新工科建设背景下专业课程体系的重构途径

郭裕顺

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

自教育部2016年提出新工科概念以来，人们对新工科建设的理念、目标、内涵等已作了多方面探讨，逐步取得了一些共识[1-3]。新工科建设的主要目标是为发展未来新型产业或适应产业新变革、形成新经济增长点、提高综合国力、培养大批具有创新意识的高素质人才；基本内涵包括“新兴”“新生”和“新型”专业的建设[4]。其中前两者指的是全新出现或通过学科交叉产生的前所未有的新专业；后者指的是现有学科专业为适应产业与经济新发展，通过内涵拓展、培养目标提升、培养手段创新等途径进行转型、改造或升级而形成的专业。目前对不同专业，虽尚未有成型的建设或实施方案，但很多院校已在新工科建设理念指导下，积极开展培养模式、课程体系、教学内容等各方面的建设或改革探索[5，6]。本文主要探讨新工科理念引领下对现有专业课程体系进行改革、重构的途径与方法。作为人才培养的主要载体，这毫无疑问是专业建设的核心，也是新工科建设向纵深推进迫切的任务。

一、现有专业课程体系存在的问题

目前一般院校工科的专业课程体系通常由以下几个部分或模块组成：数理与计算机基础课程；专业基础课程，包括专业理论基础与专业技术基础；按不同方向组织的专业技术课程；与专业基础、技术课配套的实验课程或单独设置的实践实训课程。多年来，这一体系虽经历了一些局部改革，但基本框架变化不大，调整的主要是反映技术新进展的一些课程或课程内容的增删、实践教学的强化等，其形成过程可追溯到过去一个多世纪工程教育的发展。Froyd等(2012)回顾了美国的工程教育百年来已经历与正在经历的5个主要转变，指出工程教育最早源于技术教育，以培养工程师的动手实践能力为主[7]。二战以后由于半导体、航空航天、核技术、激光、材料工程等众多建立在现代科学基础上的新兴技术的繁荣，使人们认识到了基础科学的重要性，工程教育开始强调建立学生的科学基础，理论性知识的学习与学术性训练得到极大重视。课程体系中不仅数理基础课得到强化，不同专业也不断提炼出属于本专业的基础理论，逐步形成了上述专业课程体系。

在高等教育尚属精英教育的时代，这样的专业课程体系有其一定合理性。自上世纪九十年代开始，国外工程教育界逐渐认识到过于强调工程科学教育导致的学生工程实践能力不足的弊端，相继提出了“工程教育回归工程实践”“工程教育范式转移”“再造工程教育”等口号，并开始做出改变[8，9]。所以如此，其重要原因是现行课程体系中存在的一系列问题：

1.整个体系的产出导向侧重于学科理论知识的掌握，即所谓工程科学模式下的工程教育。这种模式首先注重数理基础、专业理论基础的教学。在“厚基础”的思想指导下，基础理论知识教学一般优先得到安排。无论在整个专业教学进程中，还是一门课程内部，都遵循先基础性、理论性，后技术性、应用性的教学次序。课程教材大多按照学科知识的逻辑结构加以取舍编纂，追求形成严谨、完备的演绎体系，而理论赖以形成的实际背景、演变过程以及导致演变的各种实际因素往往无从体现。

这种思想指导下的教学，目的首先是理论知识体系的传授，而非工程设计能力的掌握，涉及到工程实际的内容通常是作为理论或原理应用的例子，实验或实践教育成为理解、掌握理论知识服务的工具。有时为了配合理论介绍甚至专门构造并不真实或无实际意义的应用例子，当学生面临具体的工程设计问题时，往往需要经历从繁杂的学科知识中甄选、辨别的过程。

半个多世纪以来各学科的知识总量经历了爆炸式增长，从工程科学角度要求学生掌握的学科基础知识越来越“深厚”。同时，前沿技术日新月异，客观上进一步增加了工程实践能力培养上的困难。进入21世纪，技术更新速度越来越快，继续按照先基础后专业应用这种传统教学安排导致教学内容不断膨胀，有限的教学学时越来越不敷使用。当前“新工科”建设背景下跨学科交叉复合人才的培养需求更加剧了这种矛盾。

