謝勝利,李衛(wèi)軍,蔡述庭,章云

摘 要：畢業(yè)生具有解決復雜工程問題的能力，是華盛頓協(xié)議認證體系下本科與?？茖W生畢業(yè)要求的顯著區(qū)別，也納入了《工程教育專業(yè)認證標準》2015版的畢業(yè)要求。當前解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)路線仍處于探索之中。文章結(jié)合我校自動化專業(yè)的特點，通過分析復雜工程問題的7個特征在本專業(yè)的定位，明確了畢業(yè)要求對教學環(huán)節(jié)的指引，制定了解決復雜工程問題能力的漸進培養(yǎng)路線。按照這一思路，開設(shè)了以智能制造實驗室為依托的面向復雜工程問題的綜合課程設(shè)計群。并以綜合課程設(shè)計群為中心重構(gòu)了課程體系，作為解決復雜工程問題能力培養(yǎng)的新探索。

關(guān)鍵詞：工程教育認證；復雜工程問題；復雜工程問題特征；畢業(yè)要求；綜合課程設(shè)計；課程體系

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）22-0004-06

Abstract： Undergraduates should have the ability to solve complex engineering problems， which is significantly different from college graduates under the certification system of the Washington Agreement requirements， and it is also included in the certification standard for engineering education in China of the 2015 edition. At present， the ability to solve complex engineering problems is still under exploration. This paper explores the characteristics of automation specialty in our school. Through analyzing the positioning of the seven characteristics of complex engineering problems in the major， it is identified that the requirements of graduation guide the teaching practice， and a progressive training route to solve complex engineering problems ability is developed. According to this train of thought， a comprehensive curriculum design group for complex engineering problems based on Intelligent Manufacturing Laboratory has been set up. Taking the integrated curriculum design group as the center， the curriculum system is reconstructed， which is a new exploration for the ability training of complex engineering problems.

Keywords： Engineering education accreditation； complex engineering problems； characteristics of complex engineering problems； graduation attributes； integrated curriculum design； curriculum system

一、概述

2016年6月，我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為第18個會員國，標志著我國工程教育邁上了新的臺階?！度A盛頓協(xié)議》[1]倡導以學生為中心、產(chǎn)出導向（Outcome Based Education， OBE）、持續(xù)改進（Continue Quality Improvement， CQI）三大教育理念，要求從培養(yǎng)目標到畢業(yè)要求，從畢業(yè)要求到課程體系，再到教學環(huán)節(jié)的實施、評價與反饋，進行系統(tǒng)設(shè)計與實施。而培養(yǎng)學生解決復雜工程問題（Complex Problems）的能力是其中的重中之重。與《華盛頓協(xié)議》等效，《工程教育專業(yè)認證標準》2015版以模擬解決實際復雜工程問題為載體構(gòu)建的12條畢業(yè)要求中，1-5、11條面向內(nèi)/外部技術(shù)問題，模擬解決現(xiàn)代復雜工程問題的研發(fā)步驟能力；6-8條面向外部的非技術(shù)類問題，理解與評價現(xiàn)代復雜工程對其影響的能力；9、10、12條面向從事解決復雜工程問題畢業(yè)生應具有的社會能力[2]。

畢業(yè)要求是學生在畢業(yè)時必須達到能力標準，需要分解到課程體系的相應教學活動中去落實。準確地理解復雜工程問題在專業(yè)中的定位，是建立合理的課程體系，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，改進評估考核方法的重要依據(jù)。

自動化專業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人才培養(yǎng)要契合第四次工業(yè)革命對人才的要求，課程體系必須進行相應的調(diào)整、優(yōu)化[3-4]。廣東工業(yè)大學自動化專業(yè)經(jīng)過多年準備，開展工程教育專業(yè)認證準備工作，并于2016年12月通過中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會組織的認證。我校自動化專業(yè)以解決復雜工程問題能力培養(yǎng)為主線，重構(gòu)了自動化專業(yè)的課程體系。

二、復雜工程問題的專業(yè)定位

參照《華盛頓協(xié)議》要求，《工程教育專業(yè)認證標準》2015版詳細界定了“復雜工程問題”的7個特征。其中必須具備特征：①，同時具備特征：②-⑦的部分或全部[2]：①必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決；②需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，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)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。

