新工科的核心能力与教学模式探索

宋吉广，史洪宇，刘彦文

(哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

工业革命是社会生产力水平发展到更高阶段引发的变革，在拉动经济增长的同时，可以为各行各业提供有利的发展支撑，尤其在工程教育领域，工业革命对该领域产生的影响较大。由于在工业革命中，社会需要大量的工业人才，所以学校在组织新工科教学时，应结合社会需求加大核心能力培养，积极探索适合学生的教学模式，改善以往教学中的不足，有序提升新工科教育教学质量。

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

早在2011 年的汉诺威博览会中，德国最先提出“工业4.0”概念。在2013 年，德国政府正式通过了“工业4.0”计划，并将其列入到高技术战略发展中来。之后其他国家也仿照德国政府颁发的“工业4.0”计划，制定类似工业发展战略，例如中国《中国制造2025》。通过这些计划以提升其工业和产品在国际中的竞争力，力求在接下来一轮的工业化革命之中占据一席之地。

在“工业4.0”计划中，企业在发展工业的过程中会建设全球网络，力求将机械、仓储系统和加工设备结合成信息物理系统。在现实中进行工业制造时，这些工业机械、仓储系统和加工设备都能灵活自如地交换信息、远程控制工业操作，有利于企业在制造、使用材料和管理生命周期中，促使制造业向着智能化方向发展，将集中式控制转向分散式，建设灵活的数字化和信息化产品服务模式。总体而言，工业4.0 核心内容包含了三大主题和九项先进技术。

三大主题分别是智能工厂、智能生产、智能物流。其中智能工厂重点研究智能化生产系统和过程。智能生产牵涉到企业的工业物流管理、人机互动以及3D 技术应用，在“工业4.0”计划中，为中小型企业带来了发展契机，促使大多数中小型企业成为智能生产的主力军。智能物流就是指企业在生产中，借助网络技术将物流资源整合起来，力求最大限度发挥网络物流资源管理的作用，需求方可以在较短时间内获得服务匹配与物流数据，随时了解物资的生产运输情况。

九项先进技术包含大数据分析、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。大数据分析就是指工业在生产中，将相关行业的信息资源收集到一起，例如生产设备、数据系统、企业和客户管理系统等，可以根据数据整合到的数据资源，分析工业发展方向，为今后产业发展奠定基础。自主机器人通常被企业应用到完成繁杂的工业制造中来，要求企业形成人与机器交互合作的生产模式，这样可以减少工业的经济付出成本，提升工业生产效率。模拟是指企业在工业制造中，利用3D 虚拟技术生产产品、加工材料，并利用虚拟技术测验新型产品在后期投入使用中的问题，从而结合虚拟测验结果进行优化设计，切实提高生产产品质量。水平和垂直系统集成一般会被应用到跨公司合作中来，借助数据集成网络实现自动化价值链。工业物联网是指企业在生产产品时，利用传感器和嵌入式计算方式，操控现场生产设备，确保生产设备能够平稳运转。网络安全是通过利用网络技术，保证工业生产各个环节的管理系统有序实施。云计算是指利用机床数据和功能，将监测和控制技术用于云端，实现跨公司数据共享模式。增材制造通常会被用到小批量定制产品的生产制造中来，这种技术既可以减少原材料需求量，还能增加生产产品质量。增强现实是指通过虚拟技术对生产人员进行培训，支持各种生产服务，并在工人生产中为其实时提供产品生产情况，协助工作人员灵活控制产品生产流程。

(二)工程发展新趋势

这些年我国科学技术发展速度较快，推动了工程领域发展，能够在生产产品中有效满足市场和消费者需求。第四次工业革命转变了人们的生活方式，对工程领域人才培养提出更高要求。在未来工业发展中，工程领域会出现如下新型发展趋势。

首先，可持续发展。近几年全球资源能源消耗严重，各个国家为了保护环境大力倡导减少碳排放，尤其工程领域意识到自身对可持续发展的重要影响，加大对新型生产技术研发，创新工程设备，力求工业在生产、加工制造中可以减少对资源能源的需求，降低碳排放，为可持续发展贡献一份力量。

