基于工程范式的工程教育理论与实践刍议

王胜春 林松柏 王晓伟 靳同红

[摘 要] 工程教育越来越强调对学生实践与创新等应用能力的培养。工程范式是有效解决工程教育中重知识传授向能力培养转换的一种教育理论。基于这一范式，工程教育须变革传统的教育理念，按照新的技术路线重构毕业要求、课程体系和课程目标。在教学实施过程中，教学内容要根据课程目标进行重构，将知识与能力、经典与前沿有机整合，实现新旧知识的衔接;同时，还要改革传统的教学方法，采用体现应用和探究特点的新的教学方法，实现知识向能力的转化。

[关键词] 工程范式;工程教育;重构

[基金项目] 2020—2022年山东省教育厅研究生教育质量提升计划项目“机械优化设计优质课程”（SDYKC19114）

[作者简介] 王胜春（1968—），女，山东邹平人，博士，山东建筑大学机电工程学院教授，主要从事机械设计及理论、工程教育研究。

[中图分类号] G642.41   [文献标识码] A  [文章编号] 1674-9324（2021）38-0026-04   [收稿日期] 2021-01-16

随着高等教育的转型，高校人才培养也从强调知识型人才向强调实践与创新型人才转变在工程教育领域，传统的教育理论是建立在知识核心基础上的，可以称为知识范式的教育理论。这种范式指导下的人才培养过程中以知识为主线，教师教知识、学生学知识、考试考知识，容易导致学生理论学习与实践创新的脱节，实践能力和创新能力比较薄弱。为了解决这一问题，从根本上提高高等工程教育质量，一种新的教育范式——工程范式的工程教育理论被提出[1，2]。这种工程范式的基本内容是：按照工程属性即实践性、综合性、创新性和社会性确定培养目标，然后根据培养目标确定毕业要求，再根据毕业要求反推课程体系、重构教学内容，采用相应的教学方法实施教学，进而改革课程的考核评价方式，保障人才培养质量的提高。

一、传统知识范式教育理论指导下的课程教学存在的问题

传统的知识范式是以知识为主线，根据学科知识的系统性、完整性和理论性来构建课程体系，课程的教学目标聚焦学生对知识的系统理解和掌握，对应的教学方法是以课堂讲授为主，强调教师的主导地位和作用，学生以被动学习、知识记忆为主。在这种理论指导下，课程教学过程中存在很多问题，已经严重影响对学生实践与创新能力的培养，特别是在高等工程教育领域，问题更为突出。

以工程机械类专业中的“机械优化设计”课程为例，课程开设的目的是为培养工程师提供技术和方法，形成解决工程实际问题的能力。但在教学实践中，笔者发现“机械优化设计”课程仍存在一些问题。

（一）教材内容多而陈旧

《机械优化设计》的内容十多年来几乎都是按照第一章优化设计概述、第二章优化设计的数学基础、第三章一维搜索方法、第四章无约束优化方法、第五章约束优化方法、第六章线性规划、第七章多目标优化方法简介、第八章机械优化设计实例顺序来安排。其中最重要的无约束优化又包括最速下降法、牛顿类方法、坐标轮换法、鲍威尔方法，约束优化又包括随机方向法、复合型法、内点惩罚函数法、外点惩罚函数法、混合惩罚函数法。这些方法是经典的优化方法，但总计32学时的课程却涵盖十余种优化设计方法，在教学过程中确实使教师和学生顾此失彼。特别是随着计算机软硬件和现代优化理论与方法的快速发展，教材内容的优化和新理论新方法的增加已成为时代之需。

（二）教材结构导致知识割裂

机械优化设计理想的教学目标，是在理论学习的基础上，将优化思想变成设计程序，通过程序运行得到最后结果，进而验证设计结果的最优化。但现有教材的结构中，优化基本理论及程序框图讲授分析结束后，缺少编程的知识与方法，学生很难将机械优化的知识与计算机编程的知识相结合，因而也难以培养学生的创新与设计能力。

（三）案例库缺乏

教学过程中，教师主要根据教材内容组织教学活动，而教材中的机械设计案例部分是给出数学模型、给定约束后，通过前述的某种方法一笔带过，直接给出最优结果，学生代入感不强。中间程序实现过程对他们来说更是难点，但教材中全是极简化的内容，不利于应用型人才的培养。

二、基于工程范式的工程教育理论内容与教学实践探索

范式理论是美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》中提出并论述的，指一个科学共同体在某一专业或学科中所具有的，由共同的基本观点、基本理论和基本方法构成的，能够提供共同理论模式和解决问题方向的信念系统[3]。库恩证明了范式是一种有关价值、信念和方法论的共识，其实质就是一种世界观和方法论。就工程教育现状而言，以知识范式为特征的教育理论已经不能适应时代对工程教育人才培养的要求，客观上需要转变教育理念，从知识范式向工程范式转换，按照工程范式的教育理论推动教育理念和教学方法的变革[4]。

基于工程范式的教育理论是对传统知识范式教育理论的一种颠覆。在知识观上，要求由传统的学科单一知识向学科交叉整合的跨域知识转变[5];在课程论上，要求从学科课程论转向活动课程论，即从由理论到实践的知识获取方式向实践到理论的知识获取方式转变[6，7]。从根本上看，范式转换是革命性的，表征着世界观的改变，“接受一个新范式的科学家会以与以前不一样的方式来看这个世界。”[3]基于工程范式的教学改革，重點要从以下几个方面入手。

（一）细化课程目标

一门课程之所以要开设，理论上必须是达成专业培养目标和毕业要求的有机组成部分。也就是说，课程的教学目标要向上对准专业的培养要求，并通过细化的课程目标来支撑。但现有课程教学目标更多的是从教材出发，基于教材内容进行重难点和教学目标的设计，甚至与专业培养目标和毕业要求脱节[8]。因此，非常有必要对课程目标进行分解、细化。

传统的课程目标是以知识为主线进行分解设计，对能力要求的描述比较宽泛，如有的课程目标确定为“能够灵活运用现代机械设计技术、计算机技术等方面的理论知识解决本学科领域中出现的实际问题并具备独立从事本专业科学研究的能力。”[9]基于工程范式制定的课程目标，需要具有可教、可学、可测评的特点。以“机械优化设计”为例，课程目标分解如下。