多學科交叉融合的工程人才培養模式探索與實踐

宋亞男，宋子寅，徐榮華

（1. 廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州 510006）

2017 年4 月，教育部在天津大學召開“新工科”建設研討會，60 余所高校共商“新工科”建設的愿景與行動。與會代表一致認為，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。其中指出，促進學生的全面發展，把握“新工科”人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態意識，培養設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升創新創業、跨學科交叉融合、自主終身學習、溝通協商能力和工程領導力[1]。其中關鍵問題之一是如何培養多學科交叉融合的工程人才。

美國大學教育在20 世紀90 年代興起了“回歸工程”的浪潮，提出建立工程教育的“大工程觀”[2]。若想在大工程觀的基礎上實現創新，就需要突破原有的專業、學科的壁壘，進行多學科交叉融合。這與早期細化專業和學科的專門人才培養過程相逆。二者在不同的社會發展、知識發展過程中都是需要的。然而，當今時代下，知識飛速更新，對多學科交叉融合的工程人才的需求更為迫切。

目前，多學科交叉融合的工程人才培養已得到高校教育工作者的廣泛關注[3-16]。有的研究者從多學科交叉融合人才培養方法上進行了探索[3-5]，有的從實驗室平臺建設方面進行了探討[2]，有的針對某一專業、學科進行了深入探索[6-11]，有的從培養模式方面進行了有益探討[12-14]，還有的從實踐教學方面進行了探索[15-16]等。如李濤等[2]提出運用多學科交叉融合方法，依托學校優勢學科，打通教學科研實驗室壁壘，整合校內外實踐教學資源，構建功能集約、資源優化、開放充分、運作高效的創新實踐平臺；張建[6]以華南理工大學陳皓勇教授的工作為例介紹了多學科交叉融合推進電力系統創新舉措和方法；王冠凌等[7]介紹了安徽工程大學電子信息工程專業通過以項目為紐帶，融合學科競賽，構建了多學科交叉融合的創新人才培養模式。這些經驗都值得借鑒，本文將介紹在課題組這方面所進行的一些探索和實踐。

1 多學科交叉融合的工程人才培養模式設計

1.1 課程設計與組織

（1）需要針對培養目標，有意識、有針對性地設計與組織數理基礎課和專業核心課程的教學安排。雖然不同學科的教學內容不同，但在研究方法和理論探索方面有一致性和相同之處，這有利于提高學生進行交叉學科的學習與探討。

（2）靈活設計專業課模塊，引入學科交叉案例分析，以應對不同社會需求出口，增加學生的學科交叉學習的興趣及主動性。

（3）按照課程群建設的模式，讓數理基礎、專業核心課程內容接近實際工程問題的解決，讓這些從工程問題中來的知識最終能成為解決工程問題的工具。同時使學生能夠認識到學科之間沒有完全的壁壘，通過跨學科教學內容的融合，培養學生具有跨過壁壘、解決問題的能力。

1.2 課程內容更新

（2）由于教材的改版一般比較慢，可充分利用講義、PPT 更新教學內容，借助互聯網教學資源豐富交叉學科的教學內容。

（3）引導不同專業的本科生、研究生進入教師科研團隊協同工作，并將教師科研成果轉化成實驗教學項目，更新及豐富交叉學科的實踐教學。

（4）以教師交叉科研項目為導向，依托信息社會資源開放的特點，引導學生根據所要解決的問題，自主學習慕課等資源，解決專業學時有限、交叉學科學習目標多等問題。

1.3 多學科交叉融合環境搭建

（1）依托教師科研，根據項目需要組建各專業背景的交流群組，建立交叉學科交流平臺（微信群、遠程實驗系統等），便于學生及時交流和學習。

（2）建立開放實驗室，依托教師的科研項目，有序組織各專業學生進入實驗室開展項目研發，培養學生交叉學科的科研能力。

（3）依托教師的科研項目，有針對性地由不同專業背景的合作者進行專業內容的指導，讓不同專業的學生能夠合作得更為緊密。

（4）互相派遣不同專業的學生，依托科研項目，進行交叉學科的難題攻關，促進交叉學科微環境的良性理解和互動，實踐證明這種方式很好地促進了項目攻關和多學科交叉人才培養。

2 多學科交叉融合的工程人才培養模式實踐

課題組所在團隊的主要研究方向是機器學習與機器視覺，其作為一種人工智能的工具和手段越來越廣泛地服務于不同的行業和領域。由于機器學習是一種智能學習工具，而機器視覺是一種非接觸性全息測量手段，只有與不同領域知識相結合才能解決課題組中遇到的問題。此外，由于各個領域對信息化、智能化的需求越來越迫切，機器學習及機器視覺的研究和工程應用必然向多學科交叉方向發展，其要解決的問題需要多學科之間的協同合作。所有這些需要團隊成員具有良好的交叉學科的學習能力，也需要團隊之間實現快速、高效無障礙交流。

（1）課題組針對不同專業建立了攻關項目，如與人工智能與模式識別專業的“識別算法設計與實現”項目、與機械工程專業的“進行采集裝置制造”項目、與生物系昆蟲學專業的“昆蟲跟蹤算法設計與實現”項目、與控制工程專業的“進行多攝像頭采集裝置的同步裝置的設計與制造”項目等。

