如何将设计嵌入本科工程教育

摘   要：“设计”在工程学习和实践中的作用越发凸显，设计能力正逐渐成为工程创新的关键部分。文章聚焦美国哈维穆德学院和史蒂文斯理工学院两个典型案例，从培养方案、课程体系、支撑条件三个维度总结其模块化嵌入的实践特色，系统梳理将设计嵌入本科工程教育的经验做法。研究发现，哈维穆德学院、史蒂文斯理工学院以设计流为主线，以集成式课程群为辅线，通过工程设计课程和项目活动的模块化设计，实现了工科人才系统化、结构化知识的获取。借鉴国外成功经验，文章从课程体系、教学模式、支撑机制三个方面出发，为我国卓越工程师培养提供政策建议。

关键词：工程教育；工程设计；课程体系；教学体系

中图分类号：G712         文献标志码：A         DOI： 10.3969/j.issn.1672-3937.2023.12.03

一、设计在本科工程教育体系中的重要性

第四次工业革命以来，以生物技术、虚拟现实技术、量子信息技术和人工智能为代表的新兴科学技术蓬勃发展，工程创新设计迎来前所未有的机遇与挑战。2015年，国务院出台《关于深化体制机制改革  加快实施创新驱动发展战略的若干意见》《中国制造2025》，强调要大力发展制造业领域的创新设计能力，以提升我国制造业的创新能力。2018年10月，教育部、工信部和中国工程院联合印发《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，明确指出要以新工科建设为重点，继续深化工程教育，加速培养高素质的工程技术人才，以适应和引导新一轮的技术革命和工业变革。一系列政策表明，科技创新已经成为国家创新驱动发展战略的重要内容，而创新工程人才培养对于实现创新驱动、推动我国向制造强国跨越、建设创新型国家具有十分重要的作用。

设计是工程的核心[1]，工程设计作为决定工程产品体系和质量的关键环节，对促进现代工程创新发展发挥着空前重要的作用[2][3]。在工程学习和实践中，“设计”元素变得越来越重要，设计能力正逐渐成为工程师创新能力的重要组成部分。[4][5]从知识的角度来看，设计是将知识从设计情境中剥离出来，然后进行再创造的过程。[6]从学习者角度来看，设计要经过接受设计任务、确定问题、寻找解决方案、实施方案验证等多个过程，为实现设计解决方案，学习者要全身心投入到全阶段学习过程中，并在解决问题的循环中进行自我知识构建。[7]当前，我国高等工程教育的教学模式、教学理念与“以学生为中心”之间仍有明显矛盾，且对工程技术人才的培养依然存在理科属性浓厚、工程伦理教育缺失、队伍建设薄弱、产教融合不深入等问题[8][9]。设计是工程的本质，设计范式的工程教育改革或可成为深化“以学生为中心”的高等教育改革的有效实践。

如何将设计有机融入工程教育，亟需开展理论研究和实践探索。美国哈维穆德学院和史蒂文斯理工学院是国际上本科工程教育改革的先行者，本研究以两所学校为研究对象，重点聚焦如何将设计嵌入本科工程教育，尝试从中汲取对于我国设计范式的工程教育改革的启示。

二、实践案例：在本科工程教育中嵌入设计

（一）哈维穆德学院

哈维穆德学院（Harvey Mudd College，HMC）创建于1955年，“将实践融入工程和科学教学”是其办学的重要理念。作为一所的精英大学，哈维穆德学院十分重视本科生教育，尤其重视本科工程教育的改革与创新。1962年，哈维穆德学院的本科工程设计课程获得美国工程教育协会工程认证委员会（ABET）的认证，本科工程系在2023年的《美国新闻与世界报道》（U.S.News & World Report）最佳工程培养项目评比中排名第二。哈维穆德学院工程毕业生的就业率极高，科学和工程博士毕业生占比在全美排名居首。

