新工科的核心能力与教学模式探索

周开发，曾玉珍

（1．重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2．重庆交通大学 图书馆，重庆 400074）

新工科的核心能力与教学模式探索

周开发1，曾玉珍2

（1．重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2．重庆交通大学 图书馆，重庆 400074）

第四次工业革命的到来，促使工程教育进行全方位的变革。“新工科”改革倡议正是我国工程教育面对《中国制造2025》所做出的积极回应。工业4．0的核心内容包括智能工厂、智能生产和智能物流三大主题和大数据分析、自主机器人、模拟、水平和垂直系统集成、工业物联网、网络安全、云计算、增材制造、增强现实9项先进技术。未来工程领域将在可持续发展、计算能力、大数据、互联网与物联网、纳米技术和3D打印材料、跨学科合作方面呈现新的趋势。为了适合新工业革命与工程发展的新趋势，针对网络一代大学生的学习特点，当前我国新工科教学宜采用合作学习、整合教育技术、创建虚拟学习环境、跨学科协同合作、重视本科生科研、促进师生互动、实践互动的教学策略，并实施深度学习、混合学习、虚拟学习环境、学习分析的智慧教学模式，从而培养新工科学生个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力等5类核心能力，并让学生达成6项本质性学习成果：人文、科学与技术基础知识，智力与实践技能基础，职业能力，伦理、价值、态度与行为，社区与全球意识，综合与应用学习。研究表明，我国工程教育改革必须重视基于能力的教育和基于成果的教育模式的探索，以及相应的工程教育智慧学习环境创建，以培养能够应对新工业革命挑战的卓越工程师。从改革方向来看，采用“自上而下”与“自下而上”的协同互动方式是新工科教育改革的最佳路径。

第四次工业革命；新工科；工程教育；核心能力；本质性学习成果；智慧教学模式

自第一次工业革命以来，技术进步带动了工业生产力的急剧提升。在19世纪第一次工业革命中，人们学会了将大规模热能转化为机械能，蒸汽机为工厂提供了强大动力。在20世纪初第二次工业革命中，人类学会了将机械能转化为电能，电气化带来了工业的大规模生产。在20世纪70年代第三次工业革命中，计算机的应用实现了工业的自动化生产，信息革命取代了前两次的能源革命，人与人之间沟通更加容易，联系更加紧密。21世纪，我们正处于第四次工业革命（也称工业4．0）的浪潮之中。简单地说，前三次工业革命分别源于机械化、电力和信息技术，而第四次工业革命则源于工业物联网（IIoT）和信息物理系统（CPS）。在新工业革命中，机器收集与分析数据成为可能，制造过程更加快捷、灵活和有效，工厂能够以更低的成本生产出更高质量的产品。因此，新工业革命促使生产效率快速提升、经济结构进一步转变和产业增长进一步加速，从而改变劳动力配置，最终改变公司、地区和国家的竞争力。

新工业4．0需要工程教育4．0。任何一次工业革命不但会促进工业生产力和社会经济大发展，也会促进教育大变革，特别是工程教育的发展。工业革命需要新型工科人才，工程教育改革促进工业革命发展。新工业革命将极大地改变人们的工作方式和专业技能，实施工业4．0需要卓越的工程师和教育家。因此，我们必须探讨如何基于核心能力和有效利用深度学习来构建“新工科”人才培养模式，为工科学生应对新工业革命的挑战做好准备［1］。

一、新工业革命与工程发展的新趋势

（一）新工业革命的核心内容

在2011年汉诺威博览会上，德国首次提出了工业4．0的概念。2012年1月，德国联邦教育与研究部成立了工作组，起草全面实施工业4．0的战略建议。2013年德国政府正式通过了工业4．0计划，并将其纳入高技术战略2020。随后，其他国家也纷纷出台了类似的国家战略计划，如美国《先进制造业国家战略计划》《日本再兴战略》《法国新工业》、韩国《制造业创新3．0战略实施方案》和《中国制造2025》等，其目的是通过创新重塑国家的工业实力，提高工业竞争力，并在新一轮工业革命中占领先机。

根据工业4．0计划，未来的企业将建立起全球网络，将机械、仓储系统和生产设施组合成信息物理系统（CPS）。在实际制造中，这些智能机器、存储系统和生产设施能够自动地交换信息、触发操作和彼此独立控制。这有利于促进制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理的整个工业过程，使制造业向智能化转型，实现由集中式控制向分散式增强型控制的转变，最终建立高度灵活的个性化和数字化产品与服务的生产模式。具体来说，工业4．0的核心内容包括三大主题和九项先进技术［2－3］。

1．三大主题

⑴智能工厂：重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，全面集成、自动化和优化生产流水线，提高生产效率，改变传统的供应商、生产商和客户间的关系以及人与机器间的关系。⑵智能生产：主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。工业4．0计划吸引中小企业参与，并使其成为新一代智能化生产技术的使用者、创造者、供应者和受益者。⑶智能物流：主要通过互联网、物联网、物流网整合物流资源，使现有物流资源供应方充分发挥作用，需求方快速获得服务匹配与物流支持。

