高秀華 袁國 邱春林 張曉明

摘 要 培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題能力是工程教育中一個(gè)重要方面。本文論述了復(fù)雜工程問題的特征要求，介紹了材料成形工藝學(xué)課程中基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題的實(shí)踐，開展復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的評價(jià)措施。這種課程改革方式促進(jìn)了材料成型及控制工程專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，促進(jìn)了本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成度的達(dá)成。

關(guān)鍵詞 項(xiàng)目學(xué)習(xí) 復(fù)雜工程問題 教學(xué)實(shí)踐 工程教育認(rèn)證

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.03.048

Teaching Practice Based on Solving Complex Engineering Problems

GAO Xiuhua， YUAN Guo， QIU Chunlin， ZHANG Xiaoming

（State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract It is an important to cultivate students' ability of solving complex engineering problems in engineering education. This paper discussed the characteristics and requirements of complex engineering problems， introduced the practice of cultivating college students' complex engineering problems based on project learning in the course of material forming technology， and the evaluation measures for developing the ability of solving complex engineering problems. This kind of curriculum reform promoted the cultivation of the ability of solving complex engineering problems for undergraduates majoring in material forming and control engineering， and also promotes the achievement of graduation requirements of students in this major.

Keywords project learning; complex engineering problems; teaching practice; engineering education certification

隨著我國加入華盛頓協(xié)議，工程教育認(rèn)證工作在我國高等院校已進(jìn)入如火如荼的階段。工程教育認(rèn)證對于提升我國高等教育質(zhì)量具有非常重要的意義，是國際工程教育學(xué)歷互相任課的前提。通過申請工程教育專業(yè)認(rèn)證，可以進(jìn)一步推進(jìn)工程教育標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè)，建立有效的教育質(zhì)量保障體系，促進(jìn)工程專業(yè)建設(shè)持續(xù)發(fā)展。[1-3]東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)其前身金屬壓力加工專業(yè)始建于1950年，是全國高等學(xué)校特色專業(yè)，在長期辦學(xué)過程中逐漸形成了自己的特色，2011年材料成型及控制工程專業(yè)進(jìn)入卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，2012年通過了國家工程教育專業(yè)認(rèn)證，[4-5]這對于我校材料成型及控制工程專業(yè)的發(fā)展和一流學(xué)科建設(shè)具有指導(dǎo)意義，2019年本專業(yè)獲批國家級一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，工程教育認(rèn)證工作進(jìn)一步助推了本專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。

工程教育認(rèn)證中，培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題能力是一個(gè)新的突出特點(diǎn)，將學(xué)生工程能力的培養(yǎng)提高到了十分重要的位置，凸顯了對工程能力培養(yǎng)的高度重視，如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力是工程教育畢業(yè)要求的重要方面。材料成形工藝學(xué)課程是本專業(yè)重要的平臺課程之一，多年來一直在積極探索如何在課程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，探索新的教學(xué)方法，改進(jìn)考核評價(jià)方式等。這些探索對于培養(yǎng)大批材料成型及控制工程專業(yè)高素質(zhì)應(yīng)用型本科人才起到了很好的推動(dòng)作用，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高，對加強(qiáng)畢業(yè)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要意義。

1 復(fù)雜工程問題具備特征

培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問題的能力，需要首先明確什么是符合本校材料成型及控制工程問題的復(fù)雜工程問題特征，并且在材料成形工藝學(xué)課程中涉及和體現(xiàn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對復(fù)雜工程問題具有明確的說明，要求涉及的復(fù)雜工程問題必須具備特征1和部分或全部特征2-7。（1）復(fù)雜工程問題是必須包含深入的工程原理，需要經(jīng)過深入細(xì)致地分析和細(xì)致地研究才可能得到解決。（2）復(fù)雜的工程問題涉及很多方面的技術(shù)、工程以及其他因素等方面，并且這些因素會存在一定程度的沖突。（3）復(fù)雜工程問題沒有明確的解決方案，需要建立一些抽象模型才能得以解決。（4）復(fù)雜工程問題是并非一般常見的方法可以完全解決的問題。（5）針對復(fù)雜工程涉及的因素，目前還沒有成熟的規(guī)范。（6）復(fù)雜工程問題具有較高綜合性。（7）復(fù)雜工程問題具有較高綜合性。

材料成型及控制工程專業(yè)涉及的復(fù)雜工程問題特性：（1）復(fù)雜工程問題來源于金屬材料塑性加工過程中工程實(shí)際難題;（2）這些問題是非線性、多因素;（3）沒有明顯的解決方案，需要深入分析和建立抽象的數(shù)學(xué)模型才得到解決;（4）針對某些復(fù)雜工程涉及的因素，目前還沒有現(xiàn)成的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);（5）具有較高綜合性的問題，涉及多門課程，無法一門課程得以解決。

2 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的復(fù)雜工程問題的實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)課程的復(fù)雜工程問題

