新工科大學(xué)生創(chuàng)新教育的探索

郝婷婷 徐淑玲 黃立新 儲開斌

摘? 要：在新工科的培養(yǎng)目標(biāo)中，創(chuàng)新能力成為對高素質(zhì)復(fù)合型人才的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。工程教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)符合時代需求的工程師。文章針對工程教育和創(chuàng)新人才的關(guān)系，結(jié)合世界各國的優(yōu)秀經(jīng)驗和我國西南聯(lián)大的成功經(jīng)驗，總結(jié)了在我國工科創(chuàng)新教育改革中較為重要的三點分別是增強(qiáng)驅(qū)動力、設(shè)置創(chuàng)新課程和改變教學(xué)方法，基于理論進(jìn)行教學(xué)實踐并給出相應(yīng)分析。

關(guān)鍵詞：新工科；工程教育；創(chuàng)新教育

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）04-0161-04

新工科促進(jìn)了跨學(xué)科交流及產(chǎn)業(yè)的劃分，使得工程教育具有引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性。由此，新工科教育的特征表現(xiàn)為：在課程結(jié)構(gòu)設(shè)置上，特別重視新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)變革帶來的工程學(xué)科的引領(lǐng)性、交融性；在教學(xué)過程中，特別重視新工科專業(yè)明確的培養(yǎng)目標(biāo)和豐富多變的教學(xué)內(nèi)容形成的教學(xué)模式創(chuàng)新性、跨界性；在教學(xué)評價過程中，特別重視把危機(jī)意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力融入工科教學(xué)發(fā)展中的評價標(biāo)準(zhǔn)。

高等教育的教學(xué)理念是伴隨著時代發(fā)展變化的。從改革開放至今，中國始終堅持科教興國戰(zhàn)略，努力發(fā)展中國特色社會主義高等教育模式，在2017年教育部對工程教育提出新工科的概念。“創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。創(chuàng)新的關(guān)鍵在人才，人才的成長靠教育”［1］。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國大學(xué)創(chuàng)新教育在不斷嘗試下已取得很好的發(fā)展，但是在全世界面臨新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的時期，為了圓滿完成“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特點的新工科教育需要注入更多更強(qiáng)的創(chuàng)新活力。

一、新工科教育和創(chuàng)新人才培育

培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程人才是新工科教育的重中之重。新時代對工程師的要求是不僅要有較強(qiáng)的專業(yè)技能，還要有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力，大學(xué)生的創(chuàng)新教育迎來了前所未有的挑戰(zhàn)。哈佛大學(xué)商學(xué)院教授Amabile博士研究得出了產(chǎn)生創(chuàng)新的三大要素：專業(yè)知識、創(chuàng)新思維和驅(qū)動力，并總結(jié)出了三者間的關(guān)系。

創(chuàng)新者的素質(zhì)是可以培育、學(xué)習(xí)和引導(dǎo)的。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和機(jī)會條件下創(chuàng)新者的素質(zhì)可以發(fā)生非常大的改變和提升。其中一個令人矚目的案例就是美國富蘭克林·歐林工學(xué)院的工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。歐林工學(xué)院建立于1997 年，是美國歐林基金會為培養(yǎng)新型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程人才組建的工程學(xué)院。歐林工學(xué)院具有獨特的使命之一是創(chuàng)建工程教育改革的“實驗室”，并在短時間內(nèi)成為美國工程教育的新高地。其畢業(yè)生有前往麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校等名校攻讀研究生的，有在谷歌、蘋果、臉書、亞馬遜等著名公司就業(yè)的且超過25%的畢業(yè)生在兩年后參與創(chuàng)業(yè)活動。2019年在《普林斯頓評論》中獲得最有價值學(xué)院、東北部最佳學(xué)院、最佳實習(xí)第2名和經(jīng)濟(jì)資助第23名，在“學(xué)生最快樂”中排名第14、在“學(xué)生最用功”中排名第4。

