新工科的核心能力與教學模式探索

周開發，曾玉珍

（1．重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2．重慶交通大學 圖書館，重慶 400074）

新工科的核心能力與教學模式探索

周開發1，曾玉珍2

（1．重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2．重慶交通大學 圖書館，重慶 400074）

第四次工業革命的到來，促使工程教育進行全方位的變革?！靶鹿た啤备母锍h正是我國工程教育面對《中國制造2025》所做出的積極回應。工業4．0的核心內容包括智能工廠、智能生產和智能物流三大主題和大數據分析、自主機器人、模擬、水平和垂直系統集成、工業物聯網、網絡安全、云計算、增材制造、增強現實9項先進技術。未來工程領域將在可持續發展、計算能力、大數據、互聯網與物聯網、納米技術和3D打印材料、跨學科合作方面呈現新的趨勢。為了適合新工業革命與工程發展的新趨勢，針對網絡一代大學生的學習特點，當前我國新工科教學宜采用合作學習、整合教育技術、創建虛擬學習環境、跨學科協同合作、重視本科生科研、促進師生互動、實踐互動的教學策略，并實施深度學習、混合學習、虛擬學習環境、學習分析的智慧教學模式，從而培養新工科學生個人效能、知識能力、學術能力、技術能力和社會能力等5類核心能力，并讓學生達成6項本質性學習成果：人文、科學與技術基礎知識，智力與實踐技能基礎，職業能力，倫理、價值、態度與行為，社區與全球意識，綜合與應用學習。研究表明，我國工程教育改革必須重視基于能力的教育和基于成果的教育模式的探索，以及相應的工程教育智慧學習環境創建，以培養能夠應對新工業革命挑戰的卓越工程師。從改革方向來看，采用“自上而下”與“自下而上”的協同互動方式是新工科教育改革的最佳路徑。

第四次工業革命；新工科；工程教育；核心能力；本質性學習成果；智慧教學模式

自第一次工業革命以來，技術進步帶動了工業生產力的急劇提升。在19世紀第一次工業革命中，人們學會了將大規模熱能轉化為機械能，蒸汽機為工廠提供了強大動力。在20世紀初第二次工業革命中，人類學會了將機械能轉化為電能，電氣化帶來了工業的大規模生產。在20世紀70年代第三次工業革命中，計算機的應用實現了工業的自動化生產，信息革命取代了前兩次的能源革命，人與人之間溝通更加容易，聯系更加緊密。21世紀，我們正處于第四次工業革命（也稱工業4．0）的浪潮之中。簡單地說，前三次工業革命分別源于機械化、電力和信息技術，而第四次工業革命則源于工業物聯網（IIoT）和信息物理系統（CPS）。在新工業革命中，機器收集與分析數據成為可能，制造過程更加快捷、靈活和有效，工廠能夠以更低的成本生產出更高質量的產品。因此，新工業革命促使生產效率快速提升、經濟結構進一步轉變和產業增長進一步加速，從而改變勞動力配置，最終改變公司、地區和國家的競爭力。

新工業4．0需要工程教育4．0。任何一次工業革命不但會促進工業生產力和社會經濟大發展，也會促進教育大變革，特別是工程教育的發展。工業革命需要新型工科人才，工程教育改革促進工業革命發展。新工業革命將極大地改變人們的工作方式和專業技能，實施工業4．0需要卓越的工程師和教育家。因此，我們必須探討如何基于核心能力和有效利用深度學習來構建“新工科”人才培養模式，為工科學生應對新工業革命的挑戰做好準備［1］。

一、新工業革命與工程發展的新趨勢

（一）新工業革命的核心內容

在2011年漢諾威博覽會上，德國首次提出了工業4．0的概念。2012年1月，德國聯邦教育與研究部成立了工作組，起草全面實施工業4．0的戰略建議。2013年德國政府正式通過了工業4．0計劃，并將其納入高技術戰略2020。隨后，其他國家也紛紛出臺了類似的國家戰略計劃，如美國《先進制造業國家戰略計劃》《日本再興戰略》《法國新工業》、韓國《制造業創新3．0戰略實施方案》和《中國制造2025》等，其目的是通過創新重塑國家的工業實力，提高工業競爭力，并在新一輪工業革命中占領先機。

根據工業4．0計劃，未來的企業將建立起全球網絡，將機械、倉儲系統和生產設施組合成信息物理系統（CPS）。在實際制造中，這些智能機器、存儲系統和生產設施能夠自動地交換信息、觸發操作和彼此獨立控制。這有利于促進制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理的整個工業過程，使制造業向智能化轉型，實現由集中式控制向分散式增強型控制的轉變，最終建立高度靈活的個性化和數字化產品與服務的生產模式。具體來說，工業4．0的核心內容包括三大主題和九項先進技術［2－3］。

1．三大主題

⑴智能工廠：重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現，全面集成、自動化和優化生產流水線，提高生產效率，改變傳統的供應商、生產商和客戶間的關系以及人與機器間的關系。⑵智能生產：主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。工業4．0計劃吸引中小企業參與，并使其成為新一代智能化生產技術的使用者、創造者、供應者和受益者。⑶智能物流：主要通過互聯網、物聯網、物流網整合物流資源，使現有物流資源供應方充分發揮作用，需求方快速獲得服務匹配與物流支持。

