基于復雜工程問題的學科競賽模式探索與實踐

高秋香

中國石油大學(北京) 教務處，北京 100049

我國油氣資源相對匱乏、對外依存度較高，近年來油氣勘探領域已經(jīng)逐漸向深海、深層和復雜地質條件區(qū)域延伸，油氣勘探開發(fā)難度不斷加大，亟須高校培養(yǎng)能夠解決復雜工程問題能力的高層次創(chuàng)新人才。本文分析了解決復雜工程問題能力的內涵及形成規(guī)律，并介紹了學校建立石油主干學科系列基于實際復雜工程問題的有國際影響力的學科競賽群，建立產學融合、學科交叉、學研賽用結合的學科競賽模式的實踐探索經(jīng)驗，提出了今后進一步改革的思路。

一、解決復雜工程問題能力的內涵及形成的規(guī)律

1.解決復雜工程問題能力的內涵

解決復雜工程問題能力是本科工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標的核心要素。解決復雜工程問題能力是國際工程教育認證聯(lián)盟華盛頓協(xié)議提出的四年制本科學士學位畢業(yè)要求的核心能力，是本科層次畢業(yè)要求區(qū)別于三年制大學以及兩年制專科的重要特征。國際工程教育認證通用標準中的12條畢業(yè)要求指標中有8條直接針對解決復雜工程問題，要求本科生的知識、能力和素質培養(yǎng)主要圍繞解決復雜工程問題開展，要求畢業(yè)生能夠將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題的分析、設計和研究中。

工程是改造世界的過程，具有綜合性、創(chuàng)造性、設計性的特征。復雜工程問題是具有較高綜合性的、涉及多方面技術和非技術因素的，需要運用深入的工程原理、建立創(chuàng)造性的抽象模型才能解決的問題。解決復雜工程問題能力的核心是創(chuàng)新性設計及研究能力，具體包括系統(tǒng)性分析問題的能力、歸納建模的能力、工程決策能力，其心理特征包括創(chuàng)造性的認知、情感和意志特征，具體包括敏銳的觀察力、創(chuàng)造的想象力、求異的思維力以及對創(chuàng)新性設計及研究工作的自覺的意識、積極的情感和堅強的意志等。

2.解決復雜工程問題能力形成的規(guī)律

心理發(fā)展是個體在反映客觀事物的過程中不斷構造新的心理結構的過程。掌握和內化是心理發(fā)展的兩個基本環(huán)節(jié)[1]。創(chuàng)新性設計及研究能力的培養(yǎng)要求在教學過程中使學生了解創(chuàng)新性設計及研究的方法，并進行一定的創(chuàng)新性設計及研究活動的鍛煉。解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)要求采用以學生主動探究為核心的研究性教學方法，其中產學融合、多學科交叉、學研賽用結合的學科競賽是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的有效途徑。

（1）研究性教學是培養(yǎng)解決復雜工程問題能力的有效方法。

研究性教學是在近現(xiàn)代哲學、心理學發(fā)展的基礎上逐漸產生和發(fā)展的，以建構主義學習理論為基礎的，引導學生在一定的情景中，通過主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而獲得知識、形成能力、發(fā)展個性的教學模式[2]。它的實質就是讓學生在教學過程中體驗科學原理的發(fā)現(xiàn)和應用科學原理解決實際問題等不同類型的研究過程，通過主動研究問題來獲取知識，發(fā)展研究能力。它能夠使學生有效地進行創(chuàng)新性設計及研究活動的鍛煉。研究性教學的基本特性包括教學內容的問題性、教學方法的探究性、學生的主體性和教師的引導性。主要包括基于問題、案例和實際課題的研究性教學方法。對于不同性質的課程內容，在教學過程中可以設計不同的問題形式和探究方法，選擇學生主體性發(fā)揮的程度。

（2）產學融合、學研賽用結合的學科競賽是研究性教學的有效途徑。

在高等教育領域研究性教學最早起源于哈佛商學院的案例教學法和加拿大麥克馬斯特大學醫(yī)學院的基于問題的學習。20世紀60年代，國外逐漸興起了在教學過程中實施探究式教學方法和讓本科生參與科研活動之風。20世紀90年代末，美國研究型大學本科生教育全國委員會在《重建本科生教育：美國研究型大學發(fā)展的藍圖》[3]報告中提出了系統(tǒng)的研究性教學改革措施。主要包括：實施以“研究為本”的學習標準，本科生的每一門課程都應提供給學生一種運用發(fā)現(xiàn)為本的方法而獲得成功的機會；建立以探索為本的新生年；最后一個學期要集中在一個專業(yè)項目上，充分利用前幾年學到的研究與交流技能。當前，國內外高等教育領域已經(jīng)形成了系統(tǒng)的研究性教學體系，包括課內研究性教學和單獨設置的研究性課程兩個方面。一方面通過課內研究性教學加強學生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)，采用問題研究式講授、課內外問題研討等方法，使課堂教學過程變成教師引導學生主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的探究過程。主要包括基礎課“大班上課、小班討論”以及專業(yè)課“小班研討”等模式。另一方面通過單獨設置的研究性課程，開展系統(tǒng)的課題研究活動，達到鍛煉學生創(chuàng)新能力的目的。高校單獨設置的研究性課程一般包括新生研討課、專業(yè)設計課程以及綜合設計課程等類型。具體包括專業(yè)全程系列研究性課程模式、試點班三四年級系列研究性課程模式、系列課程設計模式三種模式。其中產學融合的學科競賽是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的有效途徑。