創(chuàng)新者素質(zhì)在特殊時期是可以催生和激發(fā)的。二戰(zhàn)以后發(fā)展起來的以色列創(chuàng)新教學(xué)和抗戰(zhàn)時期的西南聯(lián)大引人注目。對于猶太人，漫長歷史中的種種不幸遭遇所鑄就的難以擺脫的憂患意識，沉淀為一種文化基因，形成了猶太教育的獨特風(fēng)格，產(chǎn)生了基于“知識三角”模式的辦學(xué)戰(zhàn)略——教育、研究和創(chuàng)新的以色列理工學(xué)院。我國抗日戰(zhàn)爭時期的西南聯(lián)大，在風(fēng)雨飄搖中培養(yǎng)了2位諾貝爾獎獲得者、4位國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者、8位兩彈一星功勛獎?wù)芦@得者、171位兩院院士及一百多位人文大師［2］。以色列理工學(xué)院和西南聯(lián)大的共同點之一是學(xué)生具有與時代并存的危機(jī)感和憂患意識，這種憂患意識恰是工科創(chuàng)新人才需要具備的基本素質(zhì)，也是學(xué)生科技創(chuàng)新的內(nèi)在驅(qū)動力。

在實現(xiàn)“兩個一百年”目標(biāo)的重要時期，科技創(chuàng)新是強(qiáng)國富民的關(guān)鍵，為實現(xiàn)具有中國特色的工程教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)，需要快速準(zhǔn)確地找到工科創(chuàng)新教育改革的突破點。

二、新工科創(chuàng)新教育改革的突破點

（一）增強(qiáng)學(xué)生的驅(qū)動力，傳承革命精神

驅(qū)動力包括內(nèi)在驅(qū)動力和外在驅(qū)動力，在引導(dǎo)學(xué)生時應(yīng)以提升學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動力為核心，輔助能改變?nèi)诵袨榈耐庠隍?qū)動力。

學(xué)生步入大學(xué)，充滿激情地開啟向往已久的大學(xué)生活，隨著深入地接觸與基礎(chǔ)教育完全不同的自由氛圍后，有的學(xué)生迷茫、放縱自我，而有的學(xué)生目標(biāo)明確、享受自由的氛圍。希望學(xué)生都可以是目標(biāo)明確且享受自由的氛圍，因此在學(xué)生的內(nèi)動力方面，改革的重點是激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，確保每個學(xué)生可以最大程度激發(fā)自己的潛能。為了激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，在培養(yǎng)學(xué)生的過程中以激發(fā)好奇心、增強(qiáng)成就感、培養(yǎng)責(zé)任感和憂患意識為基礎(chǔ)，以學(xué)生篤信自己有美好未來為最終目標(biāo)。

哈佛校長陸登庭曾說過，“如果沒有好奇心和純粹的求知欲為動力，就不可能產(chǎn)生那些對人類和社會具有巨大價值的發(fā)明創(chuàng)造”［3］。好奇心是受多方面因素綜合影響的，作為工程教育工作者，應(yīng)提供有效的學(xué)習(xí)環(huán)境以及開設(shè)有趣的課程來保護(hù)學(xué)生的好奇心，同時盡可能多地從學(xué)生的興趣出發(fā)且利用多方面的資源激發(fā)學(xué)生的好奇心。成就感是激發(fā)學(xué)生主觀能動性的重要因素，不同的學(xué)生對成就感的定義是不一樣的，應(yīng)打造一種有助于滿足其成就感的良好環(huán)境，這個良好環(huán)境包括良好的師生關(guān)系、同學(xué)關(guān)系和各種獎勵之類的外在驅(qū)動力。培養(yǎng)責(zé)任感一直是中華教育的傳統(tǒng)，而危機(jī)意識是總結(jié)以色列和西南聯(lián)大的成功經(jīng)驗，這兩者是相輔相成的，工程教育的改革可以以培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力為導(dǎo)向增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任感，增強(qiáng)競爭機(jī)制及提出新型考核標(biāo)準(zhǔn)來培養(yǎng)學(xué)生的憂患意識。課程和制度改革僅僅是促進(jìn)行為養(yǎng)成的方式，工程教育要傳承歷史使命，傳承革命精神，進(jìn)行紅色教育，培養(yǎng)學(xué)生憂國憂民的大局意識。此外，可以聯(lián)合社會和企業(yè)的力量，幫助學(xué)生及時了解時代發(fā)展，把握行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)，做到樹立學(xué)生正確的人生觀價值觀世界觀，幫助學(xué)生樹立遠(yuǎn)大的目標(biāo)。

