新工科視域下高等工程實踐教學的理性反思與體系改造

居里鍇 ,徐建成 ,周成

(南京理工大學a.教務處;b.創新創業學院;c.工程訓練中心,南京 210094)

一、新工科視域下現代工程實踐教學的理性反思

(一)傳統固化的工程實踐教學理念亟待革新

新工科作為一種新型工程教育,從育人的角度來看其本質沒有變,但人才的培養結構要素構成、目標價值取向兩個方面發生了重大的變化。

1.工程人才培養結構要素構成需多元化。當前我國產業處于不均衡發展階段,電氣化、自動化、數字化以及智能化的工業正處于并行發展的道路上,這就決定了產業對于工程人才的需求是復雜多樣的,必須完善面向全產業鏈從研發、設計、制造、銷售到管理服務的多元化人才培養結構,因此工程實踐教育應根據未來對工程人才的素質能力要求,建立起工程教育轉型升級的供給機制。

2.工程人才培養目標價值取向應面向未來。美國工程院發布的《2020的工程師:新世紀工程的愿景》中指出,未來的工程師應當具備優秀的分析能力、實踐能力、創造力、溝通能力、商務和管理能力、領導力、終身學習能力等素質。鐘登華認為未來的高素質工程人才應當具備以下核心素養:家國情懷、創新創業、跨學科交叉融合、批判性思維、全球視野、自主終身學習、溝通與協商、工程領導力、環境和可持續發展、數字素養等[1]。人才培養目標的變化,決定了新工科視域下工程實踐教育中的“實踐”也已不再是傳統意義上的實踐,其內涵也同樣發生了兩個方面的重要轉變。

第一,工程實踐由單一技術要素轉變為科學要素、技術要素以及非技術要素相融合。就實質而言,新型工程教育是一個科學、技術以及非技術要素有機耦合且具有整體性、綜合性、實踐性的系統,是培養學生創造精神和創新思維、塑造行為方式和人生哲學、選擇自主終身提升與發展的新型教育理念與范式。因此,新型工程教育要求工程實踐教育從注重技術要素的教育轉化為注重科學要素、技術要素與人文社會價值理念等非技術要素深度融合的教育,并通過新型的工程實踐平臺與載體,構建具有完整性、綜合性、創新性的工程實踐教育理念體系。這種體系從哲學角度來講是工程實踐教育發展的否定之否定,是在重新審視工程科學的基礎上全面增強工程實踐,實現對工程學科進行創造性的整合與集成,是繼承與創新發展的關系。

第二,工程實踐由單一的學科知識結構轉變為跨學科的知識結構。工程活動具有很強的實踐性,通常包含工程設計、工程實施、工程管理及工程運維等內容,其復雜性、綜合性和交叉性需要現代工程人才具備跨學科知識結構與系統解決復雜工程問題的能力與素養。這要求高校培養的工程人才在工程實踐中不僅要學會選擇和集成各類技術,還要學會對各類資源的組織與協調,形成系統性、集成性、優化性的整體思維模式[2]。

工程訓練作為培養大學生工程實踐能力的重要途徑,已得到國內工科高校的普遍重視,也取得了一些積極成效。然而觀其全貌,國內工程訓練中心大多數都是從傳統實習工廠轉型而來,缺乏理性認識和主動的建構與變革。傳統固化的教學模式束縛著工程實踐的發展,在思想理念與發展方式上注重規模、數量增長、局部體系構建的外延式發展,忽視內涵式的質量建設和發展,從而造成同質化發展、與專業教育分離、未貫穿人才培養的全過程等問題,阻礙工程實踐教育改革的有效推進和可持續發展。顯而易見,這種無法適應現代工程人才成長需求的理念亟待革新。

(二)工程環境缺失的單一工程實踐教學平臺亟待提升

現代工程是以工程鏈的形式呈現,涉及眾多學科知識背景以及諸多人文、社會、經濟、管理、倫理、道德、法律等非技術要素。工程的本質決定了工程創新具有復雜、綜合、交叉的特征,這意味著以培養創新人才為本的工程實踐教學平臺必須具有復合性[3]。這種復合,從知識結構上講是學科的綜合與交叉,在實踐中體現的是知識的整合與跨界。

