以培养解决复杂工程问题能力...综合设计课程教学改革与实践_林有胜.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1682023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0168-04以培养解决复杂工程问题能力为目标的专业综合设计课程教学改革与实践林有胜，何 清，陶 实，葛 亚，李 超，郭晓娟，陈佰满（东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523808）摘要：培养学生解决复杂工程问题的能力是国家级一流本科专业建设点与工程教育专业认证的重要组成部分。针对现有专业综合设计课程在培养学生解决复杂工程问题能力方面的不足，结合学校高素质应用型创新人才的培养目标，通过 4 个方面进行教学改革，分别是以项目化和团队协作式构建符合复杂工程问题特征的设计任务、重构突出表现能力要素的教学考评体系、以学生为中心创新教学方法与模式和有机融入课程思政强化非技术性能力的培养。初步实践结果和学生反馈均表明，该教学改革切实提高了学生对复杂工程问题的解决能力，对能源与动力工程专业工程教育认证水平的提高具有积极的促进作用，对其他同类型的实践实训课程教学改革也具有一定的借鉴意义。关键词：工程教育专业认证；项目驱动；解决复杂工程问题能力；教学改革中图分类号：G642文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.0521研究背景工程教育专业认证以“学生中心、产出导向、持续改进”为基本教育教学理念，将该理念始终贯穿在人才培养方案、培养目标、课程体系、毕业要求、教学评估与评价及教学质量保障体系中是工程教育认证的标准1。本科工程教育的定位是学生不仅要具备深入理解和把握复杂工程问题的能力，还要具有解决复杂工程问题的能力2。中国于 2017 年 11 月修订的工程教育认证标准中 12 条“毕业要求”中有 8 条涉及到“复杂工程问题”，解决复杂工程问题这一核心能力的达成对实现毕业要求与人才培养具有举足轻重的地位3。工程教育认证通用标准对“复杂工程问题”的特征进行了界定，如图 1 所示，其必须具备特征（1），同时具有特征（2）（7）的部分或全部3。可以看出，复杂工程问题需要考虑到技术与非技术因素。更进一步的，复杂工程问题的特征还需与人才培养定位、专业特色、课程内容相结合相适应。因此，近年来围绕“如何培养学生解决复杂工程问题的能力”开展了一系列的教学研究与改革工作4-5。作为课程体系组成单元，每一门课程在培养学生解决复杂工程问题能力的过程中承担不同的任务与功能。尽管诸多学者对学生工程能力的培养提出了很好的建议，但由于学科差异，每门课程都有独特的专业特色、教学特征与地域需求4-6。作为一门专业课程，如何承担起培养学生解决复杂工程问题能力的目标是摆在所有专业类课程面前的现实难题。“能源与动力专业综合设计”课程作为一门实践类项目化课程，着力于体现实践训练的综合性和不同学科间的相互渗透与交叉，学生围绕实际工程问题开展方案分析、设计和评价，在任课教师的指导和团队合作下提出对整个工程问题的完整解决方案。课程安排在大四上学期，既是对前 3 年所修课程的一次综合性运用，同时也为即将开展的毕业论文（设计）打下扎实的基础，在课程体系中起着承上启下的关键作用。从近几年的培养效果来看，该课程加深了学生对专业知识的认识，巩固和提高学生的对能源应用系统的设计能力，学生的创新意识和综合能力得到进一步的提高。但随着工程教育专业认证的推进，本课程已在多个方面上逐渐落后于认证标准，主要存在的问题如下：设计内容符合复杂工程问题特征的程度有待提高。