1、课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期工程教育认证中复杂工程问题解析徐振峰，孙强，胡学友，谢宇（合肥学院 先进制造工程学院，合肥 230601）为提高工程教育的国际影响力，我国于 2016 年 6月正式加入了国际上最具影响力的工程教育学位互认协议华盛顿协议。由于通过认证协会认证的工程专业，其毕业生学位得到 华盛顿协议 其他组织的认可，因此国内众多高校正在积极开展工程教育认证工作。截至 2020 年 1 月，在中国工程教育专业认证协会网站上，可以查阅到全国高校 2 172 个专业通过了工程教育认证1。工程教育认证所倡导的三大基本理
2、念为学生中心、产出导向和持续改进。以学生为中心，强调围绕培养目标和毕业要求的达成来设置各个教学环节及进行资源配置；产出导向，强调专业教学设计和教学实施要以学生的学习成果为导向；持续改进，强调建立有效的质量监控和持续改进机制，推动专业人才培养质量不断提升。上述三大基本理念最终落实在培养学生解决复杂工程问题的能力之上。因此，培养学生具备解决复杂工程问题的能力是工程教育认证的基本要求。在工程专业认证 12 条毕业要求指标点中，有 5 条与培养学生解决复杂工程问题的能力直接相关。换句话说，毕业要求指标点的实现就是以复杂工程问题为载体，经培养和引导学生通过解决复杂工程问题来实现毕业要求指标点的达成。不过
3、，从目前进行工程教育认证的实际进展情况来看，许多专业教师和学生对复杂工程问题还存在着一些误区。一复杂工程问题的特征工程教育认证标准中给出了复杂工程问题的 7 个特征2，依次为：必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决；涉及多方面技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；不是仅靠常用方法就可以完全解决的；问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中；问题摘要：为进一步提高我国工程教育质量及适应国际工程教育发展变化趋势，近几年来国内高校许多专业正在积极申请工程教育认证。工程教育认证所倡导的三大基本理念的具体实
4、现最终落实在培养学生解决复杂工程问题的能力之上。为了消除或减少对复杂工程问题认识所存在的误区，首先详解阐述复杂工程问题的 7 个特征。然后，指出当前高校培养学生解决复杂工程问题所存在的难点。最后，以我校自动化专业某毕业设计题目为例，详细说明在该毕业设计任务中所体现出来的复杂工程问题的具体特征。关键词：工程教育认证；复杂工程问题；毕业设计；特征；难点中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）13-0085-05Abstract:In order to further improve the quality of engineering education in C
5、hina and adapt to the development trend ofinternational engineering education,many majors in domestic universities are actively applying for engineering education certification inrecent years.The realization of the three basic concepts advocated by engineering education certification is reflected by
6、 the cultivationof students ability to solve complex engineering problems.In order to eliminate or reduce the misunderstanding of complexengineering problems,seven characteristics of complex engineering problems are explained in details.Then,the difficulties of trainingstudents to solve complex engi
7、neering problems are pointed out.Finally,taking a graduation project of automation major in ouruniversity as an example,the specific characteristics of complex engineering problems reflected in the graduation project task aredescribed in details.Keywords:Engineering Education Accreditation;complex e
8、ngineering problems;graduation project;characteristic;difficulties基金项目：教育部新工科项目“应用型高校新工科专业 模块化课程池 建设的实践研究”（E-ZY JG20200225）；安徽省级质量工程项目“线上教学示范高校项目”（2020 xssfgx14）、“电子技术 III（EDA 技术）线上线下混合式教学”（2020 xsxxkc387）；安徽省重大教研项目“以工程教育认证为抓手，改进合肥学院自动化专业应用型人才培养模式”（2020jyxm1618）第一作者简介：徐振峰（1981-），男，汉族，山东菏泽人，博士，讲师。研究方
