加拿大一流大学工程人才培养模式比较研究——以多伦多大学和滑铁卢大学为例

易伟松, 向美来, 闫华飞, 魏 强

(1. 华中农业大学 工学院,湖北 武汉430070;2. 武汉工程大学 管理学院,湖北 武汉4302051;3.江汉大学 教育学院,湖北 武汉430056)

0 引言

改革开放40多年,我国工程教育历经“恢复调整、调整发展、规模扩张、质量提升”4个阶段,无论是总体规模还是人才培养层次,都超过美国稳居世界首位,成为名副其实的世界工程教育大国[1]。2016年,我国成为《华盛顿协议》第18个正式成员,标志着我国工程教育开始迈向世界。2017年,我国工程教育改革“复旦共识” “天大行动” “北京指南”三部曲相继奏响。2018年,卓越工程师教育培养计划2.0(即新工科建设)启动,首批新工科研究与实践项目公布,高校分为“工科优势高校、综合性高校和地方高校”三类建设。2019年,教育部对“工科优势高校”新工科研究与实践项目开展评审,结果体现在: ①工程教育理念与国际先进工程教育理念存在较大差距;②重知识传授轻能力培养“以教为主”传统教学模式占据主流;③企业参与人才培养的联合办学体制机制尚未建立[2]。新工科建设面临路径之争——究竟是基础科学研究先行,还是培养人才的创新潜质和工程实践能力更重要[3]?

为应对新一轮科技革命和产业变革,世界一流大学积极改革工程教育。2017年,美国麻省理工学院(MIT)启动新工程教育转型计划(NEET),从根本上对工程教育进行系统性反思,着重变革学生学习方式以及内容,培养能引领未来产业界和社会发展的领导型工程人才,代表美国工程教育最新发展方向。格雷厄姆[4]对世界一流本科工程教育现状进行调研,撰写具有重要影响的咨询报告——《全球一流工程教育发展现状》(The Global State of the Art in Engineering Education)。该报告在全球范围评选出工程教育“当今引领机构(current leaders)和“未来引领机构”(emerging leaders),前者前十名欧美一流大学占9所,后者也有半数,我国仅清华大学入选后者,基本反映了国际工程教育以及人才培养模式由欧美主导的现状。因此,教育部支持我国大学设立新工科研究机构,对工程教育深入开展理论研究与国际比较研究。

国际比较研究是我国工程教育研究热点与重点。研究对象主要以欧美一流大学为典型案例,既有一个国家一所大学[5-8],也有一个国家几所大学[9],也有几个国家若干大学[10-11],还有中外大学比较研究[12]。总体而言,研究内容都属于工程人才培养模式范畴,也就是工程人才培养目标和培养规格以及实现方法或手段。研究文献以美国私立大学为主,德国、英国、法国大学次之,加拿大作为西方工业发达国家,高等教育先进,工程教育特色鲜明。

针对目前我国高校新工科建设面临的问题,本文筛选加拿大多所世界一流大学作为研究对象,采用比较研究方法,探索工程人才培养模式,分析加拿大一流大学工程人才培养模式的个性特色与共性特征,总结世界一流大学工程人才培养成功经验与规律,为我国高等工程教育改革与发展提供借鉴参考。

1 研究设计

1.1 研究对象筛选

加拿大高等教育水平居世界前列,兼具英国严谨和美国创新的特点。加拿大高等教育机构分为大学、大学学院、社区学院、职业技术学院,其中大学有300多所,又分为研究型大学、综合型大学和基础本科大学三类。加拿大著名大学,尤其是世界一流大学都属于公立性质,与美国完全不同,与中国基本相似。

综合世界主流大学排名(THE、QS、U.S. News和Shanghai Ranking),以前200名作为操作性定义筛选世界一流大学,加拿大有多伦多大学、麦吉尔大学、不列颠哥伦比亚大学、蒙特利尔大学、阿尔伯塔大学、麦克马斯特大学、滑铁卢大学、卡尔加里大学八所大学入选,这些大学可以作为加拿大的世界一流大学代表。在加拿大,麦克林杂志(Maclean’s Magazine)高等教育排名更受学生和家长关注。多伦多大学和滑铁卢大学在2021年声誉最好大学(Canada’s Best Universities by Reputation)排行榜中分别位列第一和第三。就工程学科而言,无论是世界主流学科排名还是麦克林杂志排名,多伦多大学和滑铁卢大学都是前两位,代表着加拿大工程教育和人才培养最高水平。

