破解工程教育改革“大規模適用性”難題

黃廷祝??黃艷??向桂君

摘 要：破解工程教育改革在不同情境下的“大規模適用性”難題，真正有效實施惠及全體學生的系統性、整體性、全覆蓋工程教育改革，是新工科建設再深化、再拓展、再突破、再出發的關鍵。本文以“始于新生、貫通四年、覆蓋全體”為原則，以新工科建設“成電方案”為例，提供一套面向未來的具有大規模適用性的新工科課程體系，使其可復制、可推廣、可拓展，探索形成工程教育的新模式、新文化。

關鍵詞：工程教育;新工科;課程體系;成電方案;大規模適用性

新工科建設是一項復雜的系統工程，涉及人才培養的各種要素、各個階段和各項環節，經過深入的探索與實踐，已從“轟轟烈烈”的理念倡導和頂層設計走向“扎扎實實”的推進落實和質量提升階段。縱觀當前的高等工程教育改革趨勢，世界范圍內實質等效的新工科建設也在蓬勃開展。例如，麻省理工學院的新工程教育轉型計劃（NEET）以項目為中心、采用項目串編、面向新機器和新系統人才需求開展的新工程教育改革，在工程教育理念、內容及方法等方面較現有體系產生了顛覆性變化;歐林工學院重新定義“工程”“工程教育”場景，以學生為中心實施“歐林三角（Olin Triangle）”培養模式，徹底改變學生學習和創新創造的方式，全方位激活學生內驅力，被譽為工程教育設計和再設計的國家“實驗室”和全球工程教育領導者;代爾夫特理工大學航空航天學院構建以設計流為核心、以項目為基礎，包括探索、概念設計、初級設計、測試分析與建模、檢驗確認、系統設計六個階段的系統化課程體系，給予學生全方位的真實工程項目體驗，被MIT《全球工程教育現狀報告》（2018）列入典型國際高等工程教育改革案例。

一、工程教育改革全面落地的難題：大規模適用性

通過研究分析高等工程教育改革的優秀案例和成功經驗，我們注意到這些改革通常是小規模范圍的工程教育轉型，它的經驗在更大規模的學校面向全體學生時能否借鑒和全面有效實施，仍然是一大難題。如，NEET計劃是學生自愿選擇參加的，在2017年秋季39名大二學生參加（占大二工科生人數的5%以上），2018年秋季92名大二學生參加（占大二工科生人數的12%以上）[1]，目前該項目正在積極發展，是第四大本科生學術團體，有超過186名學生參與。歐林工學院現有382名學生，這些學生都經過了學校的全面評估，包括他們的學術準備和潛力，他們如何度過時光以及他們在其群體中的地位如何，部分學生還在入學前參加為期2天的候選人周末，參與設計挑戰、個人面試和小組練習等活動[2]。可以說，歐林工學院的學生是獨一無二的，不具普遍性，學校的資源也無法復制。代爾夫特理工大學的工程教育改革也主要集中在每年招生440人左右的航空航天學院[3]。

再看我國，2020年我國普通本科在校生1825萬人，其中工科學生614萬人;普通本科院校校均規模15 749人。面向發生深刻變化的工程教育改革外部環境和宏觀政策環境，如何真正有效地實施惠及全體學生的系統性、整體性、全覆蓋的工程教育改革，落地新工科教育理念的“最后一公里”，破解工程教育改革在不同情境下的“大規模適用性”難題，是新工科建設再深化、再拓展、再突破、再出發的關鍵。

二、破解難題：打造始于新生貫通四年的工程教育課程體系

課程是人才培養的核心要素，工程教育的創新發展不僅僅是人才培養理念的變化和計劃層面的調整，更是深入課程教學層面的課程革命。然而，由于新工科教育的大規模適用性難題尚未解決，由此引發了新工科建設在課程改革方面的一系列實踐困境，其中三個問題較為突出。

一是系統性、整體性、全覆蓋性缺失。現行的課程教育教學改革通常僅在課程設置、知識內容和教學方法等方面實行一些小變化或改革，以小規模實驗班試點改革或教學改革中少數教師“單打獨斗”為主要形式，沒有面向全校大規模學生群體全面實施系統性、整體性工程教育教學改革。

