信息化背景下我国工程类本科专业多维反馈教学体系研究

刘锦康

（华北电力大学 继续教育学院，河北 保定 071003）

工程作为科学和数学的某种应用，使自然界的物质和能源的特性通过各种结构、机器、产品、系统和过程成为对人类有用的东西，为人类做出了巨大的贡献。其概念包含范围已经突破了工业制造领域，涵盖了社会领域。

发展、完善工程类本科教育是培养创新型高技术人才，提升我国工程建设能力，推动国家科学技术发展，保持国民经济可持续发展的核心动力之一。工程类本科教学不仅要传授专业的基础理论知识，也需要引导学生了解该专业的前沿理论，开阔学生的专业认知视野，提升可以紧跟时代先进技术的实践能力，尤其是当下。全世界正处于新一轮技术爆炸的时代，新技术日新月异，人工智能、5G技术、大数据、云计算、物联网迅速迭代更新，正深刻重塑每一个产业。这种变化要求工程类本科专业教学体系亟需革新。

一、工程类本科专业教学体系现状和问题

（一） 现状

我国传统的大学工程类本科专业教育教学体系设计按照“1+2+N”的方式设计，体现厚基础、宽口径、有特色专业教育的设计原则，主要包括公共基础课、学科基础课、专业课、必修课、选修课、实践环节的结构设计。其中实践环节包含实验、实习、上机、设计、军训、公益劳动、社会实践和学年论文等。

该教学体系的专业特色主要体现三个维度：一是从课程内容维度，主要通过专业课必修课、专业选修课、专业认识实习、专业设计等环节加以体现。二是从时间维度，通过在一、二年级的认识实习了解专业应用环境，在一、二、三、四年级的专业选修课和专业必修课中学习专业基础理论，在四年级的生产实习中感受专业知识的应用现状，在毕业设计中应用专业知识解决个别问题，体会专业理论解决实际问题的方式和方法。三是从学习空间维度，分校内校外学习两部分。校内学习主要是在教室和实验室，校外学习主要是专业对口企业或相关机构认识实习和生产实习。

这种教学体系是时代的产物，是在当时的我国教育体系及工业体系都比较弱的情况下提出的。随着我国教育水平和教育资源的发展，以及行业技术的进步，这样的教学体系逐渐产生一些问题，表现为“重理论、轻实践、重通识课、轻专业课、重知识计算、轻动手实践”的特征[1,2]。

（二） 当前存在的问题

时间维度上，教学体系未能充分体现反馈机制和螺旋上升的机制。大学本科专业教学体系的设计要充分体现专业知识的完备性和逐步深入的特点。现有的体系设计中，早期学习基础学科，然后学习专业基础课，最后学习专业课。该教学体系一定程度上体现了专业课不断深入的特点，但是随着专业课与其它学科的交叉融合，又需要补充新的专业基础知识，甚至包括数学知识的扩展，当前的教学体系中未能将其纳入，学生在学习过程中较难掌握学科知识融合过程中全面知识体系的建立方法。同时，专业知识深入学习的过程中，学生会发现自己的专业基础和数学基础知识的不足，现有的教学体系设计中，没有考虑这个反馈机制作用下的基础知识补充方案，多是靠学生自学，甚至被搁置，学生的学习过程没有主动形成反馈机制，失去了前后互动推进，螺旋深入学习的最佳机会。

指导思想上，工程类专业教学体系未深度融合创新思维。当前教学体系的设计，重点在培养学生的基础专业知识能力和一定深度的专业技术能力，没有考虑对创新能力的培养。如果将创新意识融入到专业授课体系内，不仅能通过创新活动解决行业生产中存在的各种问题，更可以提升大学生学习专业课的热情，提升学习效果，提高就业时专业人才与岗位需求对口的比例，提高人才利用效率。2014年9月，李克强总理提出“大众创业”、“万众创新”倡议后，高校也开启了“双创”热潮。但是当前大学校园里的创新活动与专业结合度较低，未能充分发挥大学生的创新潜力。主要原因是当前的教学体系中未能融入创新的思想，未能将行业中遇到的痛点和解决痛点的一般思路讲授给学生，学生更无从发现行业中较细微的痛点。从理论上讲，工程类专业创新的机会应当是创新活动的主力，产业生产中存在无数的环节需要革新。进一步深究其原因可以发现，当前授课老师绝大多数是从校园毕业后直接进入校园开展理论研究，与企业的接触有限，虽然也有部分老师与企业有一定的合作和了解。实际上，真正了解企业真实情况，尤其是生产过程中痛点的人应该是企业一线的专业技术人员。他们有很多需求和想法可以改进企业的生产现状，但是苦于时间不充裕，难以将其想法变为现实，虽然我们在企业内部也从多个维度鼓励了创新，成立了一系列创新工作室。上述两个原因导致创新的需求和创新的执行资源没能实现有效对接。

