试论专业综合课程设计在高等工程教育中的作用和地位

试论专业综合课程设计在高等工程教育中的作用和地位

王代华

(重庆大学，重庆400044)

1　引言

近年来，对高等工程教育的模式、发展方向以及人才培养目标的研究受到工程教育专家的重视。如最近张光斗院士、朱高峰院士、潘云鹤院士等专门撰文谈论工程教育^［1-5］，对工程教育的形势与任务、人才培养要求、发展与改革方向等作了深入的论述。其中高等工程教育对人才培养的要求是最受人关注的，具有共同性的结论如下:①创新精神和能力的培养，②解决实际问题能力(动手能力)的培养，③人文精神与团队协作能力的培养，④多学科综合能力的培养。无论是教育思想还是人才的培养目标，在高等工程教育过程中都需要靠具体的教学环节来保证和实现。如何在高等工程教育过程中，在有限的时间和经费情况下通过合理的课程体系和具体的课程达到上述目标，这是目前工程教育面临的共同问题。尽管有很多人在教学一线艰苦探索，但是关于这方面的研究报道很少。

本文作者结合在测控技术及仪器专业本科教学中开设专业综合课程设计的教学实践^［6］，介绍了专业综合课程设计这一实践教学环节的目的，给出了专业综合课程设计的选题原则，论述了专业综合课程设计与其他教学环节的关系及专业综合课程设计在高等工程教育中的作用和地位。发现专业综合课程设计在高等工程教育中具有其他教学环节不可替代的作用和地位，对实现高等工程教育的人才培养目标具有重要意义。

2　专业综合课程设计

2．1　定义

根据作者在测控技术及仪器专业本科教学中开设专业综合课程设计的实践^［6］，对专业综合课程设计可以给出如下定义:专业综合课程设计是在本科高等工程教育教学中的一种实践教学环节，一般是在结束所有的本科教学环节并准备进入毕业设计之前(对四年制本科生，一般安排在第7学期末和第8学期初)的一种大型综合教学环节，时间一般为4个教学周。通过专业综合课程设计，使学生综合利用所学的本专业基础知识，利用现代设计方法和工具并在规范的流程指导下解决和完成一项本专业具有代表性的工程设计问题，培养学生解决工程实际问题的能力。

根据定义，在组织和实施专业综合课程设计的过程中必须保证选题是本专业领域具有代表性的工程设计问题，最好涉及与本专业相关的各种现代设计方法与工具。另外，专业综合课程设计必须是在有样本参照和教师指导下完成，时间应相对集中，保证学生全程参与，接受规范化的训练。

2．2　课程目的

在上面的定义中已给出了专业综合课程设计的主要目的，可以进一步详述如下:

①使学生从全局上了解和基本掌握进行与本专业相关的工程设计的完整过程和各个环节;

②让学生巩固和系统掌握本专业的基本理论知识和各种现代设计工具，将大学里几年来学习的知识点“串”起来，形成有机的整体;

③培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用本专业的理论知识和现代设计工具解决具体设计问题的能力;

④促进学生从科学思维模式向工程思维模式的转变，体现工程教育的特点;

⑤通过多人共同完成一项设计任务使学生认识到与人协作的重要性及协作技巧;

⑥使学生掌握查阅文献和工程设计手册的能力，掌握设计说明书的撰写方法及基本技能，培养工程师的素质。

2．3　选题原则

根据课程目的可以得出专业综合课程设计的选题原则:

①选题必须在本专业要解决的工程对象中具有典型性，能够包括各个环节，这样使学生可以得到综合训练;

②选题最好具有多种解决方案，可以进行方案分析和比较;

③选题最好是教师熟悉的对象或者有详细的参考文献供参考，让指导教师很快理解选题的各个方面，便于指导教学;

④选题最好涉及各种现代设计工具，便于学生将所学的设计工具灵活运用，培养解决工程问题的能力;

