新工科视域下高等工程实践教学的理性反思与体系改造

居里锴 ,徐建成 ,周成

(南京理工大学a.教务处;b.创新创业学院;c.工程训练中心,南京 210094)

一、新工科视域下现代工程实践教学的理性反思

(一)传统固化的工程实践教学理念亟待革新

新工科作为一种新型工程教育,从育人的角度来看其本质没有变,但人才的培养结构要素构成、目标价值取向两个方面发生了重大的变化。

1.工程人才培养结构要素构成需多元化。当前我国产业处于不均衡发展阶段,电气化、自动化、数字化以及智能化的工业正处于并行发展的道路上,这就决定了产业对于工程人才的需求是复杂多样的,必须完善面向全产业链从研发、设计、制造、销售到管理服务的多元化人才培养结构,因此工程实践教育应根据未来对工程人才的素质能力要求,建立起工程教育转型升级的供给机制。

2.工程人才培养目标价值取向应面向未来。美国工程院发布的《2020的工程师:新世纪工程的愿景》中指出,未来的工程师应当具备优秀的分析能力、实践能力、创造力、沟通能力、商务和管理能力、领导力、终身学习能力等素质。钟登华认为未来的高素质工程人才应当具备以下核心素养:家国情怀、创新创业、跨学科交叉融合、批判性思维、全球视野、自主终身学习、沟通与协商、工程领导力、环境和可持续发展、数字素养等[1]。人才培养目标的变化,决定了新工科视域下工程实践教育中的“实践”也已不再是传统意义上的实践,其内涵也同样发生了两个方面的重要转变。

第一,工程实践由单一技术要素转变为科学要素、技术要素以及非技术要素相融合。就实质而言,新型工程教育是一个科学、技术以及非技术要素有机耦合且具有整体性、综合性、实践性的系统,是培养学生创造精神和创新思维、塑造行为方式和人生哲学、选择自主终身提升与发展的新型教育理念与范式。因此,新型工程教育要求工程实践教育从注重技术要素的教育转化为注重科学要素、技术要素与人文社会价值理念等非技术要素深度融合的教育,并通过新型的工程实践平台与载体,构建具有完整性、综合性、创新性的工程实践教育理念体系。这种体系从哲学角度来讲是工程实践教育发展的否定之否定,是在重新审视工程科学的基础上全面增强工程实践,实现对工程学科进行创造性的整合与集成,是继承与创新发展的关系。

第二,工程实践由单一的学科知识结构转变为跨学科的知识结构。工程活动具有很强的实践性,通常包含工程设计、工程实施、工程管理及工程运维等内容,其复杂性、综合性和交叉性需要现代工程人才具备跨学科知识结构与系统解决复杂工程问题的能力与素养。这要求高校培养的工程人才在工程实践中不仅要学会选择和集成各类技术,还要学会对各类资源的组织与协调,形成系统性、集成性、优化性的整体思维模式[2]。

工程训练作为培养大学生工程实践能力的重要途径,已得到国内工科高校的普遍重视,也取得了一些积极成效。然而观其全貌,国内工程训练中心大多数都是从传统实习工厂转型而来,缺乏理性认识和主动的建构与变革。传统固化的教学模式束缚着工程实践的发展,在思想理念与发展方式上注重规模、数量增长、局部体系构建的外延式发展,忽视内涵式的质量建设和发展,从而造成同质化发展、与专业教育分离、未贯穿人才培养的全过程等问题,阻碍工程实践教育改革的有效推进和可持续发展。显而易见,这种无法适应现代工程人才成长需求的理念亟待革新。

(二)工程环境缺失的单一工程实践教学平台亟待提升

现代工程是以工程链的形式呈现,涉及众多学科知识背景以及诸多人文、社会、经济、管理、伦理、道德、法律等非技术要素。工程的本质决定了工程创新具有复杂、综合、交叉的特征,这意味着以培养创新人才为本的工程实践教学平台必须具有复合性[3]。这种复合,从知识结构上讲是学科的综合与交叉,在实践中体现的是知识的整合与跨界。