再者，學校應積極舉辦體育比賽、體育項目表演、校園體育文化節等活動，增強校園體育文化氛圍，豐富學生的課外活動，使學生勞逸結合，在學習的同時釋放壓力、振奮精神。

（2）為了讓不同專業學生之間能夠充分交流，搭建了項目微信群，并基于開放實驗室建立依托項目的團組，實現項目思路和問題的有效交流。各專業教師從不同專業視角開展學科交叉融合，促進多學科人才培養的有效進行。基于遠程實驗平臺，讓采集端與學習服務器互聯，實現多方協同工作機制。利用學院開放實驗室，引導部分專業本科生進入實驗室開展多學科交叉融合項目研發。

（3）為了讓不同專業學生互相理解各自的工作目標及所需要的協作，定期進行各專業團隊內容匯報和對不同專業的問題匯總、咨詢與答復。此外，專業團隊成員提供不同專業知識輔導；需要的話，互相選派專業團隊成員進行短期項目跟蹤與支持。實踐證明，這種方法非常有效，縮短了溝通成本，提高了項目攻關的效率，提高了學生的合作能力。

（4）本科生是科學研究和開發的后備軍，可以讓大一、大二的本科生在課余時間進入教師的科研課題，先做一些輔助性工作，如挖掘數據、搭建基本實驗平臺、數據標注、數據整理分析等。通過參與項目的全程研發，逐漸培養學生多學科交叉融合的學習能力、溝通交流能力和實踐動手能力，也提高了學生的科學研究興趣。

（5）將多學科交叉研究項目裁剪成教學素材和實驗項目，更新教材、豐富課堂教學內容和實踐教學內容。如課題組正在編寫《機器學習》教材，將結合課題組多學科交叉融合的工程實際和研究組織編寫，這些內容將提供給學習者有益的參考；多學科交叉研究的項目也被裁剪成小的實踐項目供學生在創新實踐、畢業設計等環節中進行探索。

3 多學科交叉融合的工程人才培養模式的滾動評估和完善

為了不斷完善多學科工程人才培養模式，發現培養過程中的薄弱環節，課題組設計了調查反饋表，以促進和指導多學科交叉融合工程人才培養模式的滾動優化。調查表分為三種，分別提供給教師、學生和用人單位。這部分工作剛剛開展，只進行了一部分教師、學生和用人單位的調研，但已經獲得很好的啟示。

（1）交叉學科人才培養的資源還比較有限，能夠參與教師科研、科技競賽、大學生創新項目的學生人數還不到15%。雖然相對于以前而言，這方面有了很大進步，但還有進一步擴大的潛能。實踐發現，上述資源在一定程度上受學校發展和資源的限制，大幅度提高有一定的困難，而將交叉學科項目引入實踐環節（如實驗室綜合性設計性實驗、實驗室自制設備、畢業設計等）是擴大學生參與交叉學科人才培養的一個有效方式，值得嘗試和推廣。

（2）交叉學科人才培養要求學生有更多的自主學習時間。近年來專業課程進行了學分壓縮，可以釋放出更多的時間給學生進行交叉學科的學習。此外，學校在理順核心課程，進一步夯實專業基礎的同時，也釋放出更多自主學習的時間。但如何組織學生積極有效地利用好釋放出來的時間，進行有的放矢的交叉學科的學習，這是需要認真研究解決的一個實際問題。另外，局部打通一些學分壁壘，實現大學科部分學分共享，也是促進學科交叉融合的一種有效方式，但這需要在學校大學科層面進行總體設計與實施。

（3）交叉學科人才培養對教師業務能力提出了新的要求，除了個體教師及所在科研團隊通過研究項目的實施能夠提高這方面能力外，教師在交叉學科人才培養共性方面需要進一步的學習和交流。為此，學校成立了教師發展中心，進行教師能力可持續發展的培訓，讓很多教師受益良多。依托教師發展中心的教師培訓項目，組織教師對交叉學科人才培養的一些共性問題進行探討，這有利于教師業務能力的提升。

（4）交叉學科人才培養的要求是和社會需求密切相關的，教師和用人單位，通過教師項目進行聯接，企業導師也提供了這種聯接渠道，但在本科生培養階段，這種渠道還非常有限。比較有效的做法是企業在學校設置實驗室，讓企業的一線需求快速進入學校，學生能夠及時了解企業的實際需求。目前，人工智能技術發展迅速，有很多的企業尋求新的合作方式，如軟件項目合作，并不需要很大的空間。本課題組所接觸的企業就有這種需求，希望通過這種方式培養企業的后備人才，對學校而言也是一種好的社會資源，可以讓一線的實際問題進入校園，促進多學科交叉融合的工程人才的培養。

（5）學校的各種學術交流比較豐富，而企業界進校交流則比較少或是在小范圍內進行，應該增加與企業界交流的方式，建立相關機制，如建立信息網站，進行需求對接等，讓校企交流的方式更靈活、更常態化，使學校和社會的需求聯接等更加緊密。

（6）在課題組的實踐探索中發現，多學科交叉融合的推進劑和關鍵點是項目引導，即專業教師的科研合作項目。合作項目的開展有利于多學科交叉融合的工程技術人員培養所須具備的兩個最重要的能力，即自主學習能力和溝通交流能力。不同學科專業人員的知識背景是不同的，尊重對方專業性、重視相互合作，以順暢的交流方式進行表述、溝通，才能讓多學科交叉融合真正有效實施。上述兩種能力在交叉學科融合項目的實踐中得到加強和培養。

4 結語

在知識飛速更新，只有不斷創新才能具有競爭力的今天，多學科交叉融合的工程人才培養顯得尤為重要。課題組實踐表明，在高等教育中，以工程項目為導向，創造良好的多學科交叉融合學習的環境，重點培養學生的自主學習能力和溝通交流能力，將積極有效地推進多學科交叉融合的工程人才培養。