利用美国教学模式改进工程硕士课程教学的探讨

张 琦 衡 琳 周骥平 孙王平 刘 澄 张瑞宏

1.扬州大学机械工程学院 江苏扬州 225000 2.美国俄勒冈理工学院机械与制造工程系 美国俄勒冈 97403

工程教育国际化是当今世界教育发展的趋势之一。全美州立院校联合会在敦促美国政府加快教育国际化的报告中认为，教育界应改变“只扫门前雪”的封闭式观念，积极研究全球性问题，通过国际教育交流项目、技术支持等方式加强同外部世界的联系。所谓工程教育国际化，就是在国际意识、开放观念的指导下加强国际工程教育的交流与合作，吸收、借鉴世界各国的工程教育办学理念、办学模式和教育资源，共同发展，在人才培养目标的确定、教育内容的选择以及教育手段和方法的采用等方面适应经济全球化的要求，培养具有国际视野、国际交往能力和国际竞争能力的工程人才。

在工程教育国际化的背景下，我们现有的工程硕士研究生课程教学应充分参考借鉴国际教学模式，打破专业壁垒,营造大工科培养环境，革新课程和教学体系,以满足硕士研究生的个性化发展。笔者和俄勒冈理工学院合作,于2014年春天在我校进行了精益生产硕士研究生课程的试点。在此课程中，笔者参考学习美国工程教学方法，模拟美国课堂环境，改进现有的工程硕士研究生课程的教学模式，并进行了课程教学成果和学生反馈情况的研究，为加快我国工程教育国际化发展的进程进行尝试与探索，以提高教学质量，培养具有国际意识、通晓国际规则、适应国际环境的高层次工程人才。

1 教学模式的改进

1.1 美国教学方式的特征及中国学生的独特性

中美的教学风格截然不同。美国教师以学生为中心，通常采用特定项目激发学生的兴趣。课堂教学的结构更灵活，课堂气氛十分活跃，教师采用开放式的问题与学生相互交流与讨论，鼓励学生随时提问，并展示很多理论的实际应用案例，以刺激学生的求知欲。

在中国的课堂上，学生热切渴望学习新技术，并具有较强的数学和逻辑推理能力，他们更习惯于技术细节的处理，例如计算机程序设计和数据分析。但另一方面相比美国学生，中国学生缺乏发散性思维，他们中许多人在处理书本之外的问题时会显现巨大的阻力，他们最擅长解题,但缺乏独立解决实际问题的能力。另外课堂学习主要以教师讲解为主，教师是教学中心，这种教学手段造成学生自主学习能力差，不爱思考，不善于提问。此外，由于学生人数众多，学生在课堂上很少参与互动或讨论。

1.2 研究生课程试点

2014年春，我校机械工程学院首次与美国俄勒冈理工学院机械与制造工程系合作，采用美国工程教学模式设计和教授一门全英文硕士工程课程。在此次工程硕士课程的教学中，美国的教学模式对中国学生提出了语言沟通(包括书面和口头)、科技术语、课堂积极性、教学试验方法等方面的挑战。

针对中国式教学弱点，教师对选择所研究的课题提出了四个标准。首先，课题应该能拓展学生的思维，为他们提供一个展示他们创造力和智力潜能的机会。其次，课题要能代表时下制造业的最新技术。第三，课题应该是可以充分利用学生数学逻辑和分析能力的工程类题目。第四，所传授的理念可以逾越文化障碍，可以被中国学生理解和接受。经过筛选，笔者选择了四个主题：(1)制造系统简介；(2)典型制造工艺；(3)非传统加工工艺；(4)精益生产。值得指出的是，精益生产(48学时)符合上述四个标准，它是一门以讲座为基础的学科交叉的课程，它整合了制造、材料加工、自动化、计算机编程和生产优化等学科。教师认为学生理解和研究这一课题没有困难，因为它起源于东方文化。

1.3 教学目标

批判性思维和解决实际问题的能力可以通过以下四个方面的训练获得：(1)交流—知识和思想的表达、传播和理解；(2)研究和规划—搜索特定知识、认知未来需求、找到这些需求的解决方案；(3)人际关系—利用人际交往解决冲突、学会与人相处和帮助别人的能力；(4)组织、管理和领导能力—在完成任务和实现目标的过程中监督、指导和引导个人和团体的能力。