當(dāng)學(xué)生的好奇心得到保護(hù)和激發(fā)，獲得前所未有的成就感，同時具有強(qiáng)烈的責(zé)任感和社會使命時，自信且有創(chuàng)造力的新一代工程師便會應(yīng)運而生。

（二）設(shè)置創(chuàng)新課程，滿足新工科教育的學(xué)科交叉

1. 攻克項目教學(xué)開展難點

美國工程教育的探索一直遙遙領(lǐng)先，麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、歐林工學(xué)院等走在改革最前線的名校不約而同地提出了項目課程以實現(xiàn)課程內(nèi)容重構(gòu)。

從新工科定義提出后，教育工作者一直在改革的路上不辭勞苦地嘗試，在交流中，很多學(xué)校已經(jīng)開展了項目課程，比如香港科技大學(xué)、重慶大學(xué)等。項目課程不僅可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力或集成思維能力，還可以有效地促進(jìn)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。同時，當(dāng)項目課建立在校企合作的平臺時，可以很好地激發(fā)學(xué)生的好奇心，使得學(xué)生獲得前所未有的成就感。項目課程也存在一些問題，學(xué)生層面而言，存在知識碎片化、學(xué)習(xí)方法轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)等問題，教師層面的問題包括課程選擇的覆蓋面、備課的難度、職稱的評定、學(xué)生的評價標(biāo)準(zhǔn)體系是否合理等，學(xué)校層面面臨項目課程是否有強(qiáng)大的資金支持以及來自各方壓力等。

在學(xué)校的大力支持下，在嘗試項目課程的時候，試圖用不同的方法進(jìn)行難點攻克，甚至有些問題已經(jīng)得到較好的解決。在項目課結(jié)束后，加入教師總結(jié)梳理環(huán)節(jié)解決學(xué)生知識碎片化難題，在課程選擇覆蓋面上首先開展較為成熟的項目課程，在嘗試中總結(jié)經(jīng)驗并通過課程討論、分工教學(xué)的方法以及提供教師學(xué)習(xí)機(jī)會來降低備課難度。目前學(xué)院已經(jīng)生成了五項項目課程，并完成了第一輪的課程迭代。項目課程的完善還有很長的路要走，始終秉持大膽嘗試、在嘗試中查漏補(bǔ)缺、在失敗中總結(jié)經(jīng)驗的思路，最終必迎來全面的成功。

2. 建設(shè)特色基礎(chǔ)學(xué)科課程

專業(yè)知識的學(xué)習(xí)決定著新工程教育改革的成功。目前在新工科的建設(shè)中，很多改革者選擇合并、重新安排課程，然而對于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)自然學(xué)科的改革問題通過簡單的合并重排方法并不能完全滿足創(chuàng)新思維培養(yǎng)中對專業(yè)知識的要求。創(chuàng)新思維的擁有者不僅要有完善的知識體系，還要在關(guān)鍵時候解決在不同情境下“專業(yè)知識產(chǎn)生需要多少，什么時候需要，以及如何獲取”的難題。

