学习科学视域下新农科专业建设探索与实践*

曹震，肖湘平，廖庆喜

(1. 华中农业大学本科生院，武汉市，430070； 2. 华中农业大学工学院，武汉市，430070)

0 引言

习近平总书记在给全国涉农高校的书记校长和专家代表重要回信中强调，中国现代化离不开农业农村现代化，农业农村现代化关键在科技、在人才，要培养更多知农爱农新型人才[1]。专业是高校人才培养的基本单元，是建设高水平人才培养体系、培养堪当民族复兴大任时代新人的“四梁八柱”。当前，互联网+、云技术、大数据、物联网等信息科技发展日新月异，教育信息化应用创新浪潮蓬勃兴起。利用信息技术、交叉科学技术改造传统农科专业，提升新农科专业建设内涵、动态调整新农科专业结构、优化新农科专业布局，是涉农高校深化人才培养供给侧改革的重要举措。

学习科学涵盖认知科学、教育心理学、信息科学等多个领域，于20世纪90年代初诞生于美国，是国际上近30年发展起来的关于教和学的跨学科研究领域。近年来，涉及教育学、脑科学、心理学、信息科学等多学科研究领域的学习科学得到迅速发展，其理论创新及成果应用，为推进教育改革和实现教育现代化提供重要科学依据和基础支撑[2]。学习科学当前研究的主要目标是引领教育系统超越工业文明步入信息时代，以学习科学的视角探讨新农科本科专业建设的发展路径，契合新农科教育的内涵机理和使命要求。

本文通过文献梳理和调研，并选取23所农林高校对其本科教学质量报告及学校官网专业建设改革动态信息进行了分析，发现国内农林高校对新农科专业建设的研究逐渐兴起，但尚未有运用学习科学理论指导开展新农科专业建设改革实践的系统研究。因此，运用学习科学的先进理念和最新成果指导新农科本科专业建设，是面向未来开展新农科教育的有益探索。

1 学习科学促进新农科专业建设的理论依据

1.1 新农科专业建设的内涵

新农科是新时代面向乡村振兴和生态文明建设等国家战略需求，聚焦农业、农村、农民现代化过程中的关键问题，以科学技术创新为基础，通过跨学科研究和系统性方法，对农科知识体系、研究体系、专业体系和人才培养体系的重新布局。新农科专业建设要面向新农业、新乡村、新农民、新生态，一方面改造提升传统农科专业，提升农科专业内涵；另一方面基于学科交叉，布局新的农科专业。新农科专业建设主要包括传统农科专业的内涵提升、新农科专业的布局衍生两个层面。无论是传统农科专业，还是通过学科交叉新衍生出的农科专业，其专业建设内容均涵盖确定符合社会需求的人才培养目标，科学修订人才培养方案，构建专业课程体系，编制教学大纲，改善教室、实验室、实习实训平台等教学条件，提升教师教学能力，健全质量保障体系等[3]，其专业建设目的都是培养知农爱农的高素质创新人才，服务国家农业农村现代化。

1.2 新农科专业建设的理论依据

作为一个新兴的交叉学科，学习科学既是一门研究学习本质、学习过程的基础科学，也是一门应用驱动的“设计科学”[4],其研究和探讨如何构建促进学习的有效环境[5]，肩负基础理论创新和学习实践变革的双重使命。我国《普通高等学校本科专业设置管理规定》明确要求高校设置和调整专业，要坚持需求导向、标准导向和特色导向，应主动适应知识创新、科技进步发展需要，并遵循高等教育规律和人才成长规律。学习科学的理论和实践成果就是知识创新、科技进步的体现，学习科学在指导新农科专业建设方面具有先天优势。

1.2.1 自我认知和知识建构的内在要求

学习科学认为自我认知和知识建构不能独立于非所学专业领域之外，学习者需要通过与无处不在的信息进行频繁交互，学会如何选择和提取需要的特定信息，并学会利用所选择的信息与他人开展深度互动，以提升自我认知并完成知识建构。专业人才培养目标实际上就是对学生的专业自我认知和知识建构的具体规定和明确要求。新农科专业建设明确要求不能局限于专业领域本身，要广泛开展学科交叉和知识渗透，充分利用信息科技、工程科技、人工智能促进专业建设，重构课程知识体系，因此利用学习科学的理论有助于指导新农科专业人才培养目标的准确定位。

