省級教改項目展示（八）|| 以“解決復雜工程問題”為導向、“兩性一度”為標準的機械設計一流課程建設

昵稱30214245 2025-07-13 發布于湖北

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主持教師：楊化動

主要成員：花廣如、張霞、段巍、樂英、蔣宏春

院院系系：機械工程系

一、項目簡介

《機械設計》課程存在公式多、圖表多、因素多、關系多、內容多和要求多六大難點，知識具有“散、碎”的特點。按照課程設計指導書，學生“能”完成設計，然而新形態機械系統復雜工程問題具有設計情境復雜、多因素和多重約束的特征，因此面對具有復雜情境的實際設計問題時，學生往往束手無策，不“會”設計。本項目針對《機械設計》課程教學中存在的痛點問題展開研究，以“解決復雜工程問題”為導向，以一流課程建設的“兩性一度”為標準，研究了何為“復雜工程問題”、如何降解復雜工程問題的復雜性、如何提升復雜工程問題的解決能力三個問題，旨在使學生從“能”設計到“會”設計。

二、解決的主要問題

復雜工程問題解決能力是卓越工程師人才培養的重要一環，項目組以提高學生復雜工程問題的解決能力為目標，以一流課程建設的兩性一度為標準，主要解決了如下三個問題：

1.復雜工程問題內涵的深度探究與解析

復雜工程問題中的“復雜”缺乏統一和確定的概念，對復雜工程問題內涵理解的程度影響教學改革策略的制定。結合《機械設計》課程的特點，從復雜性理論、現代工程的技術與非技術特征以及機械系統特征三個角度，剖析了機械系統復雜工程問題的內涵，獲得機械設計復雜工程問題具備的特征。

2.復雜工程問題的降解與解耦

對于機械系統而言，伴隨現代工程以及機械系統所具備的新特征，機械系統復雜工程問題具備技術和非技術因素的復雜性。本項目基于對復雜工程問題內涵的解析，首先從工程問題的技術復雜性和非技術復雜性兩個維度進行了復雜工程問題類型的梳理；其次對技術和非技術復雜性的降解進行了研究。

3.復雜工程問題解決能力的提升策略、途徑與方法

基于復雜工程問題內涵的解析和復雜工程問題復雜性的降解，提取學生解決復雜工程問題所需要具備的能力。基于建構主義的教育理念，研究了教學方法與能力培養之間的關系，在此基礎上提出了多元研究性挑戰教學模式。

三、問題的解決方法

1.復雜工程問題內涵的深度探究與解析

(1)復雜性理論視角

復雜是系統的屬性，基于復雜系統理論的視角，當今的機械系統具有復雜系統的非線性、不確定性、開放性、多樣性和無序性等特征。一方面，對于機械設計領域要解決的復雜工程問題而言，由于其研究對象—機械系統的復雜特征愈發明顯，且呈現日益提高的趨勢，導致實際工程問題的復雜性在提高。另一方面，機械設計領域的工程問題涉及多學科、極端環境等特征。

(2)現代工程的技術與非技術特征視角

對于復雜工程問題的內涵，應從“復雜”和“工程”兩個層面進行解析。對于現代工程而言，由于技術高度集成、涉及的利益相關者在增加、不確定性提高、工程規模和影響范圍日益增加，因此工程的范圍和外延明顯增加，這就需要設計工程師考慮更多的因素。隨著工程范圍的拓寬，工程問題的復雜性體現在兩個方面，一個是技術層面的復雜性，另一個是非技術層面的復雜性，如圖1所示。

圖1 工程問題復雜性

(3)機械系統特征視角

現代機械系統具有智能化、集成化和柔性化的特點，機械系統的發展趨勢為高效率、高精度、極限功能和高品質，機械系統結構和功能呈現出非線性、時變性、強耦合性和開放性等復雜系統所具備的特點。基于復雜系統理論和設計過程的復雜性理論，機械系統的設計須從功能角度出發，研究功能結構的非線性、時變性和解耦方法，獲得設計方案。另外，技術層面的復雜性還體現在現代機械系統的設計需要具備多學科交叉的知識。