2．9项先进技术

⑴大数据分析：收集和综合评价来自许多不同资源的数据，如生产设备和系统以及企业和客户管理系统，并将其作为支持实时决策的标准。⑵自主机器人：广泛用于处理复杂任务，实现人—机、机—机间的智能互动与合作，充分体现自主灵活、成本更低、能力更强等特点。⑶模拟：将3D虚拟模拟应用于产品、材料的生产过程，为新产品生产和机器配置进行优化测试。⑷水平和垂直系统集成：用于构建跨公司通用数据集成网络，实现真正的自动化价值链。⑸工业物联网：通过传感器和嵌入式计算，使现场设备之间能够交流互动，实现去中心化分析和决策。⑹网络安全：是通信管理、关键工业系统和生产线管理必不可少的。⑺云计算：将机床数据与功能、监测与控制过程置于云端，增加跨公司数据共享。⑻增材制造：广泛用于生产小批量定制产品，以提高产品质量和降低原材料成本。⑼增强现实：支持各种服务，如虚拟工厂操作员培训，为工人提供实时信息。

（二）工程发展新趋势

随着科学技术的不断创新与快速发展，工程领域也呈现出诸多发展趋势，以满足消费者、全球市场和政府的需求。与前三次工业革命一样，第四次工业革命正改变着人们的生活和工作方式，影响着高等工程教育系统的演变和人才培养。未来十年，工程发展将呈现如下一些新趋势［4－7］：

1．可持续发展。资源减少和能源消耗的问题日益明显，减少碳排放问题已成为一个突出的政治议题，工程领域更加敏锐地意识到可持续发展与实践的必要性。因此，工程领域的创新需求将持续上升，以确保技术和产品更具可持续性。

2．计算能力。近年来，微型化带来传统计算能力的巨大增长。几十年前需数月才能完成的工程计算，现在几乎可以立即完成。自学习计算方法使简单工程任务实现了自动化，从而帮助工程师完成更复杂的工程任务，并提供更高价值的服务。尖端新技术工具和跨学科合作，可提升个人和团队解决复杂难题的能力。

3．大数据。随着计算机计算能力的不断提高，提升了人们收集和评估数据的能力，使研究者能够发现和分析新的数据模式。数据科学作为一种跨学科领域的科学方法，已被称为科学研究的“第四范式”。借助数据挖掘、数据分析和相关方法，研究人员能够探讨以前难以应对的科学领域。

4．互联网与物联网。互联网使研究人员间可以实时交流，世界各地的研究小组可以分享想法和解决方案。通过智能感知、传感器设备、识别技术与普适计算等通信感知技术，物联网平台在任何物品与物品之间建立起超级链接，将有效促进信息交换和通信。

5．纳米技术和3D打印材料。纳米技术为工业制造所面临的复杂问题提供了解决方案，并用来提高产品效率和测试环境污染。3 D打印与大量先进材料，如镍合金、碳纤维、玻璃、导电油墨、电子、制药和生物材料，实际应用已扩展到航空航天、医疗、汽车、能源和军事等领域。

6．跨学科合作。在21世纪的科学和工程研究中，传统学科的界限已经变得模糊。现代工程问题涉及技术、经济、社会、文化和政治等，这要求不同学科协同合作，贡献集体的智力、创造力和精力来解决这些复杂的问题。跨学科合作能汇集不同的观点和知识，创造性地解决复杂的现实问题。目前，在许多实验室研究、跨学科课程和学位项目中都有不同工程和学科领域之间广泛合作的趋势。

二、新工科学生的核心能力

（一）CBE与能力模型

基于能力的教育（Competency－based Education，CBE）日益受到业界和大学的重视。美国能力运动发起人McClelland认为，只用相关知识和技能的考试成绩，不能预测出毕业生未来工作表现是否优秀，个人生活是否成功，只有核心能力才是学生成功就业和可持续发展的关键要素。因此，核心能力目前已成为人力资源开发和管理的评价标准。欧美等国的企业界和工业界正广泛利用能力模型（Competency Models）来选择、教育、培训、评估和提升员工。国际高等教育界也开始倡导基于能力的教育，大学教育的重点已开始由知识与技能传授，逐渐转向学生核心能力的培养与测评，以确保毕业生能够满足企业与未来社会对高素质人才的需求。

构建有效的能力模型是基于能力教育的关键。2005年，美国劳工部就业培训局（Employment and Training Administration，ETA）提出了一个通用能力模型，并作为布什总统“高增长行业就业培训计划”的一部分。ETA的通用能力框架是一个9层的金字塔结构，底层是高层的基础（如图1）。底层是行业通用能力，层次向上移动，代表更为具体的职业能力。其中，1层到3层为底层，描述基本能力，包括个人效能、学术能力和职场能力；4层和5层为中间层，描述行业相关能力，包括整个行业的技术能力和具体行业的技术能力；6层到9层为高层，描述职业相关能力，包括特定职业知识、特定职业技能、特定职业要求和管理能力［8］。

