趙秀栩，木尼布，付 鈺

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著我國工業(yè)化進程不斷加快，社會需要大量具有扎實基礎知識和能綜合運用多種工程技術解決復雜工程問題的人才。新一輪科技和產業(yè)革命催生出了許多與傳統(tǒng)產業(yè)不同的新興產業(yè)和新經濟模式，也產生了許多用傳統(tǒng)工程方法難以單獨解決的復雜工程問題。這類工程問題包含十分龐雜的要素，各要素之間具有強烈的非線性相互作用，這對工程教育提出了新的要求[1]。根據《華盛頓協(xié)議》，工程專業(yè)要通過工程教育認證的條件是必須按照國際實質等效原則來培養(yǎng)學生，并使其具有解決復雜工程問題的能力[2]。

但是，當前的工程類專業(yè)課程教學存在著幾個突出問題，與新形勢下的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略需求相矛盾。這些問題主要包括：（1）目前的專業(yè)課程內容是以工具為導向而不是以具體的工程問題為導向，這是因為在設計課程內容時，有意識地將工具和方法從特定的問題中抽象出來，以使方法和工具更具普遍性，但是卻導致了實際的教學重點從問題本身向機械性的工具轉變，缺乏專門設計和傳授學生如何將課程中所學的知識用來解決工程實際問題的手段；（2）各課程之間通常缺少聯(lián)系，使學生難以將所學課程知識用來解決具體問題，例如，學生通常不能將其在運籌學中所學的線性規(guī)劃知識用來表達并解決復雜的實際生產管理問題[3]。課程設計局限于理論知識的講授，缺乏與實際工程問題之間的聯(lián)系，這導致學生對于復雜工程問題的分析和解決能力都相對不足[4]。

針對這些問題，本文以培養(yǎng)工科學生解決復雜工程問題的能力為目標，提出一種新的工科課程教學模式，并以工業(yè)工程專業(yè)的“單元制造理論與方法”課程為例進行應用和實踐。

1 復雜工程問題的特征分析

復雜工程問題主要包括工程知識、學科（專業(yè)范疇）、綜合因素（包括社會問題）及解決手段等要素[5]。根據工程教育專業(yè)認證工作指南，“復雜工程問題”除了應具備基本特征之外，還應同時具備多項非必備特征，其具體要求如表1所示。

表1 復雜工程問題的特征

2 實例研究

2.1 課程樣本選取

下面選取工業(yè)工程專業(yè)本科課程“單元制造理論與方法”為樣本進行研究。學生通過學習該課程，能夠掌握成組技術的原理，充分利用被加工對象之間的相似性進行產品族的劃分，按照合理的分類準則組織制造單元，通過制造單元的設計與布局，使得同一類產品能夠采用同一方法進行處理，以便在滿足客戶多樣化需求的同時最大程度地提高生產率和經濟效益，以近似批量生產的成本來生產多品種少批量產品[6]。通過對相關案例的學習，學生能夠把在其他專業(yè)課程中（如生產計劃與控制、設施規(guī)劃、先進制造技術等）學習的相關知識融入到解決相應的工程問題當中。通過其中各個教學環(huán)節(jié)的設計逐步引導學生將課程中所學到的理論知識、方法和工具應用于分析和解決問題的具體過程中。

根據工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標和定位，其中所涉及的復雜工程問題應當是與工程實際需求相關并涉及工程技術多個方面的因素，具有非線性、不確定性、復雜性和綜合性，必須運用相關的工程原理、采用多學科融合的方法、通過合適的抽象模型才能得以解決；要求學生應具備提出問題和通過文獻查閱分析問題的能力，能夠綜合運用本專業(yè)所學的理論知識和方法分析問題，能夠以科學原理為依據并采用多種技術工具解決問題，能夠在解決復雜工程問題的過程中開展有效的團隊協(xié)作、進行有效的溝通、表達和展示。

2.2 課程結構設計

傳統(tǒng)的課程結構特點是以知識點為主，分布在各個章節(jié)中的單個或多個知識點通常與一個簡單的工程問題相對應，通過這些問題讓學生了解相關工具和方法。但是，由于各個工程問題較為獨立，未形成一定的連續(xù)性，使得學生難以形成系統(tǒng)觀。因此，在以培養(yǎng)解決復雜工程問題能力為導向進行課程內容設計時，不僅要為學生提供來自工程實際中的典型問題，還要設法讓解決問題的過程與課程知識點有機融合，使各章節(jié)知識點、問題連貫，并設計與課程內容、工程問題相關的實踐環(huán)節(jié)。

按照這一思路，論文以“單元制造理論與方法”課程為例進行了應用研究，首先對課程當中的所有知識點進行結構化設計，對其中相關度高的子知識點進行合并形成主要知識點，再對各主要知識點進行融合，形成體系，具體如圖1所示。