1.2.2 挑战性学习情境创设的必然要求

学习科学认为教育者应为学习者设计具有挑战性的学习情境，让其无法用按图索骥或死记硬背的方法来寻找解决方案[6]。这与教育部倡导的减负增效、提升学业挑战度的专业建设内涵要求是一致的。新农科专业建设过程中，无论是教师授课的教学设计，还是学生自主学习环境的创设都要坚持这个理念，要坚持创设对学生具有一定挑战度的教学过程或学习环境。长期以来，农科专业建设的人力财力物力投入主要用于教室、实验室、实习实训基地、图书馆等硬件建设，而对学习过程和教学成效研究分析的投入严重缺乏，显然不能满足知识创新、科技进步和教育规律演变的发展需要。学习科学的这些理论研究不仅能够用于开展学习革命、改进教学策略、提升学习成效和教学成效等，而且对于人工智能背景下高校建设智慧教室、智慧实验室、智慧学习社区等具有重要指导作用。

1.2.3 学习者作为评价设计主体的客观要求

学习科学的研究方法强调基于设计的实施研究和参与式共同设计，即是设计者需要与设计的实践者共同设计，而不是为他们设计。这对新农科专业建设中的质量保障体系建设具有重要指导意义，为了更加有效的设计、分析和评估教师教学和学生学习，就必须使得被评估的师生，特别是学生参与到评估设计当中。中共中央、国务院2020年10月印发的《深化新时代教育评价改革总体方案》明确要求，严格学业标准，完善过程性考核与结果性考核有机结合的学业考评制度，这就要求在新农科专业建设过程要加大对学习过程和教学成效的研究分析，并提升学生在评估分析设计中的主体作用，以提升学生的学习效果。

2 学习科学视角下新农科专业建设的现实困境

2.1 人才培养目标不符合新农科发展需求

随着农业农村现代化和乡村振兴的全面推进，农业的概念已经超出了第一产业的范畴，农业的多功能性日益凸显，农林高等教育应积极服务国家战略需求。按照学习科学的观点，新型农科人才的知识建构应该跨越多个知识领域，新时期农林人才培养应立足大农科理念，主动对接大数据、物联网等信息技术的发展，重塑农业教育链、拓展农业产业链，适应一二三产业融合趋势，支撑新产业、新业态发展。通过对23所农林高校的人才培养目标进行文本分析，发现部属农林高校以培养拔尖创新型人才为主，省属农林高校以培养复合应用型人才为主，但在培养目标文本描述中均未出现三产融合、智慧农业、乡村振兴、绿色发展等新农科关键词。当前农林高校专业人才培养目标普遍不能适应信息时代变革和经济社会发展，满足不了经济社会发展对新农科的需求。

2.2 跨学科交叉融合改革理念和实践薄弱

农林高校作为行业型高校，虽然具有较为深厚的行业底蕴和学科沉淀，但总体而言仍然带有非常鲜明的单科性学院特点，其人才培养模式单一、专业壁垒森严，在人才培养的多学科协调发展方面先天不足。然而，一方面跨学科交叉融合的人才培养实践正成为世界一流大学重要的人才培养趋势；另一方面学习科学关于自我认知和知识建构的观点也要求专业建设必须走跨学科交叉融合之路。新型农林人才培养要求本科专业必须突破现有农科界限，推进多学科渗透与融合的跨学科培养，构建基础知识与学科前沿相贯穿、国际规范与产业需求相融合的农科专业新体系。全国高校在深入推进“新工科、新医科、新农科、新文科”建设过程中，新增跨学科交叉专业、撤销传统专业成为重要举措。数据表明，全国“双一流”高校2017—2019年度总计新增专业1 090个、撤销专业255个，这表明“双一流”高校整体以新增专业为主、撤销专业为辅。而新增专业数量排名前20所的高校中无一农林高校，撤销专业数量排名前20所的高校中仅有一所农林高校，这说明农林高校开展跨学科交叉融合的专业建设非常薄弱。

