基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式分析

劉愛芳 杜彬彬 任曉宇

摘要：隨著互聯網技術的快速發展，信息技術與工程教育開始實現深度融合。為滿足工程人才能力的培養需求，通過分析工程人才能力結構，構建對接工程教育畢業要求的人才“能力樹”。應用信息技術開發對接課堂教育和繼續教育，實行E-SPOC工程人才教學模式。本文從教學內容、教學過程組織、教學評價方式等方面，探討E-SPOC工程人才教學模式在工程教育教學和能力培養中的應用，并依據“能力樹”探討E-SPOC工程人才教學模式的實施路徑。

關鍵詞：“能力樹”;“互聯網+”;工程教育;E-SPOC;教學模式

中圖分類號：G6423;TU-4?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）03-0045-09

“互聯網+”時代實現了互聯網和教育的有機結合，工程教育為適應社會發展，大力推行“互聯網+工程教育”的教育模式。其中，應用最廣泛的MOOC教學與工程教育的結合，實現了在線優質課程共享和對教學規律的研究，提升學生的學習質量和學習效率，推動了我國高校工程教育教學模式改革。2014 年9月中國大學 MOOC平臺推出免費的工程教育小規模限制性在線課程教學（Engineering Education-Small Private Online Course（以下簡稱為E-SPOC）功能后，各類SPOC教學平臺不斷開發且應用越來越廣泛。由于SPOC限定參與者的范圍，教學活動通常在本校范圍內進行，以配合教師的線下教學活動，實現線上線下混合式教學。SPOC較MOOC的優勢在于可以小范圍授課，限定學習者的入課條件，即學習者需通過選拔，達到條件方可進入課程學習，教學過程中輔以充分的互動交流，根據學習者自身條件制定個性化學習菜單，適合引入高校課堂使用。對比當前三類最具影響的工程教育模式，CDIO工程教育模式、基于工程項目的PBL和追求有效學習成果產出的OBE教學理念，開發對接課堂教育和繼續教育的E-SPOC工程人才培養模式，把工程教育和SPOC課程相結合，借助各種工程教育的理論，構建基于“互聯網+”思維的高校工程教育新型課堂。該培養模式的核心是課堂互聯、學習互聯和教學互聯[1]，是構建基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式總體設計的框架基礎。

一、工程教育“能力樹”體系構建的必要性

“互聯網+工程教育”是互聯網、移動通訊技術與工程教育的深度融合，以推動工程教育進步、效率提升和組織變革，增強工程教育創新力和生產力，具有戰略性和全局性的教育變革模式[2]。“互聯網+工程教育”模式促進了高等工程教育的發展，實現了大工程教育的充分融合，傳統教育模式與在線學習模式、在校教育與繼續教育、正式教育與非正式教育的融合; 實現了互聯互通的教與學，“互聯網+”工程教育提供了更加豐富、優質的教學資源和學習策略、個性化的學習服務，實現了充分的教學交互[3];實現了對工程人才信息意識和工程思維的訓練，工程人才可綜合運用相關的工程知識、技能、信息技術等，提升自身綜合能力和素質，以解決復雜工程問題。

近年來，隨著“互聯網+”時代的到來和工程教育改革的不斷深化，各工科高校對工程人才的能力培養也提出了更高的要求。現代高等工程教育由于受傳統教育模式的束縛，多年來實行以期末考試為主的考核方式，學生過多關注學習成績和結果。雖然隨著混合式教學模式的發展，這種狀況有所改善，但學生在學習過程中，對自身能力的提升沒有充分的認識和評價準則，

