面向解决复杂工程问题能力培养的教学创新设计与实践

摘  要：本教学团队深入贯彻OBE教育理念和立德树人基本思想，以促进学生高阶能力发展为宗旨、以提升学生实践创新能力为目标，经过长期的探索与实践，形成“回归工程、融合创新”的育人理念。构建校外实践、校内实训、油库仿真和精品实验“四位一体”的课程实践体系，创建以油库电子沙盘为枢纽的“面体交叉，动静结合”实景教学资源;充分利用企业优质资源，组建跨界教学团队，创建了校企“三协同”育人机制，形成“一课多师”的师资结构;创设成长式任务导向（GPBL）教学模式，设计阶段教学任务和劣构问题，引导学生以“工程师角色”自主学习，实现能力提升。人才培养质量得到社会行业的广泛赞誉，研究成果得到同行和专家的高度认可，具有良好示范性和辐射作用。

关键词：复杂工程问题;实践教学资源;任务导向;跨界团队

中图分类号：G642      文献标志码：A           文章编号：2096-000X（2022）23-0001-07

Abstract： Our teaching team thoroughly implements the OBE educational philosophy and the basic ideas of strengthening moral education and cultivating people， with the purpose of promoting the development of students' high-level ability， and the goal of improving students' practical and innovative ability. After long-term exploration and practice， it has formed a concept of educating people named "return to engineering， integrated innovation". We constructed a "four-in-one" curriculum practice system of off-campus practice， on-campus training， oil depot simulation and high-quality experiments， and created a real-world teaching resource of "surface-body cross， dynamic and static combination" with the oil depot electronic sand table as the hub. We make full use of the company's high-quality resources， create a cross-industry teaching team and a school-enterprise "three coordination" education mechanism， and a "one lesson with multiple teachers" teacher structure was formed. We created a growing problem based learning （GPBL） teaching model， designed teaching tasks and ill-structured problem in the design stage， and guided students to learn independently in the "engineer role" to achieve ability improvement. The quality of personnel training has been widely praised by the social industry， and the research results have been highly recognized by peers and experts， which have a good demonstrative and radiating effect.

Keywords： complex engineering problems; practical teaching resources; task-oriented; cross-border team

目前，提升学生解决复杂工程问题的能力是油气储运工程专业人才培养的重中之重，其原因有二。一是行业发展的需求。随着“一带一路”倡议、“国家能源安全”重大战略的推进，以及我国一期、二期石油战略储备库的建设，行业对毕业生的工程实践能力和创新能力需求越发迫切。二是工程教育专业认证的需求。1989年，《华盛顿协议》成立，目前已发展成为最具国际影响力的工程教育学位互认协议。2016年我国正式加入《华盛顿协议》，中国的工程教育成果面向全世界进行展示[1]。基于国际人才培养的OBE教学理念，学生解决复杂工程问题的能力越来越重要，在毕业设计12条通用标准中，有8条涉及复杂工程问题[2]，可见其已成为认证毕业生能力的核心指标，在学生培养过程中占有重要地位。

油库设计与管理是中国石油大学（华东）国家级一流专业油气储运工程的专业核心必修课程，先后被评为国家级精品课、国家级精品资源共享课以及首批国家级一流本科课程。其授课对象是本科四年级的学生，有利学情是他们已掌握了数理基础、工程基础知识，初步具备了质疑和探索能力;不利学情是以往解决问题的训练基本上是围绕特定学科的条件所限定的问题（良构问题），运用若干规则和原理获得同一的解决方案，导致学生解决复杂工程问题的能力欠缺。而复杂工程问题的解决，需要学生具有以创新、决策、协作、持续发展等为代表的高阶能力。因此，笔者以油库设计与管理课程为例，基于对复杂工程问题的理解，从实践教学资源、跨界教学团队和教学方法改革三个方面进行阐述，探讨培养学生解决复杂工程问题能力的一些创新举措。

一、复杂工程问题的理解及存在的问题

复杂工程问题大多是非常规的，不能沿用以往的经验，可能涉及互相牵连、相互制约的众多交叉因素，还可能有一些隐秘于问题表面背后的深层次因素，需要综合分析加以解决。一般来讲，“复杂工程问题”具备下述劣构问题的特征[3-6]：（1）必须运用深入的工程原理，经过尝试和比选获得最佳的解决办法;（2）问题缺乏明确的界定，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;（3）问题的构成存在不可知的部分，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;（4）问题无统一的解决方法和步骤，具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

新工科建设的重中之重是实施“卓越工程师教育培养计划”，急需培养出大量具有匠人精神的创新型人才。在此过程中，积极探索培养学生获得面向工程问题解决的能力十分重要，这也是与世界一流高校相对比之下，我们的教育体系存在的问题之一[7]。传统的教育中，面向学生解决复杂工程问题能力的培养主要存在以下几个问题：（1）传统课程教学中“重科学、轻实践，学习无操作”而导致学生工程实践能力不足;（2）传统育人机制中“企业参与人才培养的热度、深度与广度有限”而导致校企之间没有形成教育合力、学生学习不能紧跟行业发展;（3）传统教学模式中“以教师为中心”而导致学生学习无协作、参与度不足、解决复杂工程问题能力欠缺。基于以上问题，笔者所在油库教学团队进行了课程教学的创新设计与实践。