2．9項先進技術

⑴大數據分析：收集和綜合評價來自許多不同資源的數據，如生產設備和系統以及企業和客戶管理系統，并將其作為支持實時決策的標準。⑵自主機器人：廣泛用于處理復雜任務，實現人—機、機—機間的智能互動與合作，充分體現自主靈活、成本更低、能力更強等特點。⑶模擬：將3D虛擬模擬應用于產品、材料的生產過程，為新產品生產和機器配置進行優化測試。⑷水平和垂直系統集成：用于構建跨公司通用數據集成網絡，實現真正的自動化價值鏈。⑸工業物聯網：通過傳感器和嵌入式計算，使現場設備之間能夠交流互動，實現去中心化分析和決策。⑹網絡安全：是通信管理、關鍵工業系統和生產線管理必不可少的。⑺云計算：將機床數據與功能、監測與控制過程置于云端，增加跨公司數據共享。⑻增材制造：廣泛用于生產小批量定制產品，以提高產品質量和降低原材料成本。⑼增強現實：支持各種服務，如虛擬工廠操作員培訓，為工人提供實時信息。

（二）工程發展新趨勢

隨著科學技術的不斷創新與快速發展，工程領域也呈現出諸多發展趨勢，以滿足消費者、全球市場和政府的需求。與前三次工業革命一樣，第四次工業革命正改變著人們的生活和工作方式，影響著高等工程教育系統的演變和人才培養。未來十年，工程發展將呈現如下一些新趨勢［4－7］：

1．可持續發展。資源減少和能源消耗的問題日益明顯，減少碳排放問題已成為一個突出的政治議題，工程領域更加敏銳地意識到可持續發展與實踐的必要性。因此，工程領域的創新需求將持續上升，以確保技術和產品更具可持續性。

2．計算能力。近年來，微型化帶來傳統計算能力的巨大增長。幾十年前需數月才能完成的工程計算，現在幾乎可以立即完成。自學習計算方法使簡單工程任務實現了自動化，從而幫助工程師完成更復雜的工程任務，并提供更高價值的服務。尖端新技術工具和跨學科合作，可提升個人和團隊解決復雜難題的能力。

3．大數據。隨著計算機計算能力的不斷提高，提升了人們收集和評估數據的能力，使研究者能夠發現和分析新的數據模式。數據科學作為一種跨學科領域的科學方法，已被稱為科學研究的“第四范式”。借助數據挖掘、數據分析和相關方法，研究人員能夠探討以前難以應對的科學領域。

4．互聯網與物聯網。互聯網使研究人員間可以實時交流，世界各地的研究小組可以分享想法和解決方案。通過智能感知、傳感器設備、識別技術與普適計算等通信感知技術，物聯網平臺在任何物品與物品之間建立起超級鏈接，將有效促進信息交換和通信。

5．納米技術和3D打印材料。納米技術為工業制造所面臨的復雜問題提供了解決方案，并用來提高產品效率和測試環境污染。3 D打印與大量先進材料，如鎳合金、碳纖維、玻璃、導電油墨、電子、制藥和生物材料，實際應用已擴展到航空航天、醫療、汽車、能源和軍事等領域。

6．跨學科合作。在21世紀的科學和工程研究中，傳統學科的界限已經變得模糊。現代工程問題涉及技術、經濟、社會、文化和政治等，這要求不同學科協同合作，貢獻集體的智力、創造力和精力來解決這些復雜的問題。跨學科合作能匯集不同的觀點和知識，創造性地解決復雜的現實問題。目前，在許多實驗室研究、跨學科課程和學位項目中都有不同工程和學科領域之間廣泛合作的趨勢。

二、新工科學生的核心能力

（一）CBE與能力模型

基于能力的教育（Competency－based Education，CBE）日益受到業界和大學的重視。美國能力運動發起人McClelland認為，只用相關知識和技能的考試成績，不能預測出畢業生未來工作表現是否優秀，個人生活是否成功，只有核心能力才是學生成功就業和可持續發展的關鍵要素。因此，核心能力目前已成為人力資源開發和管理的評價標準。歐美等國的企業界和工業界正廣泛利用能力模型（Competency Models）來選擇、教育、培訓、評估和提升員工。國際高等教育界也開始倡導基于能力的教育，大學教育的重點已開始由知識與技能傳授，逐漸轉向學生核心能力的培養與測評，以確保畢業生能夠滿足企業與未來社會對高素質人才的需求。

構建有效的能力模型是基于能力教育的關鍵。2005年，美國勞工部就業培訓局（Employment and Training Administration，ETA）提出了一個通用能力模型，并作為布什總統“高增長行業就業培訓計劃”的一部分。ETA的通用能力框架是一個9層的金字塔結構，底層是高層的基礎（如圖1）。底層是行業通用能力，層次向上移動，代表更為具體的職業能力。其中，1層到3層為底層，描述基本能力，包括個人效能、學術能力和職場能力；4層和5層為中間層，描述行業相關能力，包括整個行業的技術能力和具體行業的技術能力；6層到9層為高層，描述職業相關能力，包括特定職業知識、特定職業技能、特定職業要求和管理能力［8］。

圖1 ETA的通用能力框架

2012年，美國國家科學院發布了一份報告，對深度學習和21世紀的技能進行了研究，并指出21世紀的技能是人類能力的重要維度。該報告給出了能力分類初步方案，即總結出21世紀的技能由認知、內省和人際3類能力構成，且3類能力相互之間有一定的重疊（如圖2）。認知能力涉及推理和記憶，內省能力是為實現目標而管控自我行為和情感的能力，人際能力包括表達思想、解釋和回應他人信息的能力。報告進一步指出，在深度學習的過程中，善于發展和應用核心能力的學習者，能為未來的成功做出更好的準備［8］。

高等工程教育正面臨著范式轉變。工業4．0背景下，工程教育必將發生全方位的變革，其人才培養標準與培養模式面臨著新的嚴峻挑戰。工業和商業界越來越要求工程專業培養學生的“21世紀的技能”，如有效交流、批判性思維、系統思維、問題解決、協同合作、數據決策、創新創業和自我管理等技能。這些能力是個人未來職業成功和生活幸福的基礎。但是，業界雇主的調查報告指出，目前工科學生在這些核心能力方面存在著嚴重缺陷。為此，工程界領導者和教育研究者呼吁全面開展新的工程教育改革，以發展學生寬廣的、可遷移的技能和知識，更好地應對新工業革命的挑戰［9］。

