“新工科”背景下传统工科专业的改造升级路径

贺玉海，王勤鹏，吴洁，商蕾，吴丹姝，毛小兵

(武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，武汉 430063)

一、研究背景

科学、技术与工程之间的关系可以这样理解，科学致力于发现探索新问题，技术致力于发明创造去分析问题，工程则致力于创造应用而解决问题。因此，工程需要技术做支撑，能应用的技术也离不开工程。随着新一轮知识、科技及工业革命为依托的新经济的到来，信息、生物、新材料、新能源、空间和海洋等新技术直接面向应用，“科学—技术—生产”的一体化催生出以信息技术和智能制造为代表，各种新技术、新业态、新产业、新行业及其交叉融合产生的新型经济形态，这就对高校工科专业建设提出了挑战。[1-2]为此，国务院办公厅出台了《关于深化产教融合的若干意见》[3]，拟通过新工科建设来促进前沿学科知识、专业新技术的交叉融合，使工科专业人才培养适应第四次工业革命中科技、产业变革及新经济的发展需要。

构建高水平工程教育和工科人才培养体系的重要基础和基本单元是高校工科专业。为深入推进我国“新工科”建设，教育部联合多所高校于2017年2月形成“复旦共识”，同年4月约定“天大行动”、6月发布“北京指南”。“新工科建设三部曲”虽然过去了近5年时间，但对当下国家或省级“一流本科专业建设”仍具有重要指导意义。新工科专业，既包括以互联网+和工业智能化为核心的新兴产业的专业，如物联网、大数据、云计算、量子通信、人工智能、区块链、虚拟及增强现实等技术相关的工科专业，也包括面向新业态后对传统工科专业的升级改造，即以智能制造、云计算、人工智能、机器人等技术应用于传统工科专业的学科交叉。[4-5]后者的难点在于，既需要对未来新经济业态崭新模式的理解与应对，又需要对传统工科专业的教育理念、培养目标、培养模式、课程体系、教学内容、教学方式、师资和教学条件建设等方面的革新。[4]

武汉理工大学(以下简称“学校”)作为具有传统工科优势的高校，近年来聚焦国家“工业4.0”发展战略，面向“建材建工、交通、汽车”三大行业，根据“新工科”建设的新范式、新内涵、新要求，积极进行“新工科”人才培养体系建设。学校结合办学特色及优势，以“一流学科”建设为基础和支撑，推动学科与专业的交叉整合、教育与信息技术的融合，探究传统优势工科专业改造升级路径，以满足当前及未来行业和产业发展要求。

二、国际工程教育变革与国内新工科建设发展状况

(一)国际工程教育变革发展状况

第四次工业革命(智能化时代)已经来临。为提高工业竞争力，在新一轮工业革命中占领发展主导权，美国于2012年提出“国家制造创新网络”(National Network for Manufacturing Innovation，NNMI)战略计划，旨在重构全球工业，激发制造业的生产力；德国在制造业中引入网络实体系统及物联网技术，2013年率先提出“工业4.0”战略计划，旨在提升制造业的智能化水平； 2013年英国提出制造业发展与复苏的政策，即“英国工业2050战略”；同年，法国提出了“新工业法国”战略，旨在通过工程教育创新重塑工业实力，使法国重回全球工业第一梯队。[6]为适应智能化技术发展与时代需求，同时助推新工业革命进一步深化，国际工程教育在学科与专业建设、人才培养模式、课程体系与教学内容、教育教学方式等方面也进行了持续不断的改革和创新：一方面增设了面向未来新技术、新经济发展的全新工程学科与专业；另一方面在淘汰少量传统陈旧学科专业的基础上，对其余传统工程学科专业进行了调整、改造、转型、升级、交叉与融合。[6]

1.美国

在工程教育改革与专业建设方面，美国走在世界前列，能紧跟工业技术的发展并与时俱进适配新业态、新经济的发展要求。美国的工程教育已经从“技术范式”“科学范式”,逐步发展为当前的“工程范式”。在学科、专业设置上，美国教育管理部门不做强制规定，高校具有很大的自主权，通常根据人才市场需求来设置学科和专业，并跟随技术发展及时调整和优化专业内涵。近年来，美国高校在工程教育、工科专业建设方面的改革主要包括新增全新的专业、淘汰落后产业对应的专业、改造和升级传统优势工科专业。[6]

