磁測井模型對地層特性進行準確地解釋和評價，該過程涉及現代信號處理等學科知識。

6. 鉆測控制的復雜性，主要是指構建油氣生產通道過程中的工程導向控制和地質導向控制。所謂工程導向就是利用智能鉆井工具按照設計軌跡完成井眼鉆進;所謂地質導向是指在工程導向的基礎上利用儀器探測的地層信息，將井眼導向資源最富集區域。

7. 涉及學科的多樣性，是指石油鉆測儀器涉及學科面廣，極具交叉性，包括測井、鉆井、地質油藏、計算機、數學、物理、化學、電子信息、自動控制、機械及機電一體化等。

依據通用標準中復雜工程問題的描述，本專業的復雜工程問題更多地體現在以下三方面：（1）環境的極端復雜;（2）通信的復雜;（3）測量對象無法直接觀測，更多的工程問題要采取間接測量。

（二）復雜工程問題舉例

本專業在1980年恢復招生后的“應用地球物理勘探儀器”專業基礎上組建。堅持石油特色與地方經濟建設服務相結合的科學研究方向，在旋轉導向鉆井、隨鉆測井和電磁測量技術等方面形成了鮮明的學科發展特色。根據專業、行業和工作環境特質，以行業內一個共性復雜工程問題為例：隨鉆測量（Measurement While Drilling， MWD）與數據傳輸[11]。

MWD是定向鉆井中一種先進的技術手段，可以不間斷定向鉆進而測量近鉆頭地層信息，并將信息即刻傳送到地表的過程。隨鉆測量系統較電纜測量系統的優點：可實時進行地層評價和鉆井地質導向，在解決水平井或大斜度井、困難測井環境等的地層評價問題方面，展現出經濟上和技術上的優勢。隨鉆測井數據是在地層剛鉆井后不久測量得到的，此時地層還未受到鉆井液污染或侵入尚淺，測井響應受鉆井液侵入影響小，能較真實地反映原始地層特性。隨鉆測量的數據傳輸方式一般包含兩種：有線和無線方式，如圖2所示。

三、復雜工程問題在教學環節中的布局

畢業要求是復雜工程問題在教學環節中布局的“指揮棒”，而教學體系（包括課程和實踐教學）是實現畢業要求的。因而“復雜工程問題”最終都要落實于相關的課程和實踐環節[12]。

將復雜工程問題布局到教學環節中的方式如表2所示。復雜工程問題可以分解成多個子問題，每個子問題又可以落實到具體教學環節，所以依據畢業要求的層次性，分解復雜工程問題并設置相應的教學環節，應遵循三個原則：對應原則，層次原則和支撐原則。

復雜工程問題的教學布局與實施步驟如下：

（1）問題設計，提出本專業共性的“復雜工程問題”;（2）課程布局，安排能支撐子問題的教學環節;（3）教學實施，在課程大綱中必須明確說明能夠支撐具體復雜工程問題能力培養的教學內容、學時、方法和考核方式，并通過課程評價來證明課程目標的達成。其中，課程評價主要通過教師自評、課程組評價與第三方評價相結合的方式來完成。該評價環節的主體包括任課教師、課程組負責人及督導組。可根據評價結果進行持續改進，形成閉環以提高教學質量。

以隨鉆測量與數據傳輸為復雜工程問題實例。將隨鉆測量與數據傳輸這一復雜工程問題，按照通用標準的特征描述分解開來并做特征符合說明，以及分解點在教學環節中的布局。其所涉及的知識點將分解在每門課程中，具體如表3所示。例如，針對特征1可分解為：

（1）井斜、方位、工具面和溫度等參數測量，在確定井下傳感器選型及參數測量時需具備相應傳感器工作原理，并考慮工作環境因素對井下特殊環境中信號拾取進行分析，其支撐課程為《傳感器原理》。