圖2 21世紀的技能結構

（二）新工科學生的核心能力

盡管對核心能力的界定與分類有各種不同的方案與爭論，但是在新工業革命時代，工程教育將致力于提升工科學生一系列創造性解決問題的技能這一點是一致的。因此，針對我國工程教育系統的特點，探討第四次工業革命背景下工程教育的核心能力結構，并提出工科學生核心能力培養模式及評價措施，將有重要的現實意義和前瞻價值。

Ernst A．Hartmann和Marc Bovenschulte首次對工業4．0的能力需求進行了分析。他們提出了基于技術路線圖分析的能力需求預測方法，并將其應用于工業4．0能力結構的定性分析。首先，他們借助歐洲智能系統技術平臺和國際電工委員會提供的文件，分析了智能系統的技術路線圖，并由此得出通用的技能要求。其次，他們分析了組織情景和技術／部門矩陣，并將其作為技能需求分析工具，得出定性技能和定量技能的要求［10］。

2015年，Lars Gehrke和Arno T．Kühn等以德國和美國為例，探討了工業4．0時代未來工廠的工人資格和技能（Qualifications and Skills，Q＆S）。他們采用派生任務分析方法，應用“MuShCo”優化技術，提出了一組重要的未來熟練勞動力的Q＆S集。Q＆S集由技術Q＆S和個人Q＆S兩部分構成，并列舉了20項具體的知識和技能［11］。

根據以上分析，本文提出新工科學生核心能力矩陣結構。首先，我們將能力定義為個人的卓越品質與表現，他們能夠將知識、技能、行為和個性成功用于完成重要的工作和任務。其中，個性包括心理、智力、認知、身體和精神等個人特性。其次，根據第四次工業革命背景下的工程發展新趨勢，借鑒Ernst和Lars的能力需求分析方法，提出新工科學生核心能力分類架構，它由5類核心能力構成，即個人效能、知識能力、學術能力、技術能力和社會能力。最后，應用“MuShCo”優化技術，構建出的新工科學生核心能力矩陣結構（見表1）。

表1 新工科學生核心能力矩陣

三、新工科學生的學習成果

（一）OBE與學習成果

能力（Competencies）和學習成果（Learning Outcomes）都可以描述學生在具體課程和專業學習中所獲得的學習成就，但兩者并不相同。能力一般用于描述學生畢業后所具有的知識、技能和行為，它們使學生在教育、職業、生活和其他方面獲得成功；學習成果則是非常具體地描述學生完成一門課程或畢業后，可以做或應該能做的事情，是可以測量或評估的。

基于成果的教育（Outcome－based Education，OBE）目前已被世界各國不同層次的教育系統廣泛采用。實質上，OBE是一種教育理念和方法，它圍繞目標（成果）來構建教育系統的各個部分，要求每個學生在教育體驗結束前都應該達到這些目標。早在20世紀80年代，美國和英國就開始采用OBE模式。20世紀90年代初，澳大利亞和南非采用了OBE政策。2005年，我國香港多所大學也開始采用OBE方法。2008年，馬來西亞政府要求所有公立學校都應采用OBE模式。2012年歐盟建議，成員國都要轉向強調成果的教育。在國際高等教育廣泛接受OBE的背景下，華盛頓協議已全面采納OBE，即采用OBE方法獲得的本科工程學位才被認可［12］。

美國工程教育目前已全面采用了OBE模式。上世紀90年代，美國工程技術評審委員會（Accred itation Board for Engineering and Technology，ABET）開始采用OBE政策，要求獲得認證的本科工程教育項目必須包括一組學習成果。ABET將學生學習成果定義為：本科工程學生順利完成所修項目時他們應該擁有的技能、知識和行為，這些內容即是工程畢業生必須達到的教育目標。根據ABET 2017本科工程教育的一般標準，本科工程學生學習成果包括以下11項能力［13］（見表2）：

表2 ABET本科工程學生的學習成果

另外，美國專業工程師協會（National Society of Professional Engineers，NSPE）在ABET一般標準基礎上，增加了6項額外的學習成果［14］（見表3），將其作為所有工程專業注冊工程師應該達到的目標。

表3 工程專業注冊工程師的學習成果

為了應對21世紀全球學習的挑戰，2008年美國大學與學院協會（Association of American Colleges＆Universities，AAC＆U）提出了面向全國高校的LEAP改革計劃，并制定了全新的本質性學習成果。AAC＆U認為，本質性學習成果（Essential Learning Outcomes）是學生在整個大學期間培養和發展的一組全面的學習目標，反映了應對不斷變化的復雜世界挑戰所需的知識、技能和能力。本質性學習成果是為學生將來就業、個人生活和公民生活所做的準備。隨著這些成果的實現，畢業生將擁有廣而深的知識，足夠強的智力和實踐技能，致力于個人和社會的責任，社區相互依存的意識，以及綜合運用他們所學知識與能力來解決復雜的現實問題［15－16］。

AAC＆U的本質性學習成果由4個類別構成：人類文化與物理自然世界的知識，智力和實踐技能，個人和社會責任，綜合性學習。表4為AAC＆U建議的本質性學習成果及其主要內容，以及2006年AAC＆U與Hart協會對雇主關于“要求大學更加強調本質性學習成果”的調查結果。調查結果表明，雇主高度認同AAC＆U的本質性學習成果。