其次，计算能力。当今社会微型化推动了传统计算能力发展，以往需要超过几个月才能完成的工程计算量，现在可以在较短时间内快速完成。自主学习计算方式促使简单工程任务实现自动化，能够协助工程师处理更加繁杂的工程任务，并即时提供高价值服务，尤其尖端高新技术工具和跨学科合作，有效提高团队和个人之间的团结合作能力，增强个人处理复杂难题的能力。

再者，大数据。随着计算能力不断发展，人们收集各个行业发展数据的能力有所提升，研究者能够在分析数据的过程中，探索新型数据模式。数据科学作为一种跨学科领域的科学技术，如今已被称为科学研究的“第四范式”，利用数据分析和网络技术探索的方式，研究人员可以借助数据分析以往难以解决的工业问题。

另外，纳米技术和3D 打印材料。以往工业领域在生产产品时，通常存在产品质量较低的现象，纳米技术可以有效解决这一难题，并且可以提升产品生产效率，降低产品对环境的污染程度。3D 打印材料包含碳纤维、玻璃、导电油墨、电子、制药和生物材料，这些材料如今已经被应用到航空航天、医疗、汽车和能源等领域的设备制造中来。

最后，跨学科合作。在21 世纪工程研发中，以往学科之间的界限已经被打破，现代工程在发展中涉及技术、经济、社会、文化等领域，要求不同学科之间进行融合，通过合作创新的方式解决工业发展难题。

二、新工科学生需要掌握的核心能力

虽然如今的新工科领域，对核心能力未有精准界定，但是在新工业的发展背景中，对工程教育教学质量具有更高要求，需要学生在学习阶段掌握更多解决问题的能力，建立完善的知识结构，力求学生在学习中形成个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力等核心能力，这些核心能力具体表现如下。

(一)个人效能

这项效能需要学生建设终身学习的思想理念，个人行事作风诚信正直，品性端正。同时，还需要学生具有主动承担风险精神，在学习阶段形成较高的工作责任感，能够以积极的态度投入到工作中来，做到爱岗敬业。再者，学生在发展中应具备良好的适应环境能力，具备换位思考能力，能够在不同环境中理解他人，并约束自身行为，处理好自身与他人之间的关系。

(二)知识能力

对于工科学科而言，大部分以理科知识为主，学生容易将学习时间和学习重心放到理科知识探索中来，忽视了人文知识学习。但是在新工科的背景中，既需要学生掌握完善的数学、科学知识，还要学生了解人文艺术方面的内容，这样可以以健全的思维方式分析工程知识。另外，随着新型革命产生，信息技术发展速度加快，人工智能技术成为工业生产的主要趋势，因此学生也应在学习阶段掌握完善的信息技术知识，熟知各个工程所需要的技术知识，并结合工业生产需求学习部分金融、网络和法律知识等，丰富自身的知识储备量。

(三)学术能力

学术能力要求学生能够根据已有的知识经验处理问题，在解决问题中形成批判性思维，学会对问题进行定量分析，结合数据分析结果制定解决对策，并对自己解决问题的能力进行客观评估。

(四)技术能力

在新工科背景中，需要学生具备分析数据的能力、能够利用信息技术维护网络安全，学生能够对数据与信息进行全面收集与分析，确保数据完整性、安全性，能够独立操作计算机设备，并会利用计算机掌控不同机器生产。还需要学生具备良好的学习能力，能够根据新工科发展需求跨学科学习，有序培养自身的创新思维。

(五)社会能力

社会能力是在社会发展的过程中被提出来的，学生需要掌握不同工程的理论知识，善于团队协作处理问题，并在合作解决问题中逐步培养自身的领导能力，加强培养自身的人际沟通能力。

三、新工科学生现存问题

首先，学生缺乏自主解决问题的能力。在调查中发现，在我国绝大多数工科教育实施的过程中，学生无法通过自己的学习经验处理问题，部分学生在面对问题时，受到问题复杂性的影响，产生逃避心理，不能以积极的态度面对问题、处理问题。

其次，学生创新能力较为薄弱。虽然这些年我国大力倡导教育教学改革，但是应试教育在我国实施时间较长，导致学生的惯性思维难以在较短时间内得到改善，部分学生认为在本科阶段只要掌握工科理论知识即可，忽视了自身创新能力培养，导致学校在准备工科创新型比赛时，学生无法以良好的态度参与其中。