多伦多大学成立于1827年,是传统研究型大学,世界排名前30,在加拿大排名第一,与我国清华大学、北京大学相当。工程学科主要分布在应用科学与工程学院(Faculty of Applied Science &Engineering)(以下简称工程学院),是仅次于文理学院的第二大学院,约占全校的1/10。2020-2021学年,本科生5 538人,研究生2 731人,学生总数8 269人,学生规模位居加拿大第二,仅次于滑铁卢大学[13]。滑铁卢大学成立于1957年,是综合性大学,世界排名前200,在加拿大排名第二,仅次于多伦多大学,与中国科学技术大学、华中科技大学接近。滑铁卢大学工程学院(Faculty of Engineering)是在滑铁卢大学最早设立,第一年招收的74名学生,全部都是工程专业,经过多年发展,2021年工程专业本科生8 569人,研究生1 931人,学生总数达到10 500人,规模位居加拿大首位[14]。

多伦多大学和滑铁卢大学分别位于安大略省多伦多市和滑铁卢市,两地相距约 60 km,处于多伦多滑铁卢科技走廊(Toronto-Waterloo Tech Corridor)两端,该走廊也称为“北方硅谷”,是加拿大最大的科技创新区。研究这两所世界一流大学工程教育及人才培养模式对于我国新工科建设和双一流建设具有借鉴参考意义。

1.2 工程人才培养模式比较框架构建

比较研究方法在所有社会科学研究方法中处于核心和统领地位,在高等教育领域有着诸多应用[15]。本文遵循规范比较研究路径,以弗洛斯相似现象理论为基础[16],结合工程人才培养模式已有研究成果[4-12],首先确定定性特征因素分析框架,从这些维度出发对多伦多大学和滑铁卢大学工程人才培养模式进行比较研究,“同中求异、异中求同”,尝试探寻差异产生原因,并做出解释性分析。

人才培养模式是培养主体为实现特定人才培养目标,在一定教育理念指导和培养制度保障下设计的,由若干要素构成的人才培养过程运作模型与组织样式,主要由教育理念、专业设置、课程设置、教学制度、教学组织、教学管理与教育评价等要素构成[17]。多伦多大学办学历史悠久,本文以该校人才培养模式为基底,结合工程教育理论研究成果和工程实践经验,构建包含工程教育理念、工程人才培养方案、工程实践能力培养、工程创新创业教育、工程师资与研究、工程学生自我发展6个维度的定性特征因素分析框架,如图1所示,对两所大学工程人才培养模式进行比较研究。

图1 工程人才培养模式特征因素分析框架

2 工程人才培养模式比较分析

基于上述6个维度,采用定性分析方法,对多伦多大学和滑铁卢大学工程人才培养模式进行比较分析,“同中求异、异中求同”,探索两所大学工程人才培养模式的个性特色与共性特征,以及加拿大一流大学工程教育工程普遍规律和成功经验。

2.1 工程教育理念

多伦多大学工程学院以高标准理论学习和严格的工程技术培训,以及跨学科工程协作研究和体验式学习,辅以丰富的课外活动,激发学生无限潜力,培养未来工程领导者和变革者。工程学院强调工程教育的多样性与国际化,工程专业女学生和国际学生比例超过1/4,不仅能激发学生创造性,还能锻炼沟通技巧,培养学生的国际视野和协作能力[18]。

滑铁卢大学于1957年创立,首批75名学生全部为工程专业,都参加从美国辛辛那提大学引进的合作教育。工程学院秉承将教育和产业结合的教育理念,利用合作教育模式,面向市场和产业界培养应用型人才,培养具有工作经验的工程师[19]。

