英属哥伦比亚大学工程教育对新工科建设的启示——以电气与计算机工程系为例

谭 志

(北京建筑大学 电信学院，北京 102616)

一、引言

2017年以来，我国工程教育逐步形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”新工科三部曲，开启了工程教育改革的新征程，因此需要高校面向产业、面向世界、面向未来布局新工科建设，探索更加多样化和个性化的人才培养模式，培养具有创新创业能力和跨界整合能力的工程科技人才[1]。那么我国高校如何关注新工科需求，培养更多高质量的工程创新型人才？本文从国际视角出发，选取加拿大英属哥伦比亚大学 ( University of British Columbia，UBC)电气与计算机工程系(Department of Electrical and Computer Engineering，ECE)的本科专业工程教育为研究对象，吸收和借鉴其独特的办学理念和鲜明的办学特色，这对于我国建设新工科具有重要的启示意义。UBC在2018年泰晤士报高等教育发布的世界大学排名为34位[2]，是世界顶级的公立研究型大学，作为全球研究和教学中心，至今已有8位诺贝尔奖得主，经过100多年的发展已经形成了独具特色的人才培养体系。UBC从全球吸收最高水准的教师和学生，与世界各地的大学、工业、政府和团体建立合作关系。目前在校学生达到65000多名，其中有来自150多个国家的16000余名国际学生，国际化率达到近25%[3]。自从1915年建校以来，创新和挑战现状的西海岸精神就深深植入其中。创新创业视角鼓励学生、职员和教师挑战传统，引导发现和探索新颖的学习方式，为大胆思考者提供改变世界的舞台。

本文从ECE专业工程教育目标、人才培养模式、多样化的专业工程课程体系设置三个方面进行了分析和研究，深入剖析了顶点课程设计和Co-op合作项目的工程实践能力培养全过程，最后从工程课程设置、课堂教学、深度融合产学研教方面对我国新工科人才培养给出了启示和建议。

二、追求创新和卓越的工程教育目标

电气与计算机工程系隶属于应用科学学院，为该院规模最大的工程系，也是学校最大学术单位之一，有50多名授课教师，400多名研究生，1000名左右本科生，授予应用科学学士/硕士、工程硕士、软件系统工程领导力硕士和博士学位[4]。本科生培养方案与社会需求人才高度契合，每年都吸引国内外最好的学生攻读电气工程、计算机工程和生物医疗工程三个专业学位。

ECE核心目标是通过知识和创新获得力量。核心价值观包括追求创新、卓越、伦理和责任四个方面。创新源于对社会进步的重大贡献和变革式的学习体验，对所做的所有事情追求卓越并挑战现状，正直、诚实、尊重、公平、包容是各项活动和人际关系的伦理基石，在社会、环境和经济上对自己的行动负责。可见，工程教育不仅要引导学生掌握专业技术，以追求创新、卓越为目标，更要强化学生的社会责任感与时代使命感。

三、突出工程实践的人才培养模式

与加拿大其他高校类似， ECE本科生人才培养模式也分为两种，即四年制普通模式和五年制Co-op模式。学校针对两种不同的人才培养模式采取了不同的教育计划[5]。

(一)四年制普通教育模式

类似于我国的大学本科教育模式，即大学期间学生以在校学习为主，加拿大大学的一个学年分成了三个学期，秋季、冬季和夏季。每年在校学习时间主要集中在秋季和冬季，共8个月，夏季为假期，共4个月，学生根据自身需要利用假期实习或做兼职，但这并不列入教育计划的硬性规定和要求。一般而言，选择该教育计划的学生正常获得大学本科学士学位的时间为4年。

(二)五年制Co-op教育模式

Co-op教育模式是加拿大本科教育的一大特色，通俗的说法是校企合作教育模式，也叫带薪实习项目，由加拿大滑铁卢大学1957年开始引入并一直稳步发展。1980年UBC官方正式在所有学院开始实施这种教育模式。Co-op教育模式由加拿大Co-op教育协会认证，并界定为由大学、雇佣单位和学生共同参与，它是学校教育和工作实践相结合的本科培养模式，其目的是强化学生的工程创新实践能力。在学校上课学习的学期称为学习学期，在企业参加工作实践的学期称为工作学期。参与Co-op教育计划的学生除了修完与4年普通教育模式学生相同的在校学习任务外，还增加了20个月的社会实践经验。申请Co-op项目的学生在入学第二学期结束前，学校会根据学生的成绩决定是否能够申请该项目。