上述特征作為復雜工程問題定義的一般性指導原則，當其具現(xiàn)于畢業(yè)要求中時，需考慮畢業(yè)要求對專業(yè)培養(yǎng)目標的支撐關(guān)系，以及對畢業(yè)要求的支撐課程與教學環(huán)節(jié)的指引與約束，而這意味者復雜工程問題的特征必須與專業(yè)特色相適應。因此，根據(jù)復雜工程問題特征，結(jié)合廣東工業(yè)大學自動化專業(yè)特點，我校自動化專業(yè)對復雜工程問題定位為：

特征①主要著重考慮知識的廣度與深度。自動化專業(yè)研究動態(tài)過程，著重的是系統(tǒng)機理分析與工程實現(xiàn)。不僅需要掌握數(shù)學、物理、自控原理等的相關(guān)知識以對控制系統(tǒng)進行建模與分析，還必須掌握機械、電子、計算機、通信等工程知識與技能來實現(xiàn)解決方案。由于控制系統(tǒng)的多樣性與復雜性，解決方案經(jīng)常呈現(xiàn)定制化的特性。因此，需要從“掌握”知識提升到“應用”知識，在課程設(shè)計，綜合實驗，畢業(yè)設(shè)計等教學環(huán)節(jié)中注重培養(yǎng)應用基本原理分析復雜工程問題的能力。

特征②主要體現(xiàn)矛盾和沖突。自動化專業(yè)強調(diào)系統(tǒng)的觀點，而控制系統(tǒng)的設(shè)計過程就是一個解決矛盾和沖突的過程。矛盾和沖突主要體現(xiàn)在兩個方面，首先是系統(tǒng)機理內(nèi)在的矛盾?？刂葡到y(tǒng)的各項參數(shù)往往是有矛盾的，比如在反饋系統(tǒng)中提高反饋控制的精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是有矛盾的，往往為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，而不能實現(xiàn)高精度的控制，因此常存在多方案比較與選擇的問題。其次，理論與工程實現(xiàn)之間的矛盾。針對復雜工程問題的解決方案，包含系統(tǒng)的構(gòu)成、部件、協(xié)調(diào)、軟硬件綜合等。各技術(shù)與工程因素的相互關(guān)系決定整體性，要明確這些因素間的局限性，相互間的關(guān)系以及它們之間可能存在的沖突。

特征③主要體現(xiàn)分析深度。自動化專業(yè)強調(diào)對自動控制系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)與動態(tài)分析。由于眾多自動控制系統(tǒng)無法經(jīng)數(shù)學推導得到解析解或者搭建實物模型進行分析與驗證，在系統(tǒng)的設(shè)計與實施過程中，為了解決其中的矛盾和沖突，必須將具體的工程問題抽象建模，借助現(xiàn)代工具進行仿真對系統(tǒng)做深入的分析。而且這里更強調(diào)有指向性的工程性分析研究，不是基礎(chǔ)科學的探究。對復雜工程問題進行提煉、定義、建模、分析，并體現(xiàn)一定的創(chuàng)新意識。

特征④主要體現(xiàn)多方案選擇與決策。由于被控對象的多樣性與復雜性，解決方案經(jīng)常呈現(xiàn)定制化的特性，不是僅靠常用方法就可以完全解決的。而自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能之間存在矛盾，設(shè)計時經(jīng)常需要進行權(quán)衡與折中，而這必然意味著存在多種可能的解決方案。因此，在分析與設(shè)計的過程中，需要通過對多種可能的解決方案進行模擬、分析、比較，并從多種可選擇的方案中選擇出最佳的方案。

特征⑤強調(diào)標準外的行為準則。復雜工程問題是一個受多種因素制約的復雜體系，包括組織管理、經(jīng)濟、健康、安全、法律以及文化等要素，現(xiàn)有專業(yè)標準和規(guī)范不可能完全包含所有因素。為了解決復雜工程問題，在缺乏現(xiàn)有準則指引過程中，必須理解工程技術(shù)的價值與工程倫理準則，并以此指引科技活動和工程實踐。