图1 ETA的通用能力框架

2012年，美国国家科学院发布了一份报告，对深度学习和21世纪的技能进行了研究，并指出21世纪的技能是人类能力的重要维度。该报告给出了能力分类初步方案，即总结出21世纪的技能由认知、内省和人际3类能力构成，且3类能力相互之间有一定的重叠（如图2）。认知能力涉及推理和记忆，内省能力是为实现目标而管控自我行为和情感的能力，人际能力包括表达思想、解释和回应他人信息的能力。报告进一步指出，在深度学习的过程中，善于发展和应用核心能力的学习者，能为未来的成功做出更好的准备［8］。

高等工程教育正面临着范式转变。工业4．0背景下，工程教育必将发生全方位的变革，其人才培养标准与培养模式面临着新的严峻挑战。工业和商业界越来越要求工程专业培养学生的“21世纪的技能”，如有效交流、批判性思维、系统思维、问题解决、协同合作、数据决策、创新创业和自我管理等技能。这些能力是个人未来职业成功和生活幸福的基础。但是，业界雇主的调查报告指出，目前工科学生在这些核心能力方面存在着严重缺陷。为此，工程界领导者和教育研究者呼吁全面开展新的工程教育改革，以发展学生宽广的、可迁移的技能和知识，更好地应对新工业革命的挑战［9］。

图2 21世纪的技能结构

（二）新工科学生的核心能力

尽管对核心能力的界定与分类有各种不同的方案与争论，但是在新工业革命时代，工程教育将致力于提升工科学生一系列创造性解决问题的技能这一点是一致的。因此，针对我国工程教育系统的特点，探讨第四次工业革命背景下工程教育的核心能力结构，并提出工科学生核心能力培养模式及评价措施，将有重要的现实意义和前瞻价值。

Ernst A．Hartmann和Marc Bovenschulte首次对工业4．0的能力需求进行了分析。他们提出了基于技术路线图分析的能力需求预测方法，并将其应用于工业4．0能力结构的定性分析。首先，他们借助欧洲智能系统技术平台和国际电工委员会提供的文件，分析了智能系统的技术路线图，并由此得出通用的技能要求。其次，他们分析了组织情景和技术／部门矩阵，并将其作为技能需求分析工具，得出定性技能和定量技能的要求［10］。

2015年，Lars Gehrke和Arno T．Kühn等以德国和美国为例，探讨了工业4．0时代未来工厂的工人资格和技能（Qualifications and Skills，Q＆S）。他们采用派生任务分析方法，应用“MuShCo”优化技术，提出了一组重要的未来熟练劳动力的Q＆S集。Q＆S集由技术Q＆S和个人Q＆S两部分构成，并列举了20项具体的知识和技能［11］。

根据以上分析，本文提出新工科学生核心能力矩阵结构。首先，我们将能力定义为个人的卓越品质与表现，他们能够将知识、技能、行为和个性成功用于完成重要的工作和任务。其中，个性包括心理、智力、认知、身体和精神等个人特性。其次，根据第四次工业革命背景下的工程发展新趋势，借鉴Ernst和Lars的能力需求分析方法，提出新工科学生核心能力分类架构，它由5类核心能力构成，即个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力。最后，应用“MuShCo”优化技术，构建出的新工科学生核心能力矩阵结构（见表1）。

表1 新工科学生核心能力矩阵

三、新工科学生的学习成果

（一）OBE与学习成果

能力（Competencies）和学习成果（Learning Outcomes）都可以描述学生在具体课程和专业学习中所获得的学习成就，但两者并不相同。能力一般用于描述学生毕业后所具有的知识、技能和行为，它们使学生在教育、职业、生活和其他方面获得成功；学习成果则是非常具体地描述学生完成一门课程或毕业后，可以做或应该能做的事情，是可以测量或评估的。

基于成果的教育（Outcome－based Education，OBE）目前已被世界各国不同层次的教育系统广泛采用。实质上，OBE是一种教育理念和方法，它围绕目标（成果）来构建教育系统的各个部分，要求每个学生在教育体验结束前都应该达到这些目标。早在20世纪80年代，美国和英国就开始采用OBE模式。20世纪90年代初，澳大利亚和南非采用了OBE政策。2005年，我国香港多所大学也开始采用OBE方法。2008年，马来西亚政府要求所有公立学校都应采用OBE模式。2012年欧盟建议，成员国都要转向强调成果的教育。在国际高等教育广泛接受OBE的背景下，华盛顿协议已全面采纳OBE，即采用OBE方法获得的本科工程学位才被认可［12］。