個人綜合能力培養則成為工程教育中的關鍵的環節。

基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式，以培養具有“互聯網+”思維和綜合工作能力的工程師為目標，培養工程師的工程實踐能力和創新能力，是培養具備國際競爭力的高素質復合型工程人才的教學模式。將傳統工程教育教學的優勢和數字化、網絡化教學的優勢結合起來，以實現工程教育課堂教學與在線教學協同互補。該模式并不是簡單地將傳統的工程教育教學模式平移、搬遷到互聯網上，而是用“互聯網+”思維對工程教育教學結構的調整和流程的重構，構建開放共享、符合工程人才個性化發展、工程能力培養為主的工程教育教學新生態。E-SPOC工程人才教學模式，得以實施并保持長期可持續發展，需要學習者即工程人才持久連貫的知識學習和能力提升，而學習者知識的獲取和能力的提高，則需通過不斷增長的“能力樹”來體現。

二、工程教育“能力樹”體系構建的可行性

工程能力是工程人才在工程知識學習和運用中綜合素質的真實表現，其發揮和實現受兩個重要因素的影響和制約：一是特定的能力主體（工程人才）;二是能力主體活動的開展（能力培養活動）。能力主體和能力培養活動構成了工程人才能力的兩個基本維度。在維度模型中，能力維度描述了能力主體在能力培養過程中的思維角度[4]。一方面從能力主體的角度進行能力維度的管理;另一方面，從能力的培養過程出發對具體的能力項進行管理。因此，需要一種組織模式能夠把能力主體、能力維度和能力項三者進行結合。于是，提出了“能力樹”的概念。

工程人才“能力樹”的主要研究對象是工程能力，所以在設計“能力樹”之前，有必要介紹工程能力的相關理論。隨著信息技術的發展與互聯網的普及，工程能力已被廣泛地認為是決定工程人才個人與組織發展前途的重要因素。如何高效地提升自身工程能力，已成為目前工程人才普遍關心的問題。工程能力是指人才的綜合素質在工程實踐活動中表現出的實際本領和能量，即工程人才的綜合工作能力。根據我國工程教育認證標準，對工程教育專業的畢業生提出了12種工程能力要求[5]：（1）工程知識;（2）問題分析;（3）設計/開發解決方案;（4）研究;（5）使用現代工具;（6）工程與社會;（7）環境和可持續發展;（8）職業規范;（9）個人和團隊;（10）溝通;（11）項目管理;（12）終身學習。從人才培養的角度對這12個方面進行歸納整理，工程知識、研究、項目管理和終身學習可以歸納為知識學習與應用;工程思維問題分析稱為思維判斷與科學分析能力;設計/開發解決方案、使用現代工具可以歸納為工程設計與實踐能力;工程與社會、環境和可持續發展、職業規范歸納為社會和可持續發展;個人和團隊、溝通歸納為表達溝通能力。

工程人才“能力樹”是以樹的形狀來展現各能力項目之間的內在關系，包含樹根、樹干、樹枝、樹葉等元素[2]。“能力樹”是由“樹根”吸收多年工程知識和實踐技能積累而生根發芽形成。“樹干”代表“能力樹”的初步構建，起到定向作用，即“培養高質量、多層次、具備綜合工作能力的高級工程技術人才”。“樹枝”從“樹干”延伸生長，包含根據畢業要求12條歸納的知識學習與應用能力、思維判斷與科學分析能力、工程設計與實踐能力、表達交流能力 [5]、環境和社會責任五個方面，再加上工程人才創新創業能力共六根樹枝。“樹枝”開枝散葉形成“樹葉”，“樹葉”代表各個子能力項。基于以上“能力樹”與能力維度、能力項的關系，并結合CDIO工程教育模式提出的工程技術知識、個人素質、團隊能力和工程實現四個方面的能力要求，對工程人能力進行整合，得出如下圖1所示的“能力樹”模型。

在工程人才培養過程中，結合“互聯網+”、云平臺和大數據，建立工程人才“能力樹”管理平臺。工程人才能力在學習和實踐過程中不斷提升，從最初的基礎知識學習和應用到具備一定的研究能力，“能力樹”逐漸開枝散葉。“能力樹”定期根據工程人才學習和能力增進情況進行更新，在“能力樹”管理平臺中不斷完善能力項。工程人才根據自己所構建的“能力樹”情況，對自我學習技能進行排序和計劃。另外，通過大數據技術，可提取通用能力和增長較快的能力，為工程人才在校教育指出方向。專業培養體系也可以“能力樹”的方式組織，以樹狀結構體現學習者需要掌握的知識之間的內在關系。