2.2 工程人才培养方案

多伦多大学工程学院8个本科专业(学制4年)都经过加拿大工程认证委员会认证,有工程应用和工程科学两种项目供学生选择,分别授予应用科学学士学位(Bachelor of Applied Science,简称BASc)和工程科学应用科学学士学位(BASc in EngSci),前者偏向于应用,后者偏向于科学研究,如表1所示。对于有明确专业发展方向学生,可以在工程应用(化学工程、土木工程、电气与计算机工程、工业工程、材料工程、机械工业、矿产工程)中选择某个专业,也可以选择待定(Track One),即在第一学年结束时才确定专业。第一学年各专业所开设课程基本一样,涉及数学、物理、化学、计算机和工程基础等;第二学年开始根据专业选择相应课程;第三学年继续学习专业课程,同时可以选择工程辅修专业或者考取工程证书,或者在本学年结束后加入专业体验年合作教育项目(Professional Experience Year Co-op Program,简称PEY Co-op Program)积累工程实践经验;第四年学年,完成小组课程设计与毕业论文。

表1 多伦多大学工程专业培养方案

立志于从事工程科学研究的学生,可以选择工程科学专业。该项目前两年是基础学年,将会学习更多更深的工程、数学、科学、物理、化学、计算和人文等课程;第三学年从航空航天工程、生物医学系统工程、电气与计算机工程、能源系统工程、工程数学、统计与金融、工程物理、机器智能、机器人技术课程中选择一个专业继续学习,或者在本学年结束后加入专业体验年合作教育项目;第四学年课程安排与工程应用项目基本相同。除理论学习以外,工程学院学生都需要累积至少600 h实践经验,才能申请相应学位[20]。此外,多伦多大学工程学院将工程主修专业与选修专业及工程执业证书相结合。除了主修专业以外,工程学院学生还可以参加10种工程辅修专业(Engineering Minors)和考取11种相关工程执业证书(Engineering Certificates),甚至选择其他学院辅修课程。

滑铁卢大学工程学院15个本科专业,经过加拿大工程认证委员会认证,全部采用合作教育培养,每年为学生安排7 600多个合作教育岗位。合作教育项目以学习学期开始,工作学期穿插其间,工作岗位都是带薪全职。每学年有秋季学期(9-12月)、冬季学期(1-4月)和夏季学期(5-8月)3个学期,每个学期4个月时间。第一学年秋季和春季两个学期在学校进行理论学习,夏季学期是唯一假期。第二学年秋季学期或春季学期开始参加合作教育项目,其后每学期将课堂学习与企业工作交替进行,直至完成共5次轮替,最后以学校理论学习结束,满足各项要求授予应用科学学士学位(BASc)如表2所示。总之,学生取得工程学位需要5年时间,完成8个学期的校园学习和5个学期的企业工作,即完成常规4年学校理论学习,同时具有2年企业工作经验,还获得一定工作报酬。除了上述15个工程专业以外,工程学院学生还可以选修(Options)其他方向课程(5～8门),如果希望辅修第二专业(Major),则需要到其他院同意,需要额外完成至少10门课程[21]。

表2 滑铁卢大学工程学院合作教育轮替安排

2.3 工程实践能力培养

多伦多大学工程学院将“做中学”(Learn by doing)体验式学习理念和方法贯穿到工程人才培养全过程,体现在前沿研究、企业项目和课外课程中,培养学生专业精神、创新创业能力、全球视野和领导力。工程学院体验式学习项目主要有 “专业体验年合作教育”“暑期研究” “工程创业中心” “工程领导力”等项目。

专业体验年合作教育项目是多伦多大学工程实践特色项目,已有40多年历史,得到合作企业、学生广泛好评。该项目由工程职业中心负责,是一项将校园学习与企业工作结合的学习计划,旨在帮助学生获得有偿且有意义的工作经验。学生可以选择在第二学年结束后,参加为期4个月的暑假合作教育项目,或者在第三学年结束后,参加为期12～16个月的合作教育项目。学生必须是全职工作,而且有工资报酬,称为工作学期,结束后学生回到学校完成剩余课程学习。完成合作教育项目的学生自动认定满足实践学时要求[22]。

滑铁卢大学工程学院通过合作教育(Co-op)、顶峰设计(Capstone Design)、创业(Entrepreneurship)等项目培养学生工程实践能力。滑铁卢大学自1957年成立伊始,就将合作教育引入并不断发展完善,作为学校主要教学模式。经过不断发展与完善,如今滑铁卢大学合作教育成为加拿大乃至世界典范,也称为“滑铁卢大学模式”。滑铁卢大学合作教育是将学校理论学习与企业工作经验相结合的一种教学模式,该模式利用学校和企业两种不同的教育环境和教育资源,培养应用型人才。工程学院各专业学生都需要参加合作教育项目,也需要完成顶峰设计才能申请工程学位。顶峰设计为滑铁卢工程专业的学生提供独特的机会来构思和设计与其所选学科相关的项目。学生4人一组,应用在课堂和合作教育条件下学到的知识与技能,亲身体验团队合作、项目管理、研究和开发等过程[23]。

