如何培养新工科人才的思维能力*——以麻省理工学院新工程教育转型为例

覃丽君 王建梁

一、问题的提出

新工科人才思维能力的培养不仅是我国新工科建设的重要内容,也是国际工程教育界关注的重点议题。2017年,我国启动新工科建设。教育部在新工科建设“北京指南”中明确指出,要培养新工科人才的批判思维、设计思维、工程思维、数字化思维、工程管理思维及工程伦理思维。[1]同年,工程教育翘楚、世界一流大学麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)启动了新工程教育转型(New Engineering Education Transformation,NEET),创造性地提出了NEET思维方式(Ways of Thinking,WoT)。2018年,鲁斯·格雷汉姆(Ruth Graham)博士在《全球工程教育现状》(The Global State Art of Engineering Education)中指出,工程人才思维能力的培养受到新加坡、澳大利亚、荷兰等国高等教育机构高度重视,包括系统思维、设计思维等。[2]2021年6月修订的《华盛顿协议》(Washington Accord)及2022年8月发布的第3版CDIO教学大纲(CDIO Syllabus v3.0)也对工程人才的思维能力进行了重点强调,包括批判思维、创造思维、计算思维、反省思维等。

作为新工科改革的国际典型案例,NEET备受关注,其影响力不断提升,学生规模不断扩大,2022年已达到230余人。[3]作为NEET的三大创举,思维方式、项目中心式课程(project-centric curriculum)及跨学科串联(cross-departmental threads)也开始成为学界关注的热点话题。[4]虽然思维方式提出时间最早,与NEET构想同步,于2016年就已形成了雏形[5],但目前学界主要研究范畴包括NEET框架[6]、课程体系[7]、课程组织模式[8]、内容与内在逻辑等[9],对NEET思维方式及其培养机制的探讨仍有一定空间。不仅如此,根据MIT的调查,新工科人才思维能力的培养取得了较好成效,有研究价值。以伦理思维为例,学生总体持积极态度,以李克特五级评分,大二学生给4.2-4.7分,大三学生给3.8-4.1分。[10]其他反馈意见包括伦理思维模块的学习是值得的;建立了伦理概念与真实世界、自身学习之间的联系;开始深入思考伦理问题;对未来从事工程师工作有帮助等。[11]

基于此,本研究以NEET为典型案例,试对思维方式培养机制进行系统分析,以期为我国新工科人才思维能力的培养提供参考。为获得案例最新信息,同时交叉验证已有材料,2022年11月,研究对NEET专门负责思维方式课程开发、教学、测评工作的相关教师进行了访谈,获取了目前存在的问题、最新变动及最新教学大纲等数据。

二、是什么：NEET思维方式的定义及结构

NEET思维方式是应对复杂挑战的认知性路径与能力,旨在帮助学生个体及学生在团队中工作时学会终身有效且高效的自主思考、规划及学习能力。[12]该思维方式是一个多维结构,由12种思维组成。[13]

(1)制造。发明和创造以往不存在的技术人工物,通过与CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate)理念相关的产品和系统传递价值理念。