三、E-SPOC工程人才教學模式的組織與實施

基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式，從教學內容、教學過程組織、教學評價機制等方面探討其在工程教育教學和能力培養中的應用，重新構建高校課堂，互聯教師、學生、從業工程人才，改革教學組織方式，使得知識傳播的速度更加快捷，內容更加豐富，與社會實踐結合更加緊密。通過課堂吸納從業工程人才的模式，理論與實踐并重，按層次培養工程人才，實現提高高校工程教育的質量[1]。

（一）教學內容

工程人才培養目標需要相應的教學內容來支撐，教學內容一般是通過課程體系來表達[8]，而“互聯網+工程教育”重構了工程人才培養課程體系。隨著社會需求的變化和工程技術的更新換代，涵蓋的課程的種類也越來越多，加上SPOC平臺的普及應用和課程體系的進一步完善，工程教育的教與學活動都可在網上進行，

線下教學活動成為線上教學活動的拓展和補充。E-SPOC工程人才教學模式，注重工程人才工程能力培養，需要在“互聯網+”模式下，將專業課程體系與工程教育專業畢業要求相結合，根據課程體系制定教學內容，采用傳統課堂教學模式與SPOC平臺應用相結合的方式，根據工程人才個性化需求和自身特點，培養工程人才的自主學習能力和“互聯網+”學習思維。

工程教育課程體系設置和教學計劃的制定應以企業和社會需求為導向，培養具備高質量、多層次和綜合工作能力的高級工程技術人才。基于“能力樹”工程教育體系能夠在學校、企業、學生三者之間搭建一座信息化橋梁，充分利用互聯網的平臺優勢和已開發的SPOC課程，分析企業和社會對工程人才的需求，在課程體系設置過程中，考慮課程設置對工程能力的實現，制作課程體系與工程能力的關聯度矩陣，明確課程和能力培養的關系。根據分析結果整改課程內容和課程體系，使之更加滿足工程人才能力培養的需求。可考慮把相關企業的最新項目加入到課程內容中，通過分析和操作實際項目，使學生可以更加直觀地感受企業工作內容，增強學生工程意識和實戰意識。

（二）教學過程組織

1.E-SPOC教學方式

E-SPOC工程人才教學模式把工程人才能力作為培養中心和目標，把工程教育延伸到課堂教學外對從業工程人員的繼續教育。“互聯網+工程教育”模式下，SPOC網絡教學系統記錄了大量關于教學過程和學生學習過程的數據，該數據可反映出學生的知識水平、學習興趣，教師通過對這些數據的整理分析，更新教學內容和教學設計，從而根據不同學生學習特征推送個性化的學習資源，

實現對學生進行更加有效和針對性地教學。

E-SPOC工程人才教學模式，教師可以通過SPOC平臺、社交直播工具等多種途徑，實現師生、學生、師生與工程人員之間的溝通與互動。該教學模式改變了傳統課堂上單一的知識傳輸模式，教師的作用主要是進行思維和方法的指導，配合學生提供在線學習資源鏈接，進行啟發式教學;配合企業工程人員參與，引導學生開展自主適應學習。目前已在工程遞進式課程設計的實踐教學中應用[9]，且最早在建筑工程計量、計價和建設項目管理課程設計中實施。

基于學校SPOC教學平臺，引入企業工程人員參與。教師根據企業工程人員實際工作需求，選擇適合學生層次的任務，制定課程設計任務書，生成SPOC課程

。課程一般選擇2～3名工程人員加入，根據工程人員不同的專業領域和學生的選題方向，安排和學生一起分組。在SPOC平臺上可以查看教學任務、教師資源，進行專題討論。

工程人員既作為專業知識的學習者，也作為在校學生的實踐指導教師，可通過SPOC平臺進行互動，一切活動過程和成果都會以數據形式保存在平臺。該方式打破了學習者在學習時間和空間上的限制，并延伸到課程教學中。