内容设计上，未充分引入专业前沿技术和产业发展需求。工程类专业教育中专业知识除了基础理论相对稳定外，应用理论和工具，尤其是后者革新很快。许多用人单位反映学校教授的内容严重落后于企业实际。造成这一困扰的原因就是学校课程设计偏理论轻应用。具体体现在两个方面：一是专业工程类课程安排不足，二是专业工程类课程实验缺乏。究其原因一是专业工程类老师缺乏，二是专业型应用工具由于其投入成本高，无论硬件还是软件，学校无法投入足够的资金满足师生需求。当前大学的专业设置分类较细，每个专业的学生人数又较少，均分到每个学生上的专业工程类投入资金极其有限，单靠学校购买相关软硬件解决该问题不现实也不经济。当前社会上有共享重点实验室的做法，但是从实践角度看，推广普及还比较欠缺，并且共享实验室的范围和规模都比较有限。

师资安排上，未引入足够的行业专家，造成专业教育偏理论，与实践结合不够。大学教育需要兼顾技术理论和技术应用。大学体制内的教师偏重于理论研究，学校的实验设施也主要为理论教学服务。虽然也会外聘外部专家参与部分学校教学，但是现在高校发展偏重于创建研究型学府，外聘的专家很少，即使这部分专家也是主要来自于其它研究机构的理论研究人员，从生产一线来的专家严重不足。与德国大学的“双元制”教学模式相比，更显当前我国工程类本科专业教育缺乏企业层面专家对学生专业知识的指导和要求。

教学方法上，未能采用当前最新的授课技术，造成教学效率提速缓慢。信息化技术发展推动所有行业的革新，包括教育。我国大多数高校都实现了网络化教学的硬件设施更新，也采取了精品课、公开课、慕课等一系列的现代化教学方式，很大程度上提升了教学的效率。但是，这仍旧不能满足现代化工程类本科专业教育的需求，还有很大的提升空间。工程类专业课程中有很多新的应用工具平台。虽然也可以通过网络的形式进行截图演示，但是应用工具本身的复杂性使得截图演示无法很好地让学生感受到工具的逻辑性和功能性。学生只有通过亲自上手操作，以实例的形式完成特定的功能才能对相关工具深入理解，但这在当前还无法满足。

学科交叉上，当前专业教学体系未充分展现本专业与相关专业的交叉融合特点。工程类专业技术在实现的时候需要多个学科相关共同完成某项任务，学科相互之间的交叉融合不可避免。由于当前大学老师主攻方向是深度延伸，所以不同学科间的专业融合度较低。但是企业以解决生产中的实际问题为主，学科间融合度较高，能充分地发现交叉学科间的需求、存在的问题，甚至可以给出解决方案。大学由于缺乏来自企业生产一线的专业师资，很难单独依赖于大学老师提供学科交叉融合的问题探索和解决方案，并将其传授给学生。

二、国内外工程类本科教学体系

国外的世界一流工程类本科专业与国内的相比，除了都比较重视理论教学外，还有三个重要方面与我国相比有所不同。一是实践课程时间占比显著高于国内，二是校外专业人员参与教学体系程度较高，三是可以为学生提供广阔的全球视野和比较丰富的海外经历。

