基于解决复杂工程问题能力培养的课程设计
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作者:孙巍伟 郎需强
摘 要 结合北京信息科技大学机电专业的特点，对检测技术课程设计的教学模式进行探讨，从课程设计的内容、选题、教学等多方面进行优化设计，使得学生了解和掌握测试系统的软硬件设计思想、原则、过程、方法，使课程设计符合解决复杂工程问题能力培养的需求，培养具有创新设计能力的学生，提高其综合能力，为以后设计和实现测试系统的搭建与应用打下良好基础。
关键词 课程设计;检测技术;复杂工程问题;创新能力
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）22-0073-04
Curriculum Design based on Ability to Solve Complex Engi-neering Problems：Take Course Design of Detection Technology as Example//SUN Weiwei， LANG Xuqiang
Abstract Combining with the characteristics of our school of mecha-
nical and electrical professional， the course teaching mode of course
design of detection technology was discussed. And then the design was optimized in many aspects， including the content， topic selec-tion， teaching， and so on. The students could understand and master the software and hardware of test system design idea， principle， pro-cess and method. Meanwhile， it can make the curriculum design con-
forms to the requirements of cultivating the ability of solving com-plex engineering problems. Also， innovative design ability of stu-dents can be cultivated. And their comprehensive ability could be improved. Besides， it can lay a good foundation to solve practical problems of test system.
Key words curriculum design; detecting techniques; complex engi-neering problems; innovation ability
1 引言
中国高等教育的一个重要里程碑事件是于2016年正式加入《华盛顿协议》[1]。按照《协议》中的要求，大学本科培养阶段需培养学生具有解决复杂工程问题的能力。
同时，随着“新工科”的提出，更加强调学科的实用性、交叉性与综合性，更需要培养具备“新素养”“新视角”“新能力”“新思维”工程实践能力的创新型人才，在理论学习的基础上，增强动手能力，使得学生能够解决复杂工程问题[2-5]。
检测类课程，如测试技术、传感器技术与信号调理等课程，已作为北京信息科技大学机械电子和机器人工程专业的核心专业课程。其中，测试技术课程面向工程应用，主要使学生了解并掌握基本的测试原理、传感器信号分析、信号分析等内容，在理论学习的基础上，结合课程实验，增强学生的动手能力。理论联系实践，该课程可以很大程度上代表对学生综合能力培养的需求。经过课内实验，学生可以初步掌握检测技术的相关理论知识。
为了能够进一步提高学生能力，培养学生的创新意识，解决更为复杂的工程问题，还需要设置检测技术课程设计环节。通过课程设计，学生可以更多地使用理论知识，解决一个完整的检测任务。让学生动手去完成传感器的选型等工作，真正理解构建检测系统的基本方法，进而明白该课程的重要性。在實践中运用理论，可以加深学生的理解，起到事半功倍的效果。因此，合理的检测技术课程设计的设置，对培养学生解决复杂工程问题能力具有非常重要的意义。