教學方式的個性化、數據化，改變了傳統工程教育課堂的授課方式。引入從業工程人員的經驗和專業知識，更加有利于學生對教學內容的理解和吸收，增加學生的專業知識獲取量，提升了教學效果。此外，通過互聯網收集的各類信息和數據，分析社會和企業所需要培養的工程人才，可作為高等工程教育人才培養和從業人員繼續教育的依據，助力工程人才能力培養。

2E-SPOC學習方式

E-SPOC工程人才教學模式，借助互聯網的存儲、計算和交互功能，實現了工程人才的移動和協作式學習。

在“互聯網+”環境的支持下，

SPOC課程可以增強師生、學生間的有效互動，不受時間、地點和課程安排的限制，隨時隨地參與學習，同時因工程從業人員加入，擴大高校學生的交流范圍，使不同地域的學生可以和從業工程人員一起進行協作學習，且課堂外的學習活動越來越普遍。

“互聯網+教育”背景下，E-SPOC工程人才教學模式，借助互聯網工具，進行基于問題、項目及案例討論式教學等研究性學習[8]，

研究性學習要求學生提高自身運用信息技術的能力，利用“互聯網+”工具，進行資料搜集和整理，通過知識學習和理論研究獲取有用信息并加以運用，提高自己的學習、研究能力及效率。研究性學習改變了學生的學習方式，有助于培養學生的邏輯思維能力和創新精神，提高學生的信息素養，對于改進教師的教學方式也有十分重要的作用。

“互聯網+”時代，拓寬了學生的思維空間，讓課堂學習更多地讓位于課外學習，實現了個體化的單獨學習向群體性的協作學習轉變，學習方式和手段變得更加豐富有效，學生、學生與從業工程人員、師生間的交流與合作更加便捷，對提高學生的自主學習能力、搜集信息能力、工程實踐能力、溝通能力和團隊協作能力有著積極的作用[10]。

（三）新型教學評價方式

通過對“能力樹”數據的收集與分析，對工程人才的學習和能力培養效果進行評價，為工程人才各方面的能力培養提供數據支撐。首先，需要建立工程人才的個人能力數據庫，儲存工程人才能力形成的數據序列，得到工程人才的個人能力形成曲線;其次，從工程人才的個人能力培養動機、能力培養方式、外界環境因素、人為因素等來考慮對能力培養效果的影響;最后，通過對數據采集分析出工程能力培養過程中存在的問題，改進教學方法和培養方式，更加有效、有針對性地培養工程人才。

基于“互聯網+”的新型教學評價方式，從片面地關注知識學習和能力培養效果提升到全面地關注教師的教學思維、人才的培養過程、培養方法等，采用更加客觀的評價方式，量化評價結果，記錄評價過程，使評價結果的更加準確、有效。對高校教師改進教學方式、學生改善學習方法等有很大的幫助，對促進高等工程教育質量評價的變革，改進工程人才培養方式、提高高等工程人才培養質量有著重要的意義。

四、E-SPOC工程人才教學模式的實現路徑

基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式將工程教育與SPOC教學嫁接，使得教學模式由建立學科知識體系向培養工程能力素質轉變。E-SPOC工程人才教學模式，在教學過程中，通過SPOC課堂吸收部分經驗豐富的工程從業人員加入，

安排學生具體項目，搭建學校、企業、社會三個層次的培養平臺，為工程人才培養和教育改革提供了保障，切實改善和提高工程人才培養質量，實現工程教育與社會需求的無縫對接。根據提出的“能力樹”模型，從以下四個方面保證E-SPOC人才教學模式的實施。

