崔 淦，王鴻膺，李自力，呂宇玲，盧興國，羅小明

(中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

目前，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是油氣儲運工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重中之重，其原因有二。一是行業(yè)發(fā)展的需求。隨著“一帶一路”倡議、“國家能源安全”重大戰(zhàn)略的推進，以及我國一期、二期石油戰(zhàn)略儲備庫的建設(shè)，行業(yè)對畢業(yè)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力需求越發(fā)迫切。二是工程教育專業(yè)認證的需求。1989 年，《華盛頓協(xié)議》成立，目前已發(fā)展成為最具國際影響力的工程教育學(xué)位互認協(xié)議。2016 年我國正式加入《華盛頓協(xié)議》，中國的工程教育成果面向全世界進行展示?；趪H人才培養(yǎng)的OBE 教學(xué)理念，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力越來越重要，在畢業(yè)設(shè)計12 條通用標準中，有8 條涉及復(fù)雜工程問題，可見其已成為認證畢業(yè)生能力的核心指標，在學(xué)生培養(yǎng)過程中占有重要地位。

油庫設(shè)計與管理是中國石油大學(xué)(華東)國家級一流專業(yè)油氣儲運工程的專業(yè)核心必修課程，先后被評為國家級精品課、國家級精品資源共享課以及首批國家級一流本科課程。其授課對象是本科四年級的學(xué)生，有利學(xué)情是他們已掌握了數(shù)理基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)知識，初步具備了質(zhì)疑和探索能力；不利學(xué)情是以往解決問題的訓(xùn)練基本上是圍繞特定學(xué)科的條件所限定的問題(良構(gòu)問題)，運用若干規(guī)則和原理獲得同一的解決方案，導(dǎo)致學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力欠缺。而復(fù)雜工程問題的解決，需要學(xué)生具有以創(chuàng)新、決策、協(xié)作、持續(xù)發(fā)展等為代表的高階能力。因此，筆者以油庫設(shè)計與管理課程為例，基于對復(fù)雜工程問題的理解，從實踐教學(xué)資源、跨界教學(xué)團隊和教學(xué)方法改革三個方面進行闡述，探討培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一些創(chuàng)新舉措。

一、復(fù)雜工程問題的理解及存在的問題

復(fù)雜工程問題大多是非常規(guī)的，不能沿用以往的經(jīng)驗，可能涉及互相牽連、相互制約的眾多交叉因素，還可能有一些隱秘于問題表面背后的深層次因素，需要綜合分析加以解決。一般來講，“復(fù)雜工程問題”具備下述劣構(gòu)問題的特征：(1)必須運用深入的工程原理，經(jīng)過嘗試和比選獲得最佳的解決辦法；(2)問題缺乏明確的界定，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)問題的構(gòu)成存在不可知的部分，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)問題無統(tǒng)一的解決方法和步驟，具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

新工科建設(shè)的重中之重是實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，急需培養(yǎng)出大量具有匠人精神的創(chuàng)新型人才。在此過程中，積極探索培養(yǎng)學(xué)生獲得面向工程問題解決的能力十分重要，這也是與世界一流高校相對比之下，我們的教育體系存在的問題之一。傳統(tǒng)的教育中，面向?qū)W生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)主要存在以下幾個問題：(1)傳統(tǒng)課程教學(xué)中“重科學(xué)、輕實踐，學(xué)習(xí)無操作”而導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力不足；(2)傳統(tǒng)育人機制中“企業(yè)參與人才培養(yǎng)的熱度、深度與廣度有限”而導(dǎo)致校企之間沒有形成教育合力、學(xué)生學(xué)習(xí)不能緊跟行業(yè)發(fā)展；(3)傳統(tǒng)教學(xué)模式中“以教師為中心”而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)無協(xié)作、參與度不足、解決復(fù)雜工程問題能力欠缺。基于以上問題，筆者所在油庫教學(xué)團隊進行了課程教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計與實踐。

