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【课堂革命·新工科教改优秀案例】“干中学”:引导学生解决复杂工程问题 ——航空航天学院“问题解决系列”课程教改纪实

文章来源:学生科           添加时间:2019/6/5 15:28:06

   编者按:“课堂是教育的主战场。课堂一端连接学生,一端连接着民族的未来。教育改革只有进入到课堂的层面,才真正进入了深水区。课堂不变,教育就不变;教育不变,学生就不变。课堂是教育发展的核心地带。”近年来,学校坚持立德树人,持续深入推进教学模式与培养模式改革,建设高水平挑战性研究型教学体系和高水平新工科教育体系;掀起“课堂革命”,不断打造“金课”、淘汰“水课”,涌现出一批先进人物和典型案例。新闻中心开设“课堂革命”栏目,将陆续报道分享他们的好做法、好经验。本期推出新工科教改优秀案例、航空航天学院“问题解决系列”课程组的教改经验,以飨读者。

   

   “预备,点火!”一枚学生自制的火箭腾空而起,在预定高度自动开伞降落,搭载在火箭上的大气探测系统实时传回了各种数据。在地面上,来自不同专业的学生分工合作,圆满完成了火箭的发射、遥测和回收。

  这是航空航天学院《探空火箭设计与制作》课程的作业。一整套实验做下来,收获很大。格拉斯哥学院2016级本科生常子祎同学跨专业选修了这门课,他表示,“这个实验课让我们觉得打造‘中国版的Space-X’并不遥远!

     

  该课程是航空航天学院“问题解决系列”课程之一。另外两门课程分别是《团队与系统项目》和《跨学科挑战——火星生存基地建设》,也是各有精彩。其中,《跨学科挑战——火星生存基地建设》要求学生以火星的独特环境为约束条件,设计一个可供人类生存的基地。

  航空航天学院实验中心主任、课程组任玉琢老师表示,“我们希望通过这一系列课程,让学生对工程有系统角度(约束、关联问题)的认识,形成自己可以迁移的问题解决方法,一定程度上提升逻辑思维和决策能力!”
顶层设计:构建新工科教学体系
  在“象牙塔”的环境里培养未来的卓越工程师和创新引领者,这是人才培养的一个共性挑战,也对课程建设和改革提出了更高的要求。对航空航天学院来说,如何培养学生解决复杂工程问题的能力,是教学改革尤其是实验教学所要考虑的重要问题。
  为此,学院在新工科培养方案设计上,参考了工程认证毕业要求和CDIO能力大纲(4方向200+子项),明确了“实验与问题解决、系统思维、学习能力”三个角度的核心工程能力,制订了“航空航天学院工程教育评价标准”。 
  同时,学院把知识、能力、思维、职业态度等要素的培养与不同的学习模式(环境的创设)作为两个维度,构建人才培养体系框架和培养方案路线图;采用“专业知识(课程)+能力(项目)”的双线框架建构整个培养体系,夯实了学生的核心工程能力,突出了学生创新创造与决策评估高层思维的训练。
  在这种理念的指导下,学院着力采用基于项目的学习过程来改进航空航天工程本科专业的人才培养,基本实现了学生从“参与设计与制作的学习”转向“以设计为基础的主动学习和挑战性学习”。“问题解决系列”课程正是在这种理念指导下的大胆探索成果之一。
  据介绍,《团队与系统项目》《探空火箭设计与制作》《跨学科挑战—火星生存基地建设》这3门课程,以开放性问题为载体创设了问题解决的场景,并按照问题复杂程度递进的顺序,构成了“工程问题解决→复杂工程问题解决→复杂问题解决”的问题解决能力培养系列课程。
  同时,该系列课程按照问题“结构化→半结构化→非结构化”的递进顺序,从侧重逻辑思维的训练,逐步过渡到侧重决策评估思维的训练,旨在通过系统训练,重点培养系统思维与系统集成、问题解决能力。
层层递进:从易到难强化动手实践
 《团队与系统项目》课程要解决的是“基于单点故障的工程问题”,它要求学生自行定义机电智能系统的功能、性能参数,设计结构和软件,并解决构建系统过程中出现的系统软硬件故障,解决工程问题。
  课程组任玉琢、周娴老师凝练了“提出假设→设计和开展实验→验证假设和发现问题→解决问题”的问题解决流程,以及与基于逻辑链条的工程推理紧密结合的问题解决方法,从而科学地进行问题解决能力的培养。
  课程组自2015年起对该课程的效果进行了问卷跟踪调查,数据显示,57.1%的学生认为自己的问题解决能力有显著提高,100%学生建议多开此类课程。2018年1月,该课程获评学校优秀教学案例;2017-2018第2学期,该课程为光电学院卓越工程师班开课。
 《探空火箭设计与制作》要解决的是“多关联工程问题”。据介绍,探空火箭系统的设计,需要在射高和载荷能力的需求下,以稳定性和发动机数量的约束,调整一系列的参数(长度、整体质量、直径、阻力、载荷仓质量和体积等),需要经过一定深入的原理性计算,同时包含多个相互关联的子问题,属于典型的复杂问题。
  在课程组任玉琢、刘磊、严尧、韩尧、李翔等老师的指导下,学生通过分组的形式,对各分系统进行实验、设计、制作、调试、测试,最后设计并制作一枚可以完成特定探测任务、并在弹道终点可抛出降落伞进行回收的小型探空火箭到外场进行发射。
  在开放式的动手实践中,学生充分运用项目管理等相关知识,掌握空气动力学、机械制图、通信、传感器、控制等多学科的交叉融合;提高了学生工程科技素养,即对相关技术进行选择、整合、协同、集成的能力,培养了对航天事业的兴趣和项目开发能力。
统筹决策:解决多变量、多关联复杂问题
  由于《探空火箭设计与制作》是一个系统工程,决策时需要考虑的因素有很多,因此,课程组刘磊、任玉琢老师基于“决策树”,构建了“建立基准→评估各个因素对整体的影响程度→指定权重→重排决策树→形成解决流程”的复杂工程问题解决方法,以培养学生对设计类复杂工程问题的解决能力。

 

  这个思维方法为学生从解决“多关联工程问题”升华为解决“多关联问题”奠定了坚实基础。所谓“多关联问题”,比“多关联工程问题”更复杂或者更具有一般性。也就意味着,只要学生掌握了这种方法,就可以举一反三,灵活地向工程问题之外的广阔领域迁移、扩展,解决人文社会科学等领域的诸多复杂性难题。

   在《跨学科挑战—火星生存基地建设》课程中,以火星的独特环境构成约束条件(如低温、无氧气、强辐射、缺少合适资源等),可以形成居住、能源、水和氧气获取等一系列复杂问题。学生需要学会在这些关联的问题中进行问题排序,把握核心问题,围绕核心问题调度资源,进而解决整个复杂问题。

  课程实施过程中,学生普遍对火星主题很感兴趣,但复杂问题解决能力的培养实际上是思维转变的过程,需要学生将注意力从集中于某个形象、具体的解决方案上,逐步转移到问题分析的深度和广度上,进而形成从关键问题到一般问题的问题解决顺序。  

  “很多现实的复杂问题比我们课堂上讲的还要复杂,它都不会告诉我们要求解什么问题,也不会告诉我们什么是已知条件,从提出问题到解决问题,都是没有固定答案的探索。”任玉琢说,“将复杂工程问题扩展到非工程领域,问题的边界更难界定,解决路径更难明确,越是这样,就越需要我们培养学生解决复杂问题的能力,引导他们深入讨论、分析,自己掌握方法,寻找解决多关联复杂问题的方案。”

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