国外的实践课程时间占比显著高于国内。以德国“双元制”为代表的工程类本科教育模式在西方国家产生了重要影响。德国“双元制”适用对象是除研究型大学外的技术应用大学，占全国大学比重约55%左右。它有几个显著特点：一是分配给学生在企业学习和实践的时间占比显著高于一般国家，约占全部大学学习时间的三分之二。二是学生三分之一的时间在学校学习专业理论，三分之二时间在企业实践，将专业学习和生产时间充分结合，达到学生毕业即可直接就业为企业工作，实现在学校和企业之间的无缝衔接[3-4]。英国伦敦大学学院（UCL）作为全球工程专业人才培养的顶尖学府，其工程实践课程设置颇具特色，包括工程挑战模块（Engineering Challenges Module），设计与专业技能模块（Design & Professional Skills）和如何改变世界模块（How to Change the World），累计时间占比达到20%左右[5]。

校外专业人员参与教学体系程度较高。国内的课程设计主要是受教育部指导，高校各专业院校自主确定，从机制上没有与就业企业合作制定的约束。与国内不同，英国UCL大学设计了工程灵感（Engineering Inspiration）模块把学生介绍给工程师，为学生提供来自行业的指导[5]。美国高校充分发挥产学研合作模式，由高校与企业一起设计人才培养目标，邀请企业的资深专家到学校兼职，发挥专家在业务、管理方面知识与经验优势，帮助学生拓宽视野[6]。德国的“双元制”教学制度外部机构参与深度最高，邀请企业和行业一起参与参与课程设计和教学工作[4]。日本则与上述学校略有不同，通过设立跨校培养人才机制，实现跨校联合授课，避免了资源浪费[6]。国内也通过建立了一些联合或共享实验室，不同学校专业课程互认等机制来提升校外专业人员参与教学体系的程度，但是囿于手续复杂，交通不便等原因，落实程度没有达到预期。法国出台了教师流动制度，鼓励从地理位置上的流动、公共机构内部或与私营机构之间的流动、不同学科间的流动等[7]。

为学生提供了广阔的全球视野和比较丰富的海外经历。全球产业链合作比任何时候都紧密，产业间分工和产业内分工日发深入，学生的学习也需要有更广的视野和更丰富的经历。英国UCL大学非常注重培养学生在全球环境中发挥效力的技能。不仅招聘全球化的老师和学生，更是与跨国公司合作，在改变世界模块中提供跨域民族和文化的各种工作机会，鼓励教师、学生和合作企业站在全球的角度去创造和分享知识，解决问题[6]，成为世界工程教育的典范[8]。法国颁发法令鼓励高校吸引外国科研人员来法任教，待遇视同国内正式教职员工[7]。此外，新兴技术，如MOOC，在国外得到很好地利用，伯克利、普林斯顿以及宾夕法尼亚等高校都先后投入在线教育中，逐渐提供更多面向全球开放的课程，为各国学生提供了学习的机会[6]。

三、信息化支撑的工程类本科多维反馈教学体系设计

为了提升我国的工程类本科教学质量，本节基于我国的当前经济和教育发展水平，结合信息化技术特点，借鉴国内外工程类本科教学教学体系设计的优点，提出多维反馈教学体系理论。该体系包括五个维度，即课程结构、教师配置、授课方式、教学环境、创新机制（详见图1 ）。五个维度包含了教学中涉及的学生、教师、学校制度、教学内容和教学介质等各个方面，形成了一套完整的体系。

图1 工程类本科教学体系框架

为了使该教学体系有更强的生命力和更好的适应性，本文提出在课程体系内部各个维度建立动态反馈机制，使得整体具备适应性自我更新能力。各个维度进行动态反馈时借助信息化技术，进行深化、升级，实现教学体系动态反馈机制信息化。

