面向复杂工程问题的校企共建课程研究

孙 洁

（宁波工程学院 电子与信息工程学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

自2016年正式成为《华盛顿协议》缔约成员国以来，我国越来越多的高校按照中国工程教育专业认证协会工程教育认证标准，开始积极推进工程教育本科专业认证的申报和自评工作。《华盛顿协议》明确了以培养工程师为目标的本科教育须将学生具备解决复杂工程问题的能力作为培养要求[1]。同时，在中国工程教育专业认证协会制定的工程教育认证标准中要求工程专业本科生毕业时必须具备12项能力要求，值得注意的是，其中8项要求直接与解决复杂工程问题相关[2]。由此可见，解决复杂工程问题能力是本科人才培养中的核心内容。

为了将复杂工程教学落实到本科课程教学环节中，必须让企业深入参与到课程建设中。目前虽然设置了企业实习、实训等环节，但存在“走过场”的现象，大多数企业在生产实习过程中并未真正向学生讲授解决复杂工程问题方法论的具体实践，针对社会、伦理、经济决策等非技术因素的相关课程没有与实际工程结合，学生缺乏在非技术因素与技术成果存在冲突时解决问题的实践经验，导致生产实习环节与企业全周期工程创新的方法论相脱节。本文从3个方面进行了校企深入合作、共建课程的研究，即依托企业挖掘典型行业应用，设计复杂工程问题；企业导师参与一线教学，共同制订教学大纲，通过项目为中心的教学进行工程能力培养；企业和高校共同制订评价标准，检验教学效果。

1 复杂工程问题的定义和设计

传统高等教育中的“复杂技术问题”，通常是指以某个基础专业作为核心、与其他相关专业有关联的难于分析、解答或理解的问题。而“复杂工程问题”与“复杂技术问题”不同，它必须具备一定程度的规模、难度、复杂度和综合性，同时要求考虑非技术因素，是毕业生在职业岗位中会真正面对的实际工作问题。目前，一方面由于一线教师在工程实践方面的参与度不够，难以提炼现实产业中的复杂工程问题并反馈到自己承担的教学环节[3]；另一方面，在教学过程中缺少企业家的大力参与和深度支持，高校教育和工业界脱节，导致在教学设计中难以体现复杂工程问题的系统性。

要提取典型的行业应用的复杂工程问题，需要分析行业需求，并且结合高校的毕业要求进行指标分解。以物联网的关键课程“无线传感器网络及其应用”为例，支持复杂工程问题的指标点主要体现在以下4个方面：

（2）能够使用建模工具对所提出的解决方案进行预测与模拟，对于需要精确数据的方案，能够选择适当的数学模型做出分析研究；

（3）能够使用现代的软硬件开发工具，对所提出的解决方案进行实现和部署；

（4）在实现和部署过程中考虑可生产性、可安装性、性能价格比等因素。

根据这4个指标点，提炼出若干符合行业热点的复杂工程问题。一个实例是“基于NB-IoT的智能农业大棚系统”，该系统将运用温湿度、PH值、光照、CO2等传感器设备，检测温室大棚中的各种物理量参数，并将数据通过低功耗广域网(LPWAN)传送到远程办公室，技术人员通过手机APP即可对多个大棚的环境进行监测，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。为了解决该工程问题，学生需要通过提出以下步骤逐步进行：设计方案、建模和预测、程序开发、和项目部署，各步骤和指标点以及相关支撑课程之间的对应如表1所示。其中，主要依托课程为“无线传感器网络及其应用”，开课时间为大三第二学期；而其他支撑课程分布在大一至大三第一学期开设。从而保障了各支撑课程能够在主依托课程之前，为该复杂工程问题提供相关专业基础知识。

在设计复杂工程问题中，必须综合考虑“复杂”特征，同时考虑本科生能力进行适当裁剪。例如步骤1中，必须非常深入地了解各种无线通信技术的通讯范围和强度，才能确定解决方案中必须包括采集器和云服务器，从而确保远程获取大棚数据的可行性。而低功耗广域物联网通信技术于2018年才逐渐成熟，超越现有的技术标准，需采取新的技术路线解决具体应用中的问题。在步骤2中，必须采用数学模型进行模拟和计算，才能根据大棚的面积和形状，避免冗余或者监控死角，确定最优方案。步骤4中，性能/耗电量和价格之间会存在冲突，需要根据具体情况进行衡量。同时具备基本的网络安全机制，防止通过无线通讯漏洞伪造或者窃取数据。