2.不符合认识规律，造成学习过程中的困难。这一课程体系下的教学一般按数理基础→专业理论基础→专业技术基础→专业技术课的顺序展开。通常人的认识是一个由浅入深、由表及里、从直观到抽象、从感性到理性的归纳过程，但这样的安排却把与工程实际联系较为密切的应用置后，而把经过前人反复抽象、提炼形成的概念、原理或理论，包括部分(为强调理论完整性)旨在解决某些并不普遍、或深层核心技术问题时需要的理论提前，学生往往要在缺乏对实际问题直观与感性认识的前提下，通过繁杂的数学符号、公式的推演去接受或理解某种物理现象，实现专业问题的抽象与理性认识，既造成学习过程中的困难，又容易使理论与实践脱离。

3.先基础理论、后专业技术应用的教学，使学生大部分时间处于准备或等待将理论用于实际、获得应用技能的状态。理论学习对多数普通学生而言通常是枯燥的，虽然可以教育学生理论基础是在为应用做准备，但学生并不能深刻地认识、体会到这一点，只能被动接受，难以激发内在的兴趣。在通过点击就可立即从互联网获取信息、知识的今天，学生很难有耐心用大量时间来为学习专业技能做理论上的准备。现实中大批学生往往基础课程尚未过半，学习兴趣与激情就被浩繁的理论学习消耗殆尽。

4.教学过程结束后，学生头脑中留下的往往只是一些零散的知识，“只见树木，不见森林”，缺乏对专业知识体系的整体把握。即使通过高年级的综合实践或实训，由于这时课程教学一般已基本结束，因此实践与理论仍是脱节的，学生往往只是在应用技能层面得到一些综合性的锻炼，而难以达到对专业知识体系在应有深度上的整体理解与把握。

由于这些原因，实际中很多学生既没能掌握好理论知识，也不具备多少实践能力，反而逐渐降低甚至失去对专业的兴趣。因此对这样的课程体系开展工程教育回归工程实践，实现从科学模式到工程模式的转变，是十分必要的。国内自新世纪高等教育实现精英教育到大众教育的转变后，也关注到了这一趋势并开始了持续不断的工程教育改革，直至近年来开展的新工科建设行动。但由于多方面的原因，大多数专业的改革主要是通过工程训练、创新创业活动等方式，或在部分课程中推行“项目驱动”“CDIO”等能力导向型教学模式[10-12]来对实践教学进行强化，而课程体系框架则大体保持不变。即便在新工科建设开展以来，有关文献中报导的关于课程体系改革的研究，仍未脱离这一窠臼。如任玉琢等(2019)介绍的理论与实践交融互动的“双线”跨学科培养方案及课程体系，实质是设计了一套与传统课程体系并行的实践课程[13]；徐利梅等(2019)介绍的参考新加坡技术与设计大学的“4D”设计课程体系，性质也类似，但更强调高年级设计实践跨课程、甚至跨专业或跨学科的综合性[14]。

二、基于自顶向下原则的专业课程体系构建

(一)基本思路

要改变这一教学现状，首先要改变专业课程体系设计的指导原则。从复杂系统论的观点，一个专业课程体系可以看作是一个由不同知识模块与能力模块构成的层次式系统，内部的不同模块之间、知识与能力(理论与实践)之间的关系是相互交叉、作用的。由于技术与产业的高速、跨界发展，这个系统正在变得越来越复杂。传统的课程体系先设置理论性较强的基础课，后安排与应用有关的专业课，从逻辑关系上看是演绎型的，从层次系统的角度看是从底层的基础理论到上层的专业技术应用，“自底向上”的，略为复杂或真实的工程设计实践就必须在相关基础知识全部具备后才能开展。多年习惯成自然，人们认为这样的顺序天经地义，但这并不意味着这是唯一可行的教学模式。不仅如此，它其实是线性思维导引下对问题的一种简单化处理，长期的教学实践表明它更可能导致的是实际教学中知识与能力、理论与实践的割裂。

