微精选

一、项目简介

《机械设计》课程存在公式多、图表多、因素多、关系多、内容多和要求多六大难点，知识具有“散、碎”的特点。按照课程设计指导书，学生“能”完成设计，然而新形态机械系统复杂工程问题具有设计情境复杂、多因素和多重约束的特征，因此面对具有复杂情境的实际设计问题时，学生往往束手无策，不“会”设计。本项目针对《机械设计》课程教学中存在的痛点问题展开研究，以“解决复杂工程问题”为导向，以一流课程建设的“两性一度”为标准，研究了何为“复杂工程问题”、如何降解复杂工程问题的复杂性、如何提升复杂工程问题的解决能力三个问题，旨在使学生从“能”设计到“会”设计。

二、解决的主要问题

复杂工程问题解决能力是卓越工程师人才培养的重要一环，项目组以提高学生复杂工程问题的解决能力为目标，以一流课程建设的两性一度为标准，主要解决了如下三个问题：

1.复杂工程问题内涵的深度探究与解析

复杂工程问题中的“复杂”缺乏统一和确定的概念，对复杂工程问题内涵理解的程度影响教学改革策略的制定。结合《机械设计》课程的特点，从复杂性理论、现代工程的技术与非技术特征以及机械系统特征三个角度，剖析了机械系统复杂工程问题的内涵，获得机械设计复杂工程问题具备的特征。

2.复杂工程问题的降解与解耦

对于机械系统而言，伴随现代工程以及机械系统所具备的新特征，机械系统复杂工程问题具备技术和非技术因素的复杂性。本项目基于对复杂工程问题内涵的解析，首先从工程问题的技术复杂性和非技术复杂性两个维度进行了复杂工程问题类型的梳理；其次对技术和非技术复杂性的降解进行了研究。

3.复杂工程问题解决能力的提升策略、途径与方法

基于复杂工程问题内涵的解析和复杂工程问题复杂性的降解，提取学生解决复杂工程问题所需要具备的能力。基于建构主义的教育理念，研究了教学方法与能力培养之间的关系，在此基础上提出了多元研究性挑战教学模式。

三、问题的解决方法

1.复杂工程问题内涵的深度探究与解析

(1)复杂性理论视角

复杂是系统的属性，基于复杂系统理论的视角，当今的机械系统具有复杂系统的非线性、不确定性、开放性、多样性和无序性等特征。一方面，对于机械设计领域要解决的复杂工程问题而言，由于其研究对象—机械系统的复杂特征愈发明显，且呈现日益提高的趋势，导致实际工程问题的复杂性在提高。另一方面，机械设计领域的工程问题涉及多学科、极端环境等特征。

(2)现代工程的技术与非技术特征视角

对于复杂工程问题的内涵，应从“复杂”和“工程”两个层面进行解析。对于现代工程而言，由于技术高度集成、涉及的利益相关者在增加、不确定性提高、工程规模和影响范围日益增加，因此工程的范围和外延明显增加，这就需要设计工程师考虑更多的因素。随着工程范围的拓宽，工程问题的复杂性体现在两个方面，一个是技术层面的复杂性，另一个是非技术层面的复杂性，如图1所示。

图1 工程问题复杂性 

(3)机械系统特征视角

现代机械系统具有智能化、集成化和柔性化的特点，机械系统的发展趋势为高效率、高精度、极限功能和高品质，机械系统结构和功能呈现出非线性、时变性、强耦合性和开放性等复杂系统所具备的特点。基于复杂系统理论和设计过程的复杂性理论，机械系统的设计须从功能角度出发，研究功能结构的非线性、时变性和解耦方法，获得设计方案。另外，技术层面的复杂性还体现在现代机械系统的设计需要具备多学科交叉的知识。

基于上述三个角度对复杂工程问题内涵的解析，可以总结出机械系统复杂工程问题所具备的特征如表1所示。

 表1  机械系统复杂工程问题的特征

2.复杂工程问题的降解与解耦

(1)复杂工程问题分类

基于对复杂工程问题内涵的解析，分别从工程问题的技术复杂性和非技术复杂性两个维度进行考虑，复杂工程问题可以分为如下四种类型：

① A类：简单工程问题，即可以运用成熟技术和理论解决的简单关联关系应用场景的工程问题。

② B类：强关联性工程问题，即可以综合运用较为成熟的技术和理论解决具有多主体、多种耦合关系存在的工程问题。

③ C类：系统工程问题，即需要运用新的理论和技术解决简单关联关系应用场景的工程问题。

④ D类：多冲突复杂工程问题，即需要运用新技术和新理论解决具有多主体、多种耦合关系存在的工程问题。

对于A类问题，从教学的视角，可以通过课堂教学和实践环节培养学生对此类工程问题的解决能力，使学生具备初步的工程问题分析能力。对于B类、C类和D类问题来说，存在技术或非技术的高阶复杂性，因此解决此类问题，需要从技术或非技术维度进行复杂性的降解与解耦。