(2)发现。通过探究、识别及生产新的知识推进社会及世界知识的不断发展。

(3)人际交往。能与他人互动,能理解他人,包括沟通、倾听、领导团队、与他人协作、建立协作网络、倡导与引领变革。

(4)个体能力与态度。具备主观能动性、判断力及决策力,有社会责任感、灵活性与自信,能遵守道德并正直行事,并致力于终身学习,包括培养伦理性思维。

(5)创造性思维。能通过深入、专注的思考孵化新的想法,有意识地阐明与表达新的思考与想法,采取行动予以验证,从而形成新的、有价值的东西。

(6)系统性思维。面对复杂性与模糊性时,能够通过检验情境中相互关联的各要素来预测整体。

(7)批判与元认知思维。通过观察、体验或交流等方式收集相关信息,对这些信息进行分析与评估,据此判断某一概念、产品或过程的价值或有效性。

(8)分析性思维。采取系统性、逻辑性的工作方法分解事实并解决问题,运用理论、建模、数字分析等方式识别因果关系并预测结果。

(9)计算性思维。通过应用计算机编程的基本结构(如抽象、模块化、递归)、数据结构、算法及计算来理解物理、生物及社会系统。

(10)实验性思维。开展实验获取数据,包括选择测量方法、确定验证数据的程序、提出并检验假设。

(11)人本主义思维。形成对社会及其传统、制度等的整体理解,包括人类文化、人类思想体系、艺术表达方式、社会的政治经济框架等。

(12)学会如何学习。自主思考和自主学习的认知性路径。

三、怎么培养：NEET思维方式培养机制

(一)开发大一到大四全学段思维能力课程

1.开设大一本科生思维方式选修课

自2020年秋季以来,NEET团队开始开设面向全校大一新生的选修课——发现思维方式的神奇之处：NEET!该课程有三大目标：第一,帮助学生理解分析性思维、创造性思维、制造、系统性思维等重要概念;第二,帮助学生把这些概念与特定的方法、工具及技术联系起来;第三,帮助学生利用特定的方法、工具及技术迎接与众不同的挑战。[14]根据访谈教师提供的教学大纲,2022年秋季学期的选修课从9月12日到12月12日,持续13周,来自数字化城市、自动机器、气候与可持续系统、生命机器4个NEET串联的教师共同开发课程并轮流授课。

2.开发大二至大四本科生思维方式课程模块

在选修课的基础上,NEET团队开发了仅面向大二至大四NEET入选学生的思维方式专门课程——思维方式模块(Ways of Thinking Module)。[15]每个课程模块约90分钟,通过串联项目课(project class)授课。串联项目课是围绕某一主题有意识、有目的地构建的一系列相互衔接、难度逐渐递增的若干研究项目组成的有机式项目集成,体现出跨学科性。[16]通过这种授课方式,新工科人才思维能力的培养能更好地与特定的串联主题结合起来。

其他的串联项目课如数字城市(Digital Cities)通过城市与环境技术应用实验室、众包城市：市政技术原型等培养学生的分析、计算等思维;气候与可持续系统(Climate &Sustainability Systems)通过设计思维与快速原型入门等为学生提供设计类练习和动手实践参与项目的机会,培养学生的设计、创造、问题识别、人际交往及快速原型化等思维;生命机器(Living Machine)通过沉浸式研究的微流体装置或芯片器官等实验培养学生的实验思维、设计思维。

(二)采取多样化的教学策略

1.明确思维方式的学习结果

NEET明确了思维方式的学习结果,为新工科人才思维能力的培养指明方向。[18]

伦理思维的学习结果包括：(1)能认识到工程活动与道德之间的密切关系;(2)能认识到工程决策在何时具备道德性影响;(3)能运用道德推理来指引工程决策;(4)能评估工程决策对个体及社会环境的影响。

批判性思维的学习结果包括：(1)能将看似封闭的自治系统概念化为包括人类各种选择的异质性社会技术系统;(2)能认识到不同形式的成本与收益;(3)能认识到并回应技术系统和人类各种选择所隐含的竞争性及政治性本质。

学会如何学习的学习结果包括：(1)能识别知识存在的特定环境,知道知识不存在于真空之中;(2)能识别不同类型的知识及何种类型的知识存在于何种环境中;(3)能使用恰当工具和策略检索并使用信息资源,用于开展学习活动;(4)能识别出未解决的问题,并用它们去阐释还需知道或理解的内容;(5)能围绕一个研究问题形成并审视自己的想法及相关理论,以此指引自己的工作;(6)能理解社会上存在的各种偏见,了解偏见是如何影响知识形成及知识创新的;(7)能认识到所从事的工作及所属领域其他人的工作在更宏观层面的社会性及历史性影响;(8)能认识到自身的能动性,并能采取相关策略、形成实践方案,帮助人类更平等、更多途径地获取各类知识,并从知识中获益。

2.推出配套的信息化学习资源

割草装置的转向部分主要由电机和减速机构构成。减速机构的主要作用是增大电机的转矩, 减速比越大, 转矩也越大。参考后轮驱动传动减速机构设计，转向部分传动机构也采用齿轮三级传动减速，其中，传动比