赫巴特曾說“數(shù)學(xué)一般通過直接激發(fā)創(chuàng)造精神和活躍思維的方法來提供最佳服務(wù)”，創(chuàng)新教育的改革離不開數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的改革［4］。我國傳統(tǒng)的工科數(shù)學(xué)教學(xué)是在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上根據(jù)實際需要不斷地增加和引入，隨著時代的發(fā)展，這樣的教學(xué)內(nèi)容覆蓋面廣，但存在重經(jīng)典、輕現(xiàn)代，并不完全符合時代的需要的問題，在這種課程的安排下，數(shù)學(xué)教學(xué)的周期長，教學(xué)難度高；學(xué)生在應(yīng)用過程中力不從心，因此單純地拓寬數(shù)學(xué)的知識面是不夠的。從數(shù)學(xué)的發(fā)展史看，數(shù)學(xué)反映了人們積極進(jìn)取的意志、縝密周詳?shù)耐评硪约皩ν昝谰辰绲淖非?，一切?shù)學(xué)的發(fā)展均源于實際，理論一旦在實際需要中出現(xiàn)，就不可避免地會使它自身獲得發(fā)展的動力，目前基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)與教學(xué)傾向于純粹性和抽象性的一側(cè)，但數(shù)學(xué)科學(xué)在本質(zhì)上是革命的，是不斷更新、發(fā)展的，我國傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)過程在純粹數(shù)學(xué)和具有活力的應(yīng)用之間產(chǎn)生了不幸的分離［5］。目前數(shù)學(xué)建模大賽是鍛煉數(shù)學(xué)思維的一個重要形式，數(shù)學(xué)建模過程本身是一個創(chuàng)新過程，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。數(shù)學(xué)建模問題從實際中來，但結(jié)論過于理論性不能用于實際生產(chǎn)，純粹數(shù)學(xué)和具有活力的應(yīng)用之間沒有形成完美的結(jié)合，不能完全彌補(bǔ)課程內(nèi)容偏離實際的問題。

歐林工學(xué)院新生必修的兩門課程Quantitative Engineering Analysis（QEA，相當(dāng)于4門課），通過真實的案例來學(xué)習(xí)各種進(jìn)行定量工程分析的方法，涉及的課程包含大學(xué)物理，微積分、線性代數(shù)、概率論與統(tǒng)計等數(shù)學(xué)課程，該課程注重跨學(xué)科和人文社科知識的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)團(tuán)隊合作能力、終身學(xué)習(xí)能力和動手解決問題能力，提升學(xué)生運用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的能力。相較于傳統(tǒng)工科教學(xué)，QEA課程在真實的案例中學(xué)習(xí)鞏固知識，恰好彌補(bǔ)了課程內(nèi)容偏離實際的問題，使得數(shù)學(xué)物理教學(xué)不僅僅是知識的傳授，更傳遞了基礎(chǔ)學(xué)科的思想和精神實質(zhì)。

3. 增加跨學(xué)科和人文社科知識課程

在歐林工學(xué)院提出的工程師應(yīng)該具備的五種思維中，跨學(xué)科思維和全球思維引起關(guān)注。注重跨學(xué)科和人文社科知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該列入新工科學(xué)生的評價標(biāo)準(zhǔn)體系，目前我國已有很多教育工作者研究了該體系的建設(shè)。該類課程的設(shè)置可以邀請知名的專家講座，也可以將人文社科內(nèi)容進(jìn)行加工整合作為學(xué)生的必修課。在條件較為局限時，可以將人文社科教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的權(quán)利還給學(xué)生。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好，選擇自己喜歡的跨學(xué)科和人文社科知識的公開課及紀(jì)錄片等資源在課堂上分享，同時學(xué)院可以建立共享模式，促進(jìn)教師和各年級學(xué)生長期的共同學(xué)習(xí)。

（三）新工科教學(xué)模式改革，提高工程教學(xué)的質(zhì)量

新工科專業(yè)明確的培養(yǎng)目標(biāo)和豐富多變的教學(xué)內(nèi)容要求新一輪的教學(xué)方式改革，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)法提高了學(xué)習(xí)的效率和寬度。但隨著信息化的發(fā)展，工程教學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)是如何讓學(xué)生學(xué)會根據(jù)需要發(fā)現(xiàn)問題、找到解決問題的知識并消化應(yīng)用知識。對于具有難度的傳統(tǒng)課程，壓縮傳統(tǒng)課程教學(xué)時間，補(bǔ)充類似QEA的課程，通過動手實驗、啟發(fā)式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、失敗分析等方法培養(yǎng)融合與應(yīng)用多學(xué)科知識的能力。對于較為容易學(xué)習(xí)的課程，以學(xué)生為中心，提出問題并引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)解決問題，或者在項目課中以動手設(shè)計和制作為主、教師啟發(fā)引導(dǎo)為輔的形式展開。希望在嘗試教學(xué)方法改革的過程中，學(xué)生可以自定專業(yè)、自己選擇課外活動以及追隨自己的職業(yè)興趣。