美国工程教育目前已全面采用了OBE模式。上世纪90年代，美国工程技术评审委员会（Accred itation Board for Engineering and Technology，ABET）开始采用OBE政策，要求获得认证的本科工程教育项目必须包括一组学习成果。ABET将学生学习成果定义为：本科工程学生顺利完成所修项目时他们应该拥有的技能、知识和行为，这些内容即是工程毕业生必须达到的教育目标。根据ABET 2017本科工程教育的一般标准，本科工程学生学习成果包括以下11项能力［13］（见表2）：

表2 ABET本科工程学生的学习成果

另外，美国专业工程师协会（National Society of Professional Engineers，NSPE）在ABET一般标准基础上，增加了6项额外的学习成果［14］（见表3），将其作为所有工程专业注册工程师应该达到的目标。

表3 工程专业注册工程师的学习成果

为了应对21世纪全球学习的挑战，2008年美国大学与学院协会（Association of American Colleges＆Universities，AAC＆U）提出了面向全国高校的LEAP改革计划，并制定了全新的本质性学习成果。AAC＆U认为，本质性学习成果（Essential Learning Outcomes）是学生在整个大学期间培养和发展的一组全面的学习目标，反映了应对不断变化的复杂世界挑战所需的知识、技能和能力。本质性学习成果是为学生将来就业、个人生活和公民生活所做的准备。随着这些成果的实现，毕业生将拥有广而深的知识，足够强的智力和实践技能，致力于个人和社会的责任，社区相互依存的意识，以及综合运用他们所学知识与能力来解决复杂的现实问题［15－16］。

AAC＆U的本质性学习成果由4个类别构成：人类文化与物理自然世界的知识，智力和实践技能，个人和社会责任，综合性学习。表4为AAC＆U建议的本质性学习成果及其主要内容，以及2006年AAC＆U与Hart协会对雇主关于“要求大学更加强调本质性学习成果”的调查结果。调查结果表明，雇主高度认同AAC＆U的本质性学习成果。

表4 AAC＆U的本质性学习成果

（二）新工科学生的本质性学习成果

采用OBE模式是我国工程教育改革的主要方向之一。OBE模式是世界高等教育的发展趋势，也是评估学生是否达到雇主期望的有效评价方法。虽然中国高校目前还很少采用OBE模式，但是我国工程教育论证已开始借鉴OBE框架。为此，本文借鉴AAC＆U和ABET学生学习成果的基本框架，并根据第四次工业革命的核心内容与工程教育发展的新趋势，制定了我国新工科学生的本质性学习成果（见表5），它包括以下6个类别的内容［17］：

1．人类文化与物理自然世界的知识：包括艺术、历史、人文、语言、数学、科学与技术、社会科学、大数据、人工智能等。

2．智力和实践技能：包括有效交流、定量推理、定性推理（批判性、分析性和创造性思维）、技术素养、信息素养、数据素养、媒体素养、系统思维。

3．职业能力。学生将通过达到既定的学科标准，担当团队重要成员，有效地提出和解决现实问题，积极寻求和精通终身学习技能，展示专业能力。

4．伦理、价值、态度与行为。通过获取、提高和展示在道德推理和理解方面的技能，学生将成为对个人和社会负责的人。

5．社区服务意识。通过培养社区之间的相互依存性、社区内部存在的问题、解决这些问题的组织和技能等社区服务意识，为地方、国家和全球社区提供服务。

6．综合与应用学习。通过综合性学习和应用性学习，借助学术社区和更广泛的社区，让学生致力于解决现实问题。

表5 新工科学生的本质性学习成果

四、新工科的互动教学策略

（一）数字原生代的学习特点

当代大学生与以往的学习者完全不同，他们被称为“数字原生代”或“网络一代”。这些90后大学生生长在数字化的网络时代，主要借助数字技术来认识世界，习惯在网络环境中寻找信息并建构知识。他们是第一代虚拟学习者，感官与现实世界日渐隔离，大脑长期沉浸在完全由计算机控制的虚拟信息空间之中。随着科学技术变革步伐的不断加快，这些新一代大学生来到大学校园，拥有与以往学生完全不同的资源、技能和期望，并以前所未有的方式追求着知识和体验。数字原生代大学生日益表现出一些独特特征［18－19］：学习上喜欢游戏化学习和直接反馈；社交上趋向于基于社区的网络互动；工作上擅长多任务、非线性方法并精通技术；思维上擅长扫描式阅读、信息可视化和批判性思维。具体表现为：

1．依赖网络。网络一代的学习者希望时刻与网络相连。他们伴随着电脑、互联网、智能手机和社交媒体一同成长，更喜欢借助移动设备实时浏览各类新闻或阅读网络文学，所以阅读传统印刷文本的体验比以往的学生更少。

2．精通技术。他们追求新技术，乐于享受高科技带来的便利服务：广泛且熟练地使用各种智能产品；利用网络在线服务查找相关资料，实时浏览国内外资讯；借助强大的网络共享知识库与学术资料，帮助完成课程作业或课程论文；有的把大量时间花费在同步社交媒体上，沉迷于在线互动游戏和聊天。