本文针对目前检测技术课设中存在的问题进行分析，结合北京信息科技大学机电专业的的特点，对该课程的教学模式进行探讨，从课程设计的内容、选题、教学、考核等多方面进行优化设计，建立全新的实践教学训练模式，最大限度提高学生的动手实践能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。
2 现状分析
目前，检测技术课程设计相比于课程实验，并没有明显的区别，通常设计任务书都比较明确，学生只需要按部就班地跟着做就可以，学生处于被动接受的状态。而且由于时间有限，很多检测系统都是已经制作完成的，因此，学生只是对其进行调试，实习相关功能即可，这样就很难调度学生的主观能动性。目前存在下面几个主要问题。
1）课程设计的差异性不够。目前的课程设计中，很多学生一组，题目相对较少，因此，成果验收的时候会出现重复的情况，难以判断学生是否真正动手去制作。
2）设计任务书中解释得相对详细，因此，学生只需要看结果，并不会去理解原因，知其然不知其所以然，不能够灵活运用。
3）很多设计以模拟为主，缺少对学生动手能力培养的环节，不能够与实际生活紧密联系。因此，学生即使做完课程设计，也不理解为什么，不具有实际价值。 4）在课程设计过程中，很多学生缺乏纪律意识，也缺乏团队意识，分组不合理的情况时常发生，就会造成整个课程设计仅仅只有几个能力较强的学生完成，其他学生“蹭吃蹭喝”的情况，这样就严重违背了课程设计的初衷。
5）课程设计的成绩手段相对单一，评价手段以教师打分为主，教师的主观意愿可能占较大比重，不能从根本上反映课程设计教学效果。
3 解决复杂工程问题能力的需求
新工科背景下，培养学生具备哪些能力，才能使其能够解决复杂工程问题？
必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决 实际的工程中，没有问题是能够直接解决的，都需要经过多次的分析和处理，因此需要培养学生分析问题的能力，要学会对问题进行分解，找到每个分解点的解决方法。实践教学需要注重该能力的培养，加深学生对所掌握的理论知识的理解，经过实际工程的运用，加强对原理的理解，进而能够分析复杂的工程问题。
需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突 目前科技的发展是多元化的，因此，学生掌握的知识也应该是综合的。以机电专业为例，鼓励学生跨专业选修课程，比如计算机类的编程等课程，要掌握多领域和学科的知识，不能把专业教育限定在一个非常窄的方向上。
需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 在实际工程中，很多问题相对比较抽象，需要学生有很强的创新思维能力。因此，要培养学生的综合思维能力，能够根据实际问题构建合适的数学模型，由抽象联系实际，进而进行工程应用，解决相对复杂的问题。
具有较高的综合性 通常，一个实际的工程问题会包含诸多环节，问题大都也是互相关联的。因此，要培养学生的大局观，使得学生的思考能够从全局出发，以整体解决方案的角度看问题，不能仅仅针对某个环节或细节进行问题的解决，防止以偏概全现象的出现。
总之，培养学生具有解决复杂工程问题的能力，需要培养学生多方面的能力，包括分析能力、创新能力、协作能力等。
4 检测技术综合课程设计的教学模式
课题内容和方案设计 在安排培养实践教学能力的时候需要做到：实践教学必须选择恰当的载体;要形成一个完整的体系，能够让学生从简单问题入手，逐渐解决复杂问题，有一个循序渐进的过程;要根据学生的毕业要求，对选题和内容进行安排，与理论教学紧密联系，争取取得“1+1>2”的效果，培养学生解决复杂问题的能力。
以下研究中，以温度测量仪为例，对课程设计展开说明。温度测量仪总体设计要求为：拟定测试方案和设计步骤;设计完整的温度测量仪的电路，当温度超出设定值时，能够预警提示;根据设计画出完整电路图，并在仿真软件中进行仿真验证，完成中期答辩;根据需求，完成传感器、放大器等电子元器件参数及型号的选择;实物制作并进行调试;完成最后答辩，撰写设计报告。
课程设计主要包含两部分：软件与硬件设计。软件主要是培养学生的仿真能力，使用Proteus软件对设计的电路图进行仿真;在仿真的基础上，利用放大器、电阻等电子元器件搭建实物，最终完成演示，完成课程设计。
课程设计的课题难度分级 根据学生选题的不同，根据题目设置有不同的难度分级，完成度一样的情况下，难度越大，得分越高;同一个题目下，也会有不同的分数。以温度测量仪为例，在前一小节总体设计任务的基本要求上，另外增加有设计扩展要求：Protel画出印制板图;自行设计环节，提高电路稳定性，如加入防抖电路等。通过此种方式，鼓励优秀学生进行更大难度的挑战，激发学生的研究兴趣。
综合课程设计的教学方法