材料成形工藝學(xué)（下）課程主要內(nèi)容包括軋制過程基本原理、工藝過程及成形規(guī)律，成形過程的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)計(jì)算方法，軋制過程力能、工藝參數(shù)計(jì)算，材料軋制過程工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，材料成形工具設(shè)計(jì)，高精度材料成形與質(zhì)量控制方法以及軋制新技術(shù)等。課程教學(xué)方法包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基于復(fù)雜工程問題培養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)等等。教學(xué)過程中貫穿以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向工程認(rèn)證教育理念，確定了4個(gè)課程目標(biāo)，對應(yīng)3個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，分別是指標(biāo)點(diǎn)3.2、9.2和12.2。指標(biāo)點(diǎn)3.2能夠針對材料成形過程中的復(fù)雜工程問題，確定明確的設(shè)計(jì)要求，提出設(shè)計(jì)的解決方案。指標(biāo)點(diǎn)9.2能在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用，承擔(dān)團(tuán)隊(duì)成員以及團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的角色。指標(biāo)點(diǎn)12.2具有終身學(xué)習(xí)的知識基礎(chǔ)，具有跟蹤本學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的能力。

在材料成形工藝學(xué)課程中涉及的復(fù)雜工程問題包括熱軋板帶、冷軋帶鋼、型材和管材產(chǎn)品軋制成形過程中產(chǎn)品形狀和質(zhì)量缺陷控制、工藝過程控制等等。例如熱軋板帶產(chǎn)品質(zhì)量控制：瓢曲、局部邊裂、翹皮和麻點(diǎn)缺陷、翹頭、板形不良、頭尾形狀不規(guī)則。冷軋帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量：邊裂缺陷、屈服紋、黑帶和粘結(jié)缺陷、“鐮刀彎”缺陷、“橘皮”和“褶皺”。型材質(zhì)量控制方面：冷鐓鋼開裂現(xiàn)象、軸承鋼網(wǎng)狀碳化物、彈簧鋼脫碳原因;鋼管質(zhì)量控制：內(nèi)壁折疊缺陷、外圓內(nèi)多邊形缺陷和拉凹缺陷等質(zhì)量問題。例1“某熱連軋廠采用半連續(xù)軋制方式，在生產(chǎn)3.5mm的板卷時(shí)發(fā)現(xiàn)存在邊浪缺陷。經(jīng)測量板卷邊部厚度出現(xiàn)了如下情況：距邊部40mm內(nèi)測量，其厚度較中部略厚，即并沒有出現(xiàn)邊部減薄現(xiàn)象。需要同學(xué)們根據(jù)從控制模型、工藝和設(shè)備多角度分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因及解決措施?！崩?“某中厚板企業(yè)采用雙機(jī)架生產(chǎn)中厚板，在生產(chǎn)過程中存在蛇形和翹頭等問題。”例3“某企業(yè)采用CDCM機(jī)組生產(chǎn)DC04冷軋鋼板，產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的單邊浪形，經(jīng)技術(shù)人員測量，鋼板橫向兩側(cè)厚度存在較大偏差。并且縱向厚度存在周期性變化，且在長度方向上的波長大約是工作輥徑的3倍。試從鋼鐵生產(chǎn)全流程分析其原因及解決措施。”大作業(yè)所涉及的這些問題均來自實(shí)際科研實(shí)踐或?qū)嶋H生產(chǎn)中遇到的典型問題。學(xué)生并不能從書本上利用單一的知識單元來解決問題，需要通過認(rèn)真思考，結(jié)合工藝、設(shè)備等知識綜合分析才能找到解決問題的思路。通過這樣的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生對所學(xué)的知識能夠細(xì)致的梳理、有效的應(yīng)用，活學(xué)活用，大大提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.2 項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程的實(shí)踐

在教學(xué)過程中以提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，以學(xué)生成果為導(dǎo)向，以完成學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成度為目標(biāo)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，創(chuàng)新多種形式的教學(xué)方法。本課程在2015年引入了以解決復(fù)雜工程問題為主的項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決復(fù)雜的工程實(shí)際問題。以小組形式，每組由4～6名同學(xué)組成，在課下完成，每組一個(gè)命題，這些問題都來自工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際遇到的難題以及共性問題。具有復(fù)雜工程問題特征。最終完成一個(gè)作品或者綜述論文，包括對問題的描述，解決問題方法以及提出解決方法等等。在完成綜述論文中，需要同學(xué)們靈活運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、材料成形力學(xué)、金屬學(xué)等相關(guān)知識，分析實(shí)際工程問題，并提出解決措施。在完成大作業(yè)過程中，小組成員要明確各自承擔(dān)的任務(wù)和責(zé)任，開展多次小組討論，共同協(xié)作完成最終作品，最終以PPT形式在課堂進(jìn)行匯報(bào)和回答評委提出的問題。