（一） 课程结构

课程结构规定组成课程体系的学科门类以及各学科内容的比例关系等。工程类本科的课程结构需要建立两个机制，一是结构合理机制，二是形成动态反馈的调整机制。

1.工程类本科课程结构与传统本科教育相比，应注重三个发展变化趋势。一是要适度增加人文课程的修养[9]；二是与传统相比，加大实践课程的比重[4]；三是增加创新类课程，紧跟时代步伐。为此，需要在通识课程中，加强人文修养类课程的比重，这也符合习近平主席提倡的增强传统文化修养的要求。人文修养是人类积累的文化知识的沉淀，是专业人员的基本素养和精神灵魂。深厚的人文修养对后工业化时代的工程类专业人员协调工作和生活，提升专业发展方向有着无法替代的作用。二是要加大实践课程的比重。工程类专业的特点就是实践性较强，与其它学科或专业间交叉较多。只有通过大量，贴近真实的工程项目实践，才能更深入的理解专业理论知识，更好地应用专业知识改造现实对象。无论是英国的UCL大学，还是德国的“双元制”，日本的产学研机制，都非常强调工程实践的重要性。我国的工程类本科教学过去限于经费约束和交通不便等因素，实践课程占比较低。三是加大创新类课程的学习。李克强总理提出“双创”的要求，也落实到了国内的所有高校。工程类专业作为应用型较强的专业，是创新机会最多，最易见成效的专业，所以加大对创新方法的教育对工程类学生有重要意义。传统的课程体系中，重知识，轻应用，创新更少。当前学校的创新教育多是在专业课程体系之外的补充，因此有必要将其纳入课程体系。考虑到其思维方式和课程内容与传统的课程体系显著不同的特点，应将其单独作为一个类别纳入课程体系。

因此，本文建议人文课程应该增加一至两门，涵盖美学和人文精神；实践课程应从现在的集中到大四下半学期调整为再增加半个学期至四分之一个学期，时间可以安排在专业基础课开课前；创新类课程应根据其特点单独创建，注重创新思维及与其它专业的交叉。

最后，按照图2所示的课程结构，在继承传统的课程结构中各类课程比重的基础上，结合上述讨论，将课程结构中五类课程比重分配为通识课30%（含10%人文课程），专业基础课20%，专业理论课20%，实践课20%，创新课10%。上述比例可根据工程类课程的特点，适度调整。

图2 动态反馈机制下的课程结构

2.课程结构的动态反馈机制从课堂效果和就业反馈结果进行调整。课程结构调整思路，一是从学生的理论学习和实践中发现的问题出发，在保持各类课程占比相对稳定的前提下，按照师生共同讨论的形式确定需要调整的课程；二是从就业单位和就业学生的反馈中提炼讨论议题，邀请就业单位相关部门人员和已就业学生，与在校专业教研老师共同讨论确定需要加强、替换、删除或增加的相关课程。

（二） 教师配置

我国当前工程类本科教学的教师配置需要进行“进”和“出”两个方向的调整，做到“引进来、走出去”，这也是我国一直以来倡导的校企合作，产学研结合的政策落地机制。一是增加来自一线企业老师授课内容，二是建立学校老师去对口企业流动的机制，三是建立可动态反馈的调整机制。

借鉴西方国家工程类本科教育的机制，创造多种渠道，聘请企业一线专家来校教授专业应用类课程。一是请来自校外的一线专家，包括企业一线和行业协会内专家，到学校课堂进行专业理论应用课程或者案例教学。企业家将企业运行中正在使用的理论和相关设备的知识带进校园，教授给学生这些理论和设备在实际使用中的优点和缺点，以及潜在的改进方向，引导学生求知的欲望，激发其解决问题的能力。二是在实践类课程中，安排学校老师带队的同时，指定企业导师进行操作实践指导，建立企业导师和学生之间的联系机制，帮助学生解决理论学习和实践学习中的困惑，增强学生对工作实践的认知和理解。

建立与企业的合作机制，派校内专业老师去企业一线交流。借鉴德国的工程类大学的教师流动机制，派专业教师带着学生长期待在企业一线，与企业合作，共同研究并帮助企业解决问题。涉及到企业的机密问题，可以通过合同或者合作形式加以规避或解决。

上述企业和专家的选择最好坚持就近原则，保证当前教育经费有限的情况下，学生能够像上班一样去企业去参加实践学习。

建立科学的评价机制，实现动态反馈（见图3）。对聘请的专家、实践的学校和实践的机制均进行定期分析，通过比较测评和由学校、企业、行业协会等组成的委员会进行讨论分析，形成动态反馈机制，不断完善这种教师配置机制。