设计内容综合性低，未考虑多方面的技术因素，且设计与计算内容的框定较难让学生自主发挥，创新 基金项目 广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（编号：粤教高函 2023 4 号、粤教高函 202020 号）；东莞理工学院校级质量工程项目（编号：202102033、202102051 和 201902022）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期169意识培养在设计环节中体现偏弱；缺乏运用现代工程工具或信息技术工具建立合适的物理或数学模型进行传热传质、流体输配等模拟与验证，不利于培养学生的深度分析与论证能力。教学方法与模式较为传统。主要采用课堂讲授与辅导、线上演示与视频自学等传统教学方法与模式，急需引入多样化的教学方法，突出学生的主体地位，引导学生开展自主、合作、探究学习。对非技术因素能力培养缺乏足够的重视。对工程问题所涉及到的社会、健康、安全、文化以及环境等因素并未开展分析，对于团队之间如何培养协作精神、如何能清晰展现和陈述设计方案未能进行很好的指导。课程考核与评价体系不合理。原有采用团队答辩成绩贡献值+个人平时成绩的教学考核与评价效果不佳，对表现能力要素的考核与评价不足，尤其在考核评价学生解决复杂工程问题能力的培养效果上，同时考核方法要在原则上避免浑水摸鱼型学生的存在。鉴于此，以专业综合实践课程为载体，围绕如何设计具有上述特征的用于工程师培养的复杂工程问题、如何考核评价学生解决复杂工程问题能力的培养效果并持续改进等问题开展教学研究与改革，对于培养学生解决实际复杂工程问题能力具有重要的现实意义。图 1工程教育认证通用标准中对复杂工程问题的特征描述2教学改革思路与目标本文以工程教育专业认证标准为导向，结合学校人才培养定位与专业特色，旨在从单个专业综合课程设计课程的角度，将复杂工程问题的特征预先设计融入到教学内容中，重构教学评价体系，创新教学模式与方法，有机融入课程思政，在实践教学环节过程中充分考虑技术与非技术能力的培养，切实提高学生对复杂工程问题的解决能力。以此教学改革与实践为契机，逐渐形成具有项目化特色的能源与动力类综合专业设计课程，为解决同类型的实践与实验课程所存在的无法有效培养学生解决复杂工程问题能力的共性问题提供借鉴与指导，进而有望提高能源与动力工程专业工程教育的认证水平。3教学设计与改革3.1以项目为驱动，构建符合复杂工程问题特征的设计任务树立“学生中心、产出导向、持续改进”的教育教学理念，以工程教育专业认证标准为导向，教学目标中至少要包含 2 条技术性毕业要求（设计/开发解决方案、使用现代工具）和 2 条非技术性毕业要求（个人与团队、表达与沟通），以支撑培养解决复杂工程问题能力的要求。结合专业特色、地区优势和社会需求，构建符合图 1 中复杂工程问题特征的项目化设计任务。具体为：通过查阅相关设计手册和参考文献掌握太阳能+空气源热泵热水系统的运行原理，根据给定城市当地气候与日照条件，设计适用于不同建筑类型、不同使用人数的太阳能+空气源热泵热水系统。在综合考虑能源利用效率、经济可行性及安全环保的情况下，选择合适的集热器、空气源热泵、储水箱、管道与水泵，同时还需计算出恶劣天气情况下采用电能驱动空气源热泵的用电功率。对上述设计的水热系统采用Fluent、COMSOL 等专业数值模拟软件建立合适的物理模型验证方案的合理性与可行性，包括进出口温度是否符合设计要求、能源综合利用效率与传热效率大小等。根据模拟验证结果，修正或调整太阳能水热系统的设计与选型。本部分为自主性设计与模拟内容，旨在锻炼学生综合运用现代工具建立合适的模型解决工程问题的能力。随后，通过 AutoCAD 和 Solidworks等专业软件对整个太阳能水热系统、管道布置、建筑平面图进行展示。强化非技术性能力与素质的培养，以思考题的形式对本工程可能造成的健康影响、安全他科技与创新Science and Technology&Innovation1702023 年 第 03 期隐患、环境污染等进行论述，以课堂讨论形式分析社会效益和经济效益。