二是課程體系存在結構性問題。工程專業實踐一般在大三才開始，學生接觸創新實踐過晚，能力訓練不足。即使大三、大四，除了少數學生參加課外學科競賽或其他課外創新實踐活動外，大部分學生在課程學習中也很少有機會體驗工程設計與創新實踐。

三是“非技術能力”培養缺乏系統且有效的培養方式。我國工程教育認證標準明確要求工科課程的人文社會科學類通識教育課程至少占總學分的15%，使學生在從事工程設計時能夠考慮經濟、環境、法律、倫理等各種制約因素。然而，由于現有培養模式對通識教育在工程教育中的價值和地位認識與重視不夠，再加之學科和專業之間存在壁壘、教學資源在學科和專業之間缺少流動和共享、評價與考核機制等原因，工科學生的多學科知識結構、人文素養、跨學科思維、交流表達等“非技術能力”缺乏系統的培養和有效的培養方式。

基于上述分析，本文以“始于新生、貫通四年、覆蓋全體”為原則，以新工科建設“成電方案”為例，提供一套面向未來的具有大規模適用性的工程教育課程體系。

1.縱向進階：始于新生、貫通四年的全新項目式課程體系

以科學、技術、工程、數學（STEM）為核心的寬厚扎實基礎知識是卓越工程人才的根基，也是任何一項教育計劃的基礎，不可輕視也不在此贅述。那么，未來卓越工程師最重要的品質——創造性——又該如何培養呢？本文認為，未來卓越工程師能從不同的學科視角，采取不同的思考方式，以實踐者、創造者身份看待世界，才會創新性地提出問題和解決問題。因此，需改變以學科為中心的教學模式，把學生學習置于跨功能協作的真實工程環境中，將創新思維訓練融入課程和實踐活動，激發學生的好奇心，鼓勵學生主動發現問題、深入思考問題、大膽提出設想，充分發揮創造力和想象力。

好奇心是人類進行探索性和創造性活動時最重要、最顯著的心理特征，驅動了人類社會各種新的可能性產生。2016年，Merck發布《好奇心狀態報告》，提出了好奇心的四個維度（默克模型）：從探索中獲得樂趣（因學習和探索新知識而高興）、認識到差距并努力彌補差距（意識到知識缺口并想方設法去彌補）、敞開心胸擁抱他人想法（重視并有意尋求他人的觀點）、愿意承擔探索新領域時的焦慮與不安（愿意接納新的和不確定的情況）。2018年，Merck再次發布《好奇心狀態報告》，特別指出：好奇心的提升與創新度提升之間存在強烈的關系，鼓勵與獎勵好奇心是造就創新文化的有效途徑。

對大學而言，大學教育的成功“很大程度上取決于學生在第一年的經歷”。一定要在一年級進行致力于喚起好奇心、喚起主動學習與創新創造熱情的課程改革創新和教育教學方法改革。一年級做好了，將學生的“心”抓住，學習興趣、創新興趣上來了，學習內驅力就自然上來了，后三年持續激發學習興趣和創新創造的興趣，持續教育教學改革跟進，激發潛能，樹立自信，持續鞏固內驅力。反之，如果后續教育不匹配，剛被喚起的興趣、熱情、喜愛、研究精神就會很快消失，前功盡棄。因此，要從新生開始，通過當前和未來可能存在的工程問題捕捉學生的興趣，喚起其深度思考，最終在貫通四年、逐級進階完成高要求、挑戰性真實工程項目情境下，培養學生設計和創造未來世界的創新能力。

近年來，新工科建設“成電方案”（New E3）通過系統實施“一年級新生新工程教育計劃”“基于項目的課程體系設計與實踐計劃”，在全校所有工科專業建成從新生項目式課程到高峰體驗項目式課程的貫通四年、逐級挑戰新工科項目式課程體系（如圖1所示）。為學生提供連續的、主動參與的挑戰性項目式學習機會，讓學生動腦與動手相結合，體驗反復迭代的工程設計與創新。