3．社交互动。数字原生代大学生完全依赖于计算机，并迷醉于数字技术。他们喜欢通过动手的方法来学习，寻求在线社交互动，并期待这种互动成为学习过程的一部分。

4．游戏化学习。通过游戏来学习是数字原生代大学生学习过程最显著的特征之一。约77%的网络一代学习者玩互动视频或网络游戏，而这些游戏大部分都是在多任务环境下进行的。

5．多重任务。他们同时承担多项任务，很享受团队协同合作。他们习惯于同时应对众多的活动与任务，喜欢在多任务环境中协同完成游戏；利用网络通信工具建立广泛的人际关系，与他人进行良性互动交往；借助各种论坛和网络空间开放和展示自我，乐于与人分享，勇于面对不同观点与挑战。

6．国际合作。他们具有真正的全球视野，并期望跨国工作。他们拥有丰富的知识储备，具有接受知识和分析知识的卓越能力。

（二）新工科的教学策略

随着现代教育技术的快速发展，高等学校正在探索一些新兴的教育技术与方法，以满足工科学生的学习风格与需求。同时，教师们已经感觉到新的教学压力：减少讲授学时，增加深度学习的机会，使学习环境更加互动，适时采用协作学习策略，并将技术广泛融入学习体验。今天，许多课堂教学已开始充满活力，教与学的过程变得越来越微妙，教与学的关系更加无缝化，教与学的活动也在师生间不断互动。下面是未来工程教学的一些典型策略［20－23］。

1．合作学习。将合作或协作学习策略整合到课程中，鼓励创建学习社区，重视教师和学生参与学习过程，激发学生／教师的讨论。师生也可通过社交媒体互相合作，了解更多的特定主题，测试想法和理论，了解事实，评估彼此的意见。

2．整合教育技术。将技术适时整合到课程中有利于提升教师和学生的学习体验。如电子邮件有利于促进生／生或师／生间的课堂交流，在线学习平台能够帮助师生开展话题讨论、探索关键问题并提高学生对复杂概念的理解。同时，创造媒体（Creating Media）是另一个值得注意的技术驱动的教育活动。

3．创建虚拟学习环境。信息技术拓宽了学习环境的概念，使学习体验可以扩展到传统课堂之外。学生通过在线平台和移动学习设备，可以实现在任何时间、任何地点和任何形式的学习活动。虚拟学习技术可采取许多形式，如交互式协作／讨论、慕课、视频会议、虚拟现实、增强现实。

4．跨学科协同合作。教育工作者正在探寻与其他科学学科共享设施、讲座、课堂和实验室的方法，并寻找更广泛的学术合作机会。例如，将工程学院和商学院联合起来，可以促进协同效应，这种协同合作将加速下一代创业公司的发展。

5．重视本科生科研。本科生科研为学生提供了学习新知识和技能的机会，可教给学生许多宝贵的技能；学生获得实验数据收集、统计分析、数据可视化的宝贵体验，并与其他教师进行讨论评估和批判；与本科生、研究生、教师和其他专业科学家建立互动关系，有助于学生学业与生活取得成功，丰富大学经历。

6．促进师生互动。与热情且有启发的教师密切联系，这是学生成功的最重要因素之一。教师与学生的积极互动有利于创建民主的课堂环境，促进学生的技能和情感发展，培养学生的学业自我概念，提高学生的学习积极性和成功率。建立积极的师生关系有助于学生的认知、社会经历和情感的成长，提高他们的心理幸福感。

7．实践互动（Hands－on Interaction）。实践互动是指在简短的讲授期间，定期穿插动手实验和解决问题的活动，有利于学生将所学知识和技能立即应用于实际问题之中。普渡大学的一项新研究发现，动手建立水净化系统的学生对概念的理解比那些以听课为基础的学生更深刻。动手学习更能吸引学生，而且还可以提高学生的理解能力，能有效地吸引学生学习技术和工程专业。

五、新工科的智慧教学模式

（一）深度学习

近年来，诸多国内外高校致力于设计以学生为中心的主动教学环境营造，以充分发挥学生的全部学习潜能，而这些潜能在传统教学模式中并未受到重视。研究表明，这些努力取得了一定的成效，许多学生致力于各种主动学习和合作学习的活动。特别是从被动教学向主动学习的转变，从教师为中心的教学方法向学生为中心的学习活动的转变，正逐步将学生引向更深层次的理解和更高级的思维技能，使学生能够将所学的知识和技能应用于真实、复杂和快速变化的世界。这种转变引出了高等教育的新概念——“深度学习”，并越来越受到高校的重视。