1.培养目标

20世纪60年代开始，哈维穆德学院大力创新工程课程，推行工程设计教育理念，对本科工程教育做出科学的设计，以培养卓越工程师。首先，科学设计课程体系，保证学校在科学技术方面的优势；其次，支持学生自主学习，让学生动手实践，帮助其更好地理解工程项目；最后，设置系列项目培养学生的社会责任感，提升学校的国际影响力。

2.课程实施

哈维穆德学院坚持“系统、设计、体验式学习机会、专业实践”（Systems，Design，Experiential Learning Opportunities，Professional Practice， S-D-ELOs-PP）理念，强调工程专业课程设计的先进性、系统性及基础性。设计类课程有序穿插在学生为期四年的工程课程中，实行由易到难的实践和训练，促进能力、知识和素质的提升和丰富。

依据S-D-ELOs-PP的理念，哈维穆德学院形成了以科学、技术、工程、数学（STEM）为核心的专业必修课程集群。核心课程共43.5学分，哈维穆德的在校学生必须完成每个专业至少一门课程的学习，例如，在校学生必须选择物理学、计算机科学以及生物学等在内的至少一门工程核心课程，保证其工程基础知识的获取。此外，学校还加强人文、社会科学和艺术类课程的设置，艺术类课程学分在全部学分中占比高达33%，这在美国大学中十分罕见。哈维穆德学院认为，“脱离了人文学科的技术从来就不存在”。人文学科对工科学生伦理塑造是极为重要的，工科学生通过学习莎士比亚文学、语言文化、心理学、宏观经济学和摄影技术等选修课，感知自身的社会价值，提高未来作为工程师的社会责任感（见表1）。

3.教学运行

哈维穆德学院坚持“设计是工程核心”的理念，在入学第一学期安排设计课程教学，通过让学生参与简单的设计活动，提升他们对工程的感知和认同，从而丰富设计经验、提升专业技能。例如，在大学一年级开设“工程设计与制造概论”课程，具体内容包括工程图纸、概念设计和制造技术，旨在教授学生设计相关的方法，并培养其工程伦理与职业道德。在课程教学中，学生组成研究小组，集中解决顾客提出的工程设计问题，将理论知识运用到设计项目中，从而提高工程设计能力，为后续设计课程的领悟与学习夯实基础。“设计图示与实现”是一项开设于二年级的实践性课程，旨在推动学生亲身参与到实践工作中。“实验工程”是一門实验室实操类课程，旨在教会学生在工程现场和实验室使用仪器仪表，重点关注学生在现实系统中处理实验问题、通过运行实验来提高工程系统构造的能力。哈维穆德学院为大三、大四工程专业的学生开设为期三学期的工程临床课程，它既是专业实践的重要组成部分，又是工程设计高级课程。工程临床计划依托现实生活中的重大工程项目，每个项目选取4～5名大三、大四学生成立项目组，并由企业和学校分别派出一位指导教师，进行联合指导，协助项目组完成企业的相关任务，项目内容包含开发模型设备或软件、出具项目进展报告等。

4.绩效评价

哈维穆德学院通常将学生实践水平以及不同模块的项目表现作为学业考核的重点。传统的知识测试依然通过书面考试形式进行；项目考核则采用答辩与汇报结合的形式，一般覆盖开题汇报、中期汇报以及总结汇报三个部分。学生的最终绩效评价结果由项目合作伙伴以及教师共同决定，考查内容包括学生知识点掌握情况、学业要求完成情况以及项目完成过程。

5.支撑条件

为保证工程设计教育的主体性地位，哈维穆德学院组建了专门的服务机构进行保障。为了显示工程学院对工程设计的重视程度，哈维穆德学院于1995年组建设计教育中心，专门针对工程设计领域进行教学与研究。依托设计教育中心，哈维穆德学院每两年举办一次穆德设计研讨会，向公众推广和展示设计对于工程教育的重要意义，穆德设计研讨会在美国工程设计教育领域已经形成深远的影响力。历年来参与穆德设计研讨会的人员均是该领域的佼佼者，他们定期探讨工程设计教育各阶段的问题与计划，为美国工程设计教育的发展贡献力量。自1997年以来穆德设计研讨会每两年召开一次，国内外不少高校踊跃参加，有力推动了全球工程教育的蓬勃发展。