为了达到教学效果制定了三个目标：(1)加强在上述四项技能方面的训练；(2)引入最新的工程理念和现代制造系统的技术方法；(3)充分发挥学生的天赋。完成课程后，学生应该能达到如下学习要求：(1)掌握不同制造工艺的基本知识，以及能够使用的定性和定量的方法来评估和改进他们的操作；(2)可以经常用英语与教师互动；(3)了解并体验美国课堂环境；(4)知道如何阅读文章和写英文技术报告。

为了达到理想效果，制定了6项教学方法：(1)交流/人际关系：每一个学生都需要一个团队性质的实际项目，通过团队合作增强团队意识。学生每节课都需要用英文更新项目进展，教师对积极互动的学生给予口头上的奖励或者巧克力。(2)研究/策划：鼓励学生在课堂上与同龄人分享研究课题，如果学生对改善他们目前的研究提出了任何好的、有创意的建议，他们将得到巧克力作为奖励。(3)组织、管理和领导：要求学生在课程结束后组织团队用英语提交一份完整的项目建议书并与全班同学分享。(4)数学和计算机编程方面的天赋：学生可以选择任何语言(C，Java，VB或MATLAB)来完成数据处理。两个典型的任务是：旅行商问题和直接聚类算法。(5)语言障碍：因为此类全英文工程硕士课程第一次在我校讲授，教师预计学生可能会有语言方面的障碍。结合笔者对中美学生多年的教学经验，教师在介绍生产工艺、流程图、图表、方程式或算法时应该完全用英语表达。当涉及生产概念时(例如为何pull system用于生产中)，教师在白板上写下这一概念的关键字并用几个现实中的例子给予解释。此外，对于难懂的专业概念(如Jidoka，Poke-Yoke，Kanban等)，教师将使用汉语阐明其中最含糊的部分。(6)成果鉴定：课程结束以后，教师将根据表现(课堂上的互动、创造性的项目、研究领域的创新成果)提名四位杰出的学生，授予这些学生美国大学的T恤，以表彰他们的努力和创意。

1.4 教学策略

图1 工程硕士课程教学模型

精益生产教学占据总课程量的70%，教科书采用Michael D.Regan的The Kaizen Revolution(ISBN-13：978-0966354973)。引进的概念包括：Muda、增值分析、WIP、5S、降低设置时间、预防性维护、单元制造、单件流、看板、持续改善、节拍时间、JIT、拉/推系统、Jidoka、Poke-Yoke等。图1为本工程硕士课程的教学模型。教师把每课堂分为三个部分：课堂讨论、案例分析、项目进展汇报或项目展示(如图1所示)。学生每次上课前要阅读教材(3章节，大约25页)并对他们阅读过的各个章节写5个感想。学生可以对令他们惊讶、高兴、怀疑的任何事情发表感想，并努力寻找真实案例支持他们的观点。根据学生英文水平的不同，学习时间2～10个小时不等。表1是一个学生的作业样本。每堂课的第二部分是案例研究。学生观看由美国制造工程师协会发布的关于精益生产在美国工业界运用的视频。当学生们看完视频后，需要回答至少6个关于视频的问题。学生通过讨论、说明和解答思考和完成问题。然后，学生再次观看视频，以加深和强化他们的认知。表2是案例研究的几道样题，学生可以通过简单的回答理清本堂课的重点。

表1 学生赵斌的作业

表2 Poke-yoke(防错)概念研究

课堂的第三部分是项目的更新和展示。每个学生都要参与一个与精益生产概念相关的项目，项目应侧重于制造工艺、服务、工程设计等方面的实际应用。学生需在课堂上向全班同学汇报项目进展(2次)。第一次是中期报告，主要进行课题、目的、目标和项目进度的陈述。第二次，学生必须对他们项目的最终成果做出全面的报告。据观察，做自己感兴趣的项目是学生感到最快乐的事，他们花大量的时间去考察项目点、与同伴讨论、读学术文献、思考并找出创新点与制定解决方案。

工程硕士课程的教学策略得到了全面的实施。在第一次上课结束后，课堂出席率略有下降。学生反馈放弃这门课的原因是其被新的教学风格和不同的学习环境所吓倒。尽管面临此种挑战，仍然有25名左右的学生留下参加此门课程的学习。随着课程的继续深入，学生对此门课的兴趣和积极性迅速增长。他们开始积极用英语与教师互动、陈述意见、提出他们的感想并踊跃分享他们的项目进展。他们开始对自己应该如何更有效地参与研究产生了想法。学生甚至邀请其他学院的一些朋友(5人)旁听此门课程。

