理论教学中培养大学生工程思维能力的探索

2016-12-16丁中建

滁州学院学报 2016年5期

丁中建

理论教学中培养大学生工程思维能力的探索

丁中建

大学生工程思维能力的培养是应用型本科院校教学改革的热点之一。通过对专业理论教学中培养大学生工程思维能力的可能性和理论基础的分析，提出了了双通道教学模式。介绍了双通道教学模式的设计原则和方法，并讨论了新教学模式与教师知识结构、教学目标、教学技能间关系，为应用型本科高校课程体系改革提供了理论和实践的参考模式。

课程改革；工程思维能力；基础理论课；教学模式设计

应用型本科高校的职能是为区域经济建设和社会发展培养高级应用型人才[1]。这些高级应用型人才的特点是能够理论联系实际将知识应用于实际的人才,其本质是学以致用，“用”的基础是掌握知识与能力，“用”的对象是社会实践，“用”的目的是满足社会需求[2]。形象地说，就是培养行业中“师”字号高级专门人才，如工程师、律师等。

2015年5月8日国务院公布了《中国制造2025》战略规划。制造业的发展必然需要大量合格的工程技术人才。应用型本科院校的工科专业能否培养出合格的专业理论扎实、实践应用能力强的工程人才——工程师，这是我们的使命。美国工程与技术鉴定委员会推出的“工程标准2000”(Engineering Criteria 2000,EC2000)强调学生在大学期间为进入工程职业所作的准备：是否具备了从事工程活动的知识、能力和素养，能否适应实际工程和社会变化的需要，是否受到产业界的认可等[3]。若要达到EC2000标准，大学生应具备以工程的眼光去判断、分析和解决工程性问题的能力，这种能力就是工程思维能力。

如何培养大学生的工程思维能力？华中科技大学在教改中引入美国的主流工程教育教学模式(CDIO)。CDIO核心是“在做中学”，即通过不同层次的项目实践活动，让学生获得应用工程科学技术知识设计产品的能力和制作产品、系统的能力[3]。吴鸣等也认为CDIO 工程教育模式能够有效的帮助学生提供工程能力[4]。陈彪韦提出加强实践教学重视综合性训练的思路[5]。祝海林提出培养学生的工程能力首先要解决学生难以直接接触实际生产的过程，建议分初级、中级、高级三个层次，从初期的实习到最终开展设计性实验、综合性实验，从而加强学生的工程能力的培养和训练[6]。目前，相关的教改基本都聚焦在如何通过工程实践活动来提高学生的工程能力。这种思路是完全正确的，因为工程科学本身就是实践科学，学习和提高的最好办法就是去“动动手”，但我们也要考虑到在高校的教学体系中不仅有实践教学，还有大量的理论教学。如何在专业理论教学中(在教室中)培养大学生建立工程思维能力，这需要我们探索新的教学方法。

1 教学模式创新的理论基础

波普尔的科学发展模式[7]：

P1→TT1→EE1→P2→ TT2→EE2→ P3……

对应到工程问题的解决过程就是:P1:(发现工程问题)，TT1(分析可能的影响因素)、EE1(通过对这些影响因素反驳、证伪、试错和纠错)、P2:(为解决问题，可能带来的新工程问题)，……。

波普尔的科学发展模式也符合人类的求知的规律，即当人遇到问题并希望能够解决问题时，就推动他们去思索问题的答案，在不断去伪求真的过程中，加深对知识的理解，获取了解决问题所需要的知识。我们认为这种模式顺应了学生学习的规律，可以激起学生学习的主动性，促使学生的大脑随着问题的探索而积极运转起来。

据此，我们设计出“提出工程性问题(P1)——结合理论教学内容，分析各种可能的影响因素(TT1)——结合理论教学内容，分析排除非或次要因素，寻求解决方案(EE1)”的教学模式。学生在理论学习的过程中会经历这种分析、解决问题的训练。课程体系中有许多理论知识点，这意味着学生会反复体验这种训练。依据心理学原理，反复的过程会形成习惯。

2 教学模式的设计

为了能在理论教学中帮助学生建立起必要的工程思维方式，我们必须对目前“以教师为中心、以教材为中心”传统的教学模式进行改革。

2.1 教学模式设计的原则

(1)寻找理论性的知识点与实际工程问题及影响因素的结合点。

(2)依据“提出工程性问题(P1)和可能的影响因素(TT1)——通过分析各种影响因素，完成教学内容——通过对各因素的分析、排除及寻求解决方案的过程(EE1)流程安排教学内容。

(3)教学操作程序设计时，我们提出了教学过程的双通道模式。从问题的提出和影响因素的分析到传授知识为正向通道；运用新学的知识进行各因素分析和寻求解决方案为反向通道。正向通过的目的是通过问题、影响因素把学生引向到教学大纲规定的知识点学习；反向通道的目的是加深和巩固对新知识的理解和应用。两个通道的运用不要拘泥于完成正向后才能进行反向的程序，而是应该根据课程讲解的需要和学生对知识理解程度在两个通道间调整，最终目的是实现最佳教学效果。

标准化是实施模块化的基础和目标之一.模块化也是标准化的一种新形式,它是标准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化等理论的综合运用,是标准化的高级形式.