为跟上智能时代教育数字化、智能化的发展趋势,NEET于2021年11月开始推出与思维方式配套的信息化学习资源——NEET学习插件。每个学习插件由一个10分钟左右的学习视频和一份包含3个题项的反思性作业组成。学习插件的研发整合了多学科资源,由NEET与MIT众多院系专家共同研发,与思维方式课程模块配套。如创造性思维由NEET、建筑与规划学院负责;伦理性思维由NEET及人文、艺术与社会科学学院语言学与哲学系负责;学会如何学习由NEET、图书馆负责。[19]2021年秋季学期推出的学习插件为“工程师的伦理性思维”,其他学习插件的研发工作正在进行中。

3.强调参与式设计教学理念

基于参与式设计(participatory design)教学理念,NEET团队融合案例教学法、反思教学法等方法培养新工科人才的思维能力。其核心是学生作为联合设计师(co-designer)参与整个设计过程。

以“工程设计中的伦理性思维”为例[20],围绕“智能家居系统”设计案例,学生参与整个设计过程,形成切实的工程设计体验,认识到工程设计中的伦理道德两难困境(ethical dilemma),进而理解与工程设计相关的各种价值观,掌握各种价值观的不同取向,分析各种价值取向的利弊及相互之间存在的冲突,最终形成伦理性思维。具体教学包括以下五个紧密联系的环节。

环节一：教师指出工程设计中不同的价值观对应不同的工程设计方案。如工程设计中的伦理道德两难困境需符合4个方面的要求：有2种及以上的设计决策、有2种及以上的相关价值观、不同设计决策的价值观取向不同、没有价值观占据统治性或主导性地位。

环节二：以荷兰东谢尔特挡潮闸为案例,教师展示工程设计与价值观取向之间的关系,如安全性与生态关怀之间的冲突(见表1)。[21]

表1 荷兰东谢尔特挡潮闸案例中的伦理价值观

环节三：教师引入参与式设计、联合设计师等术语,给出价值观分析的三个维度：价值性(什么是好的)、功能性(什么是有用的)及艺术性(什么是美的)。

环节四：教师指出工程设计中的伦理思维贯穿整个设计过程,包括移情-定义-构思-原型-测试(empathize-define-ideate-prototype-test)。

环节五：教师指出完成“智能家居系统”工程设计的相关要点。包括如何实现参与式设计、如何明确不同组合家庭(如2大3小、2大1小等)的设计需求、如何明确可能出现冲突的相关价值观(如安全性、便利性、隐私性、透明度、包容性、正义等)等。

最后,学生需完成如下反思作业。第一,给出真实世界中存在的道德两难困境案例。案例可来自任何领域或学科,不限于科学、工程等。指明案例所涉及的两难困境及相关的至少两种价值观。包括商业性、便利性、生态关怀、包容性、正义、隐私、安全性、透明度等。第二,指出两难困境的解决方案,并分析解决方案存在的问题。如果该困境并未解决,则分析为何没有解决。第三,针对该两难困境,给出更好的解决方案,并描述设计解决方案的过程。给出的方案需与案例涉及的价值观相关。[22]

4.开发思维方式教学与评价框架

通过访谈得知,NEET开发了思维方式教学与评价的框架：SAFO(System,Architecture,Function,Outcomes)框架。SAFO包括系统、结构、功能、结果等要素。系统指技术工程系统。结构指系统的结构,即该技术工程系统是什么,如何运作。功能指系统的功能,即该系统有什么功用,能够做什么。结果指系统的结果,即该系统缘何存在,其功用如何影响社会。2022年秋季学期,教师已开始要求学生用SAFO框架展示挑战项目的解决方案,运用OPCloud、CAD对该框架进行概念化、可视化、原型化。

(三)资助NEET思维方式培养研究项目

自2020年以来,MIT共资助了7个思维方式培养研究项目,见表2。[23]资助来自MIT副校长办公室管理的阿贝洛夫卓越教育基金(d’Arbeloff Fund for Excellence in Education)设置的NEET专项基金。[24]