图3 学校教师和企业专家互动交流机制

（三） 授课方式

授课方式要融入新的先进技术，实现新老方式融合。传统的授课方式有讲授法、案例教学法、演示法、讨论法、角色扮演法等，它们适用不同的授课内容。

充分利用新技术带来的授课方式。信息技术的快速发展催生了新的教学方式，革新了一些传统的教学方法。最新的MOOC技术、AR/VR技术、仿真实验、现场模拟等技术均可作为新的授课方式，或者与传统授课方式融合。新授课方式对传统授课方式带来的革新有以下几个重大特点。一是教学工具的生动性显著提高。工程类课程多具有实物形态。传统教学中无法将实物搬到现场，甚至即使在现场也无法看到内部空间，但是借助AR和VR技术，通过虚实结合使得传统授课中只能见到文字或图像的内容变为3D虚拟的真实场景，生动准确，学生印象深刻，学习效率显著提高。二是教学内容被充分拓展。工程项目中设备的内在微小变化，传统教学中只能通过公式描述，但是仿真实验或现场模拟，可以放大细微变化的程度，并通过重复仿真，演示出不同参数约束下的相应结果。三是授课效率显著提高。一套课件以信息化方式存在于网络上，学生可以重复多次随时随地学习，知识内容并可以通过网络形式以共享合作的模式实现突破校园界限，在更大范围内传播。

建立授课内容的共享、协作、反馈迭代机制（见图4）。信息化技术带来了更生动、准确的授课内容，但是课件的制作成本很高，需要长时间的积累，更广范围的写作和基于动态反馈的多次迭代。我国同一类型的工程本科教学有很多院校，通过建立专业学会，联合企业共同开发专业的授课课件，分摊开发成本，加快开发进度，提升开发迭代速度，提高课件准确度，扩大课件适用范围。基于该机制建立的授课内容，不仅对于学校学生有帮助，对企业和相关从业人员的学习都有很大帮助，外溢效应显著。

图4 传统教学和信息化教学融合的教学方式

（四） 教学环境

教学环境要为培养合格的工程类本科人才服务，坚持多样化、全面、贴近实际的原则，创造临近工程现场的机会。

教学环境按地理位置分教室环境、虚拟环境、现场环境三类。当前工程类本科教学以理论教学为主，在教室环境下完成大部分工作。部分实验教学则是在实验室环境下完成，而且是校内实验室，功能简单。实践类教学课程理论上需要在现场完成。

工程类本科应该强化虚拟教学环境建设。虚拟教学环境又包括软件环境和硬件环境。虚拟教学环境可以低成本、高逼真度地为学生提供对现场的真实环境的模拟，使学生深入准确理解教学内容，提高学习效率。其中，硬件环境指学校为虚拟教学提供的硬件资源，包括服务器、路由器、计算机终端、网络架构、以及承载这些设备的实验室；软件环境指虚拟教学环境中的模拟或仿真软件，比如Matlab、CAD、AR/VR等软件及基于其构建的工程类应用模块。

工程类本科教学也需要补齐现场环境建设的短板。当前限于经费和安全等问题，现场教学环境非常欠缺。主要原因是现场教学给企业带来的潜在收益很少。所以，现场教学环境的建设要兼顾教学对企业发展的帮助。可以通过企业导师制度，建立导师和学生之间的联系，将显示问题明确化，集体攻关，切实为企业改进生产管理带来有益帮助，实现双赢。

建立三个教学环境之间的内在反馈机制（见图5）。以虚拟环境为中间纽带，将教室环境和现场环境连接。教室环境为理论学习服务，现场环境为实践应用服务，虚拟环境一方面通过虚拟方式论证理论的正确性，检验理论在现场环境应用的可行性，另一方面将现场环境中的问题仿真在虚拟环境，寻找可匹配的理论，检验理论的可行性。

图5 教学环境的互动反馈

因此，当前应强化虚拟教学环境建设，补足现场环境短板，夯实教室环境基础。

同时，教学环境的创建还应当包括国际化教学环境，包括国际化的师资、学生和项目。国际化的环境为学生提供了开阔的视野，为学生和教师发现问题、解决问题提供了更多的机会和更强的动力，更为实现教学目的，让学生有了发挥自己专业能力的广阔舞台。

