工程科技创新的人才培养模式研究

吕营　魏丽娜　邓勇新　王丹

〔摘要〕 工程科技是改变世界重要力量。我国高校工科人才培养是高等教育的重要组成部分，肩负着为国家重大工程科技攻关培养建设者和接班人的重任。在全球范围内，随着新一轮科技革命和产业变革加速演进，以人工智能、大数据为代表的新一代信息技术的快速发展，正在对传统工程教育的人才培养理念、课程设计和教学模式产生革命性影响。工程教育改革已成为高等学校教育改革的热点，各国纷纷出台政策文件以适应现代化工程科技创新对人才培养的需求。文章采用结构化案例，通过分析全球工程教育“新兴领导者”澳大利亚查尔斯特大学工程本科生的培养理念、课程设计和教学模式，为面向工程科技创新的我国高等学校工程人才培养提供了参考。比如要重视产学研资源汇聚，探索服务区域经济发展新模式;构建“工程知识三角”嵌入联动机制，实现创新型工程人才培养;开发多维度教育资源，创设开放融合的“线上+线下”学习生态圈;强化跨学科平台会聚，连接不同学习场景促进工程知识融通。文章为提出面向新时代我国工程科技创新的工程教育改革和人才培养模式提供了借鉴。

〔关键词〕 工程科技创新;人才培养;课程体系;教学模式

〔中图分类号〕G642〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-2689（2020）01-0051-06

工程科技是改变世界重要力量[1] 。随着新一轮科技革命和产业变革同人类社会发展形成历史性交汇，引发世界各国在科学探索、技术创新、人才培养等方面展开激烈竞争[2]。为应对产业新特征和人才新要求，世界主要工业国家发布了一系列新工程教育改革计划，旨在推动工程教育的改革，培养出适应新工业革命特征的新一代工程师[3]。我国高校工科人才培养无疑是高等教育的重要组成部分，肩负着为国家重大工程科技攻关培养建设者和接班人的重任。教育部办公厅于2018年3月15日印发《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》，特别指出要统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。新工科建设成为了高等工程教育下一个阶段发展的重点领域[4]。主动优化学科专业布局，探索课程内容和教学方法的改革，是面向未来我国工程科技创新对人才培养的内在需求[5]。同时，新时代工程科技创新人才培养需要主动服务国家对外开放战略，在坚持扎根中国办教育的前提下，面向世界，融通中外，借鉴国外先进教育经验，发展具有中国特色、世界水平的现代教育[6]。澳大利亚拥有世界一流的高等教育体系和教学科研水平，在吸引留学生和培养工程科技人才方面成效显著[7]。根据麻省理工学院“新工科教育转型” （MIT， New Engineering Education Transformation） 项目组于2018年发布的《全球工程教育现状》（The global sate of the ar in egineering eucation）報告[8]，从2001年到2016年，澳大利亚占全球留学生市场的份额从4%增加到11%，已经成为全球工程教育的重要力量。特别是澳大利亚查尔斯特大学，作为“工程教育领域新兴领导者（‘emerging leaders in engineering education）”之一，其所设立的新工程教育计划通过实施“以真实项目挑战为基础”的主题课程体系和构建“以学生为中心”的混合式教学模式，已成为工程卓越领袖培养的典范。

文章以澳大利亚查尔斯特大学新工程教育计划作为案例，系统分析其在主题课程开发和教学模式创新方面的特色实践，总结工程创新人才培养路径，为提出面向新时代我国工程科技创新的工程教育改革和人才培养提供研究基础，努力为正在进行工程教育变革的中国高校，提供一定的借鉴与启示。