圖1 知識點劃分與集成

其次，根據課程培養(yǎng)目標、課程知識點，選取與知識點相關的復雜工程問題。本課程所選復雜工程問題為“企業(yè)A的單元制造生產方式構建”，其中可拆分成的子工程問題以及涉及的復雜問題特征如表2所示，主要知識點與一級子工程問題相對應，子知識點與二級子工程問題對應。

表2 問題的分解與特征列表

根據表2中的問題層次，以解決一個復雜工程問題為主線，將其拆解為主要的一級子問題，再將一級子問題拆解成多個簡單的二級子問題，設置相關教學環(huán)節(jié)，并以解決工程問題為核心凝煉形成課程核心知識點，在課程教學過程中提供解決該問題所使用的工具或方法，引導學生采用所學其他課程的方法或工具解決問題，以一級子問題為例，如下頁表3所示。

表3 一級子工程問題課程內容構建

然后，基于課程知識體系與復雜工程問題，設計相關實踐內容，形成知識層、實踐層、問題層3個層面。例如，在Q1問題階段，為了便于學生理解機器-零件矩陣的形成，基于SPSS軟件，設計了0-1矩陣的上機實驗；在Q3問題階段，為了驗證廠房內的制造單元布局的合理性，設計了基于Flexsim的實驗與展示環(huán)節(jié)，具體的層次結構如下頁圖2所示。

從圖2可以看出，以解決復雜工程問題為導向設計恰當?shù)膯栴}，使各個問題間具有一定的關聯(lián)，層層遞進，且與課程內容、知識點建立聯(lián)系，將知識、問題有機貫連，同時結合一定的工程實踐內容將加深學生對知識的理解，有利于他們未來解決工程實際問題。

圖2 課程的層次結構設計

2.3 教學方法設計

傳統(tǒng)的教學方法主要以知識點、工具為導向，采取一對多的課堂知識傳遞，課堂教學過程較為枯燥，學生知識獲取效率有限。為了讓學生真正成為教學活動的主體，提高他們的學習積極性和課堂參與的主動性，就需要對教學方法進行改革。根據培養(yǎng)目標與培養(yǎng)能力，按照工程問題應具備的特征以及涉及的知識點將其進行難易程度劃分，教學方法也需要根據問題的難易程度進行相應的選擇，具體類型包括以下3個。

（1）簡單子工程問題。教師講解所涉及的相關知識點，引導學生分析問題，提出解決問題的思路，傳授解決問題的工具和方法，若涉及其他學科也一并點出。在課堂上由師生共同完成工程問題的分析、解答。通過互動在引導學生掌握相關知識點的同時，提高他們分析問題的能力。

（2）難度較大或涉及知識點較廣的工程問題。教師在引出問題后，對其中涉及的知識點以及方法進行初步講解，鼓勵學生運用已學習的專業(yè)課程知識在課下進行問題的分析和討論。對于其中的疑難點也可以通過線上QQ群和老師進行交流。目的是通過這樣的過程培養(yǎng)學生運用已有知識對問題進行綜合分析的能力。

（3）復雜的子問題。在講解了相關知識點以及案例后，以分組的形式進行課下討論與實踐，并整理形成文檔，在課上以PPT等形式展示解決該問題的思路、手段，以及遇到的問題和克服該問題的方式，培養(yǎng)學生通過分工協(xié)作來解決復雜工程問題的能力。

根據上述問題類型，設計與其所對應的教學方法，具體的實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 具體實現(xiàn)過程

在整個工程問題解決之后，布置小論文的撰寫任務，要求學生進行課堂展示與答辯，目的是加深學生對于相關知識的理解，對其中涉及的所有知識點、工具與方法進行梳理和總結，達到融會貫通的效果。

2.4 課程考核模式設計

以解決復雜工程問題為導向的課程考核需要與教學內容的多樣性相適應，重新設計的多元化教學考核指標體系如圖4所示。

課程考核根據教學活動主要分為兩大類：（1）平時考核，占比50%，分為A，B兩類。A為課堂教學類，主要考察工程問題理解分析、課堂知識、工具與方法掌握等能力，占比20%，由教師進行評價。B為小組實踐展示類，考察分工協(xié)作能力，工程問題分析、解決能力，創(chuàng)新能力，成果展示能力，占比30%。綜合考慮諸多工程要素，由教師與學生共同分析和評價一個工程項目方案的合理性和可行性。（2）期末考核，占比50%。結合專業(yè)論文寫作規(guī)范以及解決復雜工程問題應具備的能力制定評價標準，由教師評價。

3 結論

針對工科學生對于復雜工程問題的分析和解決能力不足問題，本文提出了一種以解決復雜工程問題為導向的課程教學模式，并通過工業(yè)工程專業(yè)的“單元制造理論與方法”課程進行了應用研究。結果表明，以解決復雜工程問題為導向的課程內容設計，不僅可以培養(yǎng)學生對各課程知識的綜合應用和實踐能力，同時能夠促進課程內容的有效集成，引導學生形成解決工程問題的思路，活化基本的學科知識，增進學生對于工程的興趣，為培養(yǎng)解決復雜問題能力為導向的新工科課程教學模式設計提供了參考。