（1）全新項目式課程體系突破口：新生項目式課程（必修）。全覆蓋工科大一學生的新生項目式課程（必修）是“一年級新生新工程教育計劃”的重點，更是項目式課程體系的起點和關鍵。該類課程以“新生”為對象，以“項目”為手段，以“項目有趣”“設計巧妙”為發力點，從新生開始開展基于主動參與、主動創造和教練型教師指導結合的項目式學習，讓學生一開始就能以“全新工程師”身份，體驗并實踐充滿挑戰性與獲得感的學習方式，喚起好奇心，播下學習動力種子。特別強調的是，該課程旨在讓新生初步了解構思、設計、實現、運作的內涵與思想，引導新生養成設計、創新、創造的思維習慣和精神，初步體驗團隊協作學習、真實世界的實踐，初步了解自然科學和專業基礎課的重要性，初步了解產品與課程的關系，對后續課程增強必要的感性認識、直觀與直覺，不求專業性，重在培養興趣、激發熱情。

（2）逐級進階、持續跟進、貫通四年。后續三年“基于項目的課程體系設計與實踐計劃”持續跟進，通過中級項目式課程—高級項目式課程—高峰體驗項目式課程，持續激發潛能，形成持久內驅力和學習能力。該類課程須承載綜合性復雜工程問題，需要學生綜合運用一定寬度或多領域知識才能解決;須突出工程設計、基于模型設計、數學建模與分析、科學實驗設計與研究等相關方法的訓練與團隊協作能力的培養。其中，高峰體驗項目式課程是項目式課程體系中的頂峰課程，是為四年級本科生開設的一個能夠總結、評估和整合其大學學習經驗的課程（項目），可以跨越兩個學期。高峰體驗項目式課程通常以項目問題為中心，以創新性解決方案的研究、設計和原型系統實現為導向，聚焦學生已有知識和學習經驗的整合與擴展，通過解決企業實際工程問題或來自科研中的前沿科技問題，體現復雜工程問題解決、多領域知識運用和創新。課程須突出基于實際問題的設計和實現創新解決方案過程，要促進學生已有學習經驗的深度融合，幫助學生適應本科后的深造學習及實際工程環境，使學生通過修讀該計劃獲得自我成就與學以致用的高峰體驗，可以替代畢業設計（論文）。

（3）催生持久內驅力。在課堂教學之外，新工科建設“成電方案”開展“新工科教育學生項目式課程學習作品展”“新工科教育課外創新實踐學生成果展”，搭建教師和學生展示與交流新工科課程成果的平臺，用學習中的小成就點燃志趣、行動和創新，提升獲得感、成就感，強化學生清晰且有效闡述作品設計與創新的能力，持續催生內在動力，讓新工科教育的理念更加深入廣大師生心中，進而促進新工科教育“質量文化”的形成和推動新工科教育再深化、再拓展、再突破、再出發。

在具體落實層面，學院將團隊合作和多學科問題整合到課程中，圍繞重大挑戰設計項目和問題，建成了覆蓋全體工科學生，始于新生、貫通四年、逐級進階的新工科項目式課程體系，涌現了一批可推廣可復制的新工科教育優秀課程。

如：航空航天學院的“招牌”新生項目式課程“軟體飛行器制作與挑戰”，5周時間20個學時，以趣味主題和競賽等實際工程項目為抓手，縱向問題遞進，讓學生逐步解決浮空—前進—轉向—按軌跡快速飛行等軟件、硬件、結構問題，主動學習，逐步進階，體驗“項目任務提出—提取問題—建構解決方案—制作原型—測試與反復迭代”的設計流程;橫向拓展，引導不同專業的學生主動關聯已學知識，團隊協作提出幾種整體結構設計方案，并分析測試各種方案的優劣，最終迭代出最優方案，動手制作飛行器并實現平穩且快速按軌跡飛行，以及項目的匯報與總結反思。

信息與軟件工程學院的進階式挑戰性綜合項目課程，將“興趣牽引、項目驅動、立足系統、理論與實踐有機融合”思想貫穿項目全過程，跨度1.5年，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段在第3、第4、第5學期完成，學分設置為3、4、3。學生實踐過程中，后續階段以前續階段成果為基礎，各階段綜合應用相應階段課程核心知識點，逐步進階，最終完成完整嵌入式軟/硬件系統設計。