(1)增设全新的工科专业。新的工科专业是从应用型理学、农学、医学和交叉学科等基础学科，甚至文史哲、经管法学科相关领域，结合新技术孕育、延伸和拓展而形成的，如New Jersey Institute of Technology的“人机互动”、Louisiana State University的“超微工程”、University of Akron的“网络商业”等新专业已在美国人才市场广受欢迎。

(2)淘汰陈旧落后的工科专业。主要是淘汰那些技术过时、与时代发展格格不入的传统工科专业，或者报考率过低的艰苦专业，如University of Witwatersrand的“矿产和采矿工程”专业。

(3)对传统优势学科专业进行转型、改造、升级，赋予专业新的内涵。如“机液电一体化”“智能制造技术”“激光与光学工程”等，转型升级之后的这些传统工科专业在美国高校和工业界中凤凰涅槃，重焕新生，成为推动美国工程教育、专业建设和制造业发展的重要力量。

(4)不同工程学科交叉、复合，甚至与其他学科之间交叉而产生的学科专业。这些新的学科专业通常是代表未来产业和技术的发展方向，目前主要以跨学科研究中心、实验室或项目组为支撑，其规模不大但增长迅速。[6]如University of Wisconsin将机械、材料和生物、医学结合形成“组织再生与康复机器人”专业。

2.欧洲

由于欧债危机、难民危机及近两年的新冠疫情，倒逼欧洲各国掀起了“再工业化”浪潮，以英国、德国和法国为代表的欧洲发达国家纷纷改变过去跟随美国“去制造业、去工业化”政策，提出“回归”战略，即重回实体经济，企业纷纷加大新兴产业领域的技术研发。特别是随着信息时代的到来，在人工智能、机器人、云计算和区块链等技术的冲击下，英、德、法等欧洲老牌工业强国也面临传统产业数字化转型及数字科技人力资源短缺的双重挑战。如何从“传统工业强国”转变为“数字化工业高地”，维护全球工业领导者地位成为欧洲的首要任务。[7]要推动新技术在工业领域的应用，高校传统“科学范式”工程教育模式就难以适应“再工业化”对工程技术人才的新要求，而注重工程实践能力培养的“工程范式”则重新成为现代工程教育的主流模式。德国、英国和法国等欧洲国家基于新工业革命对工程领域掌握新科技、跨学科知识具备综合素养人才的需求，对传统工程教育人才培养模式进行调整与转型，更加注重以工程实践为核心的综合能力培养，更加注重通识性工程教育，更加注重创新创业教育。[6]

德国在推进“工业4.0”的国家战略背景下，将信息技术融入传统工科专业；同时高校积极整合优势学科资源，通过学科交叉融合支撑传统工科专业转型发展。

在英国，传统的“三明治”教育模式在工程教育领域发展成熟且应用广泛。在“工业4.0”智能制造时代，英国各高校通过不断丰富专业内涵、调整培养目标、优化课程内容、创新教学方式等手段，满足英国各行业、企业对工程技术人才的需求。

法国的工程教育实施精英教育，注重校企合作模式和产教融合类型的丰富多样性，对工程人才的培养注重知识、能力和素质的全面发展，兼顾通识教育和分类发展。

(二)国内新工科建设发展状况

我国于2016年加入国际本科工程学位互认的《华盛顿协议》，表明我国高等工程教育与发达国家同步，即按照国际通用标准培养工程人才。次年2月教育部联合优势工科高校积极推进“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”。“新工科”建设作为引领高等教育改革的有力抓手，教育部组织实施两批“新工科”研究与实践项目。