2.3 信息科技与教学融合的人机交互不足

伴随着经济全球化，当前以人工智能、大数据、机器人等新技术为代表的第四次工业革命正在不断走向深入[7]，各种智能教学装备充斥着校园，智慧教室、智慧实验室正在大量兴建。但是常常可以看到，自动录播、在线直播、实时互动、虚拟仿真等很多先进教学设备的功能，更多的是体现在产品的展示或简单的工具利用，没有真正在教学过程中发挥信息科技的辅助教师教学和服务学生主动学习的效能，特别是近年来学习科学中关于脑科学的先进理论和实践成果基本没有得到利用。截至2018年初，全国共计3 200余门慕课上线中国大学慕课国家平台，实现了大范围的优质资源共享，很多知名高校建立慕课共享平台，例如清华大学的学堂在线、上海交通大学的好大学在线、东西课程联盟的智慧树平台等。但与此同时，高校重建设、轻应用，重硬件、轻交互的情况也与日俱增。为了解决这个问题，教育部于2019年首次开展混合式一流课程建设，要求运用先进的教育信息化技术和智慧的新型教学空间，探索教育新形态“混合式教学”。在2020年首批国家级混合式一流课程中，农林高校仅43门占比4.95%。这说明在信息科技与教育教学融合过程中，全国高校尤其是农林高校智能化的人机交互没有得到深入实施，还只是停留在片面的追求信息设备的智能化当中。

2.4 学习成效评价体系缺乏评价主体参与

长期以来，“知识本位”的课程模式与“教师中心”的教学模式占据农林高校专业建设的主导地位。学生学习过程和学习成效的评价主要是由教学管理人员进行设计和实施，其对评价本身缺乏深度的研究，且在开展评价设计过程中没有学生主体的参与。6所部属农林高校在学生学习成效评价方面均存在：教学质量评价方式方法比较单一、学生评教指标体系需进一步完善、课堂教学质量网上评价系统设计不科学等问题，侧面说明学生学习过程及成效的评价和研究普遍缺乏学生的参与。近年来，随着三级专业认证理念的大力宣传，“学生中心、产出导向、持续改进”得到普遍传播，但还没有真正深度贯彻到专业建设当中，以学生为中心更多的是浅层的外在体现。按照学习科学的要求，以学生为中心就要认真研究分析学生的学习过程和学习成效，并运用学习科学的理论予以引导干预，提升学生学习效能。教育部印发的新一轮本科教学审核评估方案明确要求，要依据国家相关标准建设符合国家、社会及学生等利益相关者诉求的一流质量标准，提升质量评价的学生参与度。

2.5 质量保障体系不能实现持续改进目标

质量保障体系是人才培养模式运行效果的“检验器”和有序运转的“驱动器”，其核心是科学研判人才培养过程，其关键是有效反馈并促进学生的学习。学习科学的研究表明，评价和改进学习者学习效果的评价方法设计必须由学习者作为主体参与并共同实施。当前传统的质量保障体系，不仅缺乏动态式的过程评价、多样化的评价指标、持续化的评价实施，而且缺乏评价主体的主动参与式设计，这就造成了思维固化的导向性评价，采取的持续改进措施实际上也是单方面的主观臆断，客观上也助长了人才培养的严重同质化，表现为培养目标、课程体系、考核评价等日益趋同。23所农林高校在质量保障体系部分的描述均反映存在：教学质量监控手段比较传统，内部教学质量监控体系实效性不够，质量持续改进的总体效果不明显，教学基本状态数据的效能未能充分发挥，质量监控信息分析与利用有待于进一步加强等问题，这说明质量保障体系尚未有效实现持续改进。

3 新农科专业建设发展趋势

新农科发展战略谋划需要遵循中国现实的国情农情和农业农村现代化建设基本规律、国家发展的远景规划和战略布局和全球科技的创新前沿与发展方向的主要逻辑，新农科建设要跨越学科边界，融入科学、技术、人类行为、经济和政策，汇聚各种专业领域，促进农业基础科学、技术科学、应用科学的创新与发展。因此，新农科专业建设应立足大农科发展理念，主动拥抱信息技术变革，主动适应一二三产业融合趋势，加强内涵建设，强化通专融合，进一步强调人的全面发展，不断满足乡村振兴和农业农村现代化对人才培养的新需求。