二、基于復雜工程問題的產學融合、學科交叉、學研賽用結合的學科競賽模式實踐探索

為滿足石油工業(yè)對油氣資源開發(fā)過程中的鉆井效率、儲層保護、采收率、經(jīng)濟評價等綜合效益的需求，培養(yǎng)學生解決油氣、鉆完井、采油氣、油氣儲運等多專業(yè)協(xié)作的復雜工程問題的整體化思維能力，中國石油大學（北京）2011年以來與行業(yè)企業(yè)以及國內外高校合作舉辦了高水平石油主干學科系列學科競賽。

1.建立基于實際復雜工程問題的石油主干學科高水平學科競賽群

（1）競賽平臺。

2011年中國石油大學（北京）在世界石油理事會中國國家委員會、中國石油學會、中國石油教育學會的支持下，在中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司、中國海洋石油總公司等石油企業(yè)的贊助下，發(fā)起籌辦了首屆中國石油工程設計大賽。2013年，教育部學位與研究生教育發(fā)展中心將大賽納入“中國研究生創(chuàng)新實踐系列大賽”中。隨后，學校又先后創(chuàng)辦了全國大學生勘探地球物理大賽、全國油氣地質大賽、全國海洋工程設計大賽等，逐步建立起覆蓋石油主干學科的競賽群。學科競賽參賽學生涵蓋專科、本科、碩士和博士培養(yǎng)層次，涵蓋國內外、校內外的石油學子。

（2）競賽內容。

學科競賽直接采用生產現(xiàn)場的實際復雜工程問題，石油企業(yè)提供賽題基礎數(shù)據(jù)、專業(yè)軟件的正版使用許可和系統(tǒng)培訓。所需的知識涵蓋地質工程、石油工程等多學科、多專業(yè)，需要綜合應用地質研究、油（氣）田勘探、油（氣）田開發(fā)等多學科交叉知識。同時，競賽以“為石油獻我青春”作為口號，傳承大慶精神、鐵人精神等行業(yè)文化。引導學生結合所學知識，在綜合考慮使用功能、工業(yè)價值、經(jīng)濟效益等多方面因素的基礎上，以團隊形式完成方案的編制，并進行理論和工藝方面的創(chuàng)新，從而全面考察學生的專業(yè)知識水平、總體化設計思想，訓練學生創(chuàng)新性思維能力和團隊協(xié)作能力，提升學生綜合運用專業(yè)知識解決復雜問題的能力。

（3）指導模式。

競賽由校企多學科專家共同指導。學校安排包括數(shù)理、地質、石工、儲運等多學科專家共同指導，同時企業(yè)安排高級專家對優(yōu)秀作品進行全方位評審和深入指導。競賽先后邀請?zhí)K義腦、賈承造、王德民、周守為、高德利、李根生等院士講述行業(yè)最新進展，并與青年學子直接對話，提升石油學子的人文情懷，也讓青年學子看到了行業(yè)巨匠，尋找奮斗的動力。競賽在籌備過程中，通過成立設計協(xié)會、招募賽事服務志愿者等方式，讓學生深度參與到籌備工作中，不僅培養(yǎng)了學生的組織協(xié)調能力，開闊了學生眼界，也提升了學生的行業(yè)自信和集體榮譽感。

2.構建國內外企業(yè)和高校參與競賽舉辦的互利共贏的人才培養(yǎng)機制

學校構建了與國內外企業(yè)和高校共同舉辦競賽的互利共贏機制。共與中石油、中石化、中海油等國內大型石油企業(yè)以及殼牌、道達爾、斯倫貝謝、哈丁歇爾頓、沙特阿美等27個知名跨國企業(yè)，與北京大學、清華大學、浙江大學、吉林大學、中國科技大學等50余所國內高校以及美國德州農工大學、泰國朱拉隆功大學、加拿大卡爾加里大學等27所國外知名高校，與中石油勘探開發(fā)研究院、中海油研究總院、油氣資源與探測國家重點實驗室等6個國家著名科研院所建立了共同舉辦競賽的互利共贏機制。