1.第一批新工科研究与实践项目结题成果总结

2018年3月，教育部认定首批612个新工科研究与实践项目[8]，其中综合改革类项目202个，包括工科优势高校、综合性高校和地方高校新工科综合改革类项目180项，新工科理论研究及国际化项目14项和新工科建设进展与效果研究类项目8项；专业改革类项目410个分布在19个项目群，涵盖了人工智能、大数据、智能制造、计算机和软件工程等新兴产业集群对应专业，也包括机械、自动化、能源、电气、核工程等传统工科专业，以及医工结合、工科与人文社科交叉的专业。

2020年7月，教育部公布首批新工科研究与实践项目结题验收结果[9]。首批612个项目中589个项目通过验收，其中96个项目验收结果为优秀，493个项目为通过，另有23个没有通过验收的项目面临撤销。从结题通过验收的项目可以看出，新工科建设已形成了综合性高校、工科优势高校、地方高校百花齐放的格局。不同类型高校结合自身特点有序推进新工科建设，已形成了若干套新工科建设经典模式，并在部分高校以差异化、梯度式推广应用，产生了较好成效。例如“天大方案2.0”以立德树人统领培养全过程，重构工程人才的培养机制和课程体系，建设开放和跨界融合的中国特色新文理教育与多学科交叉工程教育体系；“成电方案”为传统工科专业改造升级提供了较为系统的实施路径，如搭建“高阶性、创新性、挑战度”的“金课”课程体系；“华南理工F计划”构建了“学科交叉融合、产学研合作、国际化教育、工程深度学习、本—研贯通”的五维人才培养体系，培养学生的工程理性兼备价值理性，既掌握复合知识又具备核心能力(思想力、学习力、行动力)，既有家国情怀又具有国际视野，通过“通识+专业+双创”深度融合的课程体系培养“创新、创造、创业”三创型工科领军人才。[10]

2.第二批新工科研究与实践项目的重点关注方向

为推动新工科建设再深化、再拓展、再突破、再出发，2020年10月教育部启动第二批新工科研究与实践项目。第二批项目依然分为综合改革类和专业改革类两大类，共认定了845个项目[11]。其中综合改革类项目不再按高校类型划分，而是按研究方向设置新工科理念研究、专业结构改革、高层次人才培养、个性化培养模式、多学科交叉、协同育人等9个项目群共273个项目；专业改革类项目延续首批设置方式，包括新兴工科、传统工科及交叉学科专业三类，共20个项目群572个项目。

第二批新工科研究与实践项目在首批项目成果的基础上，继续把握好新工科建设的内涵，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的同时，重点探索与实践传统工科专业的改造升级，主动布局未来战略必争领域的人才培养。[12]后者是国民经济发展中处于支柱性和基础性地位的国家工程教育，涉及的高校最多、专业最广，因而立项数最多(共169项)，基本涵盖机械、材料、土木、交通、海洋、能源动力、矿业地质、化工等所有传统工科专业门类，且项目群召集人和项目负责人均是理论研究和实践经验丰富的教育家或学者。

三、武汉理工大学传统工科专业改造升级路径

工科优势高校作为新工科建设的“三路大军”(综合性大学、工科优势大学、地方院校)之一，其传统优势工科专业是这类高校长期积累的办学特色和优势，甚至在该学科专业领域处于行业领先地位。正因为如此，工科优势高校也就有责任、有义务承担起面向当前科学技术和未来产业发展、打造传统工科专业升级版的使命担当。但囿于“路径依赖(Path-Dependence)”，不同于新建新兴工科专业，传统工科专业的改造升级成为新工科建设的难点；同时传统工科专业是现代工业及新兴产业的基础，且数量庞大涉及面广，因而也是新工科建设的重点。

武汉理工大学是具有工科优势的高校，主要面向“建材建工、交通、汽车”三大行业培养工程技术人才。近年来，学校依托国家和湖北省级一流本科专业建设契机，通过国家工程教育认证，积极探索凸显行业特色的“新工科”人才培养，形成了传统优势工科专业改造升级路径，如图1所示。