（五） 创新机制

创新能力是教育的目的之一，也是激发学生学习热情的有效方式。良好的创新机制是教学体系的一部分，更能有效地促进教学效果。

创新机制需要设计到两个方面。一是激发创新的内在需求和能力。二是提供创新活动的外在机会或激励。

创新内在需求和能力可以通过教学体系的前四个环节的组合完成。在理论教学中提出需要解决的问题，埋下创新的种子，形成创新需求。在实验教学中，传授创新的方法和验证创新的工具，提供创新的可能。在实践教学中，教授创新的案例，提供创新的发散性思维，提供创新的可依赖路径。通过将工程类创新活动规律、方法、需求等内在因素在教学中融入，形成潜移默化的影响，可使创新活动的目的性更强，专业性更深。

创新外在机会或激励通过设置大学生创新比赛，提供实施创新活动渠道，通过比赛奖励，提供创新活动激励。当下，大学里有许多创新活动比赛，为学生提供了创新的外在渠道和激励机制，如创新获奖可以获得保研加分，评优加分，工作机会提升等。

创新的内在动力和外在机会的联动，使得创新活动变得活跃。从国外大学的创新活动中可以发现，其创造发明能真正有效地解决工作或生活中的痛点，为人类服务。这得益于其创新活动机制较为健全，学生有足够的工程实践参与机会，能发现创新的需求；教学中又融入了创新的思维，为解决需求提供了方法，使得创新可以自然产生。

四、结论及政策建议

本文从工程类本科专业特点出发，借鉴西方国家同类专业教学体制的设计思想，结合我国当前教学中存在的普遍问题和客观环境约束，充分利用信息化技术优势，提出了一种信息化支撑的工程类本科专业多维反馈教学体系。该教学体系由五部分组成，即课程结构、教师配置、授课方式、教学环境和创新机制，各个部门相互关联，每个部分内部设计动态反馈调整机制，保持了教学体系具备自动迭代更新的功能。其中课程结构由通识课30%（含10%人文课程），专业基础课20%，专业理论课20%，实践课20%，创新课10%组成；教师配置要注重从企业或行业协会引入外部专家到校内授课，同时校内老师要去一线去挂职锻炼，参与一线项目；授课方式要将AR/VR技术、仿真实验、现场模拟等信息化新技术与传统的讲授法、案例法等融合；教学环境方面要注重教室环境、虚拟环境和现场环境的分工和协作，充分发挥虚拟环境的纽带作用；创新机制按照在日常教学中融入创新理念和课外疏通创新渠道，提供创新激励相结合的方式推进。

工程类本科教学体系设计必须从工程类本科教学的特点出发，尊重工程类本科实践和理论并重的内在要求。在我国当前背景下，为了更好地使该教学体系落地，必须做好以下几方面的工作。

第一，加大教学经费投入。工程类本科教学实践性强，需要学生和教师较长时间参与现场实践，产生的经费远比一般的理论类学科大。无论是学校，还是提供现场实践机会的企业，很难直接从中获得收益，如果没有必要的经费支撑，难以将教学体系落地。

第二，增加国际化交流机制。我国的工程项目水平已经达到了国际化的阶段，参与国际化交流是进一步提升我国工程类专业水平，融入国际的必经之路。从师资、学生、实践项目都需要向国际化的方向发展。

第三，研发虚拟教学用的标准化教学模块。工程类项目仿真软件模块尽管各不相同，但某一行业的核心模块的重复性很高，所以制定标准，集中力量，协同完成通用教学基础模块的建设可以节约开发成本，提高开发效率，提升教学水平，促进整个行业发展。

第四，不断深化产学研合作。尽管我国已经采取了挂职锻炼交流，学生认识实习，生产实习等一系列机制加强产学研结合，但是与西方国家相比，产学研结合的深度还远远不够。无论是制度机制的建立健全，还是制度的落实方面，都亟待大幅度提升。鼓励企业办技术应用类大学，鼓励企业和政府合作办大学或办专业是国际上比较成熟的办法，如我国的吉利大学等。