依托科創(chuàng)項目培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

吳常鋮 費飛 楊德華 朱永凱

摘要：本研究是在工程教育認證背景下，以指導(dǎo)南京航空航天大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生參加科創(chuàng)項目為例，進行以科創(chuàng)項目為契機培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索。文章圍繞復(fù)雜工程問題的特征，從選題、項目分析、項目指導(dǎo)等方面入手，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用多門課程知識來解決實際工程問題。探索過程有利于促進學(xué)生對本專業(yè)知識的理解和應(yīng)用，提升其分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認證;科創(chuàng)項目;復(fù)雜工程問題

中圖分類號：

G642

文獻標識碼：A文章編號：2095-5995（2021）01-0084-04

工程教育是我國高等教育的重要組成部分。工程教育專業(yè)認證是保證教育質(zhì)量、提升教育國際競爭力，實現(xiàn)教育的國際互認的重要舉措。我國自2016年加入《華盛頓協(xié)議》起就采用了國際通用標準對工程教育進行認證。截止2019年年底，我國已有240余所普通高校的1353個專業(yè)通過了工程教育認證。

南京航空航天大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)于2017年通過專業(yè)認證，將工程教育理念貫徹落實到教學(xué)實踐中是進一步促進專業(yè)發(fā)展的重要手段，同時也是提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障。

復(fù)雜工程問題是工程教育專業(yè)認證重點考察的內(nèi)容之一，2018版公布的工程教育認證標準的12條畢業(yè)要求中，有8條是涉及“解決復(fù)雜工程問題”的要求。南京航空航天大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標中明確指出，本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具有分析和解決測控系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新實踐能力[1]。這些充分說明在教學(xué)中落實復(fù)雜工程問題的必要性。

目前，我國全日制高等教育的教學(xué)活動主要有理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩種形式。實踐是課堂理論教學(xué)的補充，能夠幫助學(xué)生加深對知識的理解，是知識融會貫通的重要過程。參與科創(chuàng)項目是學(xué)生進行實踐的一個重要途徑，有目的地設(shè)立科創(chuàng)項目實踐環(huán)節(jié)，不僅能夠為學(xué)生提供綜合應(yīng)用多門課程知識來解決具體問題的機會，同時也是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的重要途徑。本文面向南京航空航天大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生發(fā)布科創(chuàng)項目，在項目實施過程中進行培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題能力的探索。

一、復(fù)雜工程問題簡介

復(fù)雜工程問題是工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求中的核心內(nèi)涵，具有如下七個特征：（1）必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決;（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突;（3）需要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(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的;（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中;（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[2]。

二、 指導(dǎo)科創(chuàng)項目實踐

（一）選題

為培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，學(xué)校每年定期遴選一批學(xué)有余力的本科生參與科創(chuàng)項目并提供經(jīng)費支持。這些科創(chuàng)項目的來源分為學(xué)生自由探索選題和專業(yè)教師發(fā)布科創(chuàng)題目兩種形式。

本文進行以科創(chuàng)項目為契機培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的探索，由于學(xué)生自由探索選題大多以興趣為導(dǎo)向，不利于落實培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力，因此，采用教師有目的性發(fā)布的科創(chuàng)題目來進行探索。專業(yè)教師發(fā)布科創(chuàng)題目應(yīng)綜合考慮學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和實踐能力，合理設(shè)置復(fù)雜工程問題要素，同時為了激發(fā)學(xué)生的研究熱情，選題還應(yīng)結(jié)合當前科技熱點。

此次探索圍繞機器人人機交互技術(shù)這一當前研究熱點，面向本專業(yè)大三學(xué)生發(fā)布題為“面向人機交互的可穿戴數(shù)據(jù)手套設(shè)計”的科創(chuàng)項目。該項目組成框圖如圖1所示，主要包含以下任務(wù)：

1.采用彎曲電阻傳感器進行手指彎曲角度的測量，設(shè)計信號調(diào)理電路將手指的彎曲信息轉(zhuǎn)換為電信號;

2.選用自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機采集調(diào)理電路輸出的信號并將其通過藍牙模塊發(fā)送給計算機;