2 复杂工程问题的教学设计

为了能充分结合高校和企业的资源，教学采用翻转课堂的形式，结合线上线下教学，以项目为主线进行教学设计。具体内容以网络工程18级学生的专业课《无线传感器网络及其应用》为例，进行详细阐述。

2.1 教学目标和教学大纲

校企共建课程的教学目标是要将解决复杂工程问题的能力培养做到实处。教学大纲是针对具体课程来实现这个教学目标。为此，在教学大纲中，将支撑“复杂工程问题”的理论体系、教学方法、教学内容及教学要求、教学评价等明确化，确保任课教师在整个教学过程中坚决贯彻执行。要以企业需求和就业为导向，从培养目标入手，明确该课程的教学对学生达到毕业要求的贡献是什么以及如何贡献，确保课程教学目标的适切性。

2.2 “线上+线下”教学方法

教学形式采用翻转课堂的形式，精心设计课堂内容和课后内容，理论教学完全由学生利用课后时间，按照项目安排，在网络平台上进行视频学习。课堂时间完全用于实践环节的实施以及教师的引导和点评。

1）线上理论教学

风影突然感到浑身冰凉，冷得发抖。女人真是奇怪，不可理喻！他像是从很深很深的水底里飘浮上来，又像是从很高很高的天空中坠落下来，他听到了呼呼的风声，却不知道来自何方。刹那间，他处在莫名的烦躁与悲凉之中，想到了佛前的莲花，佛前的明灯，可依然无法将内心的这股邪火熄灭下去。他似乎看到了她在另一个男人的身下扭动、呻吟，用手指和声音抚摸着他。那男人像一条疯狗一样趴在她的身上，动作粗暴，十分亢奋，得到了原始的满足，然后将最肮脏的污物留在她的体内。当然，这只是风影的想象，也许师父说得对，山下的女人是老虎，不仅是老虎，还是母狗，毒蛇，狐狸精，不仅要啖他的肉，还要啃噬他的心。

线上教学主要实现理论和知识学习。理论课程内容需要将高校教师基于学科体系的理论知识与企业导师擅长的基于实践一线的实践经验进行整合与衔接。本课程通过与企业导师共同筛选，精选了3～5个符合行业热点、切合实际应用、又有趣味性的复杂工程应用项目作为教学内容。以项目为主线，将各个案例中所需要的知识点进行筛选，录制为8～15分钟的视频。同时搭建网络平台，提供多层次、全方位的学习资源，包括具体课题中可能用到的软硬件电子资源，如传感器节点中微处理器的具体说明书《CC2530用户手册》、具体传感器的产品说明书等电子资源，以及内容丰富的经典教材和参考书，方便学生遇到问题随时查阅。

2）线下工程训练

线下教学主要培养工程能力，采用CDIO工程教育理念，以复杂工程问题为导向，树立全周期的工程教育理念，从构思、设计、实施到运行的项目完整生命周期中，训练工程设计能力、实践能力、管理能力和创新能力，让学生身历其境地了解企业解决工程问题的流程与方法。如图1所示，在每个项目初期，教师对项目做出简述，学生通过课后时间，按照“项目-知识点”索引，自行观看视频，进行相关知识点学习。同时通过资料检索和小组讨论，完成项目的需求分析。教师在课堂上对各个小组的需求分析报告做出点评，因为需求分析在项目生命周期中是非常关键和基础的环节，一旦出现偏差则后面的所有环节都将发生偏离。另外，教师需对普遍存在的问题进行讲解，指导学生用正确的方法进行分析和设计。在设计环节，学生利用专业知识，在课后完成系统

图1 基于翻转课堂和CDIO工程理念的教学方法

架构设计和详细方案设计，同样需要教师及时进行点评和修正。项目需求分析报告和项目设计报告必须形成文本，是对企业的合同制工程管理流程做出模拟，同时训练学生整理、分析和归纳资料，以获得有效结论严格的工程方法。在实施环节，学生需要确定设备选型，教师须在课堂上说明选型的各类工程标准。同样性能的设备型号和生产商众多，引导学生从造价、耗电量、维护难易度等标准出发，选择适合实际生产制造的设备。学生利用课后时间连接硬件、调试通讯，完成软件开发和功能调试、方案优化等过程。最终在运行阶段进行系统整合和运行，并完成答辩，训练学生表达和陈述的能力。教师在课堂时间要对每个项目小组的得失做出综合评价，并综合各个小组的情况，对本项目做出总结。