学生学习可以采用不同的学习方法，且学习成果与其所用的学习方法密切相关。常见的学习方法有两种，即对知识的“浅层”加工方法和“深度”加工方法，分别称为“浅层学习”和“深度学习”。浅层学习指被动接受和记忆信息，并将其作为独立、无关的事实。它只是肤浅地掌握考试内容，并未促进理解或长期保留知识与信息。深度学习是指学习者使用高级认知技能（如分析、综合、解决问题和元认知的能力）处理信息并构建长期而深刻的理解。它涉及对新思想的批判性分析，将新思想与已知概念和原理相关联，并应用于解决新的情境中的问题。深度学习既是一种学习方式，也是一种学习态度，会对学生的行为、思维或感受方式产生持续、积极和实质性的影响，并促进其对生活的理解和应用。因此，深度学习者是自主的学习者，也是合作型的学习者，具有较高的元认知和学习技能。

深度学习是发展核心能力和学习成果的关键。学生的学习方法越深入，学习成果的质量就越高。深度学习具有以下特点：⑴通过新知识与已有知识整合，学生在学习过程中建构知识。⑵由于意义不能由教学直接强加或传授，而是由学生的学习活动所创造的，因此学生在深度学习的过程中，努力寻找材料之间的关系，并根据以前的知识结构和体验来理解知识并寻求意义。⑶教师重视学生的学习活动，并把活动和抽象的概念联系起来，使活动具有意义。⑷发展高级认知技能，如分析、综合、逻辑推理、批判性思维和解决问题等核心技能，并强调综合学习和应用学习。⑸激发学生的内在动机，因为消极的态度只会导致浅层学习，积极的心理才会产生深度学习［24］。

（二）混合学习

迅速发展的信息和通信技术（ICT）对各个领域都产生了广泛且深远的影响，并成为21世纪不可或缺的要素之一。自从ICT被引入教育领域以来，随着近年来科技的发展，混合学习得到了广泛的普及，并取得了显著的进步。目前，混合学习的各种定义暂未达成一致。简要地说，混合学习是指一种学习环境，它将传统教学中的面对面教学与在线教学相结合，并采用多种教学模式、方法和工具，以优化学习成果和教学成本。然而，重要的是，在设计混合学习环境（如图3）时，要根据e－学习方法的优势与传统面对面互动方法的优点，将传统实体课堂与虚拟教育元素有效融合，构建e－学习环境和面对面环境之间的平衡。

由于不同的人具有不同的学习风格，也就需要不同的教育方法，因此不存在某种教育方法是最理想的教育方法。然而，混合学习为学习者提供了最适合教育需求的学习方式，因为它将最佳的课堂教学方法和其他教育教学方法结合在一起，由于课堂中自然和主动互动活动对学习过程有积极的影响，所以使用混合学习具有以下一些好处：⑴可以针对不同的学习需求提出不同的解决方法；⑵提高效益成本的有效性；⑶操作简单，已被为许多大学所采用；⑷不受时空限制，给校园内外的学习者提供了更多参与机会；⑸与传统的单一学习方法相比，混合学习方法创造更多的学习时间，学习效果更好。

混合学习给高等教育带来了观念的转变，并持续不断地重塑学生的学习过程。随着现代教育技术的快速发展，未来混合学习将呈现以下趋势：⑴将提供更多的学习模式，如翻转课堂、移动学习、虚拟现实、慕课、游戏化学习等，更加易于访问，并满足学生的任何学习需求；⑵将充分体现以学生为中心的学习体验，促进师生互动，鼓励学生投入学习；⑶将充分发挥时间和空间的灵活性，充分整合各种适当的学习模式，这将不断创造出更多、更好的互动，获得更高的学生学习满意度和学业成功率；⑷支持深度学习，发展高级思维；⑸利用数据驱动教学，通过慢教深学、混合、迭代等方法，让学生充分实现个性化学习［25］。

图3 混合学习环境

（三）虚拟学习环境

信息和通信技术（ICT）的快速发展与商业化，对包括教育在内的许多行业产生了深远的影响。近年来，在线学习已成为当今世界高等教育最重要的发展趋势之一。传统的学习方式已逐渐转向elearning，传统的面对面教育环境也转变为虚拟学习环境（Virtual Learning Environment，VLE）。

VLE又可称虚拟课堂，是一种在线学习平台，如Moodle和WebCT，它允许师生在线互动，以增强学习过程中学生的学习体验。其主要功能有：课程地图，学生追踪，师生在线支持，电子通信（电子邮件、在线讨论、实时交流、信息发布），课程资源链接，在线作业与考试，在线实验与研究。实际上，虚拟学习环境既是一个设计好的信息空间，又是一个同步或异步的社交空间。它集成了各种多媒体学习工具，将物理环境与虚拟数字环境交织在一起。因此，在虚拟学习环境中，学生不仅是主动的参与者，也是知识的创造者。

目前，许多大学都建有虚拟学习环境或在线学习平台，它们是实体教室的复现或延伸，并与各种课程整合。这些虚拟学习空间为学生、教师和管理者促进学生学习和教学质量提供了更优越的学习环境，这些明显的优势体现在：⑴为个人和小组建立广泛的信息沟通渠道，如论坛、在线交流、在线调查、电子邮件、网络发布和实时反馈；⑵师生共享丰富的学习资源，如多媒体课件、教学文档、参考资料、播客和视频等；⑶链接与嵌入外部资源，如与其他在线学习空间相连，嵌入网易云课堂、TED、You Tube等。