工程訓練中心作為我國高等工程實踐教學的平臺已是所有工科院校的共識。然而,其建設視野、建設內容、建設規模都不同程度上囿于傳統的教育資源,普遍缺乏對復合式現代工程環境的營造。因此,面對高素質現代工程人才的迫切需求,這種單一的工程實踐教學平臺亟待提升。解決這一問題,就需要在工程教育中打破學科壁壘,重新進行能夠還原工程原貌的整合,通過建立跨學科工程實踐平臺,形成多學科交叉融合的工程環境,提升大學生工程實踐能力培養質量。

(三)學科割裂、滯后于需求的工程實踐教學內容亟待更新

我國高等工程教育普遍存在著學科割裂、多學科知識交叉、社會市場信息和專業前沿嵌入嚴重不足以及人才培養與企業需求相脫節的問題。究其原因,過去的人才培養需求往往通過市場來反饋,由于人才培養具有一定的周期性,如果完全依靠從市場接受信息,則缺乏前瞻性預期與研判,如此一來,人才培養總是滯后于企業發展的需求,從而導致高等工程教育處于與經濟建設主戰場和創新驅動發展需求相脫節的狀態。

在智能制造背景下,工業生產正朝著流程自動化、生產智能化和系統集成化方向邁進[4]。工業生產的智能化帶來了設計、制造、運維以及管理、服務方式的根本性變化,這對工程人才的綜合能力提出了很高的要求。以當今現代工程人才應當具備的數字化能力為例。工程人才需要具備數字化研發能力,這要求工程人才能夠掌握對應的算法、軟件、系統等的研發;工程人才需要具備數字化制造能力,這要求工程人才能夠掌握如何與機器和AI交互,如何根據生產數據的變化運用工具軟件對工業制造過程進行有效的分析、判斷和預測,做到高效的人機協同;工程人才需要具備數字化管理能力,這要求工程人才能夠將企業的經營管理體系與數字化結合,形成新的管理模式,構建涉及各個業務領域的全新管理平臺。這種對工程人才的數字化能力的需求必然要引發工程實踐教學內容的變革。但實際上,我國工程實踐教學內容長期以來是基于單一學科模式來確定的,注重相關學科專業的實踐操作技能、工藝流程、專業技術發展等內容。面向智能制造等新興領域,傳統的工程實踐教學內容存在內容老化、學科交叉性不強、與人文社會學科融合度低等問題[5],這不符合當今行業產業對高素質工程人才的迫切需求。因此,工程實踐教學在教學內容上需要打破傳統教學內容體系的藩籬,關注國家戰略發展方向,緊跟產業發展趨勢,主動融入現代新興技術,設置跨學科的綜合性實踐教學內容。

二、新工科視域下工程實踐教學體系的探索與踐行

新工科視域下改善后的工程實踐教學體系應有效適應未來科技發展變化,助力提升未來工程師的創造能力、實踐能力、綜合素養等,同時還必須有利于探尋繼承與創新、交叉與融合、協調與共享的正確途徑,以期培養未來多元化、創新型的卓越工程人才[6]。這是高等工程實踐教育發展的必然選擇,是對未來人才培養工程實踐走勢的科學預判,也是對未來人才需求的有效回應,已然成為新工科視域下人才培養提質增效的基本向度與根本遵循。

(一)科學把握新工業模式特征,創建智能制造工程實踐教學體系

以智能制造為突破口,改造工程實踐教學體系。曾任中國工程院院長的周濟對此有深刻而全面的闡述:“智能制造是先進制造技術與新一代信息技術的深度融合,貫穿于產品、制造、服務全生命周期的各個環節及制造系統集成,實現制造的數字化、網絡化、智能化,不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平,推進制造業創新、綠色、協調、開放、共享發展。”[7]選擇以智能制造為突破口改造工程實踐教學體系,不僅符合我國加快轉變經濟發展方式以達到高質量發展的現實需求,而且也滿足現代工程人才培養結構要素多元化的渴望,有助于從學科角度切實形成交叉融合的知識體系,實現技術創新與人文情懷的培養。