(四)设计系列跨学科挑战项目

跨学科挑战项目依托一个串联,以一种思维方式的培养为重心。学生以独立作业、小组合作等方式完成挑战。每个跨学科挑战项目持续约2周。表3为2020年的挑战项目。[25]表4为2022年的挑战项目,来自访谈教师提供的2022年秋季学期教学大纲。

表3 2020年的挑战项目

表4 2022年的挑战项目

(五)构建跨院系组织合作机制

MIT构建了跨院系组织合作机制,对全校不同院系的资源进行跨学科整合,实现思维能力培养资源的最佳组合。例如,制造思维由工程学院创客空间负责;发现能力由理学院负责;人际交往能力由斯隆管理学院负责;个体能力与态度(如伦理思维)由语言与哲学系、工程学院戈登工程领导力项目负责;创造性思维由建筑与规划学院建筑系负责[26];系统性思维由数据、系统与社会研究所负责;批判与元认知思维由科学、技术与社会项目、J-WEL世界教育实验室、历史系、人类学系负责;分析性思维、实验性思维由工程学院各系负责[27];计算性思维由电子工程与计算机科学系负责;人本主义思维由人文、艺术与社会科学学院负责;学会如何学习由MIT图书馆负责。[28]

(六)对接产业界对人才的思维能力需求

为对接产业界需求,NEET对40余位高级经理人、40余名知名校友及通用公司等知名企业进行了调研。[29]调研内容包括按重要性为各思维方式打分、指出存在的问题等。产业界的反馈意见为人际交往、个体能力与态度、分析性思维的重要程度最高,其次为实验性思维、制造、发现、创造性思维、系统性思维、批判与元认识思维、计算性思维及人本主义思维;MIT毕业生亟需增强的是人际交往、系统性思维;建议增加第12种思维方式——学会如何学习。[30]基于调研结果,NEET按重要性程度对思维方式进行了排序,着重培养新工科人才的创造性思维、学会如何学习、个体能力与态度、制造及系统性思维,并增加了第12种思维方式。来自通用公司和波音公司的工程师也通过指导研讨、项目课及顶石项目参与了新工科人才思维能力的培养过程,实现了与产业界需求的深度对接。

四、学什么：总结与启示

(一)重视新工科人才思维能力的培养

新工科人才思维能力的培养是我国新工科建设的重要内容,也是当前国际工程教育界关注的重要议题。2022年11月,NEET进一步强调,设计、制造、原型化是思维能力培养的核心要素。[31]在新工科建设不断推进的背景下,我们需高度重视新工科人才思维能力的培养问题。如制定明确的新工科人才思维能力培养目标;顺应智能智造时代要求,按优先级排列需重点培养的思维,如创造性思维、制造思维等;设置专项基金,加强研究,深入把握思维能力的本质属性、具体表现、生成机制;开发思维能力课程,创新教学组织形式与教学方法,提高思维能力培养成效;整合多样资源,构建科学的培养支持机制等。

(二)开发贯通式思维能力跨学科课程

NEET构建了贯通大学四年的全学段思维能力跨学科课程。虽然目前我国部分高校开设了思维能力培养相关课程,但存在系统性与贯通性不足及跨学科性不明显的问题。基于此,我国可根据不同年级新工科人才的培养需求,开发一体化、贯通式、全学段、跨学科思维能力培养课程。例如,通过通识教育课程模块开发大一思维能力课程,重点强调通识性与入门性;通过专业课程模块开发大二、大三思维能力课程,对思维能力进行进阶培养,辅以实践领域的代表性案例,对制造思维、系统性思维、伦理思维等进行特别强调;通过实习实践、跨学科项目等实践性较强的课程培养大四学生的高阶思维能力;引入思维能力的复杂概念、多样方法等,辅以更多的真实世界存在的跨学科实践案例,实现更为系统的学习;增加小组活动,重点关注学生运用创造、制造、人际交往、学会学习等多样思维解决真实世界复杂问题的能力等。