二、面向解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計

深入貫徹OBE 教育理念和立德樹人基本思想，以促進學(xué)生高階能力發(fā)展為宗旨，通過創(chuàng)新實踐教學(xué)資源、創(chuàng)新教學(xué)團隊和創(chuàng)新教學(xué)模式與方法三種途徑，著力構(gòu)建課堂和現(xiàn)場相結(jié)合(即跨越時空)、網(wǎng)絡(luò)資源和現(xiàn)實資源相結(jié)合(即虛實結(jié)合)、知識理論和實踐經(jīng)驗相結(jié)合(即知行合一)、以學(xué)生為主體教師為主導(dǎo)、師生/生生互動的課程教學(xué)體系。

(一)重構(gòu)實踐教學(xué)資源體系，建立油庫實景教學(xué)資源，提高學(xué)生工程實踐能力

油氣儲運工程專業(yè)畢業(yè)生所從事的行業(yè)屬于典型的易燃易爆場所。雖然在認識實習(xí)和專業(yè)實習(xí)期間，學(xué)生有親臨現(xiàn)場的機會，但是學(xué)生無法在實習(xí)過程中進行任何操作。在傳統(tǒng)教學(xué)中，仍然秉承以教師講授為主的理念容易導(dǎo)致學(xué)生僅僅掌握了低階的能力(即知識的理解)，沒有將知識與實踐融合，導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力不足，進而解決復(fù)雜工程問題的能力無從談起?；诖?，教學(xué)團隊以提升學(xué)生工程實踐能力為目標，著力完成以下兩個構(gòu)建。

1.構(gòu)建了校外實踐、校內(nèi)實訓(xùn)、油庫仿真和精品實驗“四位一體”的課程實踐體系

教學(xué)團隊根據(jù)課程內(nèi)容需求、地理位置、油庫工藝設(shè)備是否先進、油庫類型等方面選擇了多家設(shè)計規(guī)范、工藝設(shè)備先進、技術(shù)管理水平高、規(guī)模較大的省內(nèi)示范油庫建立了實踐教學(xué)基地(圖1)，學(xué)生利用認識實習(xí)和專業(yè)實習(xí)機會到實踐教學(xué)基地進行參觀學(xué)習(xí)，強化了學(xué)生對工程問題的認識。構(gòu)建了典型油庫操作實訓(xùn)平臺、典型設(shè)備拆裝平臺(圖2)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)期間到平臺進行實操實訓(xùn)、設(shè)備拆裝，增強了學(xué)生觸感體驗，并培養(yǎng)了學(xué)生實際動手能力、團隊協(xié)作和吃苦耐勞的工作態(tài)度。自主研發(fā)了油庫虛擬仿真系統(tǒng)(圖3)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成了油庫工藝流程的切換、收發(fā)油任務(wù)、油庫調(diào)度、安全應(yīng)急演練等工作，實現(xiàn)易燃易爆儲運流程和設(shè)施的親歷式實訓(xùn)。首創(chuàng)油罐“小呼吸”蒸發(fā)損耗實驗裝置(圖4)，學(xué)生以小組的形式協(xié)作開展實驗，通過實驗方案的制定、實驗的測試以及對實驗規(guī)律的總結(jié)分析，培養(yǎng)了學(xué)生實際動手能力、分析問題能力、團隊協(xié)作能力及可持續(xù)發(fā)展理念。

圖1 校外實踐教學(xué)基地

圖2 校內(nèi)油庫操作實訓(xùn)平臺

圖3 油庫虛擬仿真系統(tǒng)

圖4 油罐“小呼吸”蒸發(fā)損耗實驗

2.研制了油庫三維電子沙盤，創(chuàng)建了“面體交叉，動靜結(jié)合”實景教學(xué)資源

教學(xué)團隊根據(jù)課程具體教學(xué)內(nèi)容，精心選擇了一個典型成品油庫的平面布置作為藍本，設(shè)計了三維電子沙盤(圖5)。以其為樞紐，將課程各個知識點全部展現(xiàn)在油庫三維電子沙盤中，實現(xiàn)了平面資源的立體化；將圖片、動畫、實景視頻等動態(tài)或靜態(tài)資源有機貫穿于課程各個知識點的學(xué)習(xí)之中，實現(xiàn)了靜態(tài)資源的動態(tài)化。這樣“面體交叉、動靜結(jié)合”的教學(xué)資源從多角度、多層次、全方位地展示了課程的精華。在導(dǎo)航地圖的幫助下，學(xué)生可以“像玩游戲一樣”自主點擊、身臨其境學(xué)習(xí)油庫構(gòu)造設(shè)計和油品運輸生產(chǎn)過程，滿足了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求，同時提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖5 油庫三維電子沙盤