(4)工程性问题和相关影响因素的设计一定要来源于工程实践。当前在校大学生严重缺乏工程背景知识，如果我们在课堂教学中再不提供相关的工程知识，不能提出真正的工程问题，那么培养所谓具有工程思维的大学生是一句空话。当然问题的设计也不能脱离教学大纲内容，毕竟我们是要完成基础理论教学的。

2.2 理论教学模式的形式

2.2.1 教学过程的双通道模式如图1所示。

图1 双通道教学模式结构图

从图1我们可以看到，在教学内容设计中，我们可将一些理论性知识点以工程问题的形式反映出来。当我们按正向通道由工程问题引导到影响因素并对各因素讨论时，知识点的内容和常用工程分析方法同时被讲授；当我们以反向通道，运用所需知识解决工程问题时，新学的知识和方法被复习和巩固；当我们把正反向连在一起，就实现了对学生分析和解决问题的能力的培养，由此学生的工程思维形成。

例如：公司的某产品质量不达标，查找原因发现是由于原料A单位时间投料量不够导致的。现在要解决的“工程问题”是如何“如何保证原料A的单位时间投料量？”。我们参照表1所示的双通道教学模式结构设计具体的教学模式。

2.2.2 整个课程内容的架构。我们可结合某产品生产工艺流程，将整个课程内容以知识模块方式联系起来，这就构成了课程体系树图。这幅图具有强烈的工程背景，可在教学过程的不同阶段，依据教学需要适时展示给学生，让学习变得更形象、更易理解，目的性也越强。

例如，《化工原理》全课程内容设计时，我们可先介绍合成氨复杂的工艺流程，然后将其分解为数个操作单元(无论多复杂的工艺也是有操作单元构成的)，再将操作单元归纳为“三传一反”的知识模块，在每个模块中，又可分解为数个知识点，那么《化工原理》课程许多章节以知识模块形式连接在一起形成课程体系树。以此树的逻辑关系展开每堂课的教学活动，使我们的教学活动处于层次展开、环环相连的状态。

3 在新教学模式设计和实施过程中应处理好几个关系

作为应用型高校教师，没有从事工程专业所应有的基本能力和经验，很难想象他能有效的设计和实施上述的教学模式。目前我们高校大部分教师都是从学校到学校，基本没有工程经历，更谈不上工程技能和经验。国家主管部门和高校提出诸多的改进措施，但收效甚微。究其原因，1、由于工厂环境和条件较差问题，教师主观上不愿意较长期沉淀于生产现场；2、企业对来挂职锻炼的教师当作客人对待。挂职教师没有具体职责和压力，处理实际问题的机会也少。笔者曾在工厂工作近15年，每天不得不设法解决各种生产技术问题(这是职责)。就在这种压力下，分析问题解决问题的能力得到潜移默化的提高。

表1 双通道知识点教学模式在“流体输送”教学中的运用

要解决教师工程知识结构不合理问题，笔者认为可从三方面来解决：1、是教师务必从职业道德的高度认识改进自身知识结构的紧迫性。工人出次品是少数，而教师出次品是批量性；2、在教学模式设计中，充分利用教师丰富的教学经验和工程技术人员丰富的工程经验。主讲教师要与经验丰富的企业工程技术人员合作，且形成制度。3、改革高校的人事制度，让教师能真正走进工厂，同时让经验丰富且适合教学的工程师进入学校。

3.2 新教学模式服务于教学目的和内容

当我们谈到教学之初先提出工程问题作引导时，熟悉当前教改的人可能会立即想到比较热门的“问题导向教学法”。在这类教改中，笔者认为存在着形式大于内容的现象。这些教改为了突出问题导向，有选择的删减教学内容，让教学内容去配合问题讲解。

而在我们的教改中，我们强调教学模式必须服务于教学目的和内容。模式设计的工程问题或因素必须满足两个条件：1、工程问题或因素是教学大纲规定的理论性知识点以工程形式的反映；2、涵盖大纲规定的所有知识点。模式实施的过程中，两个通道如何进行应根据学生对所讲授知识的接受程度来灵活安排。

例如：模式中提出的“控制进料口原料流量”问题，实际是流体连续性方程和柏努力方程这两个理论知识以工程问题形式的反映。

3.3 教学技能是模式实施效果的保证

教学是一门艺术。无论多好的设计，没有好的教学技能相配合，也无济于事。在具体教学模式实施中，运用娴熟的语言技巧对工程问题、因素进行描述、分析，能使教学到达事半功倍的效果。合理地控制教学节奏，引导学生思维层层递进也是教师教学技能的体现。

3.4 改革传统的教学效果评价模式

传统的教学评价是基于知识掌握程度的考核，通过试卷评分来评价教师教学效果和学生知识掌握的程度。对于学生工程思维能力培养的效果，显然这种近似于教条的评价模式无法准确反映。创新与新教学模式相适应的评价体系是我们面临的下一个课题。

[1] 王荣德. 新建本科院校应用型人才培养体系的构建与实践[J].高等工程教育研究,2011(6):103-106.

[2] 吴中江，黄成亮.应用型人才内涵及应用型本科人才培养[J].高等工程教育研究,2014(2):66-70.

[3] 李培根,许晓东,陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究,2012(3):1-6.

[4] 吴鸣，熊光晶.以工程能力培养为导向的工程教育改革研究[J].理工高教研究，2010，29(3)：54-59.