2.4 工程创新创业教育

随着工程项目越来越复杂化和国际化,对未来工程人员创新创业能力提出更高要求。2018年,多伦多大学工程学院设立创新创业实践平台——迈哈尔工程创新和创业中心(Myhal Centre for Engineering Innovation &Entrepreneurship),旨在促进研究人员、学生、行业合作和校友之间合作,激发新思想并促进创新与创业,开启工程教育和研究新领域。该中心包括:跨学科工程教育与实践研究所(ISTEP)、创业孵化场(The Entrepreneurship Hatchery , 简称TEH)、分析与人工智能工程中心(CARTE)、全球工程中心(CGEN)、特罗斯特工程领导力教育研究所(Troost ILead)、 多学科设计与创新研究所(UT-IMDI)等[24]。创业孵化场是工程学院师生创新创业孵化器和加速器。在创业孵化器里可以建立团队、设立公司和解决创业问题。自2012 年成立以来,创业孵化场已成功孵化 96 家初创公司,募资超过 9.5亿加元,约占全校设立初创公司的1/5。此外,工程学院跨学科工程教育与实践研究所,整合学院在教学创新和跨学科工程教育方面的优势,培养工程领导者,以满足未来世界对工程师的期望与要求。该研究所主要负责:本科生工程商科辅修课程;研究生工程教育课程;创新创业本科证书。在学校层面,多伦多大学致力于成为世界闻名的研究型和创业型大学,注重知识产权保护。在创新创业教育方面,倡导师生积极参加创新创业活动,鼓励研究者将发明创造进行商业化或者创业,实现社会与经济价值,促进研究持续发展。

滑铁卢大学通过颁布支持创新创业政策,建立相应机制与体制,形成完善的创新创业教育生态系统,孕育滑铁卢大学及工程学院创新创业人才培养与实践活动。康拉德创业和商业学院(Conrad School of Entrepreneurship and Business)就设立在工程学院,专门负责全校本科生和研究生创新创业课程和学位项目,运用体验式教学模式,学生在课程学习过程中参与创新创业活动,获得实践经验。专为工程学院学生提供的创新创业项目和奖项有三项:企业家学生桥梁项目(Bridging Entrepreneurs to Students)、工程中创业辅修(Entrepreneurship Option in Engineering)和顶峰毕业设计奖(Capstone fourth-year design project award)。滑铁卢大学创造性地将科技创新创业与学生宿舍生活相结合,设立速度之城(VeloCity)孵化器。速度之城孵化器已帮助学生设立300多家初创公司,获得超过10亿加元投资,其中来自工程学院的初创公司最多。以戴维·约翰斯顿科技园(the David Johnston Research + Technology Park)和企业加速器中心(the Accelerator Centre)作为初创公司发展壮大的基地和推力器[25]。

2.5 工程师资与研究

多伦多大学定位为研究型大学,工程学院设立9个系(研究所)、8个本科专业、25个跨学科研究中心,研究领域主要涉及先进制造研究、数据分析与人工智能、人类健康研究、机器人研究、可持续性研究、水研究6个创新集群(Innovation Clusters),工程学院排名稳居加拿大第一。工程学院现有研究人员超过277人(其中125位首席科学家和教授)、管理和技术人员361人、每年研究经费超过1亿加元。工程学院与工业界建立广泛联系,和超过400家国内外工程企业建立合作关系,2021年从工业界获得科研经费超过2 000万加元。2020年,工程学院教师以占加拿大工程类教师5.4%份额,获得国际、国家和地区40个奖项,占加拿大工程类全部奖项的25%[26]。

滑铁卢大学定位为综合性大学,工程学院是学校最大学院,设立8个系、15个本科专业、18个研究中心,研究领域主要涉及自动驾驶、生物医学工程、网络安全、区块链、人工智能、纳米技术、机器视觉、无线通信和网络、水研究等。工程学院现有研究人员320人,管理和技术人员243人,2021年研究经费超过8 600万加元。工程学院与近 800 家加拿大公司和 300 家国际公司以及世界众多一流大学建立合作关系,2021年从工业界获得科研经费超过3 000万加元[27]。