（1）企業(yè)為學校提供結合生產實際的教學資源。

在系列學科競賽舉辦過程中，石油企業(yè)提供賽題基礎數(shù)據(jù)、專業(yè)軟件的正版使用許可和系統(tǒng)培訓，安排高級專家對優(yōu)秀作品進行全方位評審和深入指導，為賽事活動提供活動經(jīng)費；學科競賽模式為學校課程體系改革提供了參考，學校為競賽開設綜合設計課程促進了學校人才培養(yǎng)與社會需求的契合。學校石油工程專業(yè)根據(jù)學科競賽的經(jīng)驗成果整合課程資源開設“石油工程綜合設計”課程。課程結合油田地質、開發(fā)實例分析，系統(tǒng)講述油田勘探開發(fā)過程中常用的技術方法和應用程序，著重培養(yǎng)學生油田開發(fā)設計的基本技能，提高學生應用石油工程基本知識解決復雜工程問題的綜合能力，真正意義上實現(xiàn)了大賽進課堂，大賽進培養(yǎng)方案。國內外各石油高校積極組織學生參與，互相競爭、互相學習合作，增進了彼此的交流互信，促進了文化碰撞融合。

（2）學校為企業(yè)提供高層次研究成果及高水平創(chuàng)新人才。

學校教師在指導學生參賽過程中，可將研究成果應用在生產方案的編制中，并通過企業(yè)專家的評審驗證成果的可用性及發(fā)展?jié)摿Γs短了從理論到應用的研究周期，在一定程度上為科研工作提供參考。系列學科競賽為參會的高校和企業(yè)領導專家提供了展示學術成果、探討行業(yè)發(fā)展的平臺，成為了行業(yè)交流的盛會。企業(yè)高層領導為獲獎學生頒獎，開通就業(yè)“綠色通道”。美國哈丁歇爾頓集團公司連續(xù)四年全額資助中國石油工程設計大賽“卓越杯”獲獎團隊赴美進行為期一周的實習交流，開闊了學生的國際視野，增強了學生的就業(yè)競爭力。中國石化將系列學科競賽列入“優(yōu)才引進”計劃，獲得中國石油工程設計大賽一等獎的學生不參與初試，直接進入面試環(huán)節(jié)。

3.高水平石油主干學科系列學科競賽實施成效

系列學科競賽產生了良好社會示范效應和輻射作用。系列學科競賽自創(chuàng)辦以來，規(guī)模逐漸壯大，影響力不斷提升，累計參賽學生數(shù)量超過5萬人，并培養(yǎng)了大批適應經(jīng)濟、社會發(fā)展需要的科技創(chuàng)新型、工程實踐型和團隊協(xié)作型的高素質技術人才，受到各方好評。系列學科競賽的基于復雜工程問題的產學融合、學科交叉、學研賽用結合的學科競賽模式得到了國內外高校、企業(yè)和相關組織的高度認可。全球石油領域最為著名的學術組織國際石油工程師協(xié)會（SPE）主席Giovanni Paccaloni先后兩次參與賽事相關活動，并稱贊系列賽事是中國石油教育界“閃亮的星星”。第21屆世界石油大會邀請中國石油大學（北京）校長張來斌參會宣講，分享賽事成果和經(jīng)驗。大賽主要發(fā)起者梁永圖教授也因此獲得了SPE授予的“創(chuàng)新教學獎”（SPE Innovative Teaching Award），是首位獲得該獎項的亞洲人。該獎項由國際石油工程師協(xié)會設立，每年會從全球大量的申請者中僅評選出5位獲獎者，體現(xiàn)了國際石油工程師協(xié)會對中國石油工程設計大賽和人才培養(yǎng)高度認可。學校先后出版《首屆全國石油工程設計大賽優(yōu)秀作品集》《斬獲卓越杯——中國石油工程設計大賽指南》等專著，依托大賽育人模式公開發(fā)表各類論文50余篇，為石油教育的發(fā)展和其他學科競賽的舉辦提供了經(jīng)驗和借鑒。

三、今后進一步改革的思路

為進一步加強學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)適應社會需求的復合型創(chuàng)新型人才，學校計劃將學科競賽活動進一步普及化、規(guī)范化。通過將競賽納入課程設置組織學生廣泛參與，在導師配備、指導方式等方面進一步規(guī)范。進一步完善企業(yè)參與競賽舉辦的互利共贏機制，促進競賽活動的順利進行。

1.將競賽納入課程設置

組織各專業(yè)設置一門本科必修的為參加科技競賽做準備的綜合性創(chuàng)新設計課程，將指導學生參與競賽活動課程化、規(guī)范化。合理規(guī)劃組織全部學生開展復雜工程問題項目設計研究，并參加競賽，激發(fā)學生的積極性，擴大學生的受益面；合理安排多學科導師，明確指導方式，合理計算導師工作量，調動教師指導的積極性；構建課內外融合、多學科交叉、學研賽用結合的科技競賽模式，有效加強學生解決復雜工程問題能力、高階性綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.構建企業(yè)參與競賽舉辦的互利共贏機制

依托學校與這些企業(yè)的緊密合作關系，爭取與企業(yè)簽訂合作舉辦競賽的互利共贏的長期協(xié)議，為學校順利舉辦競賽打下基礎。與企業(yè)合作，由企業(yè)提供實際復雜工程問題賽題、數(shù)據(jù)、軟件、評審專家、經(jīng)費，使競賽貼近工程實際和前沿。將項目研究成果應用于企業(yè)生產實際、競賽平臺作為企業(yè)選拔人才的平臺，提高企業(yè)參與的積極性。