1）结合《厉害了，我的国》《大国重器》等视频，通过观看视频，让学生认识到我国在经济、科技等各方面进入迅猛发展时期，进而举例说明检测技术在这些领域的应用，让学生明确课程设计的重要性，从主观上重视起来。
2）强调学生的自主性，提出总体设计任务，由学生自行决定设计方案，并对其提出的设计方案进行资料的搜集和论证工作。
3）设计方案定型后，需要对各自的方案进行汇报，由教师和其他学生共同验证，引导学生开展讨论，对每组的设计方案的可行性进行论证，确保其正确性，并明确每组题目的关键点。
4）课程设计过程中，要学生对自己采用方法所用到的理论知识进行推导，而不只是拿结果来运用。同时，遇到问题时要相互讨论，遇到解决不了的问题的时候再去向教师请教。教师需要做好相关的记录工作，学生在课程设计中提出的问题也是后期评分的一个重要参考，通过这种方式，鼓励學生进行思考，培养学生的团队意识。
5）课程设计的过程中也要注重学生的思想培养，鼓励师生之间的互动，营造一种相对轻松的氛围，有助于提高学生的积极性。
课程设计考核方式的设计 检测技术课程设计中，学生采用分组方式，每组由两个学生组成，针对软件和硬件两部分，协作完成设计与制作。
课程设计的考评方式应该是多元化的，而且应该重视学生课程设计过程中能力的体现，不能仅仅以最后的实物制作为标准。成绩由平时成绩（主要是出勤）、过程表现（主要是问题的提出与解决、团队意识等记录）、中期答辩（主要是软件仿真、配合提问）、实物答辩（功能实现为基础，结合元器件的布局等）和设计报告成绩五部分组成。成绩要包含学生从课程设计开始的各项，而不只局限于最终成绩，这样可以促进学生提高自己的各项素质。
多元化的考核方式，可以避免部分学生“混日子”的现象，也可以激励学生的能动性，提高学生的参与度，保证学生能够综合发展。
5 检测技术综合课程设计内容分析
以温度测量仪的一种解决方案为例，所设计电路图由电压采集、放大电路、报警电路组成。
电压采集 分为两部分，2.5 V恒压源电路，以及桥式电压采样电路，如图1所示。该部分对学生提出要求：对恒压源电路的理解;电桥电路的作用及其求解方式。这些问题都属于在答辩的时候需要学生解答的问题中的一部分。 放大电路 同样，该电路也分为两部分，即放大电路及比较电路，分别如图2和图3所示。
图2中为两级放大电路，分别是差动放大和同相比例放大，要求学生学会放大倍数的推导过程，并在后期进行考核。在课程设计期间，只需要提出一个放大比例的要求，比如放大20～30倍，要求学生进行不同放大倍數的组合，或者选型三级、四级放大的形式来完成，不能够形式一致。
图3为比较电路，主要是用于设定温度阈值，并以此来控制后续报警电路的运行。
报警电路 如图4所示，该报警电路主要由继电器驱动电路及报警灯控制电路组成。
总体的设计方案如图5所示。
6 实物要求
学生对设计进行仿真后，基于解决复杂工程问题能力培养的需求，增强动手能力也是一个必备环节。具体要求：
请根据所设计的放大电路，自行挑选电阻。课程设计提供有100 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、100 kΩ的电阻，10 kΩ的滑动变阻器，LM358若干，TL431、1N4007
二极管等元器件。根据电路图确定元器件的摆放等;进行焊接等相关工作;实物调试，完成相应的功能演示;通过最终答辩环节。
其中两组学生的课程设计如图6所示。从图片中可以看出，在实际制作过程中，学生的差异性还是存在的，如不同的电子元器件的布局、布线方式等。差异性的存在也可以侧面反映学生是自主思考和动手制作的。根据布局方式及焊点的情况也可以给出不同的分数，反映到最终的成绩中。
7 结语
1）通过对检测技术课程设计的研究和改革，将基于解决复杂工程问题能力的人才培养方法应用于实践课程教学中。
2）提出一种机电专业实践教学环节基于解决复杂工程问题能力教学模式的具体实施方式，可以提高学生的工程实践素质，激发学生的创新能力，增强学生的专业技术能力。
3）本研究实践性强，受益面宽，一旦获得成功，可以为其他工科专业的实践教学提供一定的借鉴经验。
参考文献
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[3]彭文庆，朱永健，彭刚.基于“培养解决复杂工程问题能力”的工程教育专业认证探讨[J].当代教育理论与实践，2017（6）：14-18.
[4]林健.运用研究性学习培养复杂工程问题解决能力[J].高等工程教育研究，2017（2）：79-89.
[5]杨毅刚，王伟楠，孟斌.以提升解决“复杂工程问题”能力为目标的工程教育培养模式改进研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.
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