工程训练中心作为我国高等工程实践教学的平台已是所有工科院校的共识。然而,其建设视野、建设内容、建设规模都不同程度上囿于传统的教育资源,普遍缺乏对复合式现代工程环境的营造。因此,面对高素质现代工程人才的迫切需求,这种单一的工程实践教学平台亟待提升。解决这一问题,就需要在工程教育中打破学科壁垒,重新进行能够还原工程原貌的整合,通过建立跨学科工程实践平台,形成多学科交叉融合的工程环境,提升大学生工程实践能力培养质量。

(三)学科割裂、滞后于需求的工程实践教学内容亟待更新

我国高等工程教育普遍存在着学科割裂、多学科知识交叉、社会市场信息和专业前沿嵌入严重不足以及人才培养与企业需求相脱节的问题。究其原因,过去的人才培养需求往往通过市场来反馈,由于人才培养具有一定的周期性,如果完全依靠从市场接受信息,则缺乏前瞻性预期与研判,如此一来,人才培养总是滞后于企业发展的需求,从而导致高等工程教育处于与经济建设主战场和创新驱动发展需求相脱节的状态。

在智能制造背景下,工业生产正朝着流程自动化、生产智能化和系统集成化方向迈进[4]。工业生产的智能化带来了设计、制造、运维以及管理、服务方式的根本性变化,这对工程人才的综合能力提出了很高的要求。以当今现代工程人才应当具备的数字化能力为例。工程人才需要具备数字化研发能力,这要求工程人才能够掌握对应的算法、软件、系统等的研发;工程人才需要具备数字化制造能力,这要求工程人才能够掌握如何与机器和AI交互,如何根据生产数据的变化运用工具软件对工业制造过程进行有效的分析、判断和预测,做到高效的人机协同;工程人才需要具备数字化管理能力,这要求工程人才能够将企业的经营管理体系与数字化结合,形成新的管理模式,构建涉及各个业务领域的全新管理平台。这种对工程人才的数字化能力的需求必然要引发工程实践教学内容的变革。但实际上,我国工程实践教学内容长期以来是基于单一学科模式来确定的,注重相关学科专业的实践操作技能、工艺流程、专业技术发展等内容。面向智能制造等新兴领域,传统的工程实践教学内容存在内容老化、学科交叉性不强、与人文社会学科融合度低等问题[5],这不符合当今行业产业对高素质工程人才的迫切需求。因此,工程实践教学在教学内容上需要打破传统教学内容体系的藩篱,关注国家战略发展方向,紧跟产业发展趋势,主动融入现代新兴技术,设置跨学科的综合性实践教学内容。

二、新工科视域下工程实践教学体系的探索与践行

新工科视域下改善后的工程实践教学体系应有效适应未来科技发展变化,助力提升未来工程师的创造能力、实践能力、综合素养等,同时还必须有利于探寻继承与创新、交叉与融合、协调与共享的正确途径,以期培养未来多元化、创新型的卓越工程人才[6]。这是高等工程实践教育发展的必然选择,是对未来人才培养工程实践走势的科学预判,也是对未来人才需求的有效回应,已然成为新工科视域下人才培养提质增效的基本向度与根本遵循。

(一)科学把握新工业模式特征,创建智能制造工程实践教学体系

以智能制造为突破口,改造工程实践教学体系。曾任中国工程院院长的周济对此有深刻而全面的阐述:“智能制造是先进制造技术与新一代信息技术的深度融合,贯穿于产品、制造、服务全生命周期的各个环节及制造系统集成,实现制造的数字化、网络化、智能化,不断提升企业的产品质量、效益、服务水平,推进制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。”[7]选择以智能制造为突破口改造工程实践教学体系,不仅符合我国加快转变经济发展方式以达到高质量发展的现实需求,而且也满足现代工程人才培养结构要素多元化的渴望,有助于从学科角度切实形成交叉融合的知识体系,实现技术创新与人文情怀的培养。