3.計算機上基于Unity3D平臺開發(fā)可視化人機交互軟件。

圖1項目組成框圖

（二）項目分析

由研究內(nèi)容可知，該科創(chuàng)項目主要包括硬件設(shè)計和軟件兩個部分，涉及本專業(yè)的《傳感器原理》《模擬電子技術(shù)》《高等數(shù)學(xué)》《單片機及嵌入式系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《工程應(yīng)用軟件》等課程知識。依據(jù)復(fù)雜工程問題的特征和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)在項目中提煉出若干具有復(fù)雜工程問題特征的典型問題，如表1所示。

（三）項目指導(dǎo)

本文以調(diào)理電路設(shè)計中“如何設(shè)計電路參數(shù)，使得測量靈敏度最大化”為例，采用“問題+分析指導(dǎo)”的形式引導(dǎo)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題。具體過程包括以下三個階段。

1.引導(dǎo)知識應(yīng)用，完成電路設(shè)計

問題：本項目將彎曲電阻片作為傳感器進行手指彎曲信息的測量，其測量原理是什么，如何設(shè)計傳感器的信號調(diào)理電路？

分析指導(dǎo)：

該傳感器具有阻值隨彎曲角度增加而增加的特點。根據(jù)傳感器的這一特點，可以引導(dǎo)學(xué)生運用《電路》和《模擬電子技術(shù)》課程知識，設(shè)計基于串聯(lián)分壓、同相比例放大器、反相比例放大器等原理的多種信號調(diào)理電路。圖2所示為基于串聯(lián)分壓的信號調(diào)理電路，該電路的輸出為：

Vo=R0R0+RxVref（1）

其中，Vref為傳感器的供電電壓，Rx為傳感器的阻值，R0為分壓電阻。

2.建立數(shù)學(xué)模型，分析影響結(jié)果的因素

問題：《傳感器原理》課程中指出，靈敏度是傳感器的一個重要靜態(tài)指標。本項目中彎曲電阻用于測量手指的彎曲角度，那么它的靈敏度是多少、與哪些因素有關(guān)？

分析指導(dǎo)：

根據(jù)圖2所示的電路和靈敏度定義，建立彎曲角度測量靈敏度的數(shù)學(xué)模型為：

k=Vomax-Vominθmax-θmin=R0Vrefθmax-θmin（1R0+Rx_min-1R0+Rx_max）（2）

其中， Rx_min和Rx_max分別為手指伸直和完全彎曲時傳感器的阻值，θmin和θmax分別為手指的最小、最大彎曲角度。

由該模型可知：測量手指彎曲角度的靈敏度與供電電壓Vref和分壓電阻R0有關(guān)。

3.分析問題本質(zhì)，尋求多種解決方案

問題：由（2）可知，測量的靈敏度與多個電路參數(shù)有關(guān)，如何選擇電路參數(shù)，使得測量靈敏度最大？

分析指導(dǎo)：

該問題本質(zhì)上是一個函數(shù)求極致的問題，本項目在指導(dǎo)學(xué)生過程中選擇了作圖法和求導(dǎo)法來引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識解決問題。

方法一：作圖法

步驟1：取θmax=90°，θmin=0°，并分別測量電阻片伸直和彎曲90°時的電阻阻值。

步驟2：令Vref=1V，R0的取值從0開始，每間隔2kΩ取一個點，帶入式（2）求得測量靈敏度，并利用Matalb軟件繪制靈敏度與R0的關(guān)系曲線。

步驟3：分別令Vref=2/3/4/5V，重復(fù)步驟2，得到不同Vref下靈敏度與R0的關(guān)系曲線，如圖3所示。

步驟4：在圖3中挑選靈敏度最大的點，該點對應(yīng)的R0及Vref即為調(diào)理電路的最優(yōu)參數(shù)。

方法二：求導(dǎo)法

由式（2）可知，測量靈敏度與Vref成線性關(guān)系，增大Vref可以提高傳感器的靈敏度。選定Vref后，靈敏度僅與R0有關(guān)，而且測量靈敏度與R0呈非線性關(guān)系。由《高等數(shù)學(xué)》可知，非線性函數(shù)的最大值出現(xiàn)在一階導(dǎo)數(shù)為0的位置。對式（2）求導(dǎo)數(shù)，得：

f （R0）=Vrefθmax-θminR0（R0+Rx_max）2

-R0（R0+Rx_min）2+1R0+Rx_min-1R0+Rx_max〗 （3）

令f （R0）=0，得R0=Rx_min×Rx_max，此時傳感器的測量靈敏度最大。

由上述分析可知，選定Vref后只需要測量出手指在伸直和完全彎曲時電阻片的阻值即可得到最優(yōu)的R0取值。將求得的R0帶入式（1），并令Vo≤AD轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，即可得到Vref的最優(yōu)取值。

