課程設計教學與復雜工程問題解決能力培養

楊培林 蔣克儉 陳麗 文永紅

[摘 要]課程設計是工科專業課程體系中的一門重要課程，對培養大學生解決復雜工程問題的能力具有舉足輕重的作用。本研究首先分析了課程設計的特點，指出課程設計主要是程序性知識的學習，基于項目的學習是課程設計的主要教學模式;然后分析了目前課程設計教學中存在的問題;同時按照基于項目學習的理念，以培養學生解決復雜工程問題能力為目標，對課程設計的題目選擇、教學內容、組織模式及考核方式進行了論述，以期提高課程設計的教學質量，切實提高學生分析和解決復雜工程問題的能力。

[關鍵詞]課程設計;復雜工程問題;解決能力;基于項目的學習

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0069-03

2016年我國正式加入《華盛頓協議》組織，這是我國高等教育的一項重大突破。按照《華盛頓協議》的要求，通過工程教育認證的工程專業不僅要使學生深入理解和把握復雜工程問題，更要能按照國際實質等效原則培養學生具有解決復雜工程問題的能力[1-3]。在我國成為《華盛頓協議》正式成員后，解決復雜工程問題能力就成為我國高等院校工科專業畢業生的基本素質。

為了有效培養學生解決復雜工程問題的能力，應該根據復雜工程問題的基本特征及工程教育專業認證對畢業生能力的要求，結合OBE（Outcomes-Based Education）理念對原有的課程體系及內容進行改革。改革后的每門課程都應在一定程度上支撐學生復雜工程問題解決能力的培養。

在工科專業的課程體系中，課程設計是與基礎技術課程和專業基礎課程配套的重要課程模塊。課程設計通常安排在相應的理論課程之后，是建立在前期理論知識學習基礎之上的一項涉及本課程主要內容的綜合性實踐教學環節，它不但有利于對前期理論課程內容的進一步理解和掌握，還有利于培養學生綜合運用所學其他先修課的基本理論和知識，結合實際去分析和解決復雜工程問題的能力。因此，課程設計在培養學生解決復雜工程問題的能力中占據著十分重要的位置，具有舉足輕重的作用，在課程建設中必須給予高度重視。

本文首先分析了課程設計這門課程的特點，從培養學生解決復雜工程問題能力的角度提出了課程設計教學應考慮的一些問題。然后分析了目前課程設計教學中存在的不足，并按照基于項目的學習理念從培養學生復雜工程問題解決能力的角度，對課程設計的選題、教學內容、組織模式及考核方式進行了論述和規劃，同時以機械設計基礎課程設計為例做了介紹。

一、課程設計學習的特點

經濟合作與發展組織在《以知識為基礎的經濟》的研究報告中將知識分成四類[4]：（1）知道是什么（know what），即關于事實的知識;（2）知道為什么（know why），即客觀事物發展、變化的原理和規律方面的知識;（3）知道怎么做（know how），即做事情的技巧和能力;（4）知道是誰（know who），即什么人知道某些事以及誰知道怎么做某些事的信息。其中（1）（2）和（4）屬于陳述性知識，是關于事物性質、狀態和關系的知識，通常以概念和命題的方式表征，而（3）屬于程序性知識，是關于“如何做”的知識。

課程設計是一項主要涉及前期理論課程知識的綜合性實踐教學環節。理論課程的學習主要解決“是什么” （know what）和“為什么”（ know why），課程設計則是進一步學習和掌握“如何做”（know how）。因此，理論課程主要涉及的是陳述性知識，而課程設計就要求把陳述性知識轉化為行動指南，也就是要把陳述性知識轉化為程序性知識，解決“如何做”的問題，在這一過程中會涉及許多與 “如何做”相關的技術或技能。例如在機械類專業中，機械設計基礎課程介紹的是機械設計方面的程序性知識，機械設計基礎課程設計則是綜合運用這些知識去分析和解決機械產品設計中的實際問題，學習和掌握機械設計的基本技能與一般流程，并最終完成某一產品的設計。

課程設計的上述特點決定了課程設計這門課主要是程序性知識的學習。對程序性知識而言，內隱學習是其最有效的學習方式[5-6]。從認知學習理論來看，內隱學習往往需要通過實踐活動才能獲得良好的學習效果，在實際的教學過程中實踐活動可以通過情景創設來實現。基于項目的學習PBL（Project-Based Learning）就是一種很好的情景創設，因此基于PBL的課程設計教學就應該成為課程設計的主要教學方式。

為了有效培養學生解決復雜工程問題的能力，基于PBL的課程設計教學必須考慮三個問題：（1）如何設計或規劃能體現工程問題復雜性的課程設計題目（項目）;（2） 如何圍繞這一項目規劃設計教學組織模式，如何實施主要教學環節;（3）如何將解決復雜工程問題所需要的各種原理和知識在課程設計教學中得到合理運用，從而鍛煉學生分析和解決復雜工程問題的能力。