⑤针对选题的解决方法要具有创新性，通过引导学生使其领会在解决工程问题的过程中创造性思维方式的应用。

3　测控技术及仪器专业综合课程设计的具体实践

为了方便第4节比较，本文在此简要介绍在测控技术及仪器专业开设专业综合课程设计的实践，详细内容可以参考文献［6］。

3．1　选题及其特点

测控技术及仪器专业是仪器科学与技术学科下设的一个本科专业。仪器科学与技术学科是融合多学科内容的综合性学科，以信息的获取为主要任务，并与信息的传输、处理及应用紧密结合。测控仪器是典型的信息获取、处理、传输的通道。对典型的测控仪器，往往涉及精密机械技术及系统、光电技术及系统、软件技术及系统等。因此，为了体现测控技术与仪器专业的特点，专业综合课程设计的选题应该反映测控仪器的各个环节。

3．2　设计任务

结合在学生能力培养方面的具体要求以及时间限制，将设计任务分成两类，即共同任务与小组任务，如表1所示。共同任务是每一个设计小组和每一个学生都必须完成的任务，包括总体设计、精度设计、精度分析与综合、撰写设计报告。分组任务是每一个设计小组需要完成的任务，如精密机械子系统设计小组主要完成仪器系统的精密机械子系统设计，同时熟悉光电子系统设计和软件子系统设计。同样，光电子系统设计组主要完成仪器系统的光电子系统设计，同时熟悉精密机械子系统设计和软件子系统设计。软件子系统设计组主要完成仪器系统的软件子系统设计，同时熟悉精密机械子设计和光电子系统设计。

表1　设计任务

3．3　实施方式

在高等工程教育的教学环节中培养学生的协作意识是非常重要的。根据测控仪器系统的构成环节多、结构复杂、设计任务繁重等特点，同时为了培养同学之间的竞争与协作意识，专业综合课程设计采取分组的方式进行，具体分组方法及关系可以参考表2。在具体指导专业综合课程设计的过程中，将一个教学班分成从事相同题目的设计工作的3个设计组，再将每一个设计组分成3个子系统设计组，分别完成精密机械子系统设计、光电子系统设计和软件子系统设计工作。由于每一个设计组内的3个设计小组共同完成一个系统的设计工作，他们之间必须相互协调才能共同推进设计工作，因此自然形成了一种团队协作关系。由于在评定成绩时将一个设计组的成绩基本定位在一个级别，对于3个设计组之间自然形成竞争关系。通过上述方法，同时在教学过程中引入竞争机制与协作机制。当然，为了推进设计工作，协作是主要的。

表2　分组方法

3．4　设计工具

随着信息技术的发展，在工程设计过程中越来越离不开现代设计方法与工具。但是学生在校期间学习的都是一些单一的设计工具，如果不引导学生在校期间综合应用所示工具具体解决一个工程问题，学生难于灵活运用，缺乏相应竞争力。通过合理选题，使一个工程问题同时需要工程计算、工程制图、电路设计和软件设计。对于工程计算问题，引导学生使用Matlab/MathCAD;对于工程制图，引导学生使用AutoCAD/ProEng;对于电路设计，引导学生使用Protel/OrCAD;对于软件系统设计，引导学生使用Visual C++。这样，通过专业综合课程设计，学生基本掌握上述软件的功能、使用方法及解决设计问题的技巧。

4　专业综合课程设计过程与实际工程对象设计过程的异同点

本节以测控技术及仪器专业综合课程设计过程与实际的测控仪器设计过程的比较为实例，分析和比较专业综合课程设计过程与实际工程设计过程的异同点。

图1展示了测控技术及仪器专业综合课程设计过程与实际的测控仪器设计过程，从中可以看出两者之间的关系。从图1可以看出，测控技术及仪器专业综合课程设计只是实际的测控仪器设计过程的一个部分。实际的测控仪器设计要解决做什么(What)、为什么做(Why)和怎么做(How)的问题。做什么(What)和为什么做(Why)一般由经营决策人决定，怎么做(How)则由工程技术人员完成。在培养测控技术及仪器专业人才过程中，最低目标是让学生学会怎么做(How)，最高目标则是让学生具有决定做什么(What)和为什么做(Why)的能力。在进行测控技术及仪器专业综合课程设计的过程中，做什么(What)和为什么做(Why)的问题由老师通过选题和方案选择给学生讲解，让学生尽可能明白做什么(What)和为什么做(Why)。怎么做(How)则通过具体设计过程得到训练。

另外，实际的测控仪器设计过程包含更多的设计内容，比如用户需求及投资效益分析、产品试制及样机试验等，如图1所示。尽管这样，测控技术及仪器专业综合课程设计过程仍然构成了实际的测控仪器设计过程的主要内容，因此学习和实践专业综合课程设计过程是具有重要意义和作用的。