3.1 新农科专业的拓展衍生将依赖社会需求

美国科学院宣布未来十年美国将围绕系统认知分析、精准动态感知、数据科学、基因编辑、微生物组学等五大关键技术寻求农业领域的科技突破[8]。新农科专业的衍生将紧密伴随着信息科技、生物科技和工程技术的快速发展，并依赖于上述促进农业发展不可或缺的关键核心技术。2014年以来，已有智慧农业、农业智能装备工程、土地整治工程、食品安全与检测、食品营养与健康、食用菌科学与工程、白酒酿造工程、菌物科学与工程、农药化肥、生物质科学与工程、合成生物学、生物医学、生物医学科学等13个专业相继被国家批准设立。此外，经济社会发展同样催生新农科本科专业，用以满足一二三产融合发展需求。近3年以来，经济动物学、马业科学、实验动物学、中兽医学、经济林等5个专业相继被国家批准设立。英国雷丁大学2015年以来新设生物医学工程、生态与野生动物保护、环境治理等涉农专业。

3.2 新农科专业的组织形式将趋向开放融合

局限于苏联模式的专业基本框架和逻辑要求，我国传统本科专业的组织形式一直存在口径过窄、划分过细、设置固化等问题。国家富强民族复兴的宏观战略要求新农科建设要不断满足乡村振兴和农业农村现代化对人才的需求、培养更多知农爱农新型人才，这将必然冲破既有的专业藩篱，新农科本科专业的组织形式将趋向开放融合[9]。2012年的全国本科专业目录调整将专业大类由73个增加到92个、专业总量由原来的635种调减为506种，并开始进行大类招生培养，但仍然满足不了需求。美国CIP学科专业目录调整显示，近40年来农业学科专业数在美国总体专业数中占比呈下降趋势。未来，植物生产类、动物生产类、农业经济管理类、农业工程类、自然保护与环境生态类等大类招生培养的形式将进一步扩大，甚至于只有一个新农科专业大类。结合学分制和弹性学制的深入实施，学生入学以后不再属于某个专业或学院，全校所有的课程不分专业年级面向所有学生开设，学生可以自由修读，学生毕业则依据专业准出标准来判别获取某种或某几种学士学位，实现新农科专业组织形式的高度开放融合。

3.3 新农科专业的内涵建设更强调全面发展

长期以来，农林高等教育过分强调专业教育和专业技能，学生全面发展、可持续的能力明显不足。近十年以来，世界高等教育呈现回归趋势，回归到以学生的全面发展、终身学习和一辈子幸福为中心，我国高校逐渐对通才培养、通识教育更加认同，开展通专融合的本科教育正成为潮流和趋势。《斯坦福大学2025》计划明确提出高等教育人才培养理念要开放、多元，要树立“以学生为中心”的教育理念，采用灵活、弹性的学制，为学生终身学习、个性化学习及创新创业提供制度支撑，促进学生全面发展[10]。随着科学技术的迅猛发展，知识爆发式激增，终身学习成为人生存与发展的重要途径，全面发展成为提升自我竞争力的必然要求，新农科本科专业的内涵建设也终将回归到尊重学生的个性发展、服务学生的终身学习、促进人的全面发展上来。

4 新农科专业建设的探索与实践

面对百年未有之大变局，在建立高等教育强国的新征程上，新农科专业建设必须要兼顾和满足政府、企业和社会等各方利益相关者的需求，才能强力支撑农业农村现代化和乡村全面振兴，进而助力实现中华民族伟大复兴。华中农业大学在新农科专业建设探索与实践中，聚焦建设目标、知识重构、自主学习、教学能力、质量保障五个方面，积极运用学习科学的理论和实践成果指导实践，促进和实现新农科专业建设改革创新和提质增效。