光電科學與工程學院的逐級挑戰、跨學科、項目式課程體系，以“專業興趣與認知”“項目構思與設計能力”“項目設計與實現能力”“項目實現與運行能力”及“綜合集成能力”為階段性培養重點，大一開設新生項目課，大二和大三上學期開設基于構思、設計的專業能力提升項目課程，大三下學期開設基于設計、實現的綜合設計項目課程，大四開設基于實現、運作的多學科集成挑戰性課程，形成了“基于項目新生課—基于項目設計課—基于項目挑戰課—基于項目高峰課”的逐級挑戰、跨學科項目課程體系，實現項目學習全程全覆蓋。

為學生的課程作品辦展覽，是促進新工科教學改革的重要探索。穿墻雷達、在線問診、實驗電磁炮、智能光感臺燈、手機遙控導航系統、衛星軌道仿真軟件、非接觸隔空液位儀、智能避障小車、趣味微波電路等許多“有趣味”“有內涵”“接地氣”的學生作品出爐后，讓學生感到新奇又振奮，在學與做的過程中，成功點燃了興趣，激發了潛能，全面提高了學生解決綜合性復雜工程問題的能力，以及充分考慮技術和商業可行性等因素進行產品設計并對外展示、宣介的能力。

2.橫向交叉：人文素養與通用能力培養融合的通識教育體系

為讓學生迎接未來、創造未來，麻省理工學院新工程教育轉型計劃（NEET）提出未來工程科技人才應具備制造、發現、人際交往技能、個體技能與態度、創造性思維、系統性思維、批判與元認知思維、分析性思維、計算性思維、實驗性思維及人本主義思維11種思維方式;

歐林工學院提出卓越的工程師必須具備合作思維、跨學科思維、創業者思維、倫理道德思維、全球思維5種思維模式。可以看出，卓越工程人才的培養以“工程”為根基，更超越了“工程”本身，關注學生情感態度和價值觀的養成，強調思維方式的訓練，突出工程與責任、工程與創新、工程與交流等能力培養。

通識教育是致力于“全人”的教育，對工科學生而言，大學通識教育的使命不是要給學生一個工科版的人生模板，也不是給學生一個功用性的綜合素質，而是要讓學生在豐富多樣的人生歷程中，通過前人記載、思索、創造的人生故事，去感知、認知、想象、發現人生的意義和自己獨特的人生道路。工科學生尤其需要通識教育，以幫助其形成社會意識、涵養科學精神、承擔社會責任，更好地實現探索、發現、創造的人生。

通識課程的建設既要致力于科學精神的培養，也要包含人文素養的涵養，要培養學生多領域跨學科的知識結構、多視角看待事物的思維方式和“全人”的通用能力。然而，理工科大學在開展通識教育中常常面臨著諸多綜合型大學所少有的困難。最突出的困難表現為：（1）觀

念方面。對通識教育的內涵認識不夠清晰，通識教育要么“無所不包”，要么“可有可無”，僅是專業教育的“點綴”。（2）教師隊伍方面。缺乏一支穩定的、高水平的通識教育教師隊伍，其中文科師資尤為缺乏。（3）人才培養規格設置方面。由于培養規格的歷史沿革，難以適應新時代人才培養的需求。此外，校園文化單一、人文氛圍不濃[4]，也影響了通識教育的實施。

對此，作為一所以工為主的多科性研究型大學，電子科技大學新工科建設“成電方案”打破單一的“核心通識課”模式，充分整合各類校內外資源，形成具有成電特色的“核心通識課程+核心通識拓展資源”于一體的通識教育體系。

核心通識課程按照“遴選立項、期滿驗收、定期復評、不斷更新”的原則，打破學院和學科壁壘，遴選具有通識教育理念的優秀教師，組建跨學院、跨學科的教學團隊，建設了“文史哲學與文化傳承”“社會科學與行為科學”“藝術鑒賞與審美體驗”“自然科學與數學”“工程教育與實踐創新”“創新創業教育”六大模塊120門課程。不同學科背景的學生在完成基本要求的前提下，有所側重地修讀相應課程模塊課程，理工類學生加強人文與社科類課程修讀要求，文管類學生加強自然科學與工程類課程修讀要求。