表4 AAC＆U的本質性學習成果

（二）新工科學生的本質性學習成果

采用OBE模式是我國工程教育改革的主要方向之一。OBE模式是世界高等教育的發展趨勢，也是評估學生是否達到雇主期望的有效評價方法。雖然中國高校目前還很少采用OBE模式，但是我國工程教育論證已開始借鑒OBE框架。為此，本文借鑒AAC＆U和ABET學生學習成果的基本框架，并根據第四次工業革命的核心內容與工程教育發展的新趨勢，制定了我國新工科學生的本質性學習成果（見表5），它包括以下6個類別的內容［17］：

1．人類文化與物理自然世界的知識：包括藝術、歷史、人文、語言、數學、科學與技術、社會科學、大數據、人工智能等。

2．智力和實踐技能：包括有效交流、定量推理、定性推理（批判性、分析性和創造性思維）、技術素養、信息素養、數據素養、媒體素養、系統思維。

3．職業能力。學生將通過達到既定的學科標準，擔當團隊重要成員，有效地提出和解決現實問題，積極尋求和精通終身學習技能，展示專業能力。

4．倫理、價值、態度與行為。通過獲取、提高和展示在道德推理和理解方面的技能，學生將成為對個人和社會負責的人。

5．社區服務意識。通過培養社區之間的相互依存性、社區內部存在的問題、解決這些問題的組織和技能等社區服務意識，為地方、國家和全球社區提供服務。

6．綜合與應用學習。通過綜合性學習和應用性學習，借助學術社區和更廣泛的社區，讓學生致力于解決現實問題。

表5 新工科學生的本質性學習成果

四、新工科的互動教學策略

（一）數字原生代的學習特點

當代大學生與以往的學習者完全不同，他們被稱為“數字原生代”或“網絡一代”。這些90后大學生生長在數字化的網絡時代，主要借助數字技術來認識世界，習慣在網絡環境中尋找信息并建構知識。他們是第一代虛擬學習者，感官與現實世界日漸隔離，大腦長期沉浸在完全由計算機控制的虛擬信息空間之中。隨著科學技術變革步伐的不斷加快，這些新一代大學生來到大學校園，擁有與以往學生完全不同的資源、技能和期望，并以前所未有的方式追求著知識和體驗。數字原生代大學生日益表現出一些獨特特征［18－19］：學習上喜歡游戲化學習和直接反饋；社交上趨向于基于社區的網絡互動；工作上擅長多任務、非線性方法并精通技術；思維上擅長掃描式閱讀、信息可視化和批判性思維。具體表現為：

1．依賴網絡。網絡一代的學習者希望時刻與網絡相連。他們伴隨著電腦、互聯網、智能手機和社交媒體一同成長，更喜歡借助移動設備實時瀏覽各類新聞或閱讀網絡文學，所以閱讀傳統印刷文本的體驗比以往的學生更少。

2．精通技術。他們追求新技術，樂于享受高科技帶來的便利服務：廣泛且熟練地使用各種智能產品；利用網絡在線服務查找相關資料，實時瀏覽國內外資訊；借助強大的網絡共享知識庫與學術資料，幫助完成課程作業或課程論文；有的把大量時間花費在同步社交媒體上，沉迷于在線互動游戲和聊天。

3．社交互動。數字原生代大學生完全依賴于計算機，并迷醉于數字技術。他們喜歡通過動手的方法來學習，尋求在線社交互動，并期待這種互動成為學習過程的一部分。

4．游戲化學習。通過游戲來學習是數字原生代大學生學習過程最顯著的特征之一。約77%的網絡一代學習者玩互動視頻或網絡游戲，而這些游戲大部分都是在多任務環境下進行的。

5．多重任務。他們同時承擔多項任務，很享受團隊協同合作。他們習慣于同時應對眾多的活動與任務，喜歡在多任務環境中協同完成游戲；利用網絡通信工具建立廣泛的人際關系，與他人進行良性互動交往；借助各種論壇和網絡空間開放和展示自我，樂于與人分享，勇于面對不同觀點與挑戰。

6．國際合作。他們具有真正的全球視野，并期望跨國工作。他們擁有豐富的知識儲備，具有接受知識和分析知識的卓越能力。

（二）新工科的教學策略

隨著現代教育技術的快速發展，高等學校正在探索一些新興的教育技術與方法，以滿足工科學生的學習風格與需求。同時，教師們已經感覺到新的教學壓力：減少講授學時，增加深度學習的機會，使學習環境更加互動，適時采用協作學習策略，并將技術廣泛融入學習體驗。今天，許多課堂教學已開始充滿活力，教與學的過程變得越來越微妙，教與學的關系更加無縫化，教與學的活動也在師生間不斷互動。下面是未來工程教學的一些典型策略［20－23］。

1．合作學習。將合作或協作學習策略整合到課程中，鼓勵創建學習社區，重視教師和學生參與學習過程，激發學生／教師的討論。師生也可通過社交媒體互相合作，了解更多的特定主題，測試想法和理論，了解事實，評估彼此的意見。

2．整合教育技術。將技術適時整合到課程中有利于提升教師和學生的學習體驗。如電子郵件有利于促進生／生或師／生間的課堂交流，在線學習平臺能夠幫助師生開展話題討論、探索關鍵問題并提高學生對復雜概念的理解。同時，創造媒體（Creating Media）是另一個值得注意的技術驅動的教育活動。

3．創建虛擬學習環境。信息技術拓寬了學習環境的概念，使學習體驗可以擴展到傳統課堂之外。學生通過在線平臺和移動學習設備，可以實現在任何時間、任何地點和任何形式的學習活動。虛擬學習技術可采取許多形式，如交互式協作／討論、慕課、視頻會議、虛擬現實、增強現實。

4．跨學科協同合作。教育工作者正在探尋與其他科學學科共享設施、講座、課堂和實驗室的方法，并尋找更廣泛的學術合作機會。例如，將工程學院和商學院聯合起來，可以促進協同效應，這種協同合作將加速下一代創業公司的發展。