2 教学成果

学生的项目涉及了广泛的制造业领域，以下是学生项目的两个例子。

图2是运用有限元法设计的一个创新型伸缩衣架。这是poke-yoke概念的一个运用，灵感来源于学生的宿舍生活。他们发现宿舍里的一些衣架在某些位置很容易变形或者折断，这可能是由于不同重量的衣服导致衣架受力不均所致。学生认为运用应力分析能够改善这个问题，于是通过有限元法来分析部分位置加厚后的衣架的受力分布，设计了一个适用于不同尺寸衣服的防误装置，学生正在考虑把它申请专利。

图2 创新衣架

图3是学生设计的一种新型马克笔。灵感来源于学生的课堂生活。他们发现马克笔通常是一次性的，用完就被丢弃非常可惜。而教师在课堂上常常为了找笔帽而浪费时间，因为如果没有笔帽，笔的墨水很快就干了。为解决这个问题，学生设计了一个没有笔帽并可以反复利用的环保型马克笔。此设计灵感来源于可再充填的打火机和番茄酱瓶。学生在笔的底部设计可以注入墨水的装置，在笔的中部设计按钮控制是否使用笔，如果需要用笔写字，按下按钮，墨水开关打开，否则就关闭。笔头磨损后可以重新被替换，笔杆可以用环保塑料制成。

图3 无盖马克笔

3 课程反馈

笔者对30名学生进行了课程满意度调查(15题)并统计了部分结果。表3是学生课程反馈的统计结果。

表3 学生课程反馈的统计结果

学生的评论部分如下：

(1)您让我们学会观察周围的事物、发现问题、并尝试解决这些问题，我喜欢这种教学风格。

(2)您从生活中的例子开始，引导我们从精益生产的角度思考这些例子，使课堂变得更加有趣。

(3)您用我们感兴趣的话题吸引我们，然后从精益生产的角度逐步地系统地论述这些话题，这很难让我们厌倦。

(4)我很感激你欣赏我们在课堂上分享的创新理念。

(5)我将继续学习精益生产，因为我对此门课程十分感兴趣。

(6)您给予了我们很多的鼓励和启发，我统计了你在课堂上的一些用语，见表4。

表4 用语统计

学生对本课程还提出了一些建议：

(1)应该将两个不同的精益概念之间的联系解释清楚，以让我们明白它们是如何相互作用的。

(2)请为我们介绍更多解决实际问题的项目。

(3)应该延长课堂时间，我们希望和您进行更多的互动，也希望您给我们提供更多的真实案例！

(4)我们希望学习更多的精益生产模型。

(5)应介绍更多的关于精益生产模式的失败案例，我们可以从这些案例中学到很多有价值的东西。

4 结束语

笔者在本课程中利用美国教学模式改进我校工程硕士课程的教学，创造了一个以学生为中心的课堂环境，从教学方式、课程试点、教学目标、教学策略等方面对工程硕士课程的教学模式进行了探讨和改进，并研究了教学成果和学生反馈情况。通过此课程的学习，学生不仅提升了精益生产的理念，也提高了批判性思维和解决实际问题的能力。鉴于本次课程良好的课堂反馈情况，笔者将会在其他研究生课程中(例如数据结构或微机原理及应用)继续利用和改进此种教学模式。此外，笔者将邀请一些来自德国或美国的学生同我校学生一起学习，并让中外学生合作共同完成某些课题，以开拓学生的国际视野和国际交流能力。

[1]Zeng,F.,Liu,C.and Zhang,X.,2009,“A collaborative curriculum development to improve Chinese student learning outcomes,”Proceedings of the 2009 Annual Conference of American Society of Engineering Education.

[2]August 22nd,2006,UF study:Contrasting teaching styles in U.S.-China classrooms may influence students’ learning preferences http://news.uf l.edu/2006/08/22/chinese-learn/

[3]Raper,S.and Murray,S.,2007,“Encouraging lifelong learning for engineering management undergraduates”,Proceedings of the 2007 Annual Conference of American Society of Engineering Education.

[4]Zeng,F.,2008,“A collaborative curriculum enhancement with recognition of characteristics of Chinese college students,”Proceedings of 2008 Annual Conference of American Society of Engineering Education.

[5]Widdig,B.and Lohmann,J.,2007,“Educating engineers for the global workplace,”Proceedings of the 2007 Annual Conference of American Society of Engineering Education.