再者，学生团队协作能力较差。在新工科背景中，团队协作能力属于社会能力，是学生必须具备的一项核心能力。通过调查发现，部分学生的团队协作能力较差，在完成团体任务时，受到拖延懒散心理影响，无法以积极态度处理任务，在完成任务中发现难以解决的问题时，就会产生相互推脱心理，阻碍了团队完成任务的进度。

最后，学生缺乏工程素养。部分工科学生在进入到大学之后，学习态度比较消极，对专业课的理论知识掌握不够牢固，缺乏完善的网络原理知识储备，对工科领域网络发展趋势了解不够全面，工程素养较低。

四、新工科互动教学策略

(一)数字原生代学习特点

如今的大学生与以往大学生不同，他们被称为“数字原生代”或者“网络一代”，这些大学生在成长中基本上被网络技术、网络新闻环绕，学生通常是利用网络数据了解社会，习惯在网络环境中探寻信息，并完善自身的认知结构。当今大学生是第一批虚拟学习者，他们的感官系统逐渐与现实世界隔离，习惯长时间沉浸在由计算机技术掌控的虚拟信息空间中，并接受网络信息给自身提供的数据分析。随着科学技术发展速度加快，大学生在学校拥有非常多的学习资源，并且可以利用网络技术学习新型知识，数字原生代大学生习惯游戏型学习方式，习惯线上直接反馈交互沟通，倾向于网络社交，在工作中擅长多种任务非线性处理，思维上擅长扫描式阅读，批判性思维较强，具体表现如下。

依赖网络。数字原生代学生希望时刻与网络联系到一起，绝大多数学生都是伴随电脑、智能手机和社交媒体成长起来的，习惯通过各种移动终端设备浏览新闻信息，或者线上网络文学，这就导致阅读传统印刷文本的学生人数越来越少。

精通技术。在调查中发现，数字原生代学生精通各种软件操作技术，并乐于研究新型技术，希望通过探索高端技术给自身带来便利，习惯利用网络共享资源库与学术资料进行课程论文调研。

社交互动。数字原生代学生对数字技术具有较高兴趣，习惯在网络上进行社交互动，尤其在学习中碰到复杂问题时，习惯通过线上互动的方式相互探讨解决方式，甚至部分学生会花费大量的个人时间进行网络游戏或者聊天。

游戏化学习。利用游戏的方式进行学习是数字原生代学生的显著特点，通过调查发现，有超过70%的大学生习惯通过互动视频或者网络游戏学习的方式，完成学习任务，并且这些游戏化学习大部分都是在多任务的环境中同时开展。

(二)新工科教学策略

近些年我国现代教育技术发展水平较高，绝大多数区域高校正在探寻新型教学策略，力求最大程度满足工科学生学习需求，转变师生之间的教与学关系，以下是新工科典型教学策略。

合作学习。教师在组织新工科教学时，将合作学习策略渗透到课堂教学中，并积极创建学习社区，对学生参与学习的过程重视程度较高，师生可以在合作学习中进行有效沟通，在互动探讨中深入挖掘更多工科领域的特定主题，采用网络测试、合作调研等方式，逐步了解工科知识。

整合教育技术。为了调动学生学习兴趣，教师可以在开展工科教学时，结合教学内容选择教学技术，通过多媒体营造课堂学习环境，学生可以结合多媒体内容与教师进行交流；借助网络学习资源能够丰富学生知识储备，帮助学生更好地掌握专业知识。

创建虚拟学习环境。信息技术可以拓展学生学习环境，学生可以利用移动终端，在任何时间、任何地点选择不同方式进行学习。再者，虚拟学习技术可以采用多种形式，比如交互式协作、慕课、教学视频等传播知识点，能够有效满足学生的学习需求。