在高等工程教育的教学环节中，利用现有的教育资源让专业课教学更贴近工程实际，是高等工程教育必须面对的重要任务^［7］。通过专业综合课程设计使专业课教学更贴近工程实际，有利于培养学生解决实际问题的能力。

图1　测控技术及仪器专业综合课程设计过程与测控仪器设计过程

5　专业综合课程设计与其他教学环节的关系

本节主要结合在测控技术及仪器专业教学中开设专业综合课程设计的实践论述专业综合课程设计与其他教学环节的关系。

5．1　与测控仪器设计课程的关系

测控仪器设计是测控技术与仪器专业及相近专业的一门综合性专业课，主要目的是培养学生综合运用机械、光、电子学、计量学等学科的知识以及计算机技术、控制理论与技术、测试理论与技术、液压(气动)理论与技术等专门技术进行测控仪器总体设计的能力，并培养学生初步掌握运用现代设计理论与方法进行仪器设计的能力。在培养测控仪器高级工程技术人才的全局中具有增强学生对测控仪器的研究、设计及开发工作的适应性和开拓性的作用。从课程的性质、目的和任务可以看出，该课程仍然只能以讲授进行测控仪器设计的基本理论知识为主，讲授测控仪器设计过程中共性的问题，包括设计原理与设计准则、精度设计与分析方法、各子系统设计方法等。由于时间限制，在课堂讲授中很难涉及具体的设计工具的综合应用问题。

通过在测控仪器设计课程的基础上开设专业综合课程设计，可以让学生针对具体的设计对象灵活运用在测控仪器设计课程中讲授的测控仪器设计的基本理论知识。因此，测控仪器设计课程是专业综合课程设计的理论基础，专业综合课程设计是测控仪器设计课程的运用，是升华。当然，仅具备测控仪器设计课程讲授的知识仍然难以进行测控仪器设计，还必须借助各种现代设计工具和各种专门知识，如电路设计、软件设计、机械设计等，这些在测控仪器设计课程中难以全面讲授。

5．2　与其他一般课程设计的关系

在我校测控技术及仪器专业还开设有机械设计课程设计和电类课程设计两种实践教学环节。在本科教学活动中，对不同的专业课程会设置相应的课程设计，目的在于通过课程设计让学生具有一定的实践能力，但是涉及面很窄，局限于本门课程知识的巩固。如何将这些相互割裂的设计构成一个仪器系统，对学生来说仍然是相当困难的。专业综合课程设计则是在完成各种课程设计的基础上进行的一种实践教学环节，使学生在规范的模式和教师指导下经历测控仪器设计的全过程，对明确本专业的使命具有重要意义。

5．3　与其他先修课程的关系

测控技术与仪器专业的课程之间的关系可以用树状结构表示，如图2所示。从图2可以看出，先修课程是学习测控仪器设计课程的基础和进行专业综合课程设计的理论基础，但是各门基础课和专业技术基础课之间的关系并不紧密。因此，在以往的教学过程中，经常有同学抱怨大学四年似乎没有学习什么东西。主要原因是大学几年来学习的知识相对零乱，未将几年来学习的知识点“串”起来，形成有机的整体。

图2　测控技术与仪器专业课程关系

尽管这样，各种先修课程仍是进行专业综合课程设计的理论基础。但是进行专业综合课程设计，不是将各门基础课和专业技术基础课的内容简单堆砌，是灵活运用。通过开设专业综合课程设计的实践，专业综合课程设计可以将几年来学习的知识点“串”起来，形成可以解决工程问题的有机整体，使学生具备解决工程问题的能力。

5．4　与毕业设计的关系

我们也许会担心专业综合课程设计会与毕业设计相冲突或者重复。实际上，专业综合课程设计与毕业设计是两个不同的教学实践环节，其目的与任务完全不同。具体表现在以下四个方面。

①面与点:专业综合课程设计的选题较大，希望学生通过该教学环节熟悉测控仪器设计的各个环节和各种设计工具，代表面。毕业设计的选题结合指导教师的科研任务，强调动手能力的培养，往往较窄，代表点。二者在培养人才方面互为补充，不能相互替代。