四、多样化的工程课程体系设置

本科学生达到毕业要求被授予应用科学学士学位。第一学年主要是工程必修课，培养学生数学、物理科学和设计方面能力，还必须获得工程人文方面的理解能力，包括人文、社会科学、艺术、管理、工程经济学和交流。学生从第二学年真正开始这三个专业的学习，主要培养学生的团队合作和解决工程问题能力、书面口头沟通能力和批判性创造思维能力等。

(一)设置工程基础年

电气工程专业的学生能够选择微器件的电子特性、纳米技术和微系统、新发现的材料和国际电网中电力发电和传输等课程。计算机工程专业主要集中在计算机硬件设计或软件集中的计算机系统方面，包括需求分析、软件设计、软件质量、用户接口和软件工程管理。生物医疗工程主要是面向把技术应用在医疗科学有浓厚兴趣的学生，核心课基本上与电气工程课一样，另外还包括解剖学、生理学、生物医学仪器、生物信号和系统、医学成像、监管标准、审计过程和微纳米新技术等。

根据课程的基础和程度，本科生课程分为4个等级，一年级课程以“100”开头，二年级课程以“200”开头，三年级、四年级依次类推。“200”“300”都是本科生阶段的基础课程和专业基础课程；“400”字开头的课程则是本科生和研究生可以同时选修的课程，“500”开头的课程专属于研究生修读课程。这样高年级本科生可以和研究生一起上课，要求完全一样，有利于资源共享，节约办学成本，实验课程也是类似情况。

UBC把第一学年称为工程基础年，为所有选择工程的学生准备强大的工程基础知识课程，开设工程概论、工程师物理导论、数学和物理等在工程中的应用课程，以建立基础雄厚和有益的学术和专业生涯。这些基础科学推动学生勇往直前，使学生从第一年就开始探索工程设计项目、实践和专业学习经历。三个专业一年级课程如下表所示。

表 三个专业一年级课程表[6]

第二年和第三年开始选择ECE的电气工程、计算机工程、生物医疗工程和其他系的专业如化学工程、化学和生物工程、土木工程、工程物理、环境工程、地质工程、综合工程、机械工程、采矿工程等课程。课程内容通过讲座、前沿实验室设备、基于团队的项目、初期设计经历和带薪实习等具体化体现出来。这两年的课程与国内相近专业的课程相差不多，主要是专业基础课和专业核心课。

第四学年提供了丰富的跨学科选修课，包括电气工程(高级)选修课、数学选修课和自由选修课，学生依据自己将要参与的顶点课程设计项目、兴趣和爱好选修，体现了高度的灵活性。电气工程选修课至少12学分，至多只能选一门300系列课程，其他课程从400系列选择，大约提供40门左右选修课。数学选修课至少3个学分，从25门数学课里选修。ECE允许学生选择自由选修课。自由选修至少6个学分，可以跨学校进行选修。自由选择课目的是允许学生探讨超出工程或科学宽度的课程作业。

为了满足工程认证学分要求，所有学生必须完成7门附加课程学习：工程经济学、社会技术的影响、人文科学和社会科学、技术交流和英语、专业伦理、公平和法律、健康和安全、可持续发展和环境管理。要求至少20学分，某些学分可以集成在培养计划的核心课程中，比如健康和安全、可持续发展和环境管理。人文科学和社会科学课程是从艺术学院选修，至少6学分。

(二)提供丰富的工程实践体验课程

积极参与多样化社区和实际工程，培养解决工程问题的能力。通过开创性研究和变革性的学习体验，成功源于对改善社会的有意义的贡献，校友和工业成员在其中扮演重要作用。通过强化学校内外的个人和组织关系使成功变为可能。