(三)发挥有机式项目集成的作用

串联是NEET三大创举之一,是有机式项目集成。通过各类有机联系、难度逐渐递增的项目集成,新工科人才有机会超越学科限制,了解真实的社会问题,也能通过具体的实践活动提高解决复杂社会问题的能力。我国也需注重发挥各类有机式项目集成的作用。如围绕特定主题有意识、有目的地构建系列项目,确保各项目的难度逐渐递增,为新工科人才思维能力的培养提供贯穿大学四年的持续性支持;大一、大二主要开展个人项目或2人项目;大三主要开展3-5人小组项目;大四可开展人数更多的大型项目等。在项目主题选取与项目设计的过程中,也需整合多方资源,收集思维能力研究专家、产业界专家、专业课教师、通识课教师及学生等多元主体的意见,确保项目的典型性与代表性,反映真实世界的复杂问题,同时也符合思维能力的发展规律,切实促进思维能力的发展。

(四)创新思维能力评价方式

根据访谈,NEET通过SAFO框架、分析NEET教学大纲、获得师生的评价与反馈意见、学生完成实践作业等方式评价新工科人才思维能力的发展情况。为提高评价科学性,NEET也计划在未来采取更多样化的评价方式,包括形成性评价、总结性评价、增值评价、对照实验等。访谈教师也特别指出,由于无法有效区分NEET教育活动与其他教育活动对学生思维能力发展的影响,所以目前较难开展控制实验。

基于NEET的经验教训,在当前不断推进教育评价方式改革的背景下,我国可通过创新评价方式准确评价新工科人才的思维能力发展情况。例如,开发思维能力教学与评价框架、开展表现性评价及增值评价、关注新工科人才在实践中运用思维能力的情况、及时了解师生的反馈意见、建立思维能力发展档案、开展设计良好的对照实验明确思维能力发展的各项影响因素、建设智慧学习空间并运用现代智能技术监测思维能力发展情况等。

(五)构建完善的思维能力培养支持机制

虽然MIT构建了思维能力培养跨院系组织合作机制,但在实践中仍存在合作机制表面化的问题。这些问题包括使用的术语不一致,如批判性思维、伦理思维教师团队均使用“批判性思维”,但定义、内涵有所不同;不同课程模块的内容重复,如创造性思维、学会如何学习等模块均包括利益相关者等内容;各模块授课时长不一致;思维方式课程模块与NEET各串联的融合度不足,如自动化机器串联中呈现的案例与机器人、自动化关联度有待进一步提升等。

NEET教师在访谈中指出,出现以上问题的主要原因在于承担思维方式教学工作的部分教师来自MIT其他院系,但是他们并未深度参与NEET,与NEET团队合作不足,导致开展的教学活动游离于NEET教育目标,学生难以内化并在实践中运用所学知识。

基于以上经验教训,为提高思维能力培养成效,我国可构建更为完善的思维能力培养支持机制,为新工科人才的思维能力发展提供系统性支持。例如,深化通识教育课程教师与专业课程教师之间的合作与联系;加强跨学科平台与组织的建设,促进不同学科教师之间的交流与合作,助力教师达成对思维能力培养的深度共识;开发一致性较强、术语定义不冲突、内容重复少、与各专业培养目标融合度较高,且体现各专业特色的思维能力培养课程等。

(六)对接社会对新工科人才的思维能力需求

MIT通过对产业界进行调研对接社会对人才思维能力的需求,产业界也通过深度参与新工科人才的培养过程反馈对人才思维能力的要求。随着现代智能技术的不断发展,社会变迁速度不断加快,各种技术层出不穷,我国也需要对接社会对新工科人才思维能力的需求,如对企业家、产业界、用人单位、知名校友等进行调研,明确思维能力的内涵、结构;对各思维打分,排列优先级,为高校培养新工科人才的思维能力提供方向指导;构建产业界、用人单位等深度参与人才思维能力培养的有效机制;在教育教学过程中融入真实世界的复杂问题作为案例或者实践项目;邀请业界专家开展讲座及承担具体的教学工作,为学生了解真实的社会问题,通过动手操作开展实践活动解决真实世界的各类复杂工程问题提供支持等。