5．重視本科生科研。本科生科研為學生提供了學習新知識和技能的機會，可教給學生許多寶貴的技能；學生獲得實驗數據收集、統計分析、數據可視化的寶貴體驗，并與其他教師進行討論評估和批判；與本科生、研究生、教師和其他專業科學家建立互動關系，有助于學生學業與生活取得成功，豐富大學經歷。

6．促進師生互動。與熱情且有啟發的教師密切聯系，這是學生成功的最重要因素之一。教師與學生的積極互動有利于創建民主的課堂環境，促進學生的技能和情感發展，培養學生的學業自我概念，提高學生的學習積極性和成功率。建立積極的師生關系有助于學生的認知、社會經歷和情感的成長，提高他們的心理幸福感。

7．實踐互動（Hands－on Interaction）。實踐互動是指在簡短的講授期間，定期穿插動手實驗和解決問題的活動，有利于學生將所學知識和技能立即應用于實際問題之中。普渡大學的一項新研究發現，動手建立水凈化系統的學生對概念的理解比那些以聽課為基礎的學生更深刻。動手學習更能吸引學生，而且還可以提高學生的理解能力，能有效地吸引學生學習技術和工程專業。

五、新工科的智慧教學模式

（一）深度學習

近年來，諸多國內外高校致力于設計以學生為中心的主動教學環境營造，以充分發揮學生的全部學習潛能，而這些潛能在傳統教學模式中并未受到重視。研究表明，這些努力取得了一定的成效，許多學生致力于各種主動學習和合作學習的活動。特別是從被動教學向主動學習的轉變，從教師為中心的教學方法向學生為中心的學習活動的轉變，正逐步將學生引向更深層次的理解和更高級的思維技能，使學生能夠將所學的知識和技能應用于真實、復雜和快速變化的世界。這種轉變引出了高等教育的新概念——“深度學習”，并越來越受到高校的重視。

學生學習可以采用不同的學習方法，且學習成果與其所用的學習方法密切相關。常見的學習方法有兩種，即對知識的“淺層”加工方法和“深度”加工方法，分別稱為“淺層學習”和“深度學習”。淺層學習指被動接受和記憶信息，并將其作為獨立、無關的事實。它只是膚淺地掌握考試內容，并未促進理解或長期保留知識與信息。深度學習是指學習者使用高級認知技能（如分析、綜合、解決問題和元認知的能力）處理信息并構建長期而深刻的理解。它涉及對新思想的批判性分析，將新思想與已知概念和原理相關聯，并應用于解決新的情境中的問題。深度學習既是一種學習方式，也是一種學習態度，會對學生的行為、思維或感受方式產生持續、積極和實質性的影響，并促進其對生活的理解和應用。因此，深度學習者是自主的學習者，也是合作型的學習者，具有較高的元認知和學習技能。

深度學習是發展核心能力和學習成果的關鍵。學生的學習方法越深入，學習成果的質量就越高。深度學習具有以下特點：⑴通過新知識與已有知識整合，學生在學習過程中建構知識。⑵由于意義不能由教學直接強加或傳授，而是由學生的學習活動所創造的，因此學生在深度學習的過程中，努力尋找材料之間的關系，并根據以前的知識結構和體驗來理解知識并尋求意義。⑶教師重視學生的學習活動，并把活動和抽象的概念聯系起來，使活動具有意義。⑷發展高級認知技能，如分析、綜合、邏輯推理、批判性思維和解決問題等核心技能，并強調綜合學習和應用學習。⑸激發學生的內在動機，因為消極的態度只會導致淺層學習，積極的心理才會產生深度學習［24］。

（二）混合學習

迅速發展的信息和通信技術（ICT）對各個領域都產生了廣泛且深遠的影響，并成為21世紀不可或缺的要素之一。自從ICT被引入教育領域以來，隨著近年來科技的發展，混合學習得到了廣泛的普及，并取得了顯著的進步。目前，混合學習的各種定義暫未達成一致。簡要地說，混合學習是指一種學習環境，它將傳統教學中的面對面教學與在線教學相結合，并采用多種教學模式、方法和工具，以優化學習成果和教學成本。然而，重要的是，在設計混合學習環境（如圖3）時，要根據e－學習方法的優勢與傳統面對面互動方法的優點，將傳統實體課堂與虛擬教育元素有效融合，構建e－學習環境和面對面環境之間的平衡。

由于不同的人具有不同的學習風格，也就需要不同的教育方法，因此不存在某種教育方法是最理想的教育方法。然而，混合學習為學習者提供了最適合教育需求的學習方式，因為它將最佳的課堂教學方法和其他教育教學方法結合在一起，由于課堂中自然和主動互動活動對學習過程有積極的影響，所以使用混合學習具有以下一些好處：⑴可以針對不同的學習需求提出不同的解決方法；⑵提高效益成本的有效性；⑶操作簡單，已被為許多大學所采用；⑷不受時空限制，給校園內外的學習者提供了更多參與機會；⑸與傳統的單一學習方法相比，混合學習方法創造更多的學習時間，學習效果更好。

混合學習給高等教育帶來了觀念的轉變，并持續不斷地重塑學生的學習過程。隨著現代教育技術的快速發展，未來混合學習將呈現以下趨勢：⑴將提供更多的學習模式，如翻轉課堂、移動學習、虛擬現實、慕課、游戲化學習等，更加易于訪問，并滿足學生的任何學習需求；⑵將充分體現以學生為中心的學習體驗，促進師生互動，鼓勵學生投入學習；⑶將充分發揮時間和空間的靈活性，充分整合各種適當的學習模式，這將不斷創造出更多、更好的互動，獲得更高的學生學習滿意度和學業成功率；⑷支持深度學習，發展高級思維；⑸利用數據驅動教學，通過慢教深學、混合、迭代等方法，讓學生充分實現個性化學習［25］。