（2）誤差放大器、低通濾波器，涉及信號電壓放大及濾波原理，支撐課程為《模擬電子技術基礎》。

（3）井下與地面通信，涉及數據異步傳輸工作原理和電磁干擾與抗干擾技術，課程布局為《數字傳輸原理與系統》。

（4）地面信號檢測，涉及信號檢測技術，課程布局為《數字信號處理》。

（5）井下儀器控制，涉及自動控制工作原理相關知識，課程布局為《自動控制原理》。

再如特征3，需要對井下信號建立模型，從非電量到電量的物理量模型轉化，該過程中涉及模型抽象并存在創新的可能，其支撐課程有《測井儀器方法及原理》和《數字信號處理》。另外，在畢業設計、課程設計和實習等實踐環節也是圍繞解決復雜工程問題開展的，由于篇幅有限，在此不再贅述。

總之，提煉出反映專業特質的復雜工程問題并將其分解布局到教學環節中，是“知”的層面。在具體的教學活動中，如何體現復雜工程問題并將之付諸于工程實踐之中，是“行”的層面。

四、復雜工程問題在教學過程中的實施

根據本專業復雜工程問題及教學布局制定合理的教學大綱是保障教學實施的重要基礎，是復雜工程問題在教學中達到“知行合一”境界的重要一環。教學大綱是教師與學生之間的“契約”，它必須明確地包含以下幾點：教什么？通過什么方式教？能夠得到什么？得到的程度如何？除此之外，還需要考慮以下幾個問題：（1）教學大綱由誰制定、評審？（2）課程目標必須明確表述培養學生復雜工程問題的哪些能力。（3）如何安排對應相關子問題的教學內容？（4）采用何種教學方法？（5）相應教學內容如何評價？

這些問題都是具體問題，因課程的不同而不同，應遵循實事求是，因材施教，具體問題具體分析的原則。當然，復雜工程問題和對應的教學大綱都不是一成不變的。隨著知識和技術的更新，依據社會和行業發展需求，持續改進本專業的復雜工程問題，修訂教學大綱以適應人才培養需求的發展。

五、結束語

隨著堅持以本為本，推進四個回歸教育理念的提出和工程教育認證工作的開展，建設工程性人才培養機制以匹配國家發展趨勢和人才需求。培養學生分析和解決復雜工程問題的意識和方法是重要的一部分。OBE教學模式的關鍵點在于明確了教學活動中所有可衡量和可評價的教學環節，教學環節又服務于畢業要求能力的培養。這對科學合理地評價教學質量、持續地改進教學具有重要意義。鑒于此，在人才培養過程中需要深刻理解和把握復雜工程問題，并精心設計、周密布局與有效實施復雜工程問題。結合本專業工程認證的實際工作探討了上述問題，以期為“復雜工程問題”的教學體系改革提供參考。

參考文獻：

[1]周紅坊，朱正偉，李茂國.工程教育認證的發展與創新及其對我國工程教育的啟示——2016年工程教育認證國際研討會綜述[J].中國大學教學，2017（1）：88-95.

[2]蔡志平，胡罡，曹介南，等.網絡工程專業工程教育認證的探索和研究[J].中國大學教學，2016（9）：36-41.

[3]楊毅剛，王偉楠，孟斌.以提升解決“復雜工程問題”能力為目標的工程教育培養模式改進研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.

[4]李文君.正確評估中國工程教育質量[J].教育與職業，2015（1）：54-56.

[5]楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關“復雜工程問題”的難點——基于企業技術創新視角[J].高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[6]彭文慶，朱永健，彭剛.基于“培養解決復雜工程問題能力”的工程教育專業認證探討[J].當代教育理論與實踐，2017（6）：14-18.

[7]蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J].中國大學教學，2016（11）：27-30，84.

[8]林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26，38.

[9]林健.運用研究性學習培養復雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.

[10]張朝磊，張在云.基于工程教育認證標準培養解決復雜工程問題能力[J].中國冶金教育，2017（4）：14-17.

[11]周靜，白莎，劉道勇.隨鉆測量中加速度傳感器的標定分析[J].儀表技術與傳感器，2012（1）：4-6，12.

[12]周克寧，羅朝盛，康敏.植入“復雜工程問題”的教學體系改革探索[J].中國大學教學，2016（10）：51-54.