图1 传统优势工科专业改造升级路径

(一)以需求为导向定位人才培养目标

为紧跟行业和工程技术的发展，武汉理工大学自成立之时，就牵头国家交通、建材建工和汽车主管部门、行业相关企业与事业单位共同组成了“交通”“建材建工”和“汽车”三个行业董事会，以加强学校与企业、社会及政府部门等的联系与合作，充分发挥学校在三大行业工程技术人才的培养优势，贯彻“以本为本”和“一流本科，一流教学”的教育思想，以学生发展为中心，全面实施“卓越人才培养工程”。近年来，遵循学校的办学理念和人才培养目标定位，全校传统工科优势专业在新工科背景下，坚持以国家战略、行业发展和企业需求为导向定位培养目标，以便更好地适应“低碳经济”和“工业4.0”时代的知识、能力和素质要求。

(二)以产出为导向建立人才培养模式

继承传统工科应用型人才的职业岗位目标分析方法，在新工科背景下以产出为导向，依据工程人才通用标准和行业标准，设定工科专业人才培养的知识、能力(技能)、素质和价值观等四维度体系结构。在学校“卓越教育”理念的指导下，建立以产出为导向的人才培养模式，信息技术与专业知识有机融合的课程体系，知识传授与内化、技能训练与创新等并重的教学方法，以及融合信息技术和强化工程能力的实践教学体系等。

(三)以能力为导向设置课程体系

针对传统教学模式中工程能力和工程素质缺乏系统化培养的不足，新工科专业建设中突出以能力为本，系统构建“模块化”的工程能力培养为主线的课程体系；替代传统的以知识为本、以知识系统化传授与验证为主线的课程体系，实现工程能力与工程素质的系统化培养。新课程体系以通识能力培养为基础、专业能力培养为主线、创新思维和创新能力培养为目标。其中专业能力培养分为专业基本能力、专业拓展能力和职业适应能力三个阶段，各级能力培养阶段包含一个或若干个按照能力培养逻辑结构衔接的能力培养模块，按照能力层级要求高低，逐级推进能力培养。梳理各课程之间的内在逻辑关系，以及对专业培养目标尤其是对能力提升的支撑，按能力层级模块化设置课程，形成能力导向的课程体系。[13]结合专业课程内容、知识点实际，深入挖掘课程的思想政治教育元素，寓价值观引导于教育教学之中，将能力培养同知识传授和价值塑造一体贯通、有机结合。同时在课程教学的组织实施方面，通过实施“一流课程、通识教育课程、专业核心课程、学科交叉(研究型)课程和国际课程”五大课程建设计划，解决传统工科专业课程体系的结构性和规模性问题。

(四)科学技术发展推动教学内容更新

构建具有信息化、智能化等时代特质的课程体系是新工科教学改革的重要内容。组织编写具有信息化特色、能反映当前学科前沿和先进技术知识的教材，推进课程教学内容更新。加大课程评估力度，实行课程准入和退出机制，对于知识技术过时、脱离工程实际等课程内容及时删除。加强课程质量的过程管理和质量目标管理，扎实推进学科前沿和行业先进技术与专业知识的有机融合，及时更新教学内容。

(五)以能力为本构建实践体系

构建了由“课程实验平台、综合实践平台和自主创新平台”组成的“三位一体、层级递进”的工科专业实践教学平台。该平台由立体交叉的课程体系、特色实践教学方法和创新实践教学基地有机结合在一起，如图2所示。按照国家工程教育专业认证要求，以提升学生工程实践能力、创新能力为目标；通过夯实学生的专业基础知识，强化发现问题、分析问题和解决问题的工程实践能力，提高创新思维、创造能力的多层次、全方位交叉培养。学生的工程实践能力得到层层递进的提高，最终在扎实的专业知识基础和工程实践能力基础上提升自主创新创业能力。