1.设置 Co-op工程合作项目。Co-op项目也叫带薪实习项目，为学生提供第一手深入接触工业界的机会，目的是整合科学研究与工程技术的产学合作，学生工作时间累积20个月才能获得学位[7]。ECE三个专业本科生和研究生均可以申请该项目，一般在第二学年的开始申请这个项目，在项目过程中获得薪水，参与该项目的学生需要额外一年的学习才能完成他们的学位。工程合作项目使学术研究和技术工程工作融为一体，为就业提供了丰富的研究、工作和实践体验经历。

每个专业有三种工作时间方案可选。UBC把一学年分为三个时段：秋季学期(9-12月)，冬季学期(1-4月)，夏季学期(5-8月)，每个学期均为4个月。三个方案第一学年、第二学年和第五学年教学安排相同。考虑到学生经过两年学习，已经掌握了一些基本课程知识和具备了初步实践能力，所以带薪工程实习都是从第二学年夏季学期开始。学生在第三学年和第四学年期间根据学校要求，必须选择三个工作/实践假期。三个方案共同点都是五年制，比正常教育模式情况下增加了一年。ECE所在的应用科学学院每年大约800多名本科生参与Co-op项目。

Co-op工程合作项目体现出三大特色：一是重视学生亲身参与电气工程相关公司或机构的真实电气工程领域的实践，更有效地将理论与实践结合起来；二是兼顾学生的职业规划与教育培养，项目中特设的职业规划研讨、研究成果报告等内容，为学生未来的发展，提供了不可忽视的作用；三是连续利用三个夏季学期时间，在带薪单位里接受锻炼与参加工程实践活动，使学生提前接触工程问题，培养学生的工程实践能力，为以后学生就业打下坚实的实践基础。总之，项目注重学生解决实际工程问题的能力以及平衡工程问题与社会环境、市场经济效益冲突的能力，注重学生团队协作、有效沟通交流的能力。2010年教育部的“卓越工程师教育培养计划”以Co-op 模式为基础并加以改进，创立了高校与企业联合培养人才的机制，培养出了一批具有高素质的工程人才，但并没有在所有专业铺开，受益学生数有限。

2.全部学生参加顶点设计项目课程(Capstone Project)。该项目是多学院多学科交叉的综合设计项目，横跨4年级的整个学年，团队由4到6名的4年级学生组成，共同完成由工业界和学校组织建议的项目，其中有2名或更多工程专业学生参与联合设计项目工作。每个团队由1名学院教师负责管理，担任技术主任，辅助或指导学生熟悉专门技术知识等[8]。

顶点设计项目是所有工程专业的主要组成部分。项目开发全过程包括需求分析、方案设计、实现和测试。ECE为三个专业提供顶点项目，分别是CPEN491计算机工程顶点设计项目、ELEC491电气工程顶点设计项目、ELEC 494生物医疗顶点设计项目，均为10个学分。

(1)顶点设计项目课程目标。学生团队一旦认领了某个工程项目，从思路酝酿到产品开发将受到全程监管，包括探究和提出方案、管理预算和评估经营费用、口头和书面等形式呈现给观众、验证提出的方案和实现产品原型等。在顶点设计课程结束时，学生演示项目成果。在项目实施的整个过程中，主要培养学生与团队协作能力、与客户交流与沟通能力、明确表达和分析问题能力。

(2)关键时间节点约定。顶点设计项目课程从9月开始到次年4月结束。学生主要以与客户一起工作为重点，在很多情况下，客户主要来自本地工业界或校园的组织。每个学生期望投入到项目260个小时，横跨两个学期。学生在关键时间节点需要完成的任务如下图所示。

(3)课程结构。在项目开始学期的第一周，教师或客户提出可行的项目，要求学生投标。投标成功后，形成团队，在某些情况下，这些项目是跨学科的。第一个月最为关键，主要是专注于理解问题，逐步细化原型设计。每个项目指定一名教师，同时也作为学生的监管人，以提供项目所需的专业知识和技术。每个项目将获得一定的资金资助。每周两个下午学生向监管老师汇报项目进展，或参加讲座，或参与团队工作。