2.6 工程学生自我发展

促进工程学院学生发展的不仅有学术讲座和实验室,还有各种校园俱乐部和学生团体。他们既是学生开展生活、娱乐、交友活动的场所,也是学生发展的舞台。除了多伦多大学全校性质的学生俱乐部和团体以外,工程学院还有75个学生俱乐部和社团,如工程学生会(Engineering Society)、各学科专业俱乐部(Discipline-specific Clubs)、工程领导力、工程创业中心、设计团队(Design Teams)等[28]。工程学生会成立于1885 年,是多伦多大学工程学院学生会,主要从事工程学术宣传,为学生提供各种服务活动。设计俱乐部中最为知名的是多伦多大学蓝天太阳能赛车队,该团队成立于1995 年,由学生为主导团队,以设计、建造和驾驶太阳能汽车为目标。该团队第 10 代太阳能汽车Viridian,成功参加了2019 年世界太阳能汽车挑战赛。

滑铁卢大学工程学院具有特色的校园俱乐部和学生社团有学生设计中心(Sedra Student Design Centre)、滑铁卢工程协会(Waterloo Engineering Society)、滑铁卢建筑学生协会(Waterloo Architecture Student Association)等[29]。学生设计中心,拥有 30 多个学生竞赛团队,设计领域涉及太阳能汽车、自动驾驶帆船等。加入学生设计团队是拓展专业并结识各种不同学科和年龄工程师的好方法。

3 结论与启示

3.1 研究结论

由上述具体比较分析可知,多伦多大学和滑铁卢大学的工程人才培养,彰显了两所世界一流大学工程人才培养模式的个性特色与共性特征。从总体来看,两所世界一流大学工程人才培养模式六个维度都比较完备,多伦多大学和滑铁卢大学工程人才培养模式具有共同特征:①工程人才培养以回归工程实践为主流范式,合作教育是主要教学模式;②工程人才培养以学生为中心,强调工程实践能力、创新创业能力培养。

同时,两所大学工程人才培养模式特征因素稍略有不同,说明工程人才培养各具特色。首先,多伦多大学致力于成为创新型和创业型大学,工程学院秉持工程无国界教育理念,通过搭建实践平台,培养学生工程实践能力,鼓励将发明创造进行商业化,造福人类生活和促进社会发展,其工程人才培养模式可以概况为“以体验式教学培养未来工程领导者和变革者”;其次,滑铁卢大学致力于成为创新型综合性大学,工程学院始终贯彻教育与产业结合的教育理念,工程专业学生全部参加合作教育,通过在企业工作,积累工程实践经验,培养学生工程实践能力,其工程人才培养模式可以概括为以合作教育培养具有实践经验的工程师。

通过构建包含工程教育理念、工程人才培养方案、工程实践能力培养、工程创新创业教育、工程师资与研究、工程学生自我发展六个维度的定性特征因素分析框架,对多伦多大学和滑铁卢大学工程人才培养模式开展比较研究,结果表明加拿大一流大学工程人才培养模式具有个性特色和共性特征。加拿大一流大学工程教育和人才培养经验值得我国高等工程教育借鉴参考。

3.2 管理启示

3.2.1 工程教育回归工程实践,培养产业所需工程人才

改革开发40多年,我国工程教育历经“恢复调整、调整发展、规模扩张、质量提升”4个阶段,工程教育实际处于科学范式,偏重科学知识传授,轻视工程实践能力培养,导致工程教育与产业需求分离,工程教育理念、工程人才培养模式、工程人才培养质量等滞后于科技革命和产业变革[30]。我国工程教育目前所面临的问题,欧美发达国家工程教育界曾经同样遭遇[31]。20世纪80年代以MIT为代表的美国工程教育界,反思工程教育科学范式,提出工程教育回归工程实践的教育理念。查理斯·维斯特[32]指出,工程教育必须回归工程实践,不是回到工程技术范式,而是在新的时代背景下强调工程的整体性、综合性和跨学科性的实践本质[32]。