图2 “三位一体”的工科专业实践教学平台

(六)以学生为中心，融合信息技术，创新教学方式与手段

改变教师“一言堂”的填鸭式教学方式，将“以学生发展为中心”的教育理念落实到课堂教学中；变以教师为中心的传统教学理念和班集体教学的学习方式，为以学生为主体、教师为指导进行课程教学组织。课堂变“沙龙”，突出学生探讨为主的师生双向互动；学生上课“排排坐”变成“团团坐”，以便可以相互讨论交流，变学生被动接受知识为主动获取知识。教师主要对学生学习起引领和指导的作用，实现“教师主导，学生主体”的“两性一度”(高阶性、创新性、挑战度)高效课堂。融合信息技术，建设在线开放课程教学平台，搭建师生、生生多元交流平台，开展线上教学和线上线下混合式教学；建设智慧教室、虚拟实验教学平台等多元化教学环境，组织翻转课堂、研讨式教学等“互联网+”条件下的课堂教学模式。打破传统的应试教育模式，实施“全过程考核+非标准答案考试”改革，改变学生平时不学、考前突击的“记忆式”学习方式，使学生注重平时的知识积累，并在学习和运用知识的同时，更要学会独立思考、自主探索，激发和培养学生的创新思维和创造能力。

(七)加大政策资金投入，改善办学条件

科学技术飞速发展，工业制造智能化水平不断提升，新工科背景下传统工科专业改造升级，必然需要投入资金改善实验器材、教学环境等办学条件。近年来，学校围绕“新工科”建设的需要，在国家拨付的专项经费的基础上，自筹经费改善办学条件，如通过“修购专项”经费对现有实验教学设备“补短板、保基本、提质量”。其次是进一步强化“科教协同、科研反哺教学”，通过国家和省部级重点实验室、工程技术研究中心和专业研究所等科研基地向本科生开放，依托国家级工程实践教学中心、虚拟仿真教学平台等，开设基地课程和实验项目，改进和完善实验实践教学和创新创业教育条件，充分发挥科研平台的协同育人功能，对新工科专业人才培养起到了很好的支撑作用。另一方面，发挥“三大行业董事会”和校友资源优势，利用社会力量加强产教融合。通过校企合作、资源互补，共建实习实训平台和实践基地；利用信息技术多学科交叉、虚实结合，拓展延伸了实践教学平台功能和教学资源。

(八)多措并举，全面加强师资队伍建设

师资队伍是提升人才培养质量的重要保障，师资队伍建设需要坚持招聘引进与培育选拔并举、评聘与考核并重。学校坚持“校外引进与校内培养”同步推进、“专职与兼职教师”相结合的原则，通过“引、聘、送、下、带”等方式方法提升教师队伍质量和数量，如图3所示。为改变教师重科研、轻教学的思想，引导优秀师资专心于教育教学，学校组织实施“15551”人才工程，其中围绕专业和课程建设需要，设立专业责任教授和精品课程教学名师岗位，并给予专项津贴。在教师职称晋升评定上对工程实践能力也有相应要求，如晋升副高(副教授)须有完整一年时间的企业实践锻炼经历，晋升正高(教授)须有一年时间的海外知名高校交流合作经历。建立了基于全生命周期的教师发展培训体系，定期对新教师、骨干教师、优秀教师、潜质教师和教学督导进行分类培训，逐级分层提升教学、课业等业务能力；实施“启航、助航、引航、领航和续航”的“五航”培训计划，如图3所示。这些措施既强化了教师的工程背景、工程实践能力和国际视野，又促使教师更加了解行业和技术发展动态与趋势，从而在教学中可以更好地理论联系实际，且教学内容能够生动充实、与时俱进。

图3 师资队伍建设和教师发展培训体系

(九)加强国际交流与合作，增强工程教育国际竞争力

学校鼓励青年骨干教师出国访学并积极引进海外博士(后)，结合教育部认定培育“创新引智基地”项目等，为实现高层次人才引进及培养的“国际融合”提供优质平台和途径。充分利用国际大师、外国专家和海外经历教师资源开设传统优势工科专业前沿讲座学分；改革大学英语教学模式，压缩大学外语课程学分，增设全英文专业课程和双语专业课程等；鼓励教师或教师指导学生组队参与国际科创竞赛和学术交流，从政策和资金上支持与海外一流大学进行联合培养、学分互认等，进一步增强工程教育国际竞争力。