特征⑥強調(diào)沖突與協(xié)調(diào)。工程規(guī)模越大，復雜程度越高，與社會、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、環(huán)境以及倫理價值觀念的相互關(guān)系也越來越緊密。工程的實施和運行，都會對自然生態(tài)系統(tǒng)和社會產(chǎn)生一定的影響，相關(guān)各方利益不完全一致時會導致沖突，需要進行溝通與協(xié)調(diào)。

特征⑦強調(diào)依存與關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)組成部分之間存在著相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。需要綜合考慮復雜工程問題的各部分，通過文獻研究、資料收集、信息分析等實現(xiàn)信息綜合，從關(guān)聯(lián)中尋找規(guī)律、資料收集、信息分析，為解決復雜工程問題提供思路和借鑒。

廣東工業(yè)大學自動化專業(yè)的畢業(yè)要求與《工程教育專業(yè)認證標準》2015版中的12條要求一致[2]。根據(jù)上述自動化專業(yè)復雜工程問題的定位，結(jié)合此次認證中發(fā)現(xiàn)的一些問題，復雜工程問題特征在我校自動化專業(yè)的畢業(yè)要求的體現(xiàn)如表1所示。其中，“●”表示復雜工程問題必須具備的特征，“○”表示復雜工程問題具備的其他特征。

以上述復雜工程問題特征在我校自動化專業(yè)的具體體現(xiàn)，作為制定支撐畢業(yè)要求的教學環(huán)節(jié)的指引，明確設(shè)置各畢業(yè)要求教學環(huán)節(jié)的指導原則，如表2所示。

由表2可見，專業(yè)畢業(yè)要求應圍繞培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力進行設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)出導向教育（OBE）反向設(shè)計的理念，專業(yè)的畢業(yè)要求決定了專業(yè)的教學環(huán)節(jié)設(shè)置。

學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)需要循序漸進，在大學四年期間通過多個教學環(huán)節(jié)綜合集成，是一個動態(tài)形成的過程。根據(jù)復雜工程問題特征在本專業(yè)各個畢業(yè)要求中的具體體現(xiàn)，自動化專業(yè)制定的漸進培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的路線如圖1所示。

在解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)過程中，數(shù)學與自然科學類課程、工程基礎(chǔ)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程和專業(yè)類課程等應承擔責任并作出貢獻。不同類型課程的設(shè)置在能力的培養(yǎng)上應具有連貫性，后續(xù)教學環(huán)節(jié)的設(shè)計應基于前修環(huán)節(jié)的達成效果進行規(guī)劃，以實現(xiàn)能力培養(yǎng)的漸進性。其中，數(shù)學與自然科學類課程主要體現(xiàn)基本科學能力培養(yǎng)；工程基礎(chǔ)類課程和專業(yè)基礎(chǔ)類課程主要體現(xiàn)數(shù)學和自然科學在本專業(yè)應用能力培養(yǎng)，以及工程與社會、職業(yè)規(guī)范等要求所需的知識與能力的培養(yǎng)；專業(yè)類課程應能體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)能力的培養(yǎng)。

由上述復雜工程問題特征在我校自動化專業(yè)的具體體現(xiàn)，以及解決復雜工程問題能力的漸進培養(yǎng)路線可見，在本科階段工科教育中，需要一個相對完整的、有前瞻性的復雜工程系統(tǒng)為載體，以模擬該系統(tǒng)的研發(fā)過程為主線，融合理論課程、試驗課程以及實踐環(huán)節(jié)，通過前后銜接的系列課程，將解決復雜工程問題能力的漸進式培養(yǎng)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化、可操作的教學過程，其重點在于綜合與實踐。

三、面向復雜工程問題的綜合課程設(shè)計群

按照上述解決復雜工程問題能力的漸進培養(yǎng)思路，自動化專業(yè)在2016年與德國西門子公司共建工業(yè)4.0智能制造實驗室。該實驗室實驗場地310米2，一期已投入900萬元用于系統(tǒng)硬件平臺建設(shè)，二期擬投入350萬元用于系統(tǒng)軟件體系建設(shè)。該實驗室主要含2大部分：