圖3 混合學習環境

（三）虛擬學習環境

信息和通信技術（ICT）的快速發展與商業化，對包括教育在內的許多行業產生了深遠的影響。近年來，在線學習已成為當今世界高等教育最重要的發展趨勢之一。傳統的學習方式已逐漸轉向elearning，傳統的面對面教育環境也轉變為虛擬學習環境（Virtual Learning Environment，VLE）。

VLE又可稱虛擬課堂，是一種在線學習平臺，如Moodle和WebCT，它允許師生在線互動，以增強學習過程中學生的學習體驗。其主要功能有：課程地圖，學生追蹤，師生在線支持，電子通信（電子郵件、在線討論、實時交流、信息發布），課程資源鏈接，在線作業與考試，在線實驗與研究。實際上，虛擬學習環境既是一個設計好的信息空間，又是一個同步或異步的社交空間。它集成了各種多媒體學習工具，將物理環境與虛擬數字環境交織在一起。因此，在虛擬學習環境中，學生不僅是主動的參與者，也是知識的創造者。

目前，許多大學都建有虛擬學習環境或在線學習平臺，它們是實體教室的復現或延伸，并與各種課程整合。這些虛擬學習空間為學生、教師和管理者促進學生學習和教學質量提供了更優越的學習環境，這些明顯的優勢體現在：⑴為個人和小組建立廣泛的信息溝通渠道，如論壇、在線交流、在線調查、電子郵件、網絡發布和實時反饋；⑵師生共享豐富的學習資源，如多媒體課件、教學文檔、參考資料、播客和視頻等；⑶鏈接與嵌入外部資源，如與其他在線學習空間相連，嵌入網易云課堂、TED、You Tube等。

隨著ICT技術和人工智能的快速發展，未來VLEs將更具復雜性、有效性、挑戰性和吸引力，并更加強調參與、互動、協作和實時交互。VLEs的未來發展主要有兩大趨勢：⑴創建小組學習環境。隨著社交媒體的出現，VLEs將不再是單用戶的個人學習環境，而是趨向于小組學習環境，如Facebook學習小組，Tweeter學習小組。⑵創建3D學習環境。在在線學習的早期，人們使用維基和博客作為PLEs，之后利用MOOC，SOOCs作為多用戶虛擬學習環境。這些系統都是基于互聯網2D環境中得以實現的。然而，由于多媒體技術的迅速發展，未來的VLEs或將演變成基于互聯網或離線系統的3D環境。因此，在未來的VLEs中，虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、游戲和各種敏感的電子設施將發揮主要作用［26－27］。

（四）學習分析

企業常用Web分析來分析商業活動，確定消費趨勢，預測消費者行為。學習分析是Web分析在教育中的應用。近年來，教育界也借助數據科學和大數據技術進行學習分析，收集與分析在線學習中學生互動學習的大量數據，以支持教育決策和預防性干預。學習分析其實就是解決如何收集、分析、管理、保護、解釋和使用教育數據來支持學習。

學習分析可定義為：測量、收集、分析和報告有關學習者及其背景的相關數據，以理解和優化學習及其發生的環境。其目的是確定更好的教學方法，促進學生主動參與學習，關注高危學生群體的學習，評估學生完成學業并取得成功的因素。學習分析涉及學生與在線文本、課件及學習環境的互動和學生學業進步與成功等方面，可為學生、教師和研究人員提供至關重要的見解。由于通過移動學習和在線平臺可以跟蹤數據，做出及時響應并提供個性化的學習體驗，學生和教師開始體驗到學習分析的好處。

學習分析的具體優勢有：（1）有助于預言學習者目前與未來在e－學習過程中的表現；（2）教師能夠為學習者定制e－學習，提供個性化的學習體驗；（3）幫助目前和未來的學習者，如可根據現在收集的學習數據，改變特定學習模塊或e－學習課程的挑戰難度，構建更有效的學習環境；（4）幫助深入掌握e－學習課程和相應資源的利用情況，從而提高e－學習成效，降低教育成本；（5）學習分析數據與干預可以幫助更多的學生提高學習表現與學業成功率，減少失敗或輟學率；（6）跟蹤學生學習活動中生成的大量數據，通過儀表板為老師和學生提供可視化分析；（7）MOOC平臺上的學習行為數據可挖掘用于推送服務；（8）采用聚類等數據挖掘技術進行學習分析，可增強師生間的參與和互動；（9）收集與處理的大量數據可與不同的利益相關者分享，利于畢業生求職；（10）學習分析中的游戲工具可以使MOOCs學習更加娛樂化，從而提高學生的學習動機和完成率。

學習分析仍處于開發與應用初期，面臨著各方面的挑戰。未來的學習分析將發生五大變化：⑴學習分析、數據采集、數據應用與分享將更加自動化；⑵學習分析的隱私和倫理問題將更受關注；⑶通過開放的API實現教學的模塊化和可擴展性，學習分析平臺將更具開放性；⑷將更依賴于校際間的分析數據以建立更強大的預測系統；⑸將注重更先進、更個性化的儀表板應用，為學生和教師反思成績和定性分析提供幫助，有效評價書面與口頭交流、團隊合作、批判性思維或創新思維、問題解決等核心能力［28］。

六、結語

第四次工業革命將給未來的學習、工作和生活帶來顛覆性的影響。各種新技術層出不窮，制造業快速變化，企業生產方式也隨之發生根本性改變。工廠傳統、簡單的工作模式正在消失，而新的職位日益更新，我們甚至無法想象未來制造業提供的就業機會。因此，我們應加大信息技術與操作技術的整合力度，充分利用大數據的力量，促進供應鏈獲取價值，提升制造業競爭力。隨著創新創業越來越多地基于數字技術，網絡基礎設施建設將是未來制造業競爭力和福祉的重要支柱之一。隨著新工業革命的迅速發展，最為重要的是我們要快速改變自己，只有這樣，未來的年輕人才能勝任全新的工作，如機器人維護員、3D打印機編程員和數據科學家等。