4.指導(dǎo)要點

“如何設(shè)計電路參數(shù)，使得測量靈敏度最大化”具備了多個復(fù)雜工程問題的特征，指導(dǎo)學(xué)生過程中應(yīng)著重幫助學(xué)生建立以下意識：

◆建立數(shù)學(xué)模型有助于分析問題;

◆影響結(jié)果的因素往往是多個的，各因素間有可能存在相互制約;

◆解決問題的方案不唯一;

◆分析解決問題需要涉及多門課程的知識。

三、評價機制

常規(guī)的科創(chuàng)項目考核評價主要包括實物驗收、設(shè)計報告、答辯等幾個環(huán)節(jié)，并根據(jù)各環(huán)節(jié)的權(quán)重系數(shù)計算項目最終得分。

除了常規(guī)考核環(huán)節(jié)外，此次探索中新增了“復(fù)雜工程問題回應(yīng)表”的填寫分析環(huán)節(jié)，即項目完成后，學(xué)生填寫復(fù)雜工程問題回應(yīng)表，要求分條目描述項目中符合復(fù)雜工程問題特征的研究內(nèi)容及相關(guān)解決方案。評價時根據(jù)學(xué)生填寫的條目數(shù)及內(nèi)容的正確性計算得分，并設(shè)置權(quán)重系數(shù)計入項目總分。

四、項目成效

（一）科創(chuàng)項目成果

圖4所示為學(xué)生完成科創(chuàng)項目過程中設(shè)計制作的數(shù)據(jù)手套及開發(fā)的人機交互軟件。

（二）探索效果

（1）科創(chuàng)項目中有目的性地設(shè)置復(fù)雜工程問題，有助于學(xué)生建立復(fù)雜工程問題的意識。

（2）項目指導(dǎo)過程中，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識對問題進行建模分析，有助于提升學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力。

（3）評價機制引入復(fù)雜工程問題回應(yīng)表，有利于了解學(xué)生對復(fù)雜工程問題的認識情況，為后續(xù)設(shè)立科創(chuàng)項目和科創(chuàng)指導(dǎo)提供依據(jù)。

五、結(jié)論

本文以指導(dǎo)南京航空航天大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)大三學(xué)生參與科創(chuàng)項目為例，進行提升學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題能力的探索。在介紹復(fù)雜工程問題特征的基礎(chǔ)上，從科創(chuàng)項目選題、項目分析、指導(dǎo)過程、評價機制等幾方面進行實踐探索，突出學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)和評價。

參考文獻：

吳常鋮，費飛，楊德華，朱永凱.強調(diào)課程目標和復(fù)雜工程問題的“嵌入式測控系統(tǒng)”課程改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（3），65-67.

[2]工程教育認證標準（試行） [EB/OL]. http：//www. moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3861/201110/125 419.html.

Cultivating Students ?Ability to Solve Complex Engineering Problems in

Science and Innovation Project

Wu Chang-cheng， Fei Fei， Yang De-hua， Zhu Yong-kai

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu 211106）

Abstract：

Under the background of engineering education certification， this paper takes the junior students majoring in measurement and control technology and instrument of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics participate in the scientific innovation project as an example to explore how to train the students ?ability of solving complex engineering problems. The exploration process focuses on the characteristics of complex engineering problems， and starts from the aspects of topic selection， project analysis and implementation， etc.， to guide students to comprehensively apply the knowledge of multiple courses to solve practical engineering problems. The exploration process of this paper is conducive to promoting the students ?understanding and application of knowledge and improving their ability to analyze and solve complex engineering problems.

Keywords：

engineering education certification; science and innovation project; complex engineering problems