一、 工程教育人才培养理念

“今天多数大学正试图在一个19世纪的学校，用一套20世纪的课程，来培养21世纪的工程师。”[9]为破解创新型工程师的培养难题，查尔斯特大学通过持续探索与实践，创造性地形成其“基于项目、面向工作、在线学习、地区驱动”的特色发展模式，并试图用一套面向未来的学校发展战略、一系列面向未来的课程体系，来培养适应新时代发展的高素质人才。在教学体系方面，查尔斯特大学面向新业态的工程实践，以及新时期工程师能力素质要求，探索形成基于项目、面向工作的教学方式，有效保证了学生的专业素养与就业能力——其84%的毕业生能够在毕业后六个月内找到专业领域内的工作，并且毕业生就业率多年排列全国第一。在课程形式方面，查尔斯特大学面向社会新情境、能力要素新要求，跟随时代趋势积极推进在线教育，革新课程体系和教学模式。在发展任务方面，查尔斯特大学注重驱动新南威尔士地区的经济和社会发展，围绕地区发展需求建立学科基础。自建校以来，查尔斯特大学根据当地需求，多元化地建立了护理、会计、牙医、兽医学等学科。近些年来，为响应当地政府和地区工业对工程创新人才质量和数量的强烈需求，学校于2014年10月批准设立“新工程教育计划（以土木工程专业为试点）”，并于2016年2月开始招收第一批本科生。

“新工程教育计划”聚焦工程领域行业需求、创设基于项目和面向工作的工程师培养情境、开发在线课程体系，旨在培养具备工程系统思维和前瞻专业能力的创新型工程师。基于该理念，查尔斯特大学将理论传授、实践应用以及课程教育进行紧密协同融合，系统实践工程创新人才的培养。其中，理论传授主要体现在对工程科学与技术、创新创业与管理等知识的传授;实践应用主要体现在校内、校外阶段的挑战项目和带薪实习岗位;课程设置主要体现在其在线课程教育以及基于项目挑战的课程教育。此外，在三者的项目融合协调方面，查尔斯特大学“创设工程情境”，促进学生深度理解工程理论和课程教学内容;强化以“案例为基础学习方式”，创新理论与实践结合的教学方式;同时，利用“基于项目的学习、在线学习等”学习方式将工程理论、工程实践和课程体系进行紧密结合，详见图1。

二、 工程教育主题课程设计

查尔斯特大学“新工程教育计划”课程体系分为校内、校外两个阶段，以项目为基础、以工作为导向、以在线课程为主要内容，通过“入门引导、拓宽口径、环境创设、反馈支撑”等支撑计划贯穿始终，旨在培养具有工程系统思维和前瞻专业能力的创新型工程师。具体而言，查尔斯特大学在课程设计方面分为以下两个阶段：

第一阶段（0～第18个月），以校内为基础，以挑战项目与在线课程融合为特征。在这一阶段，学生将参与一系列基于团队合作的挑战项目。在挑战项目开始前，学生需要自学完成相关主题课程。并在参与项目过程中，根据需求随时学习相关知识和技能，以指导挑战项目的实践。在这一阶段，学生需要学习240个主题的在线课程，其中包括80个必修科目，集中于基础工程科学、数学、CAD绘图等内容。

第二阶段（第1.5年～第5.5年），以校外为基础，以带薪实习与在线课程融合为特征。在这一阶段，学生将经历四个一年期的带薪实习，通过真实工程实践体验，更深入理解和内化工程知识与技能。在学习时间上，校方与雇主签订协议，保证学生每周有一天时间用于学习;在导师指导上，学生接受查尔斯特大学导师和行业导师双导师的指导;在课程学习上，学生以“按需学习”方式进行在线课程学习，即根据学习兴趣及实习中遇到的工程难题，进行有针对性的知识和技能获取。

（一） 入门引导：实行以项目为基础的教学课程

通过将教学场景与工作情境有机融合，项目课程注重学生研讨和参与，强调学生的体验与实践[8]。相较于传统以教师授课为中心的讲座性课程，以项目为基础的课程以学生的行动为导向，通过引导学生完成项目，实践和探究解决问题的方法，着重关注学生“做什么”而不是“学什么”。[10]查尔斯特大学以项目为基础的课程设置占据课程总数的42%。其中，项目课程分为校内、校外两个阶段。在校内阶段，挑战项目呈现两方面特征：一是项目难度将会越来越难，二是项目给予学生的帮助将会逐步减少。在校外阶段，学生将会经历四个一年期的带薪实习，独立自主解决遇到的真实工程实践问题。通过工程典型情境的体验与学习，将理论知识与实践探索高度对应，不仅提升了生的学习兴趣与探索激情，而且使学生在项目课程学习中习得的技能与知识将更丰富、更有效和更易于迁移。[11]