（一）面向工程實際，明確培養工程人才能力目標

中國工程教育人才培養目標的轉變過程，告訴我們高等工程教育絕不可以忽視工程實踐、脫離工程實際。“回歸工程”已成為近年來工程教育改革的主流方向。因此，人才培養目標必須面向工程發展需求，從科學導向向需求導向轉變，從注重科學知識的培養到對“品格十知識+能力”全方面素質的重視，以培養滿足高質量、多層次、具備綜合工作能力、擁有全方位、可持續性發展的高素質工程人才。這種人才不僅擁有全方位應對未來的知識和能力，且兼具良好的品格素養;不僅“術業有專攻”，且具有“學科交叉融合”、“工程思維”和“互聯網+”思維意識;不僅能夠解決現有工程問題，還能面對未來的工程問題，并能對未來技術和產業起到引領作用[11]。

（二）傳統培養方案制定過程改革

傳統工程教育培養方案制定過程一般按照所建立的學科專業知識體系，分解知識點，組合課程，培養的工程人才，使之符合服務企業和社會發展的需求。該培養方案以學科知識體系為出發點，以培養工程人才的學科知識型能力和學術研究型人才為目標，其最大的薄弱環節和難點是知識體系向能力素質培養轉化過程出現脫節。E-SPOC工程人才教學模式，在人才培養方案的制定過程中，要綜合考慮人才能力培養的層次關系，以工程人才能力培養為主要目標，其專業體系出發點應首先考慮企業和社會需求，根據企業和社會需求確定工程人才需具備的能力，進而構建工程人才專業知識體系。其主要改革過程如圖2所示，這與工程認證專業畢業要求是相統一的。

（三）“聯合培養階段”人才分類培養

E-SPOC工程人才教學模式，在教學組織過程根據學生不同能力需求、學習特點和成績進行人才分類培養，通過引入從業工程人員加入，根據自身特長加入到不同分組中進行學習，并指導學生實踐。

目前，國際上通常按知識與能力結構將社會活動中的不同人群分為四大類： 學術型、工程型、技術型和技能型。其中，學術型人才與其他三類人才的區別明顯，工程型、技術型、技能型這三類人才之間的區別則較為模糊，可將后三類人才通稱為 “應用技術型人才”[6]。

根據現代工程教育特點、工程人才“能力樹”結構模型和現代教育技術的發展趨勢，以及國際通用的能力結構分類，我們可對工科院校工程人才進行分類培養，分為“應用技術型”、“技術研究型”、“學術研究型”和“創新創業型”四類。

應用技術型人才是應用型高校工程人才培養的主體，人數預計占到學生總人數的60%左右。應用技術型人才需要掌握技術科學的理論知識并能運用于生產技術，側重于技術推廣和操作應用。結合在企業現場進行的工程教學實踐，培養工程人才的操作技能和動手能力，強調在生產過程中技術的選擇能力以及在使用技術過程中的心理素質和實踐能力[6]，以此培養符合企業和社會需求的應用型技術人才。

技術研究型側重于培養工程人才對設計技術、開發技術和工程設計方法的掌握，強調完成工程設計任務和具備實施設計的基本素質和工程實踐，重點培養學生“能力樹”中的工程設計能力。要求工程師具有很強的獨立工程設計能力，包括工程設計與規劃能力、邏輯思維能力、知識遷移能力、獲取信息的能力以及技術評價和經濟分析能力。工程設計是上述能力的綜合體現。

學術研究型是以培養能夠從事相關工程技術理論研究的研究型人才為目的，主要培養工程人才具有良好的科學研究精神和獨立自主學習能力。采用的主要方式為在校內集中強化研究生階段基礎知識學習和專業基礎技能訓練，提高學生從事科學研究的綜合能力[7]。

創新創業型，分為創業實踐、創新研究兩個方向。創業實踐采用項目驅動，開展創新創業實訓實踐活動，培養學生的創新意識、創造思維能力和新產品開發的初步能力;創新研究，即讓學生系統掌握創新創業的知識、創新研究方法，培養學生獲取和接受新知識的能力、技術改造和改進創新方法的初步能力。