近几年国内一些高校在面向智能制造积极改造工程实践教学体系方面做了许多积极而有益的探索。山东大学工程训练中心以物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术为使能技术,以实践产品群为主线,以实践项目为驱动载体,重构了课程体系,构建新工科工程训练实践创新教学模式[8]。华中科技大学以数字化、网络化和智能化为指导思想,基于智能制造工厂产品生产全流程,突出产品智能制造中质量控制、资源管理、生产过程控制的关键问题,依托智能装备、智能感知仪器与技术、虚拟仿真智能制造系统与管控等基础装备条件,构建新的工程实践教学体系[9]。

(二)持续推进内合外联、产教科教融合,提升组合平台建设水平

组合实践平台是培养工程人才的主场地。它云集众多智能软件、汇聚多样前沿技术,其建设资金与资源筹措仅依靠学校这单一主体是远远不够的,必须联合政产学研用多方资源协同打造工程实践平台的新模式、新思路和新方法。几年来南京理工大学依据改造后工程实践教学体系的顶层设计,通过自主开发、科研成果转化、校企合作共建等多种方式,全方位地提升了组合实践平台内涵与硬软件水平,独具一格地创造了共建平台、共建团队、共同开发的新理念与新局面。

第一,共建智能制造教学平台。基于国际视野,以校企深度合作方式建设联合实验中心、产学研示范基地等模式,共同推动智能制造平台建设。以南京理工大学为例,其与世界领先的物联网/PLM/CAD 软件供应商PTC 公司建立国内首家以智能制造为主题的“PTC-南京理工大学联合实验中心”。以国家智能制造装备安全标准化创新基地建设为契机,联合美国PTC、日本欧姆龙与爱德克、德国皮尔磁、瑞士ABB以及上海拜睿、北京精雕等国内外在智能制造领域具有领先优势的企业共建智能制造生产实验系统。与全国机械安全标准化技术委员会、日本欧姆龙、德国皮尔磁、英国福帝斯积极开展合作,共建智能安全技术实验室,实现了国内外高等教育安全实验室平台“零”突破。与上海曼恒数字技术有限公司共建虚拟现实仿真实验室,通过虚拟仿真设计实验,提升学生的数字化设计、评价与优化能力。

第二,共建校企联合教学团队。教学团队质量与有效组合是工程实践教育提质增效的关键因素,必须组建一批专兼结合的多元化、高素质、专业化的工程实践教学师资队伍。为此,高校必须主动对外聘请一批具有多学科结构的专家、优秀企业家、创业者、行业领袖为兼职教授;严格筛选青年骨干教师到国内外相关企业培训学习,形成面向智能制造的多学科交叉、校企联合工程实践教学团队。

第三,共同开展相关领域科学研究并转化科研成果。案例与项目是工程实践教学改造的特别抓手。高校要与国内顶尖科研院所及企业合作开展国家重点研发计划、工信部智能制造综合标准化与新模式应用等项目的科学研究,并将部分科研成果进行转化,设计智能制造生产实验系统、智能安全实验系统等案例,为提升卓越工程师综合实践课程提供可见、可学、可用的创新实践平台。

(三)依托并围绕组合式实践平台,优化工程实践课程体系建设

组合式工程实践平台是新工科视域下的工程实践教学平台的创新升级,并不是以独立形态脱离于现有学科专业教学体系,而是将一种新型工程实践教学理念有机融合于现代工程人才培养的各个教学环节。高校应依托并围绕组合式实践平台,主动响应智能制造领域对创新人才的需求,突破传统课程体系框架,通过重构课程体系结构,逐步建设、优化与完善工程实践课程新体系,以此适应新工科视域下工程实践教学的需求,进一步提升学生综合工程实践能力、创新能力,致力于形成以智能制造技术内涵为主的通识教育课程、基础实习课程、综合实习课程、跨学科合作项目、科研训练、创新性实验等工程实践教学课程新体系。