(十)以合理机制促进人才培养质量的持续改进

新工科建设需要建立以人才培养质量为评价指标的教学过程质量监控、反馈修正的闭环持续改进机制。学校定期进行人才培养质量评价和课程体系优化并评估培养目标的达成：围绕专业定位、培养目标及课程体系等，通过走访用人单位和兄弟院校，多轮修订专业培养方案；围绕学生如何学、教师如何教、学生课业评价等，通过毕业生问卷调查和在校生访谈，多轮修订课程教学大纲。近年来，学校积极申请国家工程教育专业认证，按照新工科专业人才培养目标，依据人才质量标准，采用定性和定量评价相结合、校内与校外评价相结合，考察培养目标是否达成等，通过持续改进专业培养方案、课程教学大纲等措施提高人才培养质量。

四、实践成效

近年来，学校积极应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展出发，总结、继承国内外工科专业工程教育改革的成果经验，积极探索在新技术、新经济和新业态环境下的“新工科”建设，取得较好成效。

(1)学校紧跟时代发展和社会需求，主动应对新一轮科技革命与产业变革，近年来增设了“智能制造工程、人工智能、机器人工程、大数据管理与应用、数据科学与大数据技术”等一系列战略新兴产业相关专业，致力于面向未来培养行业引领人才。

(2)学校为对接国家“交通强国”“海洋强国”“制造强国”等一系列重大战略需求，积极探索产业转型升级和新旧动能转换下新工科建设。按照上述传统工科专业改造升级路径，对学校传统优势工科专业进行跨学科交叉融合、重组，并根据各专业技术和行业发展需要进行智能化、信息化等技术渗入，学校优化学科专业门类，整合出储能科学与工程、导航工程、海洋工程装备技术、生物制药等社会紧缺专业，以适应新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济发展需要。

(3)学校从人才培养模式、课程体系、教学方法、师资队伍、教学平台及国际化等方面加强新工科建设。近两年共有材料科学与工程、船舶与海洋工程、交通运输等37个专业获批国家级一流本科专业建设点，学校拥有船舶与海洋工程、轮机工程等15个国家特色专业，轮机工程、车辆工程、通信工程等4个国家综合改革试点专业，能源与动力工程、物流工程、计算机科学与技术等28个国家卓越工程师试点专业。

(4)学校以新工科建设为契机，围绕立德树人的根本任务，坚持把工程教育和创新创业教育贯穿于人才培养全过程。学生不仅掌握了相关学科和专业知识，还具有“多学科交叉融合”的特征；不仅在知识技术、工程实践能力和创新创业能力上表现优秀，还具有良好的人文素养，懂得人文历史、经济管理、社会法律等知识。2022年2月22日，中国高等教育学会发布2021全国普通高校大学生竞赛分析报告[14]，在《2021年全国普通高校大学生竞赛榜单(本科，前100)》中，学校以年度获奖总数446项、总分90.54分，位列全国第六；在《2017—2021年全国普通高校大学生竞赛榜单(本科，前300)》中，位列全国第十二；在《全国普通高校大学生竞赛六轮总榜单(本科，前300)》中，位列第十三。全国高校学科竞赛评估结果榜单是我国第一个专注高校创新人才培养暨学科竞赛成果的排行榜，是检验高校创新创业人才培养质量的重要标准之一，从排名情况也可窥见学校工程教育与创新人才培养水平。

五、总结

“新工科”对人才培养质量如知识、能力、素质和价值观等方面提出了更高的要求。基于传统优势工科专业改造升级，需要结合学校已有学科、专业、课程、师资和教学平台建设等优势基础，从新经济、新业态中的工程应用出发，以需求为导向明确专业的定位、面向的行业、人才培养的目标和培养模式；以产出(成果)为导向构建课程体系，更新教学内容，注重新知识、新技术的教学，以提升学生工程实践能力和创新能力为目标优化实践教学内容和实验实习方式；以学生为中心，融合信息技术，改革教学方法和手段，变革课业评价方式；强化师资队伍建设和适度超前的教学条件建设，推进务实高效的协同育人机制、国际交流与合作等，实现传统工科专业的升级改造。