以上项目化设计内容满足工程教育专业认证中“复杂工程问题”的（1）（3）（4）（6）（7）特征，具体对应如表 1 所示。表 1专业综合设计实验“复杂工程问题”特征点与对应实现的内容或途径“复杂工程问题”特征点对应实现的内容或途径（1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决太阳能+空气源热泵热水系统涉及到了复杂的传热传质、流体力学等专业基础知识，需要深入分析实际情况，设计符合技术标准与规范的工程，综合运用数值仿真、CAD制图等验证和呈现工程案例（3）需要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需通过建立热负荷计算模型、太阳能热水系统传热传质模型，学生可自主选择相应的数值仿真软件，体现了设计过程的创造性（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的需查阅相关文献资料、设计手册、热力计算、数值模型和 CAD 制图才能完成整个解决方案的设计，解决方法多样化（6）问题相关各方利益不完全一致利用可再生太阳能作为能源，节能效果好，但用能受季节与气候影响大，相比于采用空气能热泵或直接电能供热的稳定性较差，且设备投资较大。节能需求与用能方之间存在冲突，需要从社会效益、环境效益和经济效益等多方面综合考虑（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题需综合考虑到太阳能供热采暖技术、换热器技术、流体工程仿真技术及建筑节能技术，各个涉及环节紧密关联、相互验证项目任务的高效完成需要学生综合运用“换热器原理”“传热学”“流体力学”“计算流体力学”“工程制图”“可再生能源”“能源工程与管理”等课程中的知识，体现综合课程设计实验的综合性和不同学科间的相互渗透与交叉，同时充分培养了学生文献研究与实验分析能力、复杂工程系统设计与开发能力、现代工具使用能力、团队协作能力和沟通交流能力，从而使学生的科学思维能力、综合能力和创新意识得到进一步提高，达到了培养学生解决复杂工程问题能力的目的。3.2重构教学评价体系，突出表现能力要素的考核重构如表 2 所示的专业综合设计课程考核与评价体系，通过表现能力要素的方式来准确考核评价课程学习效果，其中团队考核 80%，个人考核 20%。表 2突出表现能力要素的考核与评价体系考核与评价项目权重/（%）考核内容团队考核信息查阅能力：文献调研报告5认识太阳能热水系统的优势与劣势，文献资料翔实、调研报告逻辑严谨理论分析与设计能力：太阳能热水系统设计报告30综合运用数理、自然与工程知识和原理设计符合规范与标准的太阳能热水系统，能对其中关键问题进行有效的解决现代工具使用能力与创新思维：模拟与 CAD 制图30不拘泥于现有技术与知识建立精确的物理模型，数值模拟与热力计算结果相互验证，验证过程具有一定创造性，CAD 制图规范清晰非技术性能力：思考题与课程讨论的参与度和深度5充分理解太阳能热水系统对社会、节能与环境的影响，了解设备投资与经济效益，参与度高协作能力与合作精神5团队配合默契、分工明确、按时按质量完成设计内容、验证及展示工作报告撰写与汇报能力：报告规范性、方案展示5报告撰写规范、排版整洁，思路清晰、方案逻辑科学，汇报顺畅个人考核个人负责部分的汇报与熟练程度10对个人负责的设计部分或工作任务有明确的解决思路，汇报顺畅对整个报告的抽查与问答5正确地认识与了解其他团队成员负责的工作，正确回答教师的抽查提问平时表现及个人收获总结5出勤情况、主动学习与小组成员的互动交流，并简要总结团队与个人之间的合作情况3.3以学生为中心，丰富教学方法与模式对于基础的原理与知识、设计的原则与内容主要采用课程讲授