(4)题目要求。每年都向企业征集大量题目，对企业提供的题目在开放性、可行性、相关性、工作环境、课题背景、课题目标和交付成果等方面都有严格要求。

图 顶点课程设计项目完成关键节点

顶点设计项目课程不仅有利于充分利用各层次和各类型的工程教育资源，激发工程教育人才创新的活力，而且有利于工程教育更好地服务与引领新经济的发展。

3.提供完善的创新创业工程教育保障机制。UBC专门成立了Entrepreneurship@UBC(e@UBC)工程创新创业基地。e@UBC是集导师、教育、企业创建和种子基金于一体的创新创业加速器，为创业者提供创业工作坊和创业空间、市场确认的项目和商业模型，帮助UBC创业者提高创建企业成功的胜算。初出茅庐的创业者与经验丰富的现实生活中的导师、校友、风险投资家联系起来，通过创业咖啡馆、孵化项目、入住创业办公室和创新空间等渠道进行创业。e@UBC包括9名项目管理团队、2名管理种子基金和10位常驻企业家组成。设在e@UBC的Graham Lee创新中心是创新创业活动的核心场所，成为创业公司沟通、合作和发展专用平台[9]。开展了大量的创新创业实践活动，提倡和鼓励学生组织创新创业社团，应用科学学院成立了27个创新创业设计团队，设有工程设计与创新日，每年4月都有新设计新创意产品展示集市活动。

五、对我国新工科人才培养的启示和建议

以人工智能、云计算、大数据、区块链、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实技术以及生物医疗技术为主的第四次工业革命正在深刻地改变全球经济的版图和格局。为了迎接这一挑战，向高等教育发达国家学习和借鉴先进的经验，结合中国实际进行适当移植与本土化，是一条经过验证的有效途径[10]。UBC在工程教育改革中积累的丰富经验对我国新工科建设有着积极和建设性的启发意义。

(一)合理设置工程课程，提高工程人才培养质量

在一定意义上，高等工科学校培养出具有深厚工程素养的学生更能在深层次上反映人才的质量。因此，工科类高校应重视和加强学生的工程素质教育。我国高校工程类专业可以借鉴UBC第一学年设为工程基础年的做法，针对选择UBC应用科学学院的所有12个专业，除了开设工程经济学、社会技术的影响、人文科学和社会科学、技术交流、专业伦理、公平和法律、健康和安全、可持续发展和环境管理等通识课程外，其他所有课程几乎都是围绕工程而开设的课程，针对性非常强。而我国工科院校在大学一年级开设的数学、物理、化学和思想政策等通识课程，很少涉及工程领域方面，更谈不上应用。因此对我国工科院校，建议增加相应的工程课程学分，减掉或缩小与工程无关的课程所占学分比例，构建以工程为主，数、理、化、文、史、哲等为辅的全面知识体系。

(二)深化课堂教学改革，培养学生表达、沟通和提出问题并批判性思考问题的能力

笔者旁听了ECE本科生和研究生多门课程，一般坐在教室最后一排，便于观察上课的全过程，总体感觉课堂教学更为自由，课堂气氛更活跃、轻松，课堂上师生互动较多。教师授课富有激情，脸部表情丰富，加上手势配合，讲课比较精彩。对理论和实际实例教学多采用引导启发和研讨等方法，注重对学生表达、沟通和创新能力的培养。教师讲课时，鼓励学生提问，组织学生讨论、交流，学生在课堂上可以随时提出自己的问题和疑问。教师在讲完一部分内容后，每次都主动询问学生是不是存在不理解的问题，这时学生非常积极举手提问，然后教师耐心讲解。教授们鼓励学生根据提前布置的阅读材料自由提问、深入分析、批判性地思考和吸收前人的观点。依靠这种方式，学生被教师激励着进行更多思辨和研究，使学生逐步养成独立思考的习惯和能力，培养多样性、批判性、辩证性的思维方法。总之应用研讨式、团队式、启发式、探究式、项目式、体验式等突出工程性的教学方法非常普遍[11]。