(2)技术复杂性降解

技术可以理解为由子技术迭代而成，而复杂性可以理解为由简单性迭代而成，所以技术复杂性可以理解为由技术简单性迭代而成。单个技术的复杂性可以通过时间复杂性、结构复杂性和知识复杂性来进行表征，由于现代机械系统具有非线性和集成性的特点，所以需采用网络理论与方法表示机械系统复杂工程问题的复杂性，如图2所示。

图2 工程问题技术复杂性降解

(3)非技术复杂性降解

由于工程所涉及因素的增加，所涉及的主体增多，还需要具备管理沟通、问题协调、工程规范、工程伦理等方面的非技术能力。极端运行环境特质和多责任主体耦合提升了复杂工程问题的复杂度，对于复杂工程问题的非技术复杂性可以通过WBS方法进行复杂性的降解。

3.复杂工程问题解决能力的提升策略、途径与方法

(1)解决复杂工程问题需具备的能力

从上述复杂工程问题内涵的解析和复杂工程问题复杂性的降解，可以发现提高学生复杂工程问题的解决能力，应提高学生如下的能力：

① 工程知识的运用能力

复杂工程问题与工程知识之间关联关系的建构，需要通过工程知识的不断运用和实践得以解决，这就要求学生必须具备工程知识的运用能力。

② 问题发现—分析—解决能力

面对复杂度日益提高的复杂工程问题，其解决需要具备从复杂场景中识别问题的能力，需要具备解耦复杂关联关系、基于科学思维分析与解决问题的能力。

③ 创新思维与工程建模能力

将复杂工程问题进行抽象化建模处理，是降低复杂性，创新运用已知科学知识与方法解决未知工程问题的有效途径，这就需要学生具备创新思维与工程建模能力，应对复杂场景、多关联主体、多技术冲突带来的挑战。

④ 工程思维与批判思维能力

复杂工程问题的解决，不仅需要在技术上突破现有方法，敢于质疑与批判现有的技术，还需要综合考虑工程伦理、工程规范和工程实践标准，这就需要学生具备工程思维和批判思维能力。

⑤ 组织、协调能力与系统观

复杂工程问题涉及多责任主体利益方，问题解决需要从机械系统整体出发，以系统观分析系统，统筹耦合因素与场景，协调处理与解决复杂工程问题。

(2)复杂工程问题达成策略-多元研究性挑战式教学模式。

基于现代建构主义的教育思想，从学生的认知规律和知识建构过程出发，采用问题驱动-项目教学-案例分析-IPD（Integrated Product Development）相结合的多元研究性挑战教学模式，提升学生复杂工程问题的解决能力。运用此教学模式，复杂工程问题解决需具备的能力、复杂工程问题特征与教学策略之间的对应关系如图3所示。

图3  教学策略—能力—特征关系

从图3中可以看出，通过项目教学、难度逐级提升的问题链式探究教学和案例分析，可以达到提高复杂工程问题解决能力的目标。

以《机械设计》课程带传动的受力分析为例，该教学模式的实施策略如图4所示，教学设计流程如图5所示。

图4 带传动受力分析教学策略

图5 教学流程设计

四、研究成果和创新点

1.研究成果

本项目自实施以来所取得的研究成果如下：

（1）2022年7月，获得2022年机械设计基础课程教学设计评优竞赛特等奖。

（2）2022年9月，获得第七届全国高等学校教师图学与机械课程示范教学与创新教学法观摩竞赛一等奖。

（3）2022年，获批教育部机械基础教指委教改项目“基于BOPPPS和ARCS教学模型的多元研究性挑战式教学模式研究”。

（4）发表教研论文3篇。

（5）知行耦合、多元融合、产学协同的机械设计课程教学模式改革获得华北电力大学教学成果二等奖，2021年。

（6）2021年7月，获得第六届全国高等学校教师图学与机械课程示范教学与创新教学法观摩竞赛二等奖。

（7）2021年，获得第六届西浦全国大学教学创新大赛优秀奖。

（8）2021年，杨化动入选华北电力大学教学名师培育计划。

（9）2021年，《机械设计》课程入选华北电力大学课程思政示范课程。

2.创新点

（1）结合课程特点，从多视角解析了复杂工程问题的内涵和特征，探讨了复杂性降解的策略。

（2）基于建构主义教育思想，提出了复杂工程问题解决能力提升的多元研究性挑战式教学模式。

五、推广应用情况

1.本课程提出的教学模式及体系获得了教育部机械基础教学指导分委员会的认可，受邀在全国机械设计教学研讨会上面向全国同行做主题汇报。

2.在教育部高等学校机械类专业教学指导委员会指导的教学案例研讨会中，分享所探索的教学模式，得到国内同行的认可。

3.受邀在教育部机械设计课程群虚拟教研室，面向全国同行做了两场机械设计课程的直播公开课，得到国内同行的肯定。

4.分别于2021年和2022年指导云南红河学院进行《机械设计》课程的教学改革。