（一）工業(yè)4.0智能制造平臺，如圖2所示

該平臺作為復雜工程問題的主要載體，從底層傳感器、驅(qū)動，到高層的MES，PLM，涵蓋了工業(yè)4.0全流程。平臺通過模擬汽車生產(chǎn)線中上料、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、倉儲等六個環(huán)節(jié)的具體工藝，體現(xiàn)智能制造的理念，其中涵蓋了機器人技術(shù)、氣動技術(shù)、PLC及HMI技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)等先進技術(shù)，能夠提供貼近真實生產(chǎn)的綜合性智能制造技術(shù)的學習與實踐平臺。六個工藝環(huán)節(jié)都可以獨立工作，可方便針對不同的教學內(nèi)容側(cè)重點制定不同的實驗內(nèi)容。同時，各個環(huán)節(jié)均具備獨立的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊能力，各模擬環(huán)節(jié)的工藝段通過網(wǎng)絡(luò)連通后即可開展全集成自動化（TIA）系統(tǒng)的教學與實踐。

（二）基礎(chǔ)技術(shù)實驗平臺，如圖3所示

該平臺主要含8套ABB機器人實驗平臺與80臺計算機。ABB機器人實驗平臺通過西門子1500系列PLC與PROFlBUS總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，在其上可進行機器人控制、PLC、直流與伺服電機控制、PROFlBUS總線構(gòu)建、檢測技術(shù)等等的相關(guān)教學與實踐。

以該實驗室為依托，自2015級自動化專業(yè)學生開始，在隨后的每級學生的第四、五、六、七學期開設(shè)四個基于該實踐教學平臺的自動化綜合課程設(shè)計（I，II，III，IV，共12學分）。該系列課程設(shè)計從現(xiàn)場層、控制層、操作層、管理層、企業(yè)層進行展開，形成“縱向及頂““橫向達邊“的制造訓練新體系。所謂縱向及頂，即從專業(yè)技能培養(yǎng)方面逐步進入該領(lǐng)域技術(shù)前沿；所謂橫向達邊，即體現(xiàn)人才培養(yǎng)中，各科知識的融合與貫通，以及學科專業(yè)的交叉和滲透，使被培養(yǎng)者成為復合型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。通過該課程設(shè)計，學生可以學習到工業(yè)4.0的點和面，從而達到掌握工業(yè)4.0整體框架的效果。課程設(shè)計群的設(shè)置需充分考慮相應課程的同步，讓學生在學習理論知識的同時得到相關(guān)的課程設(shè)計實踐，同步課程為綜合課程設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，反過來課程設(shè)計實踐可以加深學生對理論知識的理解，相互促進。4.0智能制造體系與課程設(shè)計對應關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見，自動化綜合課程設(shè)計的實踐對象按照從分立到聯(lián)合，從單元到系統(tǒng)的順序，與相應的專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程相結(jié)合，以課程設(shè)計的考核結(jié)果為相關(guān)畢業(yè)要求的重要支撐，實現(xiàn)解決復雜工程問題能力的漸進培養(yǎng)。各課程設(shè)計的教學目標如表3所示。

上述綜合課程設(shè)計的教學目標的重點在于綜合與實踐。通過持續(xù)4個學期的課程設(shè)計，以一個統(tǒng)一的復雜工程系統(tǒng)為對象，以模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)為主線，貫穿自動化專業(yè)所有主干專業(yè)課程的相關(guān)知識與技能，依靠對象的復雜性完整體現(xiàn)解決現(xiàn)代復雜工程問題的研發(fā)步驟的能力要求，即畢業(yè)要求1-5與11；依靠對象的系統(tǒng)性提供一個模擬環(huán)境，培養(yǎng)學生理解與評價現(xiàn)代復雜工程對其影響的能力，即畢業(yè)要求6-8；而在教學實踐環(huán)節(jié)中，團隊合作的模式，以及自主學習的要求，能夠培養(yǎng)學生面向解決復雜工程問題應具有的社會能力，即畢業(yè)要求9、10、12。

可見，綜合課程設(shè)計群是課程體系的核心主線，在教學環(huán)節(jié)設(shè)置，教學內(nèi)容安排，課程考核等方面需圍繞課程設(shè)計的教學目標進行設(shè)計。