（二） 拓展口径：开发在线“主题树”课程

工程人才以解决工程问题为根本，传统的分科教学不利于学生工程系统思维的养成。[12]为培养学生的综合系统思维，查尔斯特大学将知识与技能分解为一系列知识主题（规划建设1000个主题，目前已有300个主题可供学习），形成在线“主题树”为学生学习提供在线课程支持。其中，在线“主题树”课程占据课程总量的50%。在课程的呈现上，查尔斯特大学会可视化呈现“主题树”课程与细分工程知识之间的关系，方便学生跟踪、制定学习进度。在主题内容的长度上，课程主题呈现“小模块化”特征，提供具体的学习目标和教学大纲。在学习效果的监督上，针对很多学生不及格的主题知识，查尔斯特大学安排老师与学生进行面对面交流或者专职在线辅导，以帮助学生知识的理解。在线“主题树”课程充分利用跨组织、跨地域、跨学科的资源，实现综合系统工程知识的传递与协作，快速满足和引领社会不断变化的需求，对传统固定时空的教育教学带来了一系列的影响。如何借助互联网和计算机建立未来的课程体系设计，无疑来智能时代教育发展需要面对的新课题[13]。

（三） 环境创设：情景周贯穿课程各个阶段

由于在线媒介的固有局限，在线课程不能解决学生遇到的所有工程问题，因此查尔斯特大学设立情景周活动，旨在建立补偿机制填补学生的知识空白。情景周活动针对正在带薪实习的学生，要求他们每年返回学校两次，进行为期一周的团队活动。在活动的主题方面，查尔斯特大学选择需要综合运用跨学科知识才能解决的主题内容。例如，在一次的情景周活动中，活动主题为“为某小镇设计自行车道”，这为学生们提供了跨学科知识学习和应用的机会。且学生们需要运用跨学科思维，思考很多方面的问题。如道路的人行道如何设置，道路的排水如何设计，自行车道路应该在哪里穿过小镇，如何设计穿过小溪的自行车道，如何与当地居民协商道路的建设等等。在情景周的最后，学生需要提交工作报告，提出他们的设计解决方案。[14]情景周活动的设定，除了是作为在线课程固有局限的补偿活动，更是查尔斯特大学设计式课程的体现。情景周活动以设计工程问题为中心，以小组活动为主线，探索跨学科问题的解决，打破学科理论体系的完整性和众多分散学科的独立性，直接面向真实工程问题。

（四） 反馈支撑：绩效审查与评估

工程教育十分强调进行反思教育——“注重学生自我反思的教学方法”已成为现今工程教育“新兴领导者”的共性特征之一。未来工程教育需要让学生学会如何思考/反思以及如何进行目标管理，从而实现从注重“记忆”的知识和技能传授向注重“反思”的能力思维提升的转变[15]。查尔斯特大學注重内部质量管理，尤其注重学生的自我反思和目标计划。反馈支撑部分虽只占全部课程的8%，但通过帮助学生进行目标规划和反思，能够有效推动学生在学习和实践中获取知识，提升能力。具体而言，每周学生会向导师提交关于本周目标达成的反思以及下周学习目标的进度安排。同时，学生也将每周自动收到来自主题树进展的反馈报告，以及导师对其反思与进度的反馈。在实习安排时，学生需要在每年年初进行工作和学习的目标设定，由学生、查尔斯特大学导师、行业导师共同签署“学习协议”，每年进行三次评估，监控学生的进度与成果。

三、 工程教育教学模式创新

相较于传统以教师为主体、以教室和实验室为主要教学场所的工程教育，查尔斯特大学为本科工程教育提供了一种截然不同的教学模式。其模式特征包括，实行以学生为中心的体验式教育、提供灵活便捷的在线教育以及创新实行面向工作的教学方式。