的方式进行；对于太阳能热负荷计算模块采用“翻转课堂”的教学模式，在课前向学生发放计算参考资料，学生课前通过查阅文献和初步计算，在课堂上要求学生对计算依据、计算过程、解决方案等进行解答与汇报，由原来的“课上传授，课后内化”转化为“课前传授，课上内化”，促进学生学习方式的转变；对于数值模拟与太阳能热水系统管网图采用研讨式与启发式的方式进行探索性学习，不限于将数值模拟的原理、软件包、教程及注意事项等通过视频或线上教学的方式让学生自主学习，包括但不限于Fluent、COMSOL、AutoCAD 和 Solidworks 等专业软件。在课堂教学中，任课教师采用案例式进行教学与协助指导，突出学生的主体地位，引导学生开展自主合作、探究学习；采用团队协作的方式进行，团队成Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期171员之间相互沟通、联合设计、模拟与验证，不定期地任选团队中某一学生进行阶段性汇报，避免出现部分学生蒙混过关的现象，强调学生的全过程参与；倡导各个团队之间相互学习与借鉴，弥补实践类课程课堂教学课时不够的缺陷，同时给予学生更大的空间、更多的时间、更灵活的方式，与同学共同或相对独立的分析、研究和解决复杂工程问题。3.4有机融入课程思政，强化非技术性能力的培养有机融入不少于 4 个课程思政融入点，如可再生能源对中国“碳达峰”与“碳中和”的贡献；创新课堂教学，以讨论式、思考题及讲故事的形式，讲述学术大师们的坚持不懈、自主创新的成长道路，引导学生树立正确的理想信念、科学的思维方法；发掘实践环节中蕴含的思政元素，培养学生自觉遵守制度，重视环保与生命安全，在发现、质疑与探索中训练创新思维；从解决复杂工程问题过程中团队配合、个人贡献等角度，正确认识个人与集体、小我与大我的关系，养成严谨、团队协作的良好作风。通过课程思政的有机融入，达到培养学生解决复杂工程问题的非技术性能力的目的。4课程实践与改革成效基于上述的教学设计与改革，形成了如图 2 所示的实施路线图，在教学内容、教学评价体系、教学模式与方法和课程思政等 4 方面推动以培养复杂工程问题解决能力为目标的专业综合设计课程教学改革实践。经过近 1 年的初步实施，2018 级能源与动力工程专业组建 23 个团队完成了对全国 23 个具有不同年太阳能总辐照量的 3 大类建筑类型的特色项目化设计，综合运用了多学科的专业知识、行业标准和工程原理对相互关联的子问题进行了热力计算、理论计算和模拟验证的多维度分析和系统设计，较好地平衡了节能、环保和成本三者之间的冲突。团队成员之间协作密切、各有所长，能充分结合太阳能热水系统的特点，融入自己的创新想法，并对标行业标准验证设计系统的安全性。大胆尝试采用新的方法构建建筑 3D 布局图，立体化呈现设计方案。这个过程很好地培养了学生的创新思维和能力。从团队答辩和报告总结来看，大部分学生认为通过此项目化专业综合设计课程的训练，提高了将抽象问题变为具体对象的分析能力、仿真实训能力以及组织专业术语与交流沟通的能力，为高质量完成毕业设计（论文）奠定了坚实的基础。结课后对学生进行问卷调查的结果显示，97.44%的学生认为本课程具有明确的实际工程问题和清晰多维度的评价体系，92.31%的学生认为任课教师注重非技术能力的培养和课程思政的融入，89.74%的学生认为项目化设计内容有难度、有新意、有案例。从汇报答辩、报告质量与达成度分析来看，突出表现能力要素的教学考核和评价体系对学生技术能力和非技术能力形成进行了全方面的考评，为下一步持续改进提供了方向性的指导意见。总的来说，通过该课程的教学改革和实践，学生的创新思维和知识结构得到了进一步提高和完善，具备了综合运用专业理论和现代技术工具协作解决分布式能源利用领域实际复杂工程问题的能力，符合东莞理工学院培养高素质应用型创新人才的目标，切实提高了能源与动力工程专业工程教育专业认证的水平。