随着ICT技术和人工智能的快速发展，未来VLEs将更具复杂性、有效性、挑战性和吸引力，并更加强调参与、互动、协作和实时交互。VLEs的未来发展主要有两大趋势：⑴创建小组学习环境。随着社交媒体的出现，VLEs将不再是单用户的个人学习环境，而是趋向于小组学习环境，如Facebook学习小组，Tweeter学习小组。⑵创建3D学习环境。在在线学习的早期，人们使用维基和博客作为PLEs，之后利用MOOC，SOOCs作为多用户虚拟学习环境。这些系统都是基于互联网2D环境中得以实现的。然而，由于多媒体技术的迅速发展，未来的VLEs或将演变成基于互联网或离线系统的3D环境。因此，在未来的VLEs中，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、游戏和各种敏感的电子设施将发挥主要作用［26－27］。

（四）学习分析

企业常用Web分析来分析商业活动，确定消费趋势，预测消费者行为。学习分析是Web分析在教育中的应用。近年来，教育界也借助数据科学和大数据技术进行学习分析，收集与分析在线学习中学生互动学习的大量数据，以支持教育决策和预防性干预。学习分析其实就是解决如何收集、分析、管理、保护、解释和使用教育数据来支持学习。

学习分析可定义为：测量、收集、分析和报告有关学习者及其背景的相关数据，以理解和优化学习及其发生的环境。其目的是确定更好的教学方法，促进学生主动参与学习，关注高危学生群体的学习，评估学生完成学业并取得成功的因素。学习分析涉及学生与在线文本、课件及学习环境的互动和学生学业进步与成功等方面，可为学生、教师和研究人员提供至关重要的见解。由于通过移动学习和在线平台可以跟踪数据，做出及时响应并提供个性化的学习体验，学生和教师开始体验到学习分析的好处。

学习分析的具体优势有：（1）有助于预言学习者目前与未来在e－学习过程中的表现；（2）教师能够为学习者定制e－学习，提供个性化的学习体验；（3）帮助目前和未来的学习者，如可根据现在收集的学习数据，改变特定学习模块或e－学习课程的挑战难度，构建更有效的学习环境；（4）帮助深入掌握e－学习课程和相应资源的利用情况，从而提高e－学习成效，降低教育成本；（5）学习分析数据与干预可以帮助更多的学生提高学习表现与学业成功率，减少失败或辍学率；（6）跟踪学生学习活动中生成的大量数据，通过仪表板为老师和学生提供可视化分析；（7）MOOC平台上的学习行为数据可挖掘用于推送服务；（8）采用聚类等数据挖掘技术进行学习分析，可增强师生间的参与和互动；（9）收集与处理的大量数据可与不同的利益相关者分享，利于毕业生求职；（10）学习分析中的游戏工具可以使MOOCs学习更加娱乐化，从而提高学生的学习动机和完成率。

学习分析仍处于开发与应用初期，面临着各方面的挑战。未来的学习分析将发生五大变化：⑴学习分析、数据采集、数据应用与分享将更加自动化；⑵学习分析的隐私和伦理问题将更受关注；⑶通过开放的API实现教学的模块化和可扩展性，学习分析平台将更具开放性；⑷将更依赖于校际间的分析数据以建立更强大的预测系统；⑸将注重更先进、更个性化的仪表板应用，为学生和教师反思成绩和定性分析提供帮助，有效评价书面与口头交流、团队合作、批判性思维或创新思维、问题解决等核心能力［28］。

六、结语

第四次工业革命将给未来的学习、工作和生活带来颠覆性的影响。各种新技术层出不穷，制造业快速变化，企业生产方式也随之发生根本性改变。工厂传统、简单的工作模式正在消失，而新的职位日益更新，我们甚至无法想象未来制造业提供的就业机会。因此，我们应加大信息技术与操作技术的整合力度，充分利用大数据的力量，促进供应链获取价值，提升制造业竞争力。随着创新创业越来越多地基于数字技术，网络基础设施建设将是未来制造业竞争力和福祉的重要支柱之一。随着新工业革命的迅速发展，最为重要的是我们要快速改变自己，只有这样，未来的年轻人才能胜任全新的工作，如机器人维护员、3D打印机编程员和数据科学家等。