(二)充分利用企業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，創(chuàng)建跨界教學(xué)團隊

目前高校普遍存在教師培訓(xùn)管理制度不完善、無法定期開展教師工程實踐能力培訓(xùn)等，導(dǎo)致教師知識得不到更新，專業(yè)前沿知識涉獵不足，知識面受限，傳授給學(xué)生的知識不具備時效性，甚至有些知識、技能已經(jīng)被社會淘汰，使得學(xué)生學(xué)習(xí)不能緊跟行業(yè)發(fā)展。為此，筆者所在的油庫教學(xué)團隊教師與中國石油集團華東設(shè)計院、東華工程科技股份有限公司(前化學(xué)工業(yè)部第三設(shè)計院)的優(yōu)秀工程師組建了跨界教學(xué)團隊，按照“產(chǎn)教深度融合、校企協(xié)作雙贏”的理念，創(chuàng)建了“教師工程素養(yǎng)協(xié)同培養(yǎng)、教學(xué)過程協(xié)同合作、教學(xué)效果協(xié)同評價”的“三協(xié)同”育人機制，形成“一課多師”的師資結(jié)構(gòu)。

1.教師工程素養(yǎng)協(xié)同培養(yǎng)機制

每年定期邀請團隊的校外專家對教師進行工程能力培訓(xùn)，教學(xué)團隊教師到設(shè)計院所進行設(shè)計環(huán)節(jié)和設(shè)計軟件培訓(xùn)(圖6)。專任教師可根據(jù)課程內(nèi)容掌握行業(yè)最新動態(tài)，學(xué)習(xí)企業(yè)新工藝、新方法等，大大提高了教師自身的工程實踐教學(xué)能力。

圖6 教師到設(shè)計院進行培訓(xùn)

2.教學(xué)過程協(xié)同合作機制

為了使學(xué)生在實踐教學(xué)過程中能夠?qū)W到更為貼近生產(chǎn)實際的知識，教學(xué)團隊工程師作為實踐教學(xué)指導(dǎo)教師，協(xié)助帶隊教師共同指導(dǎo)學(xué)生實踐教學(xué)。定期邀請團隊工程師到校對學(xué)生進行設(shè)計指導(dǎo)，提升學(xué)生的設(shè)計能力。油庫跨界教學(xué)團隊定期組織教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)大綱的研討及修訂工作。

3.教學(xué)效果協(xié)同評價機制

引導(dǎo)設(shè)計院專家進課堂(圖7)，參與專題匯報、實踐實訓(xùn)、階段設(shè)計任務(wù)等環(huán)節(jié)考評，大大提高了學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

圖7 工程師進課堂

(三)以任務(wù)為導(dǎo)向，預(yù)設(shè)劣構(gòu)問題(ill-structured problem)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)課程教學(xué)中問題的解決，均是圍繞特定學(xué)科背景設(shè)立的，且教師一般給予學(xué)生若干已知條件，學(xué)生運用所學(xué)知識進行問題的求解，獲得同一的解決方案。以上問題的解決是圍繞良構(gòu)問題，僅僅是考察學(xué)生對知識的簡單記憶、理解，導(dǎo)致學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力欠缺。復(fù)雜工程問題的解決，需要把復(fù)雜問題簡單化，化繁為簡，將問題簡化或分解，用簡單的方法解決問題，或通過解決子問題從而破解整體問題，這是實踐中智慧的做法。明代的馮夢龍所著《智囊》，是一部研究智慧的經(jīng)典，書中把“通簡”放在第一部的“上等的智慧”之中。“通簡”卷的序言是這樣寫的：“唯通則簡，冰消日皎”，即只要把復(fù)雜的事情化簡，問題就會像太陽一出、冰雪融化一樣解決了?；谠摾砟睿瑒?chuàng)設(shè)面向復(fù)雜工程問題解決的GPBL 教學(xué)模式，如圖8 所示，學(xué)生以解決若干小型問題開始，利用解決若干小型問題獲得的知識與能力來綜合解決大型問題，直至解決最后的復(fù)雜問題。