4.1 优化建设目标，构建开放协同的专业建设理念

新农科专业作为国家重大决策部署的乡村振兴战略、生态文明战略、实现教育现代化的重要支撑和组成部分，其建设目标一是要满足政府战略需求，在建言献策、咨政启民方面提供农科智慧；二是要满足行业企业的技术需求，在产学研合作、成果转化方面提供技术支撑；三是满足社会发展需求，在扶贫攻坚、粮食安全、食品安全等方面贡献力量和稳定人心。因此，必须运用学习科学的理论，广泛运用认知科学、教育心理学、社会学、信息科学等，支撑指导新农科专业建设和人才培养目标，促进专业建设开放融合发展。华中农业大学立足未来，在遵循客观规律的前提下，利用学习科学理论加强对新农科未来的研究、预测和把握，围绕农业系统价值链、农业产业生态链、农业产品健康链，布局智慧农业、园艺文化与大众健康、生态与智慧养殖、农业大数据营销等战略新兴和学科交叉专业，落实国家主体功能区规划和区域经济社会发展需求，不断完善专业区域布局优化机制，培育特色优势专业集群，提升服务区域经济社会发展能力，促进学科专业交叉渗透，近三年来先后新增智慧农业、光电信息科学与工程、数字媒体艺术、人工智能、机器人工程、应用生物科学、数据科学与大数据技术7个专业，新招生农村区域发展、生态学2个专业，撤销产品设计、城乡规划、动植物检疫、农业电气化4个专业，构建开放协同的新农科专业建设理念。

4.2 着力知识重构，支撑交叉融合的人才培养体系

国际经合组织教育研究与创新中心2007年出版的《理解脑：新的学习科学的诞生》标志着脑功能和脑结构研究与学习行为研究结合起来了，其观点认为教育实质上就是在建构人的大脑。同样，基于学习科学学习者知识建构的理论，培养满足经济社会发展的交叉创新型农林人才，就必须重构新农科专业知识体系。华中农业大学以新农科专业建设需求为导向，开展全校教育思想大讨论，召开新农科建设专题研讨会，开展新农科立项100项，并在此基础上全面修订本科专业人才培养方案，厘清知识体系的逻辑结构，打破原有学科专业的壁垒，拓展专业建设外延，从不同的学科专业中抽取知识元素，按照新的专业人才培养素质和能力要求逻辑，重新构成系统的专业知识体系。在完成知识重构的基础上，努力建设面向未来、适应需求、引领发展、理念先进、保障有力的一流新农科专业，目前学校18个涉农专业获批国家级一流本科专业建设点，6个项目获批教育部新农科研究与改革项目，新组建了生物医学与健康学院、交叉科学研究院、襄阳现代农业研究院、神农架科技创新中心、深圳营养与健康研究院，为新农科交叉人才培养提供有力支撑。

4.3 立足自主学习，创设富于挑战的学习服务系统

在推进新农科专业建设过程中，教育部提出要深化课堂教学革命、加强自主学习、强化过程管理，增大学习挑战度。学习科学强调“以实用性为导向”，具有实证性、综合性、跨学科和情境性特点，其乔纳森建构主义学习环境设计理论对于自主学习服务系统创设尤其具有指导意义。乔纳森建构主义学习环境设计理论强调以学习者为中心，重视在心理层面支撑学习者的知识建构和意义制定，并为学习者创设以问题解决为核心的支撑性学习系统[11]。这启示我们，在服务新农科人才的自主学习过程中，要重点培养学生调节学习的技能和策略，清楚自己如何学习、如何提高自己的学习技能、如何积极的参与各种活动，包括规划学习、策略使用、学习进展监控以及能处理与学习任务相关的困难和挑战[6]。同时要为学生设计具有一定挑战性的学习环境，引导学生阶段性的跳出学习舒适区，训练学生能够积极寻求多种方法，而非按照标准答案或既有思维来找到解决问题的方法。华中农业大学坚持以本为本，围绕新农科人才培养要求，实施学生自主学习提升年，推进教育教学方式方法、学生学习方式方法、师生考核和评价方式方法等综合改革，建设校本慕课159门，引进校外慕课145门，开始全英文线上课程31门，建设智慧教室、智慧实验室、智慧教学实习基地以及泛在学习空间，引进雨课堂智慧教学平台、毕业论文管理系统、创新创业管理系统、虚拟仿真实验教学系统、实习实训教学管理系统等软件平台，引导学生树立信息化背景下自主学习的新观念，重点实施农科学生硕彦计划、顶峰体验计划，依托重点实验室、行业龙头企业，满足学有余力的学生进入高端平台进行创新创业训练，为农科学生创造全周期多方位的培养格局[12]、提供挑战性学习环境和机会。