工程教育回归工程实践的重要标志是产学合作育人。产学合作育人最典型代表就是合作教育,该模式是教育机构与企业共同培养既具有理论知识又具有实践经验的工程人才。100年以前,该模式在美国辛辛那提大学工程学院试点成功,逐步推广到其他专业、大学和国家,其科学性和普适性不断得到证实[33]。滑铁卢大学工程学院全部采用合作教育模式培养工程人才,受到社会广泛好评;多伦多大学工程学院采用体验式教学模式(包括合作教育形式)培养工程人才,也取得良好效果。目前,全世界已有超过千所大学采用合作教育模式培养工程人才,主要分布在美国和加拿大。通过中外合作办学,重庆大学与辛辛那提大学合作,2013年设立重庆大学-辛辛那提大学联合学院(Joint Co-op Institute),在国内试点采用合作教育模式培养工程人才,5年后首批学生顺利毕业,培养质量得到用人单位认可。2014年,教育部启动产学合作协同育人项目,通过政府搭建舞台、企业提供支持、高校全力对接、产教融合共建共享,促进教育链、人才链与产业链、创新链有机衔接,以科技革命和产业变革所需推动大学人才培养改革,启动以来取得较好效果。

工程教育理念和范式与科技革命紧密相连[34]。新一轮科技革命和产业变革已经到来,我国工程教育要更新教育理念,真正回归工程实践,加强产教融合,改革机制与体制,创新工程人才培养模式,培养产业所需工程人才,解决供给与需求分离的问题,为经济社会发展提供智力支撑。

3.2.2 工程教育以学生为中心,培养工程人才实践动手能力

工程教育“以学生为中心”是《华盛顿协议》、国际工程认证以及我国工程认证的核心理念和基本要求,新工科建设和改革必须真正落实,将学生和企业满意度作为工程人才培养重要参考依据。影响我国工程教育向“以学生为中心”转变主要原因在于“以教为主”的教学模式盛行,以及工程实践平台缺乏。多伦多大学工程学院设计多种体验式学习项目,让学生在“做中学”,培养学生工程实践能力。滑铁卢大学通过合作教育,联合企业为学生提供工程实践机会和平台,学生全职参与企业实际生产,将学校理论知识应用到生产实践,培养既具有理论水平,又具有实践经验的工程师。

改变“以教为主”的教学模式,培养学生实践动手能力,需要工程师资具有丰富的工程实践经验,这是我国工程教师普遍存在的短板。在工程教育科学范式影响下,我国工程教育师资职称和学历水平均有较大提升,高级职称专任教师及博士学位超过七成,但是教师工程实践能力和经验严重不足,影响学生实践能力培养[35]。在工程师资队伍建设过程中,既要强调理论水平和研究能力,又要考察工程实践能力和经验;推动现有工程教师深入企业挂职或者参与项目合作;聘请具有实践经验的企业技术和管理人才到学校任教,担任产业导师,整体提升工程师资队伍实践能力。

多途径丰富工程实践平台,培养工程人才实践动手能力。合作教育可为学生实践能力培养提供机会和平台,为教师从企业获得科研项目和经费创造条件[33]。工程教育和合作教育都需要认证,保障教学质量和人才培养质量。

3.2.3 工程教育与创新创业教育融合,培养工程人才创新创业能力

随着经济全球化和工程项目大型化,工程实践愈发复杂化和国际化,对工程师专业素养和创新能力提出更高要求。多伦多大学和滑铁卢大学注重工程人才创新创业能力培养,不仅开设创新创业课程和项目,提供创新创业学位,而且建立创新创业人才培养基地,构建创新创业实践平台。从加拿大一流大学工程人才培养来看,创新创业教育主阵地已从商学院向工程学院转移,完成从理论向实践过渡,呈现出创新创业教育与专业教育融合趋势[36]。

我国工程教育要与创新创业教育融合,着力培养工程人才创新创业能力。工程学科是我国优势学科,最有潜力率先迈入世界一流,工程专业学生也是我国高校创新创业实践主力军[37]。把创新精神和创业技能系统融入工程学科、专业和课程设计与教学中,才能形成完整的人才培养体系、课程体系和实践平台。切实提高我国高等工程教育质量,把培养新时代中国特色社会主义建设事业的创新创业型工程人才作为高等工程教育发展的核心目标。