圖8 GPBL 教學(xué)設(shè)計

基于GPBL 教學(xué)模式，設(shè)置了“成品油庫設(shè)計”這一復(fù)雜工程問題，以及具有劣構(gòu)問題特征的一系列階段教學(xué)任務(wù)，以任務(wù)為導(dǎo)向，發(fā)揮教學(xué)資源優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生積極探索，實現(xiàn)能力提升。整個課程的復(fù)雜工程問題是“成品油庫設(shè)計”，具體表述為“在某城市建設(shè)一成品油庫，鐵路入庫，公路發(fā)出，為本市加油站供應(yīng)汽油、柴油”，且“某城市”的確定是教師每年在全國范圍內(nèi)任意指定的，做到每屆學(xué)生均不同。按照課程的主線，設(shè)置了油庫工藝模塊和安全模塊的若干階段任務(wù)(大型問題)，如圖9所示，各個任務(wù)之間并不是相互獨立的，而且教師會在每個階段任務(wù)完成后給予評價和反饋。隨著課程的進行，學(xué)生基于后期的任務(wù)完成情況對前階段的任務(wù)進行修改完善，直至最后復(fù)雜工程問題的解決，最終落實到工程設(shè)計方案和圖紙上。階段教學(xué)任務(wù)具有以下幾個特征：問題缺乏明確的界定；問題的構(gòu)成存在不可知的部分；問題無統(tǒng)一的解決方法和步驟；基于學(xué)生嘗試和比選獲得最佳的解決辦法。以上就是典型的劣構(gòu)問題的特征，即教師沒有給出學(xué)生若干已知條件，需要學(xué)生利用所學(xué)知識與能力去進行問題建構(gòu)、自主設(shè)計，以獲得相應(yīng)問題的解決方案(解決方案不唯一)。針對大型問題，比如第一個“庫址選擇和平面布局”，進行了解構(gòu)，變成7 個小型問題，如圖10 所示。這些小型問題很多也沒有邊界，屬于劣構(gòu)問題，其中還包括了“油庫建設(shè)與社會發(fā)展的關(guān)系”這一暗含思政的問題。在具體教學(xué)實施中，教師編制導(dǎo)學(xué)案，將小型問題列于其中，通過雨課堂發(fā)布給學(xué)生。學(xué)生每4～5 人組成學(xué)習(xí)共同體，以小型問題為導(dǎo)向，開展網(wǎng)絡(luò)資料調(diào)研、法律法規(guī)自主學(xué)習(xí)、實操實訓(xùn)等，與課堂知識相融合來尋求解決小型問題的辦法。通過若干小型問題的解決，綜合所學(xué)知識，進行大型問題、直至最后復(fù)雜問題的解決，最終形成完整的成品油庫設(shè)計方案。在整個教學(xué)過程中，教學(xué)團隊起到了幫促者的作用，開展了學(xué)習(xí)資料的提供、導(dǎo)學(xué)案的編制與發(fā)布、“學(xué)思融合”教學(xué)結(jié)合點設(shè)計、課堂組織與實施、問題解決方案的指導(dǎo)與反饋、劣構(gòu)問題的年度更新等活動，如圖11 所示；學(xué)生扮演了“工程師”的角色，通過設(shè)計任務(wù)的訓(xùn)練，學(xué)生思政意識、高階能力的目標得以達成，如圖12 所示。

圖9 階段教學(xué)任務(wù)

圖10 大型問題解構(gòu)

圖11 教師的“幫促者”角色

圖12 學(xué)生高階能力的達成

三、結(jié)束語

基于實踐教學(xué)資源、跨界教學(xué)團隊及教學(xué)方法的創(chuàng)新與實踐，學(xué)生工程實踐能力、解決復(fù)雜工程問題的能力顯著提升，受到了用人單位的高度好評，滿足了行業(yè)發(fā)展對畢業(yè)生“工程實踐能力和創(chuàng)新能力”的需求及工程教育專業(yè)認證的需求。然而，整個教學(xué)環(huán)節(jié)中仍有一些不足之處，對于學(xué)生高階能力的考核是基于團隊教師的定性評價，如何實現(xiàn)對解決復(fù)雜工程問題的能力、團隊合作能力、創(chuàng)新創(chuàng)造力等高階能力素養(yǎng)的量化考核仍是筆者所在教學(xué)團隊后期需要努力的方向。