历史已经证明，每次工业革命的产生都推动教育的根本性变革，并创建相应的教育体系，以满足新的生产模式与价值模式的需求。因此，新工业革命必将推动工程教育的全面改革。世界经济论坛预测，在工业4．0时代，适应能力可能是人们需要拥有的首要技能，因此工科学生需要不断地学习和获取新知识。同时，高等学校必须培养他们的核心能力，如解决复杂问题的技能，批判性思维和创新创业能力等。其次，教育的职业－经济目标将起到更少的支配作用，而价值创造将成为社会和个人的发展能力，因此大学必须支持学生创新创业能力的发展。再次，由于在线学习和虚拟学习环境的建立，工业界与大学的教育利益结盟关系将逐渐减弱，教育活动将越来越多地被外包给非正式的组织、社区和同侪小组。最后，在工业4．0的全新经济和社会生活时代，以“充分就业”“全球竞争”和“经济增长”为根本目标的高等教育政策，将日益被关注社会和个人幸福与发展的新思维所取代。

新工科的教育教学模式必须进行范式变革。学习是人类存在的基本模式，它依赖于社会互动和意义创造，只有通过参与、交流和体验，学生才能获得应对复杂多样、快速多变的世界挑战的能力。因此，我们的工程教育理念应该从传统的“学工程”转向“做工程”；教学模式应该从以教师为中心的课堂教学，转向以学生为中心的综合性和应用性学习；学习模式应该从“一刀切”转向定制式的深度学习；教学环境应该从单一的面对面模式，转向混合教学和虚拟教学；教学管理制度应该从以校园为基础的封闭式学分认定政策，转向适应于远程学习和跨校学习的学分互认政策。

毫无疑问，新工科改革是一项复杂的系统工程，既存在支持改革的积极因素，也必然存在各种障碍。任何教学改革新模式，无论它们多么有效，都不会自动取代旧的方法。因此，高等学校决策者和管理者必须采取积极的措施，营造适于教育教学变革的民主与互动环境。我们不能依赖于“自上而下”的行政模式，也不能寄望于“自下而上”的自发模式。因此，“自上而下”与“自下而上”的协同互动或许是新工科改革的最佳路径。

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（责任编辑 吴朝平）

Exploration on the Core Competence and Teaching Mode of New Engineering Education

ZHOU Kaifa1，ZENG Yuzhen2

（1．Schoolof Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2．Library，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The arrival of the fourth industrial revolution promotes a comprehensive reform in the engi neering education．“The new engineering”reform initiative is a positive response of China’s engineering education to“Made in China 2025”．The core contents of industry 4．0 include the three topics：smart fac tory，smartproduction and smartlogistics and the nine advanced technologies：analysis ofbig data，autono mous robot，vertical and horizontal system integration，industrial IoT，internet security，cloud computing，additive manufacturing and the augment reality．The future engineering will display new tendencies in the sustainable development，computing abilities，big data，internet and IoT，Nano technology，3D printing material and cooperation of cross disciplines To meet the new tendencies of new engineering revolution and engineering development，in view of the learning features of university students of internet generation，the teaching in the new engineering of China should adopt the cooperative learning，integrated education tech nology，creating virtual learning environment，coordination and cooperation of cross disciplines，attention on the scientific research of undergraduates，promoting the interaction of students and teachers，and practice and interaction，and also carry out the teaching modes of deepening learning，blending learning，virtual learning environment，learning and analyzing，in order to cultivate the five core abilities of new engineering students：individualeffectiveness，knowledge abilities，scholarism capabilities and skill abilities and social abilities，and with six essential learning outcomes：humanities，science and technologies basic knowledge，intelligence and practice skill，industrial capabilities，ethics，values，attitude and behavior，community and global consciousness，comprehensive and applicative learning．The results show thatthe reform in the engi neering education of China must focus on the exploration of CBE and OBE mode，as well as the creation of corresponding smart learning environment in engineering education，in order to cultivate the excellent engi neers who can meetthe challenges ofthe new industrialrevolution．In view ofthe reform direction，the new engineering education reform should adopt the coordination and interactive mode of“from top to the bottom”and“from the bottom to the top”，which is the best path of new engineering education reform．

the fourth industrial revolution；new engineering；engineering education；core compe tence；essential learning outcome；smart teaching mode

G642．0

A

1673－8012（2017）03－0022－14

10．15998／j．cnki．issn1673－8012．2017．03．003

2017－04－16

国家社会科学基金教育学一般项目“云教育环境下学习模式变革研究与实践”（BIA150104）；重庆市教委研究生教改一般项目“基于国家创新体系的重庆高校跨学科研究生培养模式的研究与实践”（yjg133084）；重庆市教委本科教改重大项目“基于‘四个核心能力’的高等工程教育创新人才培养研究与实践”（131011）

周开发（1963—），男，江西贵溪人，重庆交通大学土木学院副教授，主要从事高等教育哲学和弹塑性力学研究；

曾玉珍（1964—），女，江西吉安人，重庆交通大学图书馆副研究馆员，主要从事图书馆学和信息素养教育研究。

周开发，曾玉珍．新工科的核心能力与教学模式探索［J］．重庆高教研究，2017，5（3）：22－35．

format：ZHOU Kaifa，ZENG Yuzhen．Exploration on the core competence and teaching mode of new engineering education［J］．Chongqing higher education research，2017，5（3）：22－35．