二、課程設計的教學現狀及問題

在目前的課程設計教學中，大都是圍繞設計題目（項目）、設計任務以及最終作品進行的，即針對設計題目（項目）并結合課程設計的教學目標，讓學生按規定的流程完成特定的設計任務，最終提交設計作品。從總體上看，目前的課程設計教學屬于一種基于項目學習的教學模式PBL。但在多年的教學實踐中，我們發現目前的課程設計教學模式與嚴格意義上的PBL還有較大的差距，在培養學生解決復雜工程問題能力方面還比較薄弱，主要表現在以下方面。

（一）課程設計題目單一

課程設計題目單一，也沒有充分關注學生的興趣。由于設計題目單一并且多年不變，針對這一設計題目的總體設計方案、具體設計步驟以及相關設計方法也基本不變，已成為一種設計定式;同時，由于設計題目多年不變，導致出現大量的參考資料出版物，這些資料不僅給出了設計思路和總體方案，還有詳細的設計步驟和設計計算方法，學生只需照葫蘆畫瓢，無須動腦思考，不能激發學生的學習興趣。興趣是最好的老師，在缺乏興趣的情況下，學生主動參與學習的積極性不高，也就無法有效培養學生分析問題和解決問題的能力，更談不上創新設計能力的培養。

（二）課程設計教學內容陳舊

由于課程設計題目單一并且多年不變，使課程設計教學內容陳舊、缺乏挑戰性，也沒有強調知識的系統性完整性運用，更缺少多學科交叉知識的綜合運用。例如在機械設計基礎課程設計中，偏重單元和零部件的設計，忽視整機系統的設計，碎片化設計知識應用較多，系統設計知識欠缺。

（三）課程設計教學模式僵化

在目前的課程設計教學中，主要還是以設計內容為中心進行課堂講解，沒有形成以設計問題為基礎、以學生為中心、以教師為導向的小組討論式教學模式，具體表現在：（1）在教師角色定位上，教師沒有把自己從知識傳授者和灌輸者轉變為學生主動建構知識的幫助者和促進者;（2）在教學過程中，缺乏良好的情景創設，沒有形成以問題為中心、通過分析問題和解決問題來探求知識的學習機制;（3）沒有自覺構建協作學習環境和強調合作學習，學生無法通過合作學習實現知識的意義建構，也缺乏對學生團隊協作能力的培養。

（四）課程考核形式簡單

傳統的考核方式由平時表現、期末考試兩部分組成，而對學生學習過程的考核相對薄弱，從而出現部分學生平時散漫、期末突擊學習的現象，影響了課程設計這門課的學習效果，也難于客觀公正地對學生進行考核評價。

三、對基于PBL的課程設計重新規劃

依據工程教育專業認證，學生能夠綜合運用各種工程原理和知識去分析和解決復雜工程問題是工程教育的主要目標。為了培養學生解決復雜工程問題的能力，從建構主義角度來講首先要進行情景創設，也就是要合理規劃和設計復雜工程問題，通過復雜工程問題使學生去感知和理解實際工程問題的復雜性。對課程設計而言，應按照基于項目學習的理念，以有效培養學生解決復雜工程問題的能力為目標，對課程設計題目、課程設計內容、課程設計的教學及組織模型進行科學的規劃與創設，以實現對復雜工程問題解決能力培養的有效支撐。

（一）課程設計的選題

選題是課程設計教學過程中首先要考慮的一個關鍵問題，選題是否得當直接影響到課程設計的教學效果。課程設計選題時應該考慮以下三個方面。

（1）從PBL教學理念出發，課程設計選題就是一種情景創設，因此選題盡可能要源于工程實際并具有明確的實際工程價值。例如題目可來自工程實際需求或橫向科研項目、學科競賽題目等，鼓勵學生根據自己的興趣自主選擇題目。

（2）從培養復雜工程問題解決能力的角度出發，課程設計的選題應體現出一定程度的復雜性，具有復雜工程問題的基本特征，使學生去感知和理解實際工程問題的復雜性，實現對學生復雜工程問題解決能力的培養。

（3）從教學計劃和課程目標出發，選題的復雜性要與相應的課程設計教學相匹配，具有合理的復雜性梯度，具體表現為該課程設計題目對學生而言是“可望可及”，而不是“可望不可攀”，在教學計劃的有限時間內是可以完成的。

例如，我們在新規劃的機械設計基礎課程設計教學中不再布置統一的設計題目，而是確定某一個“設計主題”（如輸送機、樓道代步梯等），學生通過生產生活實際調研，自主確定設計題目。