基于上述三個角度對復雜工程問題內涵的解析，可以總結出機械系統復雜工程問題所具備的特征如表1所示。

表1 機械系統復雜工程問題的特征

2.復雜工程問題的降解與解耦

(1)復雜工程問題分類

基于對復雜工程問題內涵的解析，分別從工程問題的技術復雜性和非技術復雜性兩個維度進行考慮，復雜工程問題可以分為如下四種類型：

① A類：簡單工程問題，即可以運用成熟技術和理論解決的簡單關聯關系應用場景的工程問題。

② B類：強關聯性工程問題，即可以綜合運用較為成熟的技術和理論解決具有多主體、多種耦合關系存在的工程問題。

③ C類：系統工程問題，即需要運用新的理論和技術解決簡單關聯關系應用場景的工程問題。

④ D類：多沖突復雜工程問題，即需要運用新技術和新理論解決具有多主體、多種耦合關系存在的工程問題。

對于A類問題，從教學的視角，可以通過課堂教學和實踐環節培養學生對此類工程問題的解決能力，使學生具備初步的工程問題分析能力。對于B類、C類和D類問題來說，存在技術或非技術的高階復雜性，因此解決此類問題，需要從技術或非技術維度進行復雜性的降解與解耦。

(2)技術復雜性降解

技術可以理解為由子技術迭代而成，而復雜性可以理解為由簡單性迭代而成，所以技術復雜性可以理解為由技術簡單性迭代而成。單個技術的復雜性可以通過時間復雜性、結構復雜性和知識復雜性來進行表征，由于現代機械系統具有非線性和集成性的特點，所以需采用網絡理論與方法表示機械系統復雜工程問題的復雜性，如圖2所示。

圖2 工程問題技術復雜性降解

(3)非技術復雜性降解

由于工程所涉及因素的增加，所涉及的主體增多，還需要具備管理溝通、問題協調、工程規范、工程倫理等方面的非技術能力。極端運行環境特質和多責任主體耦合提升了復雜工程問題的復雜度，對于復雜工程問題的非技術復雜性可以通過WBS方法進行復雜性的降解。

3.復雜工程問題解決能力的提升策略、途徑與方法

(1)解決復雜工程問題需具備的能力

從上述復雜工程問題內涵的解析和復雜工程問題復雜性的降解，可以發現提高學生復雜工程問題的解決能力，應提高學生如下的能力：

① 工程知識的運用能力

復雜工程問題與工程知識之間關聯關系的建構，需要通過工程知識的不斷運用和實踐得以解決，這就要求學生必須具備工程知識的運用能力。

② 問題發現—分析—解決能力

面對復雜度日益提高的復雜工程問題，其解決需要具備從復雜場景中識別問題的能力，需要具備解耦復雜關聯關系、基于科學思維分析與解決問題的能力。

③ 創新思維與工程建模能力

將復雜工程問題進行抽象化建模處理，是降低復雜性，創新運用已知科學知識與方法解決未知工程問題的有效途徑，這就需要學生具備創新思維與工程建模能力，應對復雜場景、多關聯主體、多技術沖突帶來的挑戰。

④ 工程思維與批判思維能力

復雜工程問題的解決，不僅需要在技術上突破現有方法，敢于質疑與批判現有的技術，還需要綜合考慮工程倫理、工程規范和工程實踐標準，這就需要學生具備工程思維和批判思維能力。

⑤ 組織、協調能力與系統觀

復雜工程問題涉及多責任主體利益方，問題解決需要從機械系統整體出發，以系統觀分析系統，統籌耦合因素與場景，協調處理與解決復雜工程問題。

(2)復雜工程問題達成策略-多元研究性挑戰式教學模式。

基于現代建構主義的教育思想，從學生的認知規律和知識建構過程出發，采用問題驅動-項目教學-案例分析-IPD（Integrated Product Development）相結合的多元研究性挑戰教學模式，提升學生復雜工程問題的解決能力。運用此教學模式，復雜工程問題解決需具備的能力、復雜工程問題特征與教學策略之間的對應關系如圖3所示。