（二）史蒂文斯理工学院

史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology，SIT）成立于1870年，由美国著名工程师、企业家埃德温·奥古斯都·史蒂文斯的遗产捐助创立，是美国最古老的私立研究型理工学院之一。学校坐落于新泽西州的霍博肯市，隶属于纽约大都会区，与纽约曼哈顿岛隔河相望。史蒂文斯理工学院专注于社会需求的七个关键领域：人工智能、机器学习和网络安全，数据科学和信息系统，复杂的系统和网络，金融系統和技术，生物医学工程，医疗保健和生命科学，以及弹性和可持续性。

1.培养目标

史蒂文斯理工学院是一个以工程、科学和管理项目为主的研究型大学，强调学生创新精神和企业家精神的培育。目前，史蒂文斯理工学院关注国际前沿研究领域，积极鼓励本科生参与学校技术创新与研究项目的开发，并与之配备了优越的校企合作条件。史蒂文斯理工学院的学生均可选择校内任意一个五年制合作教育项目，第一年和第五年在学校全职完成课程，其他时间可以兼职工作，且只需交四年学费。

2.课程实施

史蒂文斯理工学院以设计大纲为中心，贯穿8个学期的设计大纲成为其本科工程教育实施的基石（图1所示的每个框为一门设计课，方框中列举的是工程科学的一门与设计课相结合的课程）。设计大纲是史蒂文斯理工学院课程设计的核心，旨在通过系统化的方法，培养学生的问题解决、经济管理、工程伦理、团队协作及产业生态等关键技能。史蒂文斯理工学院的设计大纲主要包括9门设计课程，前4门设计课程是以结构化形式进行（安排在1～5个学期），旨在帮助学生对有关设计问题进行了解；与专业有关的3门设计课程则以模块化方式进行（安排在6～8学期），帮助学生了解与产品、工艺等有关的核心问题。在最新的课表里，这些课程被重新命名为“工程设计1～8”（Engineering Design I-Ⅷ），1～5为工程类的通识课程，6～8为各专业核心课程。

与传统的课程体系相比，团队沟通、计算机应用、社会伦理等主题在史蒂文斯理工学院设计大纲中得到强化。设计大纲与同期的工程科学课程紧密结合，极大地提高学生的期望值以及对科学与工程学的认识。史蒂文斯理工学院的课程体系根据雇主对工程专业人才的预期，融合了沟通技能、团队合作、项目管理、经济等方面的知识，全面提升学生的职业胜任力。

3.教学运行

自1991年起，史蒂文斯理工学院就实施基于“设计流”的教学模式，覆盖了大一、大二、大三的多门核心课程，由在职或刚退休的工程师担任教师。为达到 ABET 2020认证的要求，史蒂文斯理工学院以“设计流”为依据，加强核心设计课程，并对课程策略进行调整，保证其工程类课程符合认证要求。调整的内容包括：重新定义教学目标，建立以能力为基础的目标系统；对毕业生进行回访，调查他们在就业过程需要的问题解决、团队协作、交流能力以及项目管理等方面的技术和能力。

4.绩效评价

除传统的课程评价外，史蒂文斯理工学院也很注重工科学生沟通技能、团队协作、项目管理能力的评价。为此，史蒂文斯理工学院在课程中设计了多种学生学习过程追踪评价的工具。除了项目或作品成果，学生每学期还需要反思的学习进展和下一步的目标，每个学期末学生都会得到个人导师和任课教师的学业反馈。

5.支撑条件

第一，史蒂文斯理工学院设有专业的教研组织，针对学生的培养方案和培养过程进行研讨和调整。同时，史蒂文斯理工学院具有丰富的教师资源，其师生比达1∶12。第二，史蒂文斯理工学院资金雄厚，除了基本的实验设备和相关平台，还为每个学生配有笔记本电脑和相关专业软件。第三，史蒂文斯理工学院与企业合作紧密，开设校企合作课程与项目，学生在校期间可以到高露洁、强生、埃克森美孚等企业实习。