图 2以培养复杂工程问题解决能力为目标的专业综合设计课程教学改革实施路线图（下转第 175 页）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期175清+软化”预处理后才能进入结晶系统。4.3主烟道烟气喷雾蒸发干燥方案将末端废水雾化后喷入锅炉尾部烟道内。但是在机组负荷较低的工况下，脱硫废水瞬间蒸干较为困难，在低负荷工况下该工艺运行还存在不确定性，此工艺要求烟气温度必须在 110 以上。且空预器出口至除尘器进口烟道水平距离要在 10 m 以上，很多电厂难以满足瞬间蒸干的要求。3 种方案理论上均能达到脱硫废水深度处理的目的，但因蒸发结晶造价高，产生的结晶盐的环保风险较大，需要对末端废水进行预处理，运行费用较高。5结语与展望火力发电厂末端高盐废水系统水质变化较大，系统工程投资较高、系统运行费用较高。末端高盐废水处理系统工艺方案存在多种处理方式，多数工程案例已经运行，并取得了良好的效果。参考文献：1环境保护部.HJ 23012017 火电厂污染防治可行技术指南 S.北京：中国环境科学出版社，2017.2电力行业环境保护标准化技术委员会.DL 9972006 火电厂石灰石-石膏湿法脱硫废水水质控制指标S.出版社不详，2006.3张江涛，曹红梅，董娟，等.火电厂废水零排放技术路线比较及影响因素分析 J.中国电力，2017，50（6）：120-124.4张全斌，周琼芳，梁婕.燃煤电厂脱硫废水零排放技术综述与应用研究J.环境科学导刊，2019，38（4）：59-64.5贾西部.高盐废水调质后在余热烟气中的蒸发应用J.环境工程，2018，36（5）：49-53.6连坤宙，陈景硕，刘朝霞，等.火电厂脱硫废水微滤、反渗透膜法深度处理试验研究J.中国电力，2016，49（2）：148-152.7郑利兵，魏源送，焦赟仪，等.零排放形势下热电厂脱硫废水处理进展及展望J.化学工业与工程，2019，36（1）：24-37.8曹蕃.燃煤电厂废水零排放技术路线研究J.华北电力技术，2017（12）：56-62.9柴晋，万忠诚，武凯.燃煤电厂脱硫废水烟气蒸发技术进展与应用 J.洁净煤技术，2019，25（2）：25-31.作者简介：刘进（1979），男，湖北竹溪人，高级工程师，主要从事电厂水处理工程设计方面的工作。（编辑：丁琳）（上接第 171 页）5结语基于工程教育认证标准，专业综合设计课程围绕“培养学生解决复杂工程问题的能力”这一核心目标进行教学改革，从教学内容设计、教学考核与评价体系、教学方法与模式和非技术能力培养等多方面、综合性的角度，强化综合性项目化实践课程对学生解决实际复杂工程问题能力的培养过程。初步实践和学生反馈结果表明，本课程的教学改革有效提高了学生对实际复杂工程问题的解决能力，达到了能源与动力工程专业工程教育专业认证的培养目标及要求，具有项目化特色和团队协作式的综合专业设计课程为同类型实践实训课程提高学生解决复杂工程问题能力的培养提供了参考。参考文献：1成晓北，王晓墨，罗小兵.工程教育认证背景下能源动力类专业改革的探索J.高等工程教育研究，2019（增刊 1）：11-13.2林健.如何理解和解决复杂工程问题：基于华盛顿协议的界定和要求J.高等工程教育研究，2016（5）：17-26，38.3中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017 年 11 月修订）.DB/OL.2022-07-05.https:/ 17 届（ISSF-2021）学术交流会暨教学研讨会论文集，北京：工业建筑杂志社，2021：408-411.作者简介：林有胜（1990），男，福建龙岩人，工学博士，讲师，研究方向为能源高效清洁利用。通信作者：何清（1987），男，湖北天门人，工学博士，特聘副教授，研究方向为颗粒动力学。（编辑：王霞）