核心通識拓展資源包含“新生研討課”（必修）、“專業寫作基礎”（必修）、“成電講壇”“成電舞臺”“成電辯壇”“‘經典60閱讀”六大類。其中，新生研討課由各學院知名教授開設，旨在激發學生學術志趣，啟迪學術思維，幫助新生認知未來;“專業寫作基礎”課程旨在強化學生的獨立思考、閱讀寫作、表達溝通、思辨與領導等通用能力的培養;“成電講壇”“成電舞臺”“成電辯壇”是國家大學生素質教育基地主辦的系列高水平活動，學生可以通過參與活動并完成相關任務，認定核心通識課程學分，但不超過2學分;“經典60”閱讀是為鼓勵學生閱讀經典名著，由學校通識委員會專家、全校各單位專家和圖書館從不同學科領域選定涵蓋文、史、哲、藝術、數學等相關領域適合通識教育的經典著作60部（種），同時圖書館設置“經典60”圖書展，提供“經典60”紙質與數字書籍借閱，助力經典閱讀氛圍的形成。

通識教育體系是實現通識教育目標的主要途徑，但并不是全部途徑。還需要將通識教育與專業教育結合，將通識教育理念和方法融入專業教育中，精心設計課程內容和形式，幫助學生打開思維，激發創造力，實現可持續的、充分的、創造性的發展，助力學生成長為能擔當民族復興大任的創新引領性人才。

三、可持續發展動力機制：形成新工科教育改革文化

目前，在新工科教育理論與實踐領域，如何增進新工科建設的認同感，使之從政策主導轉向全員自覺參與，如何深化與固化新工科建設改革成果，從而推進新工科教育教學能夠在不同高校中落地實施，是在實踐中面臨的突出問題。對此，需要形成新工科教育改革文化。

第一，強化學習交流，搭建展示平臺。可以通過學校中心組學習會議、中層干部大會等，向校領導、中層管理干部（尤其是處在改革一線的工學院院長）持續輸出工程教育改革最新進展，不斷提升學校管理層對新工科建設的趨勢研判、規劃統籌和協調推進能力。同時，還要推進學院、基層教學組織的系統學習和研究，搭建教師和學生展示與交流新工科課程成果平臺，推進實施學生學業榮譽機制，讓新工科教育理念深入人心，新工科教育生態文化茁壯成長，最終形成全面共識與全面行動的新工科教育改革創新文化，讓全體師生都成為新工科教育改革的參與者、推動者和見證者。

第二，重構培養方案，惠及全體，落地生根。在新工科建設高質量發展的新階段，我們必須還要認真思考如何讓全體工科學生真正成為新工科教育改革創新發展的受益者，如何實現新工科教育改革成果惠及全體學生。最有效的路徑之一是重構培養方案，將工科教育改革成果固化落實到關乎每位學生的人才培養方案中。培養方案包括了培養目標、畢業要求、課程體系等核心要素，是培養什么人、怎么培養人的總體規劃和實施方案。構建基于新工科系統性改革的人才培養新方案，始于新生、貫通四年、全面覆蓋、逐級挑戰遞進，為不同層次學生提供新工科建設與改革的多樣化選擇，真正實現改革成果的落地生根、惠及全體和持續創新。

參考文獻：

[1]中國工程院教育委員會.國際工程教育前沿與進展（2021）[R]. 2021：153.

[2] 米勒，王連江，于海琴.“新工科”辦學的歐林效應：小規模，大影響[J].華東師范大學學報（教育科學版），2021（3）：111-126.

[3]朱佳斌，張國洋，劉群群，等.代爾夫特理工大學項目式教學的實踐與啟示[J].高等工程教育研究，2019（3）：81-86.

[4]向桂君，田偉霞，黃艷，等.工科為主大學的通識教育之道[J]，中國大學教學，2018（3）：62-66.

[基金項目：教育部新工科研究與實踐項目“構建跨校聯動大規模適用新模式，協同推進新工科教育再出發”（E-DXKJC20200509），“在全校所有工科專業落實建成‘始于新生、貫通四年、逐級挑戰、基于項目的新工科課程體系”（E-ZYJG20200236）;四川省2021—2023年高等教育人才培養質量和教學改革重點項目“面向全體工科學生的高質量引領性新工科教育‘成電模式的創新實踐”（JG2021-153）]

黃廷祝，電子科技大學教務處處長、英才實驗學院院長（兼）、高等教育研究與發展中心主任（兼），教授，第二屆高等學校教學名師獎獲獎者;黃 艷，電子科技大學高等教育研究與發展中心副主任（通信作者）;向桂君，電子科技大學高等教育研究與發展中心研究室副主任。