为此，在培养学生建构这种知识与能力体系时，应参照解决复杂系统问题的方法与手段，对课程体系与教学进程进行合乎工程逻辑与认知规律的设计。现代复杂工程系统(如超大规模集成电路、大型软件系统等)设计中普遍采用的一个原则是“自顶向下、层次递进、逐步求精”[15，16]：先根据系统总体目标要求进行顶层设计，确定各子系统组成结构与功能性能，再进行子系统级的设计，然后逐层向下递进，直至最底层的单元模块设计。整个过程从顶层目标开始，先构建系统主框架，随着层次向下递进，再逐步生长枝干，最后才是细枝末叶。这是一个从主到次、从宏观到微观、从全局到局部再到细节的渐进式过程。

这一原则可以给专业课程体系设计带来的启示是：

1.课程体系设计应在厘清该学科各知识与能力模块之间的层次与逻辑关系基础上，首先根据培养总目标进行顶层设计，确定一级子目标及为达成这些目标应具备的知识与技能模块，再进行下一层或多层子模块的设计，直至底层最基础的理论与技术模块。然后再根据这个层次式系统中的各知识与技能模块，进行不同课程的组织与设置。

2.教学进程不必拘泥于传统的“自底向上”，可参照“自顶向下”原则，从粗到细地逐步推进。一般中高层次的课程内容与工程实际关联较为显著，因此学生可尽早从某一方面实际问题的解决，即应用能力的培养开始，自上而下地开展本专业的学习，快速进入专业大门。而不必如传统的教学安排，需在经历大部分或全部基础理论课(包括部分较为艰深、很多内容并不立即用到的课程)后，到高年级才接触到与应用关联密切的专业课。

需要说明的是，采用“自顶向下”的原则并不是指教学进程简单地以最高层作为起点，必要的数理基础、专业基础理论与技术教学仍是需要先行安排的，但内容可压缩到最基本的程度。在必要的基础教学后，就可尽早从中高层次的一个或若干个课程模块开始，以工程能力的形成发展为纽带，交替进行专业课与基础课内容的教学，逐步遍历所有课程模块。同时，这也不意味着对基础课的弱化，只是不一定需要集中、优先安排。

这样自上而下的教学在具体实施中可能产生的疑虑是学生需要在基础知识尚不具备或不完全具备的情况下，进行下一阶段、或高一层次的知识与能力的学习。这与传统的教学理念是相违背的。但只要认识到知识体系的层次化、模块化特点，就不难理解知识是可以以模块为单位整体运用的。尤其是在当今软件技术高度发达的时代，模块化知识的应用已可通过软件这种有形的方式加以实现。这方面最典型的莫过于MATLAB这类软件，它们将模块化知识的内部细节予以“封装”，定义好应用“接口”，用户可在无需了解细节的情况下，根据接口规范，以工具函数调用的方式几乎无障碍地应用相关知识。事实上，各个工程专业领域都已出现类似的集成分析、计算与设计软件，实质是封装了相关知识模块后以软件形式提供的应用工具(在一些工程领域，硬件的应用也趋于模块化、集成化)。这是知识经济时代的知识运用方式[17]。因此知识的模块化为学生在不掌握模块具体内容的情况下进行高一层次的学习运用提供了可能，后续学习过程中可根据需要，再回过来了解该模块的内容细节，逐步求精、深入。这有利于学生快速了解掌握某一方面甚至整个专业的全貌，更好地激发学习兴趣与动力。

(二)基本方案

图1 重构的专业课程体系框架

按照上述思路，进一步探讨构建方案。虽然不同专业情况各异，难以给出统一安排，但设计一个大致框架仍是可能的。在明确专业知识与能力体系的层次、模块基础上，可将原属于专业基础理论与技术的课程分成“初步”与“深入”两大模块(分别为基础模块一、二)，分阶段设置。第一阶段将本专业最基础、必要的概念、原理与技术整合成基础模块一，尽早安排(如第2至第3学期)。学生在具备这些基础后，就可安排专业方向课程，开始某些原属专业技术课内容的教学：从较为简单的应用技术开始，“自顶向下”，以掌握本专业各类应用系统的设计能力为目标，不同技术方向的专业课程可同步推进，在此过程中，再穿插安排基础模块二的课程。从专业知识体系层次中看，这一过程主要以应用为纽带，从中高层次的应用技术到底层的基础理论，按“层次递进，逐步求精”原则，逐步深入、细化。整个方案的大致框架可用图1来表示。