三、新工科創(chuàng)新教育的實踐

根據(jù)以上分析，在我國工科創(chuàng)新教育改革中較為重要的三點分別是增強(qiáng)驅(qū)動力、設(shè)置創(chuàng)新課程和改變教學(xué)方法。為了驗證理論，高校圍繞這三點打造了符合國情的項目課程體系和基礎(chǔ)課程重建。

針對項目課程，機(jī)械、電子信息、軟件工程專業(yè)混合招生，形成了覆蓋科學(xué)與工程類項目、工程原理類項目、系統(tǒng)集成項目、復(fù)雜工程項目和綜合工程項目的項目課程體系，通過校企合作建設(shè)特色培養(yǎng)體系，構(gòu)建以培養(yǎng)高素質(zhì)工程師和企業(yè)家為目標(biāo)、包含階梯性的柔性課程體系以及學(xué)校教師和企業(yè)專家的教學(xué)團(tuán)隊，借助多種教學(xué)方法，強(qiáng)化人才培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)過程和培養(yǎng)質(zhì)量等教學(xué)質(zhì)量監(jiān)督方法。

對于基礎(chǔ)課程重建，進(jìn)行QEA課程的學(xué)習(xí)實踐。例如選擇的課題是按要求制造一艘小船，這個課程需要運用微積分和數(shù)值積分及船舶靜力學(xué)等知識。利用暑期對大一的學(xué)生開展此項課程，絕大部分學(xué)生是第一次參加項目課程。在課程內(nèi)容方面，學(xué)生已學(xué)過微積分，課程的設(shè)置可以鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的能力，其次，學(xué)生并沒有接觸過數(shù)值積分，需要引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，解決問題。同時，船舶靜力學(xué)是一門完全陌生的課程，學(xué)生需要在全新未知的領(lǐng)域解決問題，課程的設(shè)置符合創(chuàng)新教育的目標(biāo)。在課程的實踐過程中，學(xué)生希望盡可能多地學(xué)習(xí)歐林經(jīng)驗和歐林思想。考慮到兩國的基本國情不一致，在歐林課程設(shè)置的基礎(chǔ)上對教學(xué)的基礎(chǔ)知識內(nèi)容進(jìn)行修改。首先要求學(xué)生在兩小時內(nèi)制造一艘達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的船，通過失敗分析，在學(xué)生的心中種下定量分析的種子，通過動手實驗、啟發(fā)式學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等方法實踐了歐林QEA課程的基本框架。課后針對學(xué)生在QEA課程中遇到的“搭便車”成員、交流能力、專業(yè)知識和技術(shù)不足，團(tuán)隊協(xié)作對QEA完成影響程度及QEA課程的最大收獲等問題做了問卷調(diào)查。

盡管課程設(shè)置只需要少量的知識補(bǔ)充且安排了教師講授環(huán)節(jié)，但是學(xué)生在課程中遇到的最大困難依然是專業(yè)知識和技術(shù)不足。這個現(xiàn)象體現(xiàn)了學(xué)生在短時間內(nèi)快速消化知識的能力不足，但也體現(xiàn)了課程的設(shè)置提升了學(xué)生對知識的渴望度。在問卷結(jié)果中有學(xué)生認(rèn)為團(tuán)隊協(xié)作能力影響較小且多數(shù)人并未選擇團(tuán)隊協(xié)作對QEA完成影響程度很大。團(tuán)隊合作能力的培養(yǎng)是一個過程，后續(xù)課程的設(shè)置需要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對團(tuán)隊協(xié)作能力認(rèn)可且有意識地培養(yǎng)學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)能力。學(xué)生普遍反映QEA課程收獲頗豐，很多同學(xué)表示課程提高了自己的科研能力、獲取新知識的能力、溝通表達(dá)能力和發(fā)現(xiàn)問題的能力。

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（責(zé)任編輯：羅欣）