在翻转课堂开展期间，每个项目的适当环节安排企业工程师入驻。以图1为例，项目构思阶段中的项目简述、项目实施阶段的工程标准引入、项目运行阶段的项目总结等环节，聘请企业工程师以行业标准进行指导。在适当的教学环节中加入IPD（Integrated Product Development，集成产品开发模式）方法论[4]，引导学生在解决复杂工程问题时，综合考虑非技术因素与技术因素。主要包括：新产品开发时市场需求和创新调研、投资决策、技术成果转化为实际社会应用的可行性分析、经济回报分析等，引导学生模拟真实的企业技术创新环境，实践产品开发、市场开拓、经济回报等环节，让学生在进入职场之前，做好相关技能储备。

3 复杂工程人才的评价体系

要评估校企共建课程的效果，必须建立科学的综合评价指标。因此，本文采用了基于OBE（产出导向）的人才评价体系，既包括校内课程评价，也加入社会企业评价，让学生的能力接受社会的检验，评估其能力是否达到企业对工程科技人才的基本需求。

（1）课程评价

课程评价和项目评价，分别对应翻转课堂中线上和线下的学习评估。其中，课程成绩主要评估的是学生在课前或者课后时间进行线上学习的成果，包括视频观看进度、针对知识点的随堂测试成绩、在线讨论活跃度等。这部分成绩由线上学习平台按照学生登录后的学习活动，自动生成评分。

（2）项目评价

项目成绩由教师完成，采取以项目小组为单位的评价方法，对指标点完成度进行定量分析，如表2所示。通过明确本课程的培养目标和毕业要求的对应关系，并对毕业要求进行分解，确定本课程支持复杂工程问题的指标点，在教学活动中确保所有指标点都能在课程中有所体现。

表2 项目成绩的考核方法

（3）企业评价

企业评价以企业导师为评价主体，从职业能力、工作态度、职业素质3个维度出发，对项目组成员进行综合评价。其中，职业能力包括解决问题能力、逻辑思维能力、创新能力等，工作态度包括积极性、协作性、纪律性等，职业素质中包括成本意识、管理能力、沟通能力等。各个指标采取适当权重，最终给每个学生一个综合得分。

4 教学效果评价

本课程以1个小班共24名学生为教学对象，实施了校企共建课程的教学改革。根据多种考核方式，对学生进行能力达成度分析。方法如表3所示，针对每个指标点，分别统计课程、项目和企业评价的分数，并进行加权平均，最后得到每个教学目标的学生的达成度分数。根据达成度评价结果，分析学生薄弱环节及其产生原因，在后续项目中能够有持续改进措施。

表3 学生达成度及改进措施

实践证明，指标点2的能力达成度最高，反映出学生对于实际的建模工具掌握较好，这主要是因为每种建模和模拟软件都有具体的使用手册和实操步骤。指标点3的达成度相对有下降，主要出现在软硬件调试过程，需要学生针对不同问题进行解决。而项目教学中，学生相对较弱的是设计能力，即指标点1中针对具体工程问题设计解决方案时，往往存在考虑不全面或者设计逻辑不符合实际的情况，对此，要在后续的课程教学中多提供行业相关案例，让学生们进行分析，通过模拟和超越，从而锻炼学生独立思考能力与创新设计能力。而指标点4即非技术类的因素达成度最低，在设备选型阶段尤为突出，反映出学生更注重功能实现而忽视了工程产出比，这也凸显了高校教学的薄弱性，体现了企业工程师进驻理工类专业课程建设的重要性。

5 结语

本文设计了校企共建课程的详细方案，覆盖了复杂工程问题的定义与设计、教学环节的过程设计、教学效果评估3个层面，阐述了把复杂工程问题融合到具体课程的方法，以达到对学生的知识教育和工程教育的统一培养。最后对该方案的专业认证指标点达成度进行了分析，证明该方法不仅具有可操作性，而且可通过收集的具体数据，发现在本课程中所缺失的能力，以及是否持续进步。最终形成的第一手资料可以用于毕业要求达成度的计算与判断，更可以用于改进课程的设计，为课程的持续改进提供思路。

解决复杂工程问题能力是本科人才培养中的核心内容，也是工程教育专业认证的重要组成部分。要培养学生解决复杂工程问题的能力，校企深入合作、共建课程是有效途径，要充分发挥高校和企业的强项，并分解到具体课程的各个环节中落实。