与传统课程体系相比，新体系在完成第一阶段较为简单的基础模块一的教学后，就可导入专业应用技术的教学。应用往往是直观形象的，学生容易接受，因此这样可降低专业入门难度，尽早激发学生的专业兴趣。基础模块二中较为深入的理论或技术内核，则是在学生接触一定实际应用后再展开。随着学习的逐步深入，遇到应用中较为深层的问题时才去学习掌握解决问题需要的理论工具，容易做到理论知识的学以致用。这样大部分基础理论与应用技术教学是交替进行的，理论与实践紧密结合，环环相扣。整个过程螺旋式展开、上升，符合“实践、认识、再实践、再认识”的认识规律，降低学习难度。

要实现这样的课程体系，关键是要对知识与能力模块划分、课程内容安排、教学方式方法等方面进行细致、精巧、灵活的设计。首先，基础模块一、二的划分与设置要科学合理，尤其是模块一，要提炼出属于本专业最为基础而精练、所需学时不多而又能支撑一定专业应用技能培养的知识模块，使实际的专业教学能尽早开始，这可能涉及原有不同基础课程内容模块的整合与重组。其次，专业方向课程教学应先易后难，循序渐进，开始时安排只需少量知识基础、以解决一些简单实际问题为目标的课程，再逐步增加难度或复杂度，通过应用的深入展示解决问题需要的理论与技术工具，将学生导向有深度的理论学习，进入基础模块二中的不同课程。这也需对现行专业课程的内容进行调整重构、对教学进程作精心安排。

这样打破传统的“先基础理论，后专业应用”方式设计的课程体系还具备下列优点：

1.由于无需“自底向上”地等学完所有基础再学专业课，因此在这样的课程体系中可方便地插入或新增需要的课程模块，课程安排更为灵活，有限学时与不断膨胀的知识与能力培养要求之间的矛盾可以得到较好缓解。

2.便于在大部分课程中推行能力导向、“项目驱动”“问题驱动”或“CDIO”的教学模式。除基础模块一中的部分课程，其余课程都可从实际问题出发，由应用任务驱动，从而在几乎整个专业教学过程中实现理论与实践、知识与能力的有机融合，从根本上改变实践教学成为理论教学附庸的局面。既有利于实践能力的培养，也可使学生在明确应用目标指引下，激发理论学习的兴趣，实现对相关知识的深度理解。

3.自上而下、逐步求精的教学是从粗到细、从主干到枝叶的过程。首先注重的是学生头脑中整体专业知识体系框架的建立，现有理论与技术基础课中一些深入或细节内容则在后续教学过程中逐步填充，这有利于学生从整体上把握本学科专业，避免传统专业教学“只见树木，不见森林”的弊端。

4.有利于实现分层、分类的教学目标。学生可根据自己兴趣选择科学家、研发工程师、应用工程师等不同职业方向的培养路径，只需在课程选择，即构建个人知识体系时作出折衷：选择更多的基础模块二中的理论课，或是更多的专业方向课。

(三)对新工科建设的意义

就专业教学内容与目标而言，新工科的特征主要包括前沿技术的引领性、学科间的交叉融合性、知识体系的多样性及培养人才的创新性等方面[2]。“自顶向下”的课程体系由于具备上述优点，能很好地契合这些特征要求。首先，课程设置的灵活性为实现知识体系的多样性及多学科交叉融合提供了更大空间，也有利于前沿技术的引入，很多技术前沿内容是应用性的，按“自顶向下”的原则，利用知识模块化运用原理，可几乎无障碍地纳入教学计划。其次，工程模式下实践能力导向的课程体系更有利于产教融合、科教融合活动的开展，也更有利学生创新素养的培养，这不仅因为大量工程上的创新源于工程实践，对工程学科专业基础理论的深刻理解往往也只能通过反复的实践过程才能达到，从而为有深度的技术创新奠定基础。