国内一些教师讲课缺乏激情，授课不够精彩，学生大多是填鸭式的摄入，获取知识主要依靠记忆和做题，学到的知识常常是“死”的内容[12-13]。在旁听过程中发现了这样的现象：学生在上课过程中听讲认真，自带笔记本的学生随时查阅网上资料，没有学生做与上课无关的事情。建议国内高校教师在教学中应尽量让学生作为教学过程中的主角，在教学方法和手段上积极探索，大胆创新。课堂就是为了给学生汲取知识提供帮助，鼓励学生提出问题，师生共同讨论，从而达到师生之间良性互动。通过开设更多的研讨课，让整个课堂充满讨论、辩论和自由提问的氛围。由教师先介绍主题的基本问题，包括问题的来源和发展过程、权威理论观点和评价等；然后要求学生对有关理论和观点进行评价并发表自己的观点。因此学生需在课余时间搜集资料、整理归纳，仔细推敲讨论主题，这对培养学生主动学习和批判性思考问题的能力具有重要作用。

另外，学生课外学习的场所呈现开放自由的特点，这点与国内明显不同。在学校公共区域都设有桌椅、咖啡馆，WIFI校园网络，学生随时随地坐下来使用笔记本上网查找资料学习，完成作业。国内学生多是去教室或实验室学习，公共区域缺少一些基本设施，很难看到学习的情景。建议国内高校注重学校公共区域建设，为学生提供更多学习的自由空间和基本设施。

(三)深度融合产学研教，设置校企联合工程实践培养项目，培养学生的工程实践创新创业能力

1.UBC的工程Co-op项目，充分利用了第二学年、第三学年和第四学年长达4个月的夏季假期，通过与电气工程领域的相关企业联合，为学生提供了较好接触一线实践与前沿创新创业研究的平台与机会，也为学生未来职业规划提供了重要的指导，这对我国高校工程专业的实习具有较好的启示。我国大学多数实习是在大学第四年的毕业学期实施，在毕业前才有机会接触到工程实际，似乎有点为时已晚。因国情不同，我国寒假相对时间较短，建议合理利用暑假时间，从第二学年夏季学期开始，每个假期为学生提供一次实习机会，这样能让学生将理论和实践结合起来，也更有利于学生深入了解本行业，为今后成功就业奠定基础。将实践培养项目置于假期阶段，既充分利用了放假时间，也避免了占用常规课程进行实习带来的各种问题。再者，积极探索学生带薪制合作机制，适当延长学生在校学习时间，进一步增加学生工程实践时间，培养学生的工程实践能力。

2.UBC及国外其他高校的顶点设计课程颇具工程特色。课程题目几乎来自企业而且是企业急需解决的工程问题，以国家、社会与市场的需求为导向，最大程度上保证工程教育目标与需求的一致性。尽管对征集的题目有诸多要求，而且ECE还要经过严格筛选，但是每年都有大量的企业提供题目，其实这对企业有很多好处：利用一流大学教师、职工和学生的专门知识进行开发/研究的机会；有权使用世界级研究设备和专家技术人员，把企业引入学校学术社区，共享资源，并提前接触下一届新毕业生方便招聘和联系；开发的产品和服务在企业当前商业计划范围之外，具有低成本的方式探究或开发有风险的商业产品等。

我国与之相对应的实践环节就是第四年学生的毕业论文/设计。毕业论文/设计一般安排在大学的最后一个学期。论文/设计题目主要以教师的科研课题或者工程项目为依托，教师自行命题。由于命题的主体是教师，来源企业的题目过少，有些选题与培养目标关系不大；有些囿于前人研究成果，创新意识不够；有些理论性偏强，缺乏工程应用背景；导致学生在毕业论文/设计过程中对教师依赖性过强，研究兴趣不浓，投入的时间也无从保证，难以激发学生的创新热情，加上就业、研究生考试/复试、出国深造等多重冲击，造成毕业论文/设计东拼西凑，质量堪忧[14]。因此可以参照UBC顶点课程题目要求、关键时间节点和课程结构的做法，汲取成功经验。第一，适当延长课题设计时间，提前到第四年第一学期开始；第二，在选题上，增加校企合作题目比例，让学生真正解决企业中存在的工程问题，锻炼学生的工程实践能力。