通過這種大作業(yè)形式，調(diào)動(dòng)了每個(gè)小組同學(xué)的積極性，相互之間通過分工協(xié)作，在鍛煉獨(dú)立思考能力的同時(shí)，也提高了團(tuán)隊(duì)合作意識，體會到了合作的重要性，形成了團(tuán)隊(duì)合作精神。在完成作業(yè)過程中學(xué)生積極性很高，并充分利用課余時(shí)間和指導(dǎo)老師溝通探討。除當(dāng)面交流外，也利用手機(jī)等現(xiàn)代通訊工具和老師交流研討，甚至爭論。此外，在實(shí)際教學(xué)過程中，難免碰到學(xué)生思路出現(xiàn)嚴(yán)重偏離題目主旨的情況，這時(shí)教師可以及時(shí)引導(dǎo)和糾正，使學(xué)生的思路步入正軌，提高了學(xué)生利用所學(xué)到的知識解決復(fù)雜的工程實(shí)際問題能力。

2.3 評價(jià)與持續(xù)改進(jìn)

在連續(xù)6年項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中不斷發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，持續(xù)改進(jìn)考核評價(jià)機(jī)制，進(jìn)行畢業(yè)要求達(dá)成度的評價(jià)與分析，進(jìn)而不斷改進(jìn)措施，提高學(xué)習(xí)效果。如2017年規(guī)范了作業(yè)格式要求，培養(yǎng)學(xué)生撰寫科技論文的能力;2018年加入了組內(nèi)自評得分，根據(jù)完成過程中小組成員表現(xiàn)給出組內(nèi)自評分，充分考慮每個(gè)學(xué)生在小組中的貢獻(xiàn)度，調(diào)動(dòng)每位同學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)性、創(chuàng)造性，以便正確評估每位同學(xué)，給出合理的評價(jià)。2019年制定了大作業(yè)評分標(biāo)準(zhǔn)，對學(xué)生考核更加客觀。目前最終成績中既包含作品內(nèi)容成績又包括現(xiàn)場答辯成績?，F(xiàn)場答辯成績中即包含小組整體成績又含有個(gè)人成績。個(gè)人成績包含小組內(nèi)成員互評得分又包含指導(dǎo)教師給出成績。這種評價(jià)方式可以更加客觀地評價(jià)每位學(xué)生學(xué)習(xí)效果，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自覺性和創(chuàng)造性。并在基礎(chǔ)上建立了評價(jià)機(jī)制，制定了項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，更加客觀準(zhǔn)確。在每次結(jié)束后都和同學(xué)們交流，反饋執(zhí)行過程中還存在的問題情況;同時(shí)開展形成性評價(jià)，發(fā)現(xiàn)不足之處，持續(xù)改進(jìn)。

通過小組項(xiàng)目學(xué)習(xí)的大作業(yè)形式，針對每個(gè)組對于工程實(shí)踐問題完成度，評估學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握情況。這種方式鍛煉了同學(xué)們綜合分析問題、解決實(shí)際問題的能力，國內(nèi)外文獻(xiàn)閱讀能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，小組成員團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識，為同學(xué)們后續(xù)開展課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的學(xué)習(xí)奠定了良好基礎(chǔ)。這種大作業(yè)形式充分調(diào)動(dòng)了同學(xué)們學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)了理論知識、原理與工程實(shí)踐的結(jié)合，受到了同學(xué)們的歡迎和肯定。

3 課程思政實(shí)踐

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)過程中引入典型思政案例，將思政元素與教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。通過思政元素案例，探尋把課程知識點(diǎn)和理想信念、奉獻(xiàn)精神和創(chuàng)新精神有機(jī)結(jié)合。增加教學(xué)的趣味性，實(shí)現(xiàn)育人潤物細(xì)無聲的效果，讓專業(yè)課成為鑄魂育人的生動(dòng)課堂，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造。

小組項(xiàng)目學(xué)習(xí)的題目存在一定的難度，在完成過程中需要遇到多方面的復(fù)雜問題，要對工藝?yán)碚摵蜕a(chǎn)實(shí)際都十分了解，做到全面掌握問題的本質(zhì)才能完成，其過程是較為困難而且復(fù)雜的。在其中引入“超級鋼”、港珠澳大橋、建國70周年我國鋼鐵工業(yè)成就等思政元素激發(fā)學(xué)生愛國情懷、創(chuàng)新精神、科學(xué)精神，培育創(chuàng)新底蘊(yùn)塑造創(chuàng)新思維，助力學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)知識時(shí)實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造。實(shí)現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)三位一體式的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力和高級思維。

4 結(jié)語

解決復(fù)雜工程問題的能力是工科專業(yè)學(xué)生必備能力，本文總結(jié)了本課程在項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施過程中的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)以及考核評價(jià)方式。通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式提高了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)在文獻(xiàn)查閱能力、總結(jié)分析能力、團(tuán)隊(duì)合作意識、科技寫作能力、終身學(xué)習(xí)能力等方面獲得了提高，為材料成型及控制工程相關(guān)人才的能力培養(yǎng)提供了新思路。

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