根據工程人才“能力樹”模型和工程人才能力培養分類，需要培養工程人才各方面的能力。但不同分類又有不同的能力培養側重點，應用技術型人才的培養重點工程實踐能力;技術研究型重點培養“能力樹”中的工程設計能力;學術研究型重點培養知識的學習和科學分析能力;創業創新型重點培養創造創新能力。根據各自的能力培養要求制定不同的培養方案，以此滿足工程人才的培養目標。

（四）學校教育與繼續教育對接

建立企業與高校共育工程人才的繼續教育工作機制。企業為提升工程人才的綜合工程能力，加強工程人才隊伍的能力素質培養，采用聘請知名大學的專家教授舉辦講座和選派部分員工到高校進修學習等方式。隨著互聯網和信息技術的發展，企業與學校的合作更加便捷，企業工程人才可申請加入SPOC課程，接受更高層次、更加系統的工程知識教育，有益于工程人才的成長和企業的長遠發展。此外，企業還可以參與到高校教學計劃的制訂過程中，有助于提高人才培養的針對性、目的性，更好地完成工程人才培養目標[12]。

基于“互聯網+”思維的E-SPOC工程人才教育模式通過課堂吸納從業工程技術人才加入，理論與實踐并重，豐富了高校工程教育的實踐內容。將高校教育與繼續教育的界限打破，直接將繼續教育引入高校課堂，提高在繼續教育過程中從業工程人才的學習積極性，增加繼續教育學生的參與度，也為從業工程人才搭建了知識傳播和共享的平臺。該教育模式可隨時向工程人員打開，借助互聯網媒介為工程人才重返課堂創造了可能，甚至整個職業生涯的終生教育都可以借助這種教育模式進行教育[1]。

五、結語

基于“能力樹”的E-SPOC工程人才教學模式，探索在“互聯網+”時代培養更具信息意識、工程思維、較強實踐能力和較深創造潛能的工程人才。工程人才“能力樹”，根據工程人才所獲得能力項先后順序和邏輯關系由下向上繪制樹形圖。隨著工程人才能力提升，樹形圖能力項逐漸增多，后期還可以對能力項賦權值，并且進行量化。基于維度的工程人才“能力樹”組織形式幫助能力主體較系統地實現對工程能力的組織與管理。E-SPOC工程人才教學模式工程能力的培養，以樹狀結構的形式從高等工程教育階段到就業崗位和繼續教育階段對工程人才掌握的知識和能力進行展現，這種結構很好地體現了工程人才專業知識和能力的累積過程和層次關系。

基于“互聯網+”思維的E-SPOC工程人才教育模式可以借鑒至高校課堂，通過教學組織方式，互聯教師、學生、工程技術從業人才，使得知識傳播的速度更加快捷，內容更加豐富，與實際結合更加緊密。

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E-SPOC engineering talent teaching mode based on “ability tree”

LIU Aifang1， DU Binbin2， REN Xiaoyu1

（1. School of Civil and Architectural Engineering， Shandong University of Technology，

Zibo 255049， P. R. China; 2. Zibo Yemai Construction Co.， Ltd.， Zibo 255000， P. R. China）

Abstract：

With the rapid development of internet technology， information technology and engineering education are deeply integrated. In order to meet the training needs of engineering talents， this thesis analyzes the ability structure of engineering talents， and constructs the “ability tree” of engineering talents meeting to the graduation requirements of engineering education， and develops Engineering Education-Small Private Online Course （E-SPOC） engineering talent teaching mode based on docking classroom education and continuing education with information technology. It discusses the application of E-SPOC engineering talents teaching mode in engineering education teaching and ability training from the aspects of teaching content， teaching process organization and teaching evaluation mode， and according to the “ability tree” explores the implementation path of E-SPOC engineering talent teaching mode.

Key words：

ability tree; internet+; engineering education; E-SPOC; teaching mode

（責任編輯 崔守奎）