②规范与深入:专业综合课程设计是在已经成熟的工程例子的基础上进行，具有规范性，更有利于培养学生的工程素养。毕业设计的选题往往要求在一个点上突破和深入，且少规范性。

③理性与感性:专业综合课程设计更注重理性的培养，注重思维方式和解决问题的能力的培养，具有整体性。毕业设计更注重感性的培养，注重动手能力的培养。

④协作与独立:专业综合课程设计需要协作完成一个工程设计问题，有利于团队协作意识的培养，让学生体会协同工作的乐趣。毕业设计时学生往往被分配到某一个教师的名下，在指导教师的指导下独立完成设计工作，更注重独立解决工程问题的能力培养，缺少了团队协作意识的培养。

6　专业综合课程设计的作用与地位

根据上面的论述，专业综合课程设计的作用表现在以下几个方面。

6．1　培养学生解决工程问题的能力

让专业课教学更贴近工程实际，一直是工程教育努力的方向^［7］。通过专业综合课程设计实践教学环节，可以将课堂知识讲授时间压缩，实现“在做中学”，更有直观感，有利于培养学生解决工程问题的能力。

6．2　促进学生从科学思维模式向工程思维模式的转变

现行的高等工程教育以科学教育为主，通过设置合理的教学环节促进学生从科学思维模式向工程思维模式转变是体现工程教育特点的重要途径。

6．3　提高学生的专业素养/工程师素养

高等工程教育的目的是培养工程师，并且是具有一定专业素养的工程师。通过专业综合课程设计，培养学生查阅文献和工程设计手册以及撰写设计说明书的能力，不仅可以提升学生的专业素养，并且为他们成为合格的工程师奠定基础。

6．4　让学生巩固和系统掌握本专业的基本理论知识和各种现代设计工具

通过专业综合课程设计让学生将大学里几年来学习的知识点“串”起来，形成有机的整体。同时让学生熟悉和掌握解决本专业领域设计问题的现代设计方法及相应的工具软件。

6．5　培养学生的团队协作能力

如3．3节所述，专业综合课程设计为我们在教学过程中引入竞争与协作机制提供了可能性。

6．6　培养创新能力

一方面，主要是保证选题在解决过程中能体现创新思想，通过老师的讲解让学生领悟创造性思想在测控仪器设计过程中的重要作用;另一方面，选题本身留有足够的自由探索空间，学生可以创造性地探索解决方法。因此，在专业综合课程设计的实践中，通过合理的选题可以培养学生的创新能力。

6．7　促进高等工程教育从传统教学向研究型教学转变

直到现在，研究型教学(研究性教学)对大多数从事高等工程教育的教学工作人员还是一个新名词。其大体思想是以来自实践的真实问题为基础，让学生在接近真实的情境中学习，培养学生的学习能力、解决问题的能力、团队合作能力和创新能力，增强学生对未来工作的适应能力。相对于研究型教学，通常采用的教学方式称为教学型教学(传统教学)。很显然，专业综合课程设计的选题以实际工程问题为对象，为学生创造了接近工程实际的环境，可以促进高等工程教育从教学型教学向研究型教学转变。

总之，通过几年的教学实践，专业综合课程设计不仅在实现高等工程教育的人才培养目标方面具有重要作用，而且处于其他教学环节不可替代的地位。因此，建议在高等工程教育的相关专业设置专业综合课程设计的实践教学环节。

参考文献

［1］张光斗．试论中国高等工程教育的发展［J］．清华大学教育研究，2001(1):8-13．

［2］张光斗．高等工程教育必须改革——向高教界的同志们推荐两篇文章［J］．国高等教育，1995(4): 20-22．

［3］朱高峰．论高等工程教育发展的方向［J］．高等工程教育研究，2003(3):1-4．

［4］潘云鹤．论研究型大学工科学生的能力培养［J］．高等工程教育研究，2005(4):1-4．

［5］朱高峰．谈工程教育，高等工程教育研究［J］．2004(4):1-7．

［6］王代华．在测控技术及仪器专业教学中开设专业综合课程设计的实践［J］．高等工程教育研究:2007 (3):125-128．

［7］王惜宝，胡绳荪，盛京．如何让专业课教学更贴近工程［J］．高等工程教育研究，2005(增刊):72-74．