三、电子信息工程专业课程体系的重构

电子信息工程是支撑信息技术与产业的一个核心专业。由于几十年来微电子技术的飞速发展，如今的电子信息系统早已是一个多层次的复杂大系统，从底层的器件、电路，到高层集软硬件于一体的整机应用系统，中间包括多个层次。当前以人工智能、物联网、大数据、云计算等为代表的新一轮信息技术的变革性发展，对人才培养的知识和能力体系的深度、广度与复杂度提出了前所未有的要求。但多年来该专业的课程体系框架却变化不大。因此在当前新工科建设的背景下，对该专业的课程体系按上述原则与思路进行重构，是必要而有意义的。

本专业的基础理论与技术课主要包括三个方面：电工基础(电路理论与电磁场理论)、电子学基础(模拟/数字电子电路，单片机/MCU等)、信号与信息处理基础(信号与系统、通信原理等)，专业技术课则可包括多个不同方向的课程系列，常见的如应用系统开发设计、通信技术与系统、媒体信息处理技术等。目前，大多数院校的教学进程都是传统的先基础，后专业，“自底向上”式的。由此产生的问题，除本文前面已述及的，对该专业更突出的是属于底层的电工电子基础课程学时占比较高，而与中高层次复杂信息传输、处理对应的课程设置则相对不足，影响学生对电子信息系统的整体认识与实践能力，难以满足当前产业与人才市场需求。

根据图1的框架方案，我们对该专业课程体系进行重新设计。在专业基础理论与技术初步模块中，仅设置电路与电子学、数字逻辑电路与信号处理导论三门课程，为学生提供电子技术与信号处理的必要基础知识与应用技能，主要由原电路分析、模拟及数字电路、数字信号处理等课程中有关基础内容整合而成，可安排在第2-3学期进行。完成这一基础模块的教学后，从第3学期就可开始专业技术的教学，从较为简单的应用技术开始，“自顶向下”，以熟悉信号信息感知、传输、处理等方面的工程应用，掌握各类信息处理系统的设计能力为目标，根据专业具体情况与特色，设置不同方向的系列课程。专业基础理论与技术深入模块则设置电路与系统理论、信息与通信理论、电磁场与波、模拟电子电路等课程，从第4学期起陆续开设，具体安排与有关专业课程交替穿插，随着学习进程的深入，根据专业知识体系的层次逻辑协调安排。

按照这样的课程设置框架，首先可使专业入门的门槛大为降低。基础模块一中的课程剥离了原相关课程的一些细节与较深入的理论分析(这些内容调整到模块二中的有关课程)，再在MATLAB等软件协助下，可使难度大大下降，随即学生就可开始简单应用电子系统设计的学习，建立对专业的一些感性认识。此后当需要实现较为复杂、或更好性能的应用系统时，必然会面临逐步深入的理论与技术问题，从而激发对基础模块二中课程的学习兴趣。此外，较早进入专业大门后，也有利于安排一些基础电路层次之上、属于整个专业知识体系中高层次的一些课程，如嵌入式处理器(包括体系结构、操作系统与开发技术)、现代通信与信号处理技术及智能信息处理等较为前沿的技术，改变原课程体系中底层电工电子基础课程占比过高、中高层技术与前沿课程不足的现状。目前，一个基本按这一课程体系设计的教学计划已在本校的电子信息工程专业进行试点，初步结果表明这是可行的。

四、结语

在新工科建设背景下，不少专业面临着新工科理念引领下的升级、改造与创新任务，传统课程体系难以满足要求。本文借鉴复杂工程系统设计中的原则，对专业课程体系的重构提供了解决思路与大致方案。对不同专业，这需要在梳理相关学科知识体系的基础上对课程体系进行科学、细致的设计，实施时会涉及大量原有课程的整合与重组，及在深入调研本学科专业前沿技术进展基础上对新课程模块的开发。因此是一个复杂、浩大的工程，任务是艰巨的，但只要明确目标与思路，采取分阶段逐步推进的办法，构建适应新工科建设需要的专业课程体系是完全可能的。