（一） 以学生为中心的体验式教育

世界处于百年未有之大变局，在此大背景下，我国工程人才培养的策略与方法也面临大变局。中国高等教育包括世界高等教育都进入了一个新时代，都需要再出发，需要真正的凤凰涅槃。[18]在坚持扎根中国办教育的前提下，面向世界，融通中外，借鑒国外先进教育经验，发展具有中国特色、世界水平的现代教育， 才能保证高校人才的工程科技创新能力适应新时代国家重大工程科技攻关的需要，支撑建设美丽中国和构建人类命运共同体。

〔参考文献〕

[1]

Xi， J. P. Let Engineering science and technology create a better future for humankind[J]. Engineering， 2015， 1（1）： 1-3.

[2] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[3] MIT reports to the president 2013-2014. School ofengineering [R/OL]. http：//web.mit.edu/annualreports/pres14/2014.04.00.pdf

[4] 梅雄杰， 李志峰， 吴兰平. 基于嵌入理论的高校教师工程技术能力评价体系构建[J]. 北京科技大学学报 （社会科学版）， 2019，35（5）：63-69.

[5] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017，（3）：20-26.

[6] 朱国仁. 筑牢民族复兴的基础工程——学习习近平总书记关于建设教育强国的重要论述[J]. 人民论坛， 2019， （6）： 13-15.

[7] 朱慧， 陆国栋， 吴伟. 澳大利亚高等工程教育： 实践与借鉴[J]. 中国高教研究， 2016 （9）： 98-102， 110.

[8] Graham，R. The global state of the art in engineering education[R]. Massachusetts Institute of Technology （MIT） Report， Massachusetts， 2018.

[9] Grasso， D. & Burkins， M. B. Holistic Engineering Education[M]. New York ： Springer， NY， 2010： 17-35.

[10] Lantada， A. D.， Morgado， P. L.， Munoz-Guijosa， J. M.， Sanz， J. M. L.， Otero， J. E.， García， J. M. ， Tanarro， E. C. &  Ochoa， E. G.， Towards successful project-based teaching-learning experiences in engineering education [J]. International Journal of Engineering Education， 2013， 29（2）： 476-490.

[11] 高志军， 陶玉凤. 基于项目的学习 （PBL） 模式在教学中的应用[J]. 电化教育研究， 2009， （12）： 92-95.

[12] 杜侦， 曹慧丽， 魏琳华， 等. 依托科技创新竞赛培养应用型人才[J]. 教育研究， 2013，34（9）：153-157，159.

[13] McCabe， B.，Pantazidou， M. & Phillips， D. Shaking the Foundations of Geo-Engineering Education[M]. 2012， 9-14. Leiden： CRC Press.

[14] 郭文革.教育变革的动因：媒介技术影响[J].教育研究，2018，39（4）：32-39.

[15] 刘刚，吕文静.反思型教学及其在管理教育中的应用[J].中国高教研究，2014，（3）：105-110.

[16] Froyd， J. E.， Wankat， P. C. & Smith， K. A. Five major shifts in 100 years of engineering education[J]. Proceedings of the IEEE， 2012， 100：1344-1360.

[17] 李晓红. 点燃工程科技创新强大引擎[N].学习时报， 2018-07-16（001）.

[18] 吴岩. 新工科： 高等工程教育的未来——对高等教育未来的战略思考[J]. 高等工程教育研究， 2018，（6）： 1-3.

（责任编辑：夏 雪）

Abstract： The innovation of engineering science and technology may lead to a whole new industry and shape or even change the world. The engineering education plays an important role in the colleges and universities of science and technology. Along with a new round of scientific， technological and industrial revolution， the rise of artificial intelligence and big data has brought new challenges to engineering education including the concept of education， course design and teaching model. The reform in engineering education has become the one of the hot spot in higher education reform and many policies have been complimented to meet the requirement of modern education around the world. In this paper， based on the structured analysis， we report the concept of education， course design and teaching model of Charles Sturt University in Australia， one of the “emerging leaders” in engineering education. Four suggestions and measures are provided as references for reform of engineering education in the future.

Key words： innovation of engineering science and technology; engineering education; curriculum system; teaching model