4.4 聚焦教学能力，提升创新高阶的课堂授课效果

教师教学能力是人才培养质量的重要保证，作为融合多学科交叉的新农科专业，其对教师的教学能力要求不再是以单纯的知识传授为主，更多的是转移到能力本位、问题本位，以价值塑造、能力训练和知识传授为一体的整体化高阶性教学为主。学习科学中的4C/ID模型是一种针对复杂学习技能习得的整体化教学设计方法，主要是针对传统片段化知识和技能的习得并不能达到很好的迁移效果而研究实践得出的物化成果，其目标就是要实现知识、技能和态度的共同发展，非常契合新农科专业的教学要求。4C/ID模型包含学习任务、支持性信息、程序性信息、部分任务练习等，而核心是学习任务，要求学习任务具备整体性、复杂性、真实性[6]。利用4C/ID模型，能够有效指导新农科专业教师提升教学设计水平、完善创新性高阶性教学过程和提高学生的学习挑战度，促进教师高阶性授课效果的整体化提升。华中农业大学不断强化教师教学能力提升，在组织系统培训基础上，常态化开展名师示范课、名师讲坛，举办教师教学创新大赛、青年教师讲课竞赛；组建跨学科教师教学团队，重点实施农科青年教师跨学科体验实践，促进农理工文融合；运用长江雨课堂，实现课堂全覆盖、过程全覆盖，贯通课前、课中、课后各环节，提升课堂授课效果和课程教学质量。

4.5 强化质量保障，实现专业建设的高质持续改进

基于设计的研究方法是学习科学重要且核心的研究方法之一，其非常注重有效设计、评估和分析教与学，强调通过改进“教”，促进学习者的学习。新农科专业作为新型人才培养的组织形式，运用该理论将实践者的实践和设计者的设计相结合，加强学生学习过程中的测量和评估，可以有效提升和完善专业质量保障，进而持续改进新农科专业建设。华中农业大学在新农科专业质量保障运行中坚持以学生为中心，以云计算和大数据为基础，实现雨课堂全覆盖，持续采集和深入分析人才培养过程的相关数据信息，建立完善从入学到毕业的课内外联动的持续性过程评价[13]，并开展良好互动反馈，同时积极关注学生个人的内外因素，用数据了解和描述学生学习，诊断学生需求，用于制订个性化人才培养方案，持续改进新农科专业建设的人才培养目标、课程知识体系、学习环境创设和质量保障体系等。学校每年面向所有招生专业开展专业与课程评估，按照一流专业和课程国家标准开展专业自评、专家督导和意见反馈，推进新农科专业建设持续改进，农学和植物保护2个专业率先通过国家三级专业认证，为新农科专业建设质量保障提供重要借鉴。

5 结论

新农科专业建设要兼顾传统农科专业的内涵提升和新农科专业的布局衍生两个方面，克服人才培养目标陈旧、跨学科交叉融合理念薄弱、信息科技与教育教学融合不够、学习成效评价主体参与不足、质量保障体系运行效能落后等现实发展瓶颈，主动适应第四轮工业革命，积极对接乡村振兴和生态文明战略，满足政府、行业、企业和社会等各方利益相关者对新农科人才的现实需要和发展需求。

学习科学视域下，坚持开放协同的专业建设理念，着力交叉融合的知识体系重构，创设富于挑战的自主学习服务系统，提升教师创新高阶的课堂授课效果，强化质量保障，实现专业建设的高质持续改进，是推进新农科专业建设改革与创新的有效路径。利用学习科学理论推动新农科专业建设，培养更多知农爱农新型人才、强农兴农时代新人，对于国家加快实现农业农村现代化、全面推进乡村振兴具有重要意义。后续将重点开展新农科多样化人才培养模式创新与实践路径研究。