（三）案例小结

哈维穆德学院、史蒂文斯理工学院的本科课程方案均关注工科人才系统化、结构化知识的获取，两所高校在围绕工程思维和设计项目的模块化设计方面特色突出。

从培养目标来看，均强调工程人才的复合能力培养。一方面，二者均注重夯实学生工程和技术素养，关注学生工程思维和专业能力的培养。无论是哈维穆德学院对“设计集成课程”的反思，还是史蒂文斯理工学院对“设计大纲”的规划，均体现出两所高校对工程思维的重视。另一方面，两所学校依托系部、院校间的合作形成多层次的资源整合保障，最大程度上实现了工程课程资源的整合，形成了多层次的工程课程体系。

从课程实施来看，均强调将专业核心知识融入设计项目，促进多学科知识的融会贯通。哈维穆德学院在本科阶段设置了三大学习模块，每个模块设置特定的主题项目，根据项目需求将不同形式的课程和学习活动（讲座、工作坊等）嵌入到主题模块中，不同模块之间相互区别又彼此联系，学生通过参与模块化团队解决工程实际问题。史蒂文斯理工学院将8门核心课程串联为完整的学习线，将工程、技术、设计有序融入其中，保证学生掌握专业技能和进行知识转化。

从教学来看，均关注项目制教学的运用。无论是横向整合还是纵向贯通，都在两校项目设置中得以充分体现。在项目设置上，两所学校注重回应社会真实需求，让学生在项目中学以致用，打通理论和实践之间的界限。哈维穆德学院和史蒂文斯理工学院在课程体系上分别设置了8个和6个设计项目，设计项目内容由浅入深，学生解决的问题也由简入繁，有效保证了学生在项目实操中循序渐进地吸收和转化相关理论知识。

从绩效评价来看，均强调学生学习过程和学习结果的双向评价，除了学业成绩、小组合作成绩，专业成绩、沟通技能、交流能力等综合能力也是其考查的关键。此外，完成模块化项目是学生获得学位计划的必要条件，所有学生均被要求完成学位论文。

从支撑条件来看，两所学校对院系和专业提出较高的要求，需要实践平台、信息资源、校企合作关系等资源配备；需要跨学科师资和实践型师资等师资配备；同时需要创新文化、强有力领导和专门的教育管理和研究机构等组织文化支撑。

三、实践特色：模块化嵌入

两所大学以工程设计为核心，通过1～4年的模块化专业课程设计，保障学生对工程学科进行系统化学习。

（一）培养方案：以集成式设计课程群为主线

两所大学以集成式的设计课程群为主线，通过真实设计项目来提高工科学生的自主性。在本科工程教育体系中，两所学校以工程设计为主线，引导学生参与项目设计、工程设计等活动，并以模块化课程为暗线，将工程知识一体化、实践性设计、创造性产出等有机结合起来。挑战性教学、逆向思维等教学方式在培养方案中尤其受到重视，这些载体和工具能够有效培养学生的设计思维，进而提升學生的工程学习成果。为了避免由于“设计”而导致的课程零散，两所大学有机整合了理论课程、体验课程、实践课程。其中，理论课程布局于传统课堂教学中，体验课程则更多关注学生在实际工程场景的模拟和仿真，实践课程则让学生实地学习和操作。

（二）课程体系：保证课程结构的科学性和系统性

两所大学的课程设置遵循以下几个基本原则。第一，遵循通识课、专业基础课、专业核心课等课程的基本要求。在以设计为基础的工程教学中，学生必须先完成数学基础（包括微积分、线性代数、大学物理）、人文社科（英语、文学、艺术、思政）等课程。第二，工程基础课程仍以设计为主线。具体的设计方案与不同的课程群是有联系的，每个课程群的设置都与设计紧密相连，每个学生都可以根据不同的喜好来选择不同的课程。第三，工程专业知识遵循纵（课程群）横（课程模块）交错。从纵向上讲，课程设置是以设计流程为主线，一种设计对应1～3个不同类型的课程。从横向上讲，覆盖工程基础课程、工程情境课程、工程设计课程、工程创业课程模块等专业核心课程。第四，在原有的课程体系中，突出了工程教育集成、实践和创新的特点，并非单纯地进行课程的“加法”。