四、以綜合課程設(shè)計群為中心的課程體系設(shè)置

工業(yè)4.0智能制造實驗平臺體系復雜，涵蓋機器人技術(shù)、PLC及HMI技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)等一系列的先進技術(shù)，學生需要在4個學期的學習與實踐中將其熟練掌握并具備較好的解決復雜工程的能力有一定的難度。因此，自動化綜合課程設(shè)計I、II、III、IV作為前后銜接的系列課程，需要很好地統(tǒng)籌各課程設(shè)計的先修課程、同步課程與后續(xù)課程的關(guān)系，以PBL（Project-Based Learning）的教學模式，將教學與實踐有機地整合到各門相關(guān)課程中，協(xié)調(diào)各門相關(guān)課程的考核內(nèi)容與評分標準。

在課程體系與教學環(huán)節(jié)的設(shè)計中，遵循以下基本原則：

1. 以自動化綜合課程設(shè)計的教學目標為基準，盡量將課程設(shè)計所需的基礎(chǔ)知識與技能的相關(guān)課程安排為綜合課程設(shè)計的先修課程或同步課程。

2. 相關(guān)課程的實踐教學內(nèi)容應盡量向綜合課程設(shè)計的實驗對象傾斜。

3. 難度較大及關(guān)鍵技術(shù)應盡量分布在多個綜合課程設(shè)計中，通過系列訓練實現(xiàn)從入門到熟悉再到掌握的漸進能力培養(yǎng)，如機器人控制、電力拖動等。

4. 以個人課程報告為主，小組課程報告為輔的課程考核方式，促進個人基本能力要求的達成與團隊合作能力發(fā)展的平衡。

基于以上原則，廣東工業(yè)大學自動化專業(yè)制定的2016教學計劃中圍繞自動化綜合課程設(shè)計進行了課程體系設(shè)計，主要框架如下所示。

自動化綜合課程設(shè)計I通過系統(tǒng)建模與仿真的系列訓練，著重培養(yǎng)學生運用所學知識，具備仿真與建模能力，了解智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀與基本體系框架。教學安排如表4所示。課內(nèi)學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯(lián)系如表5所示。

自動化綜合課程設(shè)計II通過自動化專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)的系列訓練，著重培養(yǎng)學生問題分析與工程實踐能力，具備復雜工程系統(tǒng)基本的分析能力。教學安排如表6所示。課內(nèi)學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯(lián)系如表7所示。

自動化綜合課程設(shè)計III通過團隊合作的模式，完成倉儲，上料，沖壓，焊裝，涂裝，總裝等各子系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，使學生具備解決復雜工程問題的基本能力。教學安排如表8所示。課內(nèi)學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯(lián)系如表9所示。

自動化綜合課程設(shè)計IV通過將各子系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，完成整個生產(chǎn)線的建模規(guī)劃、設(shè)計和調(diào)試，進一步培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力；并在此基礎(chǔ)上通過產(chǎn)品生命周期管理仿真、制造企業(yè)生產(chǎn)過程仿真等環(huán)節(jié)提高學生對工程與社會、可持續(xù)發(fā)展的認識、以及項目管理的基本能力。教學安排如表10所示。課內(nèi)學時合計48學時，課外學時要求為96學時。

本課程與其他課程的聯(lián)系如表11所示。

五、結(jié)束語

廣東工業(yè)大學自動化專業(yè)以認證為契機，重構(gòu)了專業(yè)課程體系，以自動化綜合課程設(shè)計為主線，從分立到聯(lián)合，從單元到系統(tǒng)，與相應的專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程相結(jié)合，以課程設(shè)計的考核結(jié)果為相關(guān)畢業(yè)要求的重要支撐，實現(xiàn)了解決復雜工程問題能力的漸進培養(yǎng)。將工業(yè)4.0技術(shù)植入課程體系，符合教育部自動化類專業(yè)教學指導委員會主持的“自動化專業(yè)課程體系改革與建設(shè)試點”工作的指導精神，是自動化專業(yè)課程體系改革的有益嘗試。

參考文獻：

[1]25 Years of the Washington Accord，http：//www.iea-greements.org/assets/Uploads/Documents/History//25YearsWashingtonAccord-A5booklet-FINAL.pdf[EB/OL].

[2]2015工程教育認證工作指南[Z].2015.

[3]吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業(yè)人才培養(yǎng)[J].中國大學教學，2015（8）：9-11.

[4]劉燕，徐本連，魯明麗.工業(yè)4.0下自動化專業(yè)課程體系的發(fā)展研究[J].常熟理工學院學報（教育科學），2016（6）：34-37.