五、新工科智慧教学模式

(一)深度学习

这些年国内外高校在工科教学中重视学生自学能力培养，要求教师以学生为中心设计教学模式，提高工科课堂教学的针对性，促使学生从被动学习转向主动学习，从教师为中心转向学生为中心，使得学生在探索知识点中能够提升自身解决问题能力，强化学生深度学习水平。由于每个学生学习实力不同，学生可以选择不同深度学习方式探索学习。常见深度学习方式有两种，分别是对知识浅层加工记忆和深度加工学习，其中对知识进行浅层加工记忆是指学生被动学习，并且学生在掌握知识中，只是根据考试内容分析知识点内涵，没有对知识理论进行深入探索。深度加工学习是指学生利用高级认知技能处理信息，并利用自己的知识储备进行转化理解，能够结合自己的学习思维搭建新旧知识联系，深度加工学习既是一种学习方式，也是一种学习理念，能够对学生学习行为或者学习体验产生积极影响。由此可以看出，深度学习是培养学生核心能力和学习成果的重要方式，学生探索学习的方式越深入，学习效果就越好。

(二)混合学习

信息技术和通信技术发展速度较快，对各行各业都产生了显著影响，并且成为21 世纪社会、经济发展的重要要素。这些年教育领域也积极将通信技术和信息技术引入到课堂教学中来，促使混合学习得到有效普及。混合学习是一种学习环境，立足传统面对面教学方式，利用信息技术进行在线教学，并根据学生学习实际制定教学方式，力求提升学生课堂学习质量。当教师在工科教学中应用混合学习教学模式时，应将传统教学和在线教学中的优势融合起来，实现在线教学环境和面对面教学环境平衡。但是不同学生具有不同的学习技巧，这就需要教师在组织工科教学中使用不同的教学方式，针对学生学习需求制定多种教学措施，提升课堂教学效益成本的有效性。并且混合教学模式操作简便，如今已经被广大工科高校所使用，在利用混合教学模式开展教学时，不受时空限制，能够给学生留有充足的参与学习机会，通过翻转课堂、移动学习、慕课学习等方式，充分发挥混合教学在时间和空间方面的灵活性，增强学生课堂学习效果。

(三)虚拟学习环境

近些年在线学习已经成为高等教育的重要发展趋势，传统学习模式逐渐向虚拟学习环境转变，尤其这些年在工科教学中通过使用虚拟学习环境，促使师生实现线上互动交流，学生在学习中出现困惑时，可以第一时间询问教师，提高学生在学习过程中的学习体验。虚拟学习环境的主要功能有课程地图、师生在线支持、课程资源链接、在线作业、在线考试等，它既是一种被教师设计好的学习信息交流空间，也是同步或者异步社交空间，整合了多种媒体教学工具，将物理环境与虚拟数字环境组合到一起，这就促使学生既是知识的学习者，也是知识的创造者。虚拟学习环境能够为学生学习、教师教学提供良好的课堂环境，教师可以在组织工科教学中将全班学生分成多个小组，让学生在虚拟学习环境中通过在线调查、在线互动等方式，交互分享学习资源，例如教师可以给学生传送学习课件、教学文档等，学生可以向教师在线反馈作业文档、学习资料搜集文档等。再者，教师可以根据工科教学内容，借助网易云课堂、TED、YouTube 等学习网站，将外部教学资源引入到虚拟学习环境中，丰富学生在线学习资源，满足学生学习需求。

(四)学习分析

学习分析是Web 分析在工科教学中的运用，Web分析是企业分析相关行业商业活动，明确消费者消费需求，制定行业发展方向，当教师在工科教学中应用学习分析，能够将学生在线上学习的情况收集整理起来，探索学生学习薄弱点，结合教学内容制定今后教育目标。学习分析能够帮助教师测验、整理和报告学生学习现状，协助教师理解、优化教学环境，提高课堂教学针对性，调动学生自觉参与学习的兴趣，评估学生完成学业并取得成功的多重因素。但是如今学习分析正处于发展阶段，对学生在线学习数据采集、数据应用自动化方面存在局限性，学生学习的个人隐私无法得到有效保障，需要国家加大学习分析的研究力度。

六、结束语

综上所述，第四次工业革命的产生，推动了新工科的产生和发展，对高校工科教学质量提出更高要求，需要教师在组织工科教学中，根据社会对新工科人才的核心能力需求，制定多种教学模式，通过深度学习、混合学习、虚拟学习环境、学习分析等教学模式，促使学生以积极的态度参与到工科学习中来，大力培养学生探索学习能力，促使学生在掌握知识点的过程中有序提升核心能力，增强新工科课堂教育教学质量。