二、面向解决复杂工程问题能力培养的教学创新设计

深入贯彻OBE教育理念和立德树人基本思想，以促进学生高阶能力发展为宗旨[8]，通过创新实践教学资源、创新教学团队和创新教学模式与方法三种途径，着力构建课堂和现场相结合（即跨越时空）、网络资源和现实资源相结合（即虚实结合）、知识理论和实践经验相结合（即知行合一）、以学生为主体教师为主导、师生/生生互动的课程教学体系。

（一）重构实践教学资源体系，建立油库实景教学资源，提高学生工程实践能力

油气储运工程专业毕业生所从事的行业属于典型的易燃易爆场所。虽然在认识实习和专业实习期间，学生有亲临现场的机会，但是学生无法在实习过程中进行任何操作。在传统教学中，仍然秉承以教师讲授为主的理念容易导致学生仅仅掌握了低阶的能力（即知识的理解），没有将知识与实践融合，导致学生工程实践能力不足，进而解决复杂工程问题的能力无从谈起。基于此，教学团队以提升学生工程实践能力为目标，着力完成以下两个构建。

1. 构建了校外实践、校内实训、油库仿真和精品实验“四位一体”的课程实践体系

教学团队根据课程内容需求、地理位置、油库工艺设备是否先进、油库类型等方面选择了多家设计规范、工艺设备先进、技术管理水平高、规模较大的省内示范油库建立了实践教学基地（图1），学生利用认识实习和专业实习机会到实践教学基地进行参观学习，强化了学生对工程问题的认识。构建了典型油库操作实训平台、典型设备拆装平台（图2），学生在课程学习期间到平台进行实操实训、设备拆装，增强了学生触感体验，并培养了学生实际动手能力、团队协作和吃苦耐劳的工作态度。自主研发了油库虚拟仿真系统（图3），学生在虚拟环境中完成了油库工艺流程的切换、收发油任务、油库调度、安全应急演练等工作，实现易燃易爆储运流程和设施的亲历式实训。首创油罐“小呼吸”蒸发损耗实验装置（图4），学生以小组的形式协作开展实验，通过实验方案的制定、实验的测试以及对实验规律的总结分析，培养了学生实际动手能力、分析问题能力、团队协作能力及可持续发展理念。

2. 研制了油库三维电子沙盘，创建了“面体交叉，动静结合”实景教学资源

教学团队根据课程具体教学内容，精心选择了一个典型成品油库的平面布置作为蓝本，设计了三维电子沙盘（图5）。以其为枢纽，将课程各个知识点全部展现在油库三维电子沙盘中，实现了平面资源的立体化;将图片、动画、实景视频等动态或静态资源有机贯穿于课程各个知识点的学习之中，实现了静态资源的动态化。这样“面体交叉、动静结合”的教学资源从多角度、多层次、全方位地展示了课程的精华。在导航地图的帮助下，学生可以“像玩游戏一样”自主点击、身临其境学习油库构造设计和油品运输生产过程，满足了学生自主学习的需求，同时提升了学生学习兴趣。

（二）充分利用企业优质资源，创建跨界教学团队

目前高校普遍存在教师培训管理制度不完善、无法定期开展教师工程实践能力培训等，导致教师知识得不到更新，专业前沿知识涉猎不足，知识面受限，传授给学生的知识不具备时效性，甚至有些知识、技能已经被社会淘汰，使得学生学习不能紧跟行业发展[9]。为此，笔者所在的油库教学团队教师与中国石油集团华东设计院、东华工程科技股份有限公司（前化学工业部第三设计院）的优秀工程师组建了跨界教学团队，按照“产教深度融合、校企协作双赢”的理念，创建了“教师工程素养协同培养、教学过程协同合作、教学效果协同评价”的“三协同”育人机制，形成“一课多师”的师资结构。

1. 教师工程素养协同培养机制

每年定期邀请团队的校外专家对教师进行工程能力培训，教学团队教师到设计院所进行设计环节和设计软件培训（图6）。专任教师可根据课程内容掌握行业最新动态，学习企业新工艺、新方法等，大大提高了教师自身的工程实践教学能力。

2. 教学过程协同合作机制

为了使学生在实践教学过程中能够学到更为贴近生产实际的知识，教学团队工程师作为实践教学指导教师，协助带队教师共同指导学生实践教学。定期邀请团队工程师到校对学生进行设计指导，提升学生的设计能力。油库跨界教学团队定期组织教学内容、教学设计、教学大纲的研讨及修订工作。

3. 教学效果协同评价机制

引导设计院专家进课堂（图7），参与专题汇报、实践实训、阶段设计任务等环节考评，大大提高了学生培养质量。