（二）課程設計的教學組織模式

在PBL教學理念指導下，以培養學生解決復雜工程問題能力為根本目標，建立課程設計的教學組織模式。

（1）建立學習小組（設計小組），形成以問題為基礎，以學生為中心，以教師為指導的討論式小組協作學習模式;強調小組設計過程中的合作學習，形成“學習共同體”。

（2）小組成員合理分工，協作設計，共享信息，全體小組成員共同完成對所學知識的意義建構，在合作學習中鍛煉學生的溝通協調能力、人際交往能力、團隊合作能力和語言表達能力。

（3）針對課程設計教學的特點，將課程設計教學分為若干階段。每一階段以問題為開始，該階段結束時，小組代表借助PPT進行討論交流與答辯，教師可通過觀察學生討論交流與答辯過程，對學習效果進行階段考核與評價。

例如，我們將機械設計課程設計分成四個階段：第一階段，結合設計主題進行調研并自主選擇設計題目;第二階段，進行原理方案設計;第三階段，進行總體設計;第四階段，進行詳細技術設計。第一階段結束后，各小組利用PPT匯報調研情況和選題過程，并講解小組確定的設計題目和與之有關的主要技術參數，指導教師對小組選定的設計題目進行評判。在第二階段，根據選定的設計題目完成原理方案設計，最后設計小組通過PPT匯報方案設計過程及最終的原理方案設計結果，教師對原理方案設計結果進行評判并提出改進意見。第三階段和第四階段主要完成具體的設計計算和繪圖，在教學過程中可針對一些共性問題進行專題講解。

（三）課程設計的教學內容

將一些最新的學科知識和工具應用到課程設計當中，設計內容應體現出相關知識的綜合和系統運用，以培養學生的系統設計理念;設計內容的復雜程度要與學生的知識積累相符合，其復雜性梯度應與學生在該階段的學習相適應。

例如，我們新規劃的機械設計基礎課程設計內容主要有以下特點：

（1）方案的多解 —— 根據設計題目的特點（所處的特定工作環境和工作任務要求），可構思多種原理方案，拓展了創新思維空間，有助于學生創新能力的培養。

（2）強調系統設計 ——所設計的對象是一個完整的機械系統，有助于學生對機械系統的理解和培養學生的機械系統設計能力。

（3）適度運用現代設計方法和手段 ——利用 CAE軟件對關鍵零部件進行強度和剛度分析計算，可加深學生對現代設計方法與手段的理解和掌握，強化學生的現代設計理念。

重新規劃的機械設計基礎課程設計所涉及的主要知識（包括CAE）都已在前期的課程中學習過，部分知識（例如輸送帶的設計計算）盡管前期未曾學習，但根據學生的已有基礎通過自主學習是可以掌握的，因此課程設計的內容及其復雜性梯度與學生的前期知識積累相符合，在教學計劃的有限時間內是可以完成的。

（四）課程設計的考核

根據課程設計的階段任務與目標，對整個課程設計教學進行分階段考核，階段考核以PPT答辯方式進行，最終結果考核以設計作品為主。對學生的考核應注意過程考核與結果考核并重，這樣可以激勵學生在整個設計過程中的全面投入，并能全面客觀地考核學生的學習效果。

例如，在我們的機械設計基礎課程設計中，對學生的考核評價分成四個部分：第一部分是調研和自主選題的PPT答辯（占20%）;第二部分是對方案設計進行PPT答辯（占20%）;第三部分是完成全部課程設計后的最終答辯（占20%）;第四部分是對學生提交的設計圖（零件圖、裝配圖）、設計計算說明書以及CAE分析報告進行評價考核（占40%）。

四、結語

課程設計教學對培養學生解決復雜工程問題的能力具有十分重要的影響。課程設計的特點是程序性知識的學習，基于PBL的課程設計教學是課程設計的主要教學模式。針對目前課程設計教學中存在的問題，應以PBL的教學理念為指導，以培養和提高學生解決復雜工程問題的能力為目標，對課程設計的題目選擇、教學內容、組織模式及考核方式進行科學的規劃與創設，以有效提高學生解決復雜工程問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 林健. 如何理解和解決復雜工程問題[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26.

[2] 周應國，孫小梅.高等工程教育人才培養質量評價體系構建[J].大學教育，2019（5）：144-147.

[3] 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.

[4] 謝逢春.建構主義與工科基礎理論課教學研究[J].高等工程教育研究，2010（4）：151-155.

[5] 金悅，陳曉南，楊培林.綜合創新性實驗中的學習引導[J].高等工程教育研究，2012（2）：152-155.

[6] 安蓉.大工程觀背景下的認知化學習機制研究[J].高等工程教育研究，2008（5）：25-28.

[責任編輯：鐘 嵐]