歷史已經證明，每次工業革命的產生都推動教育的根本性變革，并創建相應的教育體系，以滿足新的生產模式與價值模式的需求。因此，新工業革命必將推動工程教育的全面改革。世界經濟論壇預測，在工業4．0時代，適應能力可能是人們需要擁有的首要技能，因此工科學生需要不斷地學習和獲取新知識。同時，高等學校必須培養他們的核心能力，如解決復雜問題的技能，批判性思維和創新創業能力等。其次，教育的職業－經濟目標將起到更少的支配作用，而價值創造將成為社會和個人的發展能力，因此大學必須支持學生創新創業能力的發展。再次，由于在線學習和虛擬學習環境的建立，工業界與大學的教育利益結盟關系將逐漸減弱，教育活動將越來越多地被外包給非正式的組織、社區和同儕小組。最后，在工業4．0的全新經濟和社會生活時代，以“充分就業”“全球競爭”和“經濟增長”為根本目標的高等教育政策，將日益被關注社會和個人幸福與發展的新思維所取代。

新工科的教育教學模式必須進行范式變革。學習是人類存在的基本模式，它依賴于社會互動和意義創造，只有通過參與、交流和體驗，學生才能獲得應對復雜多樣、快速多變的世界挑戰的能力。因此，我們的工程教育理念應該從傳統的“學工程”轉向“做工程”；教學模式應該從以教師為中心的課堂教學，轉向以學生為中心的綜合性和應用性學習；學習模式應該從“一刀切”轉向定制式的深度學習；教學環境應該從單一的面對面模式，轉向混合教學和虛擬教學；教學管理制度應該從以校園為基礎的封閉式學分認定政策，轉向適應于遠程學習和跨校學習的學分互認政策。

毫無疑問，新工科改革是一項復雜的系統工程，既存在支持改革的積極因素，也必然存在各種障礙。任何教學改革新模式，無論它們多么有效，都不會自動取代舊的方法。因此，高等學校決策者和管理者必須采取積極的措施，營造適于教育教學變革的民主與互動環境。我們不能依賴于“自上而下”的行政模式，也不能寄望于“自下而上”的自發模式。因此，“自上而下”與“自下而上”的協同互動或許是新工科改革的最佳路徑。

［1］ 教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知［EB／OL］．（2017－02－20）［2017－03－18］．http：／／www．moe．edu．cn／s78／A08／A08＿gggs／A08＿sjhj／201702／t20170223＿297158．html．

［2］ 德國聯邦教育部．實施“工業4．0”攻略的建議［EB／OL］．［2017－03－20］．http：／／www．doc88．com／p－3167601133163．html．

［3］ 國務院關于印發《中國制造2025》的通知［EB／OL］．（2015－05－19）［2017－03－20］．http：／／www．gov．cn／zhengce／content／2015－05／19／content＿9784．htm．

［4］ ARMANDO R，RICHARD M F，DONALD R W，et al．The future of engineering education［J］．Chem．engr．educa tion，2000，34（1）：16－25．

［5］ LINDA P B K，KATHERINE B，HEIDIA Diefes－Dux，etal．A new framework for academic reform in engineering edu cation［EB／OL］．［2017－03－20］．https：／／pdfs．semanticscholar．org／cc88／17ccb9fe127d8aac6e9a4d59e7f71638898a．pdf．

［6］ BILL O．Shaping the future of under graduate engineering education［EB／OL］．［2017－03－25］．http：／／www．hok．com／thought－leadership／shaping－the－future－of－undergraduate－engineering－education／．

［7］ MICHEAL G．Engineering trends and the future of making structural things［EB／OL］．［2017－03－27］．http：／／blogs．autodesk．com／bim－and－beam／2016／08／30／engineering－trends－future－making－structural－things／．

［8］ MICHELLE R E．Competency models：a review of the literature and the role of the Employment and Training Administration（ETA）［EB／OL］．（2008－01－09）［2017－03－28］．https：／／www．careeronestop．org／competencymodel／Info＿Documents／OPDRLiteratureReview．pdf．

［9］ 周紅坊，朱正偉，李茂國．工程教育認證的發展與創新及其對我國工程教育的啟示——2016年工程教育認證國際研討會綜述［J］．中國大學教學，2017（1）：88－94．

［10］ERNST A H，MARC B．Skills needs analysis for“industry 4．0”based on roadmaps for smart systems［R］．The mos cow school of management SKOLKOVO’s education development centre（SEDeC）—International labour organization，2013．

［11］GEHRKE L，KüHN A T，RULE D，et al．A discussion of qualifications and skills in the factory of the future［EB／OL］．［2017－03－20］．https：／／www．researchgate．net／publication／279201790＿A＿Discussion＿of＿Qualifications＿and＿Skills＿in＿the＿Factory＿of＿the＿Future＿A＿German＿and＿American＿Perspective．

［12］余壽文．工程教育評估與認證及其思考［J］．高等工程教育研究，2015（3）：1－6．

［13］ABET．Criteria for accrediting engineering programs，2016－2017［EB／OL］．［2017－03－27］．http：／／www．abet．org／accreditation／accreditation－criteria／criteria－for－accrediting－engineering－programs－2016－2017／JHJstudents．

［14］NSPE position statement No．1752－engineering education outcomes［EB／OL］．［2017－03－22］．https：／／www．nspe．org／sites／default／files／resources／GR%20downloadables／Engineering＿Education＿Outcomes．pdf．

［15］College learning for the new global century［EB／OL］．［2017－03－10］．http：／／www．aacu．org／leap／leadership＿coun cil．cfm．