近幾年國內一些高校在面向智能制造積極改造工程實踐教學體系方面做了許多積極而有益的探索。山東大學工程訓練中心以物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術為使能技術,以實踐產品群為主線,以實踐項目為驅動載體,重構了課程體系,構建新工科工程訓練實踐創新教學模式[8]。華中科技大學以數字化、網絡化和智能化為指導思想,基于智能制造工廠產品生產全流程,突出產品智能制造中質量控制、資源管理、生產過程控制的關鍵問題,依托智能裝備、智能感知儀器與技術、虛擬仿真智能制造系統與管控等基礎裝備條件,構建新的工程實踐教學體系[9]。

(二)持續推進內合外聯、產教科教融合,提升組合平臺建設水平

組合實踐平臺是培養工程人才的主場地。它云集眾多智能軟件、匯聚多樣前沿技術,其建設資金與資源籌措僅依靠學校這單一主體是遠遠不夠的,必須聯合政產學研用多方資源協同打造工程實踐平臺的新模式、新思路和新方法。幾年來南京理工大學依據改造后工程實踐教學體系的頂層設計,通過自主開發、科研成果轉化、校企合作共建等多種方式,全方位地提升了組合實踐平臺內涵與硬軟件水平,獨具一格地創造了共建平臺、共建團隊、共同開發的新理念與新局面。

第一,共建智能制造教學平臺。基于國際視野,以校企深度合作方式建設聯合實驗中心、產學研示范基地等模式,共同推動智能制造平臺建設。以南京理工大學為例,其與世界領先的物聯網/PLM/CAD 軟件供應商PTC 公司建立國內首家以智能制造為主題的“PTC-南京理工大學聯合實驗中心”。以國家智能制造裝備安全標準化創新基地建設為契機,聯合美國PTC、日本歐姆龍與愛德克、德國皮爾磁、瑞士ABB以及上海拜睿、北京精雕等國內外在智能制造領域具有領先優勢的企業共建智能制造生產實驗系統。與全國機械安全標準化技術委員會、日本歐姆龍、德國皮爾磁、英國福帝斯積極開展合作,共建智能安全技術實驗室,實現了國內外高等教育安全實驗室平臺“零”突破。與上海曼恒數字技術有限公司共建虛擬現實仿真實驗室,通過虛擬仿真設計實驗,提升學生的數字化設計、評價與優化能力。

第二,共建校企聯合教學團隊。教學團隊質量與有效組合是工程實踐教育提質增效的關鍵因素,必須組建一批專兼結合的多元化、高素質、專業化的工程實踐教學師資隊伍。為此,高校必須主動對外聘請一批具有多學科結構的專家、優秀企業家、創業者、行業領袖為兼職教授;嚴格篩選青年骨干教師到國內外相關企業培訓學習,形成面向智能制造的多學科交叉、校企聯合工程實踐教學團隊。

第三,共同開展相關領域科學研究并轉化科研成果。案例與項目是工程實踐教學改造的特別抓手。高校要與國內頂尖科研院所及企業合作開展國家重點研發計劃、工信部智能制造綜合標準化與新模式應用等項目的科學研究,并將部分科研成果進行轉化,設計智能制造生產實驗系統、智能安全實驗系統等案例,為提升卓越工程師綜合實踐課程提供可見、可學、可用的創新實踐平臺。

(三)依托并圍繞組合式實踐平臺,優化工程實踐課程體系建設

組合式工程實踐平臺是新工科視域下的工程實踐教學平臺的創新升級,并不是以獨立形態脫離于現有學科專業教學體系,而是將一種新型工程實踐教學理念有機融合于現代工程人才培養的各個教學環節。高校應依托并圍繞組合式實踐平臺,主動響應智能制造領域對創新人才的需求,突破傳統課程體系框架,通過重構課程體系結構,逐步建設、優化與完善工程實踐課程新體系,以此適應新工科視域下工程實踐教學的需求,進一步提升學生綜合工程實踐能力、創新能力,致力于形成以智能制造技術內涵為主的通識教育課程、基礎實習課程、綜合實習課程、跨學科合作項目、科研訓練、創新性實驗等工程實踐教學課程新體系。