9、向为深度学习与智能感知。DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.13.02185-2023 年 13 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education相关各方的利益不完全一致；具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。复杂工程问题必须具备上述特征，并同时具备特征的部分或全部。特征说明复杂工程问题必须以深入的工程原理为基础。所谓工程原理，一般包括自然科学原理、工程基础、专业基础、工程设计原理、工程实践知识、专业及前沿理论和文献知识等。具体到课程体系来说，工程原理包含了高等数学、线性代数、数值分析、数学建模等数学类课程，以大学物理、大
10、学化学等为代表的自然科学类课程，以及专业基础类课程和专业类课程等。这不仅要求学生对理论知识的掌握具有一定深度，而且能够正确运用，强调了学以致用的目的。特征说明复杂工程问题不仅涉及工程与技术方面的问题，而且还会涉及非技术因素。这就要求学生解决问题时，不能仅从技术实现的角度考虑问题，还要从系统或工程的角度来考虑问题。在一个系统或工程的实现过程中，技术实现是需要考虑的重要因素，但也有一些非技术因素同样重要。例如，在自动控制系统的设计中，除了技术实现，还有控制精度、实现成本、系统组装等方面的问题，以及该系统可能对人类生活生存环境、健康安全的影响和可持续发展等非技术性问题。而且，控制系统的控制精度和实现
11、成本在一般情况下也会呈现出矛盾性。特征说明需要对复杂工程问题进行提炼、定义、建模和分析，对实际工程问题建立合适的抽象模型。复杂工程问题既源于工程，又用于工程，并在此过程中体现出创造性。当学生面对一个具体问题时，通常没有可以完全照搬的系统模型，因此需要对复杂工程问题进行分析和提炼，必要时借鉴相似系统的现有模型，通过结构或参数调整等手段，以解决所面临复杂工程问题的建模问题。在此过程中，自然会体现出创造性。特征体现的是学生开发和综合运用现代工具的能力要求。随着科技发展，复杂工程问题层出不穷、多种多样，而传统的工程方法难以解决。因此，在解决复杂工程问题的过程中需要学生进行思考、进行尝试。可以对传统方法
12、进行综合运用而获得，或根据现有方法的启发，通过改造或改进而获得，从而形成新的思路和新的方法3。特征说明复杂工程问题是受多种因素制约的复杂系统，涉及科学技术在生产过程中的有效应用，包括组织管理、经济、健康、安全、法律及文化等要素4。由于现有专业标准和规范不可能完全包含所有因素，所以要求学生需要突破现有准则，以寻求解决问题的新方法和新途径。在此过程中，还需要学生具备良好的工程伦理道德及工程师社会责任。特征说明复杂工程问题的解决会涉及多方面的利益，而且各方的利益不完全一致，甚至存在冲突。例如，某复杂工程问题涉及到利益或性能等的均衡与折中问题。从产品质量的角度考虑，希望采用更优质、更精密的器件；而从成
13、本的角度考虑，则希望成本越低越好。这就需要根据其他方面的要求来调节产品质量与成本之间的均衡。特征突出了复杂工程问题的规模，涉及多个相互关联的子问题。从解决问题次序的角度看，复杂工程问题包含问题分析、方案设计、系统实现、实验验证及结果分析等多个环节。在其系统实现过程中，又可能涉及硬件实现、软件开发、系统集成等多个环节。特征强调培养学生的系统观，使学生能够站在系统的高度，具备复杂问题分解和综合的能力5。二培养学生解决复杂工程问题的难点目前，培养学生解决复杂工程问题还存在一些难点，其主要因素包括以下几个方面。（一）工程教育的基础普遍薄弱在我国的基础教育中，历来重视学科教育。但是，工程教育则是以解决工
14、程问题为核心的教育，重点突出设计思维和实践能力的培养，是跨学科教育。尽管我国的学科课程中内涵了一些跨学科元素，如物理中有数学，化学中有物理等，但非常有限，更没有突出工程教育6。这导致了学生虽然具备较为扎实的学科理论基础，但在解决实际工程问题中却不知该如何运用。在中小学阶段没有充分培养学生的工程教育思维，以至其在大学阶段解决工程问题的基础就非常薄弱。（二）高校教师本身解决工程问题的能力不足一方面，我国高校教师从小接受传统学科教育，缺乏工程教育中设计思维的训练和实践能力的锻炼。另一方面，高校教师大多数是从高校毕业之后，直接加入教师行列，缺乏解决实际工程的经验。这些因素也会导致教师对复杂工程问题的认
15、识有所偏差。复杂工程问题并不等同于复杂技术问题7。例如，当高校教师与企业进行项目合作时，许多项目的技术原理并不复杂，甚至看起来较为简单，因此从技术实现的角度考虑，教师能够完全胜任。但从工程或产品的角度考虑，教师则难以解决86-课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期技术之外的其他问题。教师本身解决工程问题能力的不足以直接影响对学生解决复杂工程问题能力的培养。（三）传统教学模式没有体现复杂工程问题传统教学模式重在知识的讲授，对知识的运用则讲解较少，运用知识解决实际问题的案例则更少涉及。由此，则难以培养学生的实践能力、创新能力与团队协
16、作意识等，从而限制了对学生解决复杂工程问题能力的培养。三复杂工程问题体现示例在课程设计和毕业设计（以下简称“毕设”）等课程中，均可以设置体现复杂工程问题的题目。现以我校自动化专业的毕业设计为例，说明对复杂工程问题特征的体现。通过完成这类题目，可以实现学生对解决复杂工程问题的能力培养。首先，教师根据自行给出的毕设题目，填写本毕设满足复杂工程问题 7 个特征中的哪几个特征。其中，特征是必须要满足的。教研室组织会议，讨论每个毕设题目是否确实具备复杂工程问题的特征。最后，在教务系统中向学生发布毕设题目及其简介，以便学生选择。现以 2020 年毕设题目 基于 ZigBee 的农业温室环境无线传感器节点设计 为例做进一步说明。在该题目的任务书中提出了如下的基本要求。1）针对温室小气候环境监测领域，根据国家标准或行业标准或技术手册等确定相应的温室小气候环境因子监测的基本要求，并以此为依据选择出合适的传感器元件，用于检测温室空气温度、相对湿度、光照度和 CO2浓度。2）完成传感器节点的硬件电路设计与实物制作。3）了解 ZigBee 协议栈的结构、工作原理及其无线通信技术，完成节点软件开发。4）要求传感