［16］The LEAP vision for learning：outcomes，practices，impact，and employers’views［R］．Peer review，2011．

［17］KERRY S．Higher education for sustainability seeking affective learning outcomes［J］．International journal of sustain ability in higher education，2008，9（1）：87－98．

［18］楊．“數字原生代”與社交網絡國外研究綜述［J］．新聞大學，2015（6）：108－113．

［19］PRENSKY M．Teaching digital natives：partnering for real learning［M］．California：Corwin A SAGE Company，2010：25－35．

［20］The futures of learning 2：what kind of learning for the 21st century？［EB／OL］．［2017－03－20］．http：／／unesdoc．unesco．org／images／0024／002429／242996e．pdf．

［21］The futures of learning 1：why must learning content and methods change in the 21st century？［EB／OL］．［2017－03－20］．http：／／unesdoc．unesco．org／images／0023／002348／234807E．pdf．

［22］ANDR?E S．Trends 2015：learning and teaching in European universities［EB／OL］．［2017－03－25］．http：／／www．eua．be／Libraries／publications－homepage－list／EUA＿Trends＿2015＿web．

［23］The futures of learning 3：what kind of pedagogies for the 21st century？［EB／OL］．［2017－03－20］．http：／／unesdoc．unesco．org／images／0024／002431／243126e．pdf．

［24］WARBURTON K．Deep learning and education for sustainability［J］．International journal of sustainability in higher education，2003，4（1）：44－56．

［25］DIAZ V，BROWN M．Blended learning：a report on the ELI focus session［R］．ELI teaching and learning community，2010．

［26］KATHARINA S，KERSTIN G，RENE V，et al．Preparing for industry 4．0－collaborative virtual learning environments in engineering education：automation，communication and cybernetics in science and engineering 2015／2016［M］．New York：Springer International Publishing，2015：417－427．

［27］ANJA R．Learning 4．0 virtual immersive engineering education［EB／OL］．［2017－03－25］．http：／／www．ima－zlwifu．rwth－aachen．de／fileadmin／user＿upload／INSTITUTSCLUSTER／Publikation＿Medien／Vortraege／download／／Learn ing4．0＿17Sept2015．pdf．

［28］SABINA J．Engineering education for industry 4．0 challenges，chances，opportunities［EB／OL］．［2017－03－25］．ht tp：／／www．ima－zlw－ifu．rwth－aachen．de／fileadmin／user＿upload／INSTITUTSCLUSTER／Publikation＿Medien／Vortrae ge／download／／EngEducationInd4．0＿25Jan2015．pdf．

（責任編輯 吳朝平）

Exploration on the Core Competence and Teaching Mode of New Engineering Education

ZHOU Kaifa1，ZENG Yuzhen2

（1．Schoolof Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2．Library，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The arrival of the fourth industrial revolution promotes a comprehensive reform in the engi neering education．“The new engineering”reform initiative is a positive response of China’s engineering education to“Made in China 2025”．The core contents of industry 4．0 include the three topics：smart fac tory，smartproduction and smartlogistics and the nine advanced technologies：analysis ofbig data，autono mous robot，vertical and horizontal system integration，industrial IoT，internet security，cloud computing，additive manufacturing and the augment reality．The future engineering will display new tendencies in the sustainable development，computing abilities，big data，internet and IoT，Nano technology，3D printing material and cooperation of cross disciplines To meet the new tendencies of new engineering revolution and engineering development，in view of the learning features of university students of internet generation，the teaching in the new engineering of China should adopt the cooperative learning，integrated education tech nology，creating virtual learning environment，coordination and cooperation of cross disciplines，attention on the scientific research of undergraduates，promoting the interaction of students and teachers，and practice and interaction，and also carry out the teaching modes of deepening learning，blending learning，virtual learning environment，learning and analyzing，in order to cultivate the five core abilities of new engineering students：individualeffectiveness，knowledge abilities，scholarism capabilities and skill abilities and social abilities，and with six essential learning outcomes：humanities，science and technologies basic knowledge，intelligence and practice skill，industrial capabilities，ethics，values，attitude and behavior，community and global consciousness，comprehensive and applicative learning．The results show thatthe reform in the engi neering education of China must focus on the exploration of CBE and OBE mode，as well as the creation of corresponding smart learning environment in engineering education，in order to cultivate the excellent engi neers who can meetthe challenges ofthe new industrialrevolution．In view ofthe reform direction，the new engineering education reform should adopt the coordination and interactive mode of“from top to the bottom”and“from the bottom to the top”，which is the best path of new engineering education reform．

the fourth industrial revolution；new engineering；engineering education；core compe tence；essential learning outcome；smart teaching mode

G642．0

A

1673－8012（2017）03－0022－14

10．15998／j．cnki．issn1673－8012．2017．03．003

2017－04－16

國家社會科學基金教育學一般項目“云教育環境下學習模式變革研究與實踐”（BIA150104）；重慶市教委研究生教改一般項目“基于國家創新體系的重慶高校跨學科研究生培養模式的研究與實踐”（yjg133084）；重慶市教委本科教改重大項目“基于‘四個核心能力’的高等工程教育創新人才培養研究與實踐”（131011）

周開發（1963—），男，江西貴溪人，重慶交通大學土木學院副教授，主要從事高等教育哲學和彈塑性力學研究；

曾玉珍（1964—），女，江西吉安人，重慶交通大學圖書館副研究館員，主要從事圖書館學和信息素養教育研究。

周開發，曾玉珍．新工科的核心能力與教學模式探索［J］．重慶高教研究，2017，5（3）：22－35．

format：ZHOU Kaifa，ZENG Yuzhen．Exploration on the core competence and teaching mode of new engineering education［J］．Chongqing higher education research，2017，5（3）：22－35．