（三）支撑机制：重视行业参与，创新评价方式

从两所大学的运行机制来看，大学工程教育体系内外部的资源流动、信息流动和人才流动始终处于高度集中的状态。两所大学充分吸收行业力量，扩大行业参与的深度和广度，有效促进了工程技术人才的培养。例如，哈维穆德学院组织穆德设计研讨会，邀请业界参与工程技术人才的培训计划，找到产业发展和人才培养的契合点，让产业界“更接地气”地制定出设计的任务，把实际的工程问题变成可供操作的学术课题。此外，两所大学皆关注行业需求，创新考核方式。两所大学以设计过程和作品为评估核心，以学生在设计过程中反映的素质能力为衡量标准，全面考虑各个阶段的评价标准，构建科学性、创新性的评价方式，推动高质量工程人才的培养与发展。

四、结语

在本科教育中，独立开设工程设计课程的简单形式难以快速见效，如何将设计系统嵌入本科工程教育实践成为关键。哈维穆德学院和史蒂文斯理工学院以课程模块和项目群为突破重点，将工程设计课程模块化嵌入到工科学生的核心培养方案中，实现卓越工程人才的培养。

两所大学所建构的工科课程体系，是个体学习过程与组织模式构建的整合，能够为我国高校践行设计导向的工程学习模式提供有效借鉴。我国未来或可从课程体系、教学模式、制度设计三个方面出发，系统化、全局性地思考、建构与布局工程设计课程，以有效提升我国工程师培养的效率和质量。一是强调以“解决工程问题”为导向的整合式设计课程理念，打破学科界限，将相关学科、领域的知识进行系统性重组与划分。二是转变以往教师主导的课程教学模式，在课程中有机融入高质量的设计任务模块，鼓励学生主动参与到课程建设、教学设计和质量评价中，主动参与完整的设计任务过程，提高学生对工程知识及工程应用的深度理解。三是利用产教融合、校企结合等制度机制，设立设计类实践课程，鼓励学生亲自设计、操作与体验真实的工程问题，支持学生代入工程师身份与业界工程师就工程问题进行互动讨论，寻求创造性的解决方案，以实现对已学知识意义的理解与动态构建。

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How to Embed Design in Undergraduate Engineering Education

—Taking Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology as Examples

WEI Lina1，2

（1. Graduate School of Education， Beijing University， Beijing 100871，China；

2. National Center for Health Professions Education Development，Beijing University， Beijing 100871， China）

Abstract： “Design”plays an increasingly prominent role in engineering learning and practice， and design ability is gradually becoming a key part of engineering innovation. Focusing on two typical cases of Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology in the United States， this paper summarizes the practical characteristics of modular embeddedness from three dimensions of training program， curriculum system and supporting conditions， and systematically reviews the experience of designing embeddedness in undergraduate engineering education system. The study found that Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology have achieved systematic and structured knowledge acquisition for engineering talents through the modular design of engineering design courses and project activities by using the design stream as the primary path and integrated course clusters as the supporting path. Drawing on successful foreign experiences， this paper provides policy suggestions for the cultivation of excellent engineers in China from three aspects： curriculum system， teaching mode and support mechanism.

Keywords： Engineering education; Engineering design; Curriculum system; Teaching system

編辑 王亭亭   校对 朱婷婷

作者简介：魏丽娜，北京大学教育学院博士后、北京大学全国医学教育发展中心助理研究员（北京 100871）

基金项目：中国博士后科学基金第73批面上资助项目“校企联合培养对工科博士生实践创新能力影响机制研究”（编号：2023M730059）；国家自然科学基金青年项目“校企联合培养对工科博士生创新能力影响机制研究”（编号：72304020）