新工科大学生创新教育的探索

郝婷婷 徐淑玲 黄立新 储开斌

摘  要：在新工科的培养目标中，创新能力成为对高素质复合型人才的重要评价标准。工程教育的最终目标是培养符合时代需求的工程师。文章针对工程教育和創新人才的关系，结合世界各国的优秀经验和我国西南联大的成功经验，总结了在我国工科创新教育改革中较为重要的三点分别是增强驱动力、设置创新课程和改变教学方法，基于理论进行教学实践并给出相应分析。

关键词：新工科；工程教育；创新教育

中图分类号：G642.0    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）04-0161-04

新工科促进了跨学科交流及产业的划分，使得工程教育具有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性。由此，新工科教育的特征表现为：在课程结构设置上，特别重视新经济的发展及产业变革带来的工程学科的引领性、交融性；在教学过程中，特别重视新工科专业明确的培养目标和丰富多变的教学内容形成的教学模式创新性、跨界性；在教学评价过程中，特别重视把危机意识、创新精神、创新思维、创新能力融入工科教学发展中的评价标准。

高等教育的教学理念是伴随着时代发展变化的。从改革开放至今，中国始终坚持科教兴国战略，努力发展中国特色社会主义高等教育模式，在2017年教育部对工程教育提出新工科的概念。“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。创新的关键在人才，人才的成长靠教育”［1］。

经过几十年的发展，中国大学创新教育在不断尝试下已取得很好的发展，但是在全世界面临新一轮科技革命与产业变革的时期，为了圆满完成“中国制造2025”等国家战略，以新技术、新产业、新业态和新模式为特点的新工科教育需要注入更多更强的创新活力。

一、新工科教育和创新人才培育

培养具有创新能力的工程人才是新工科教育的重中之重。新时代对工程师的要求是不仅要有较强的专业技能，还要有较强的创新能力，大学生的创新教育迎来了前所未有的挑战。哈佛大学商学院教授Amabile博士研究得出了产生创新的三大要素：专业知识、创新思维和驱动力，并总结出了三者间的关系。

创新者的素质是可以培育、学习和引导的。在适当的环境和机会条件下创新者的素质可以发生非常大的改变和提升。其中一个令人瞩目的案例就是美国富兰克林·欧林工学院的工科创新人才培养模式。欧林工学院建立于1997 年，是美国欧林基金会为培养新型创新创业工程人才组建的工程学院。欧林工学院具有独特的使命之一是创建工程教育改革的“实验室”，并在短时间内成为美国工程教育的新高地。其毕业生有前往麻省理工学院、斯坦福大学、哈佛大学、卡内基梅隆大学和加州大学伯克利分校等名校攻读研究生的，有在谷歌、苹果、脸书、亚马逊等著名公司就业的且超过25%的毕业生在两年后参与创业活动。2019年在《普林斯顿评论》中获得最有价值学院、东北部最佳学院、最佳实习第2名和经济资助第23名，在“学生最快乐”中排名第14、在“学生最用功”中排名第4。

创新者素质在特殊时期是可以催生和激发的。二战以后发展起来的以色列创新教学和抗战时期的西南联大引人注目。对于犹太人，漫长历史中的种种不幸遭遇所铸就的难以摆脱的忧患意识，沉淀为一种文化基因，形成了犹太教育的独特风格，产生了基于“知识三角”模式的办学战略——教育、研究和创新的以色列理工学院。我国抗日战争时期的西南联大，在风雨飘摇中培养了2位诺贝尔奖获得者、4位国家最高科学技术奖获得者、8位两弹一星功勋奖章获得者、171位两院院士及一百多位人文大师［2］。以色列理工学院和西南联大的共同点之一是学生具有与时代并存的危机感和忧患意识，这种忧患意识恰是工科创新人才需要具备的基本素质，也是学生科技创新的内在驱动力。

在实现“两个一百年”目标的重要时期，科技创新是强国富民的关键，为实现具有中国特色的工程教育创新人才培养，需要快速准确地找到工科创新教育改革的突破点。

二、新工科创新教育改革的突破点

（一）增强学生的驱动力，传承革命精神

驱动力包括内在驱动力和外在驱动力，在引导学生时应以提升学生内在驱动力为核心，辅助能改变人行为的外在驱动力。

学生步入大学，充满激情地开启向往已久的大学生活，随着深入地接触与基础教育完全不同的自由氛围后，有的学生迷茫、放纵自我，而有的学生目标明确、享受自由的氛围。希望学生都可以是目标明确且享受自由的氛围，因此在学生的内动力方面，改革的重点是激发学生的主观能动性，确保每个学生可以最大程度激发自己的潜能。为了激发学生的主观能动性，在培养学生的过程中以激发好奇心、增强成就感、培养责任感和忧患意识为基础，以学生笃信自己有美好未来为最终目标。

哈佛校长陆登庭曾说过，“如果没有好奇心和纯粹的求知欲为动力，就不可能产生那些对人类和社会具有巨大价值的发明创造”［3］。好奇心是受多方面因素综合影响的，作为工程教育工作者，应提供有效的学习环境以及开设有趣的课程来保护学生的好奇心，同时尽可能多地从学生的兴趣出发且利用多方面的资源激发学生的好奇心。成就感是激发学生主观能动性的重要因素，不同的学生对成就感的定义是不一样的，应打造一种有助于满足其成就感的良好环境，这个良好环境包括良好的师生关系、同学关系和各种奖励之类的外在驱动力。培养责任感一直是中华教育的传统，而危机意识是总结以色列和西南联大的成功经验，这两者是相辅相成的，工程教育的改革可以以培养团队合作能力为导向增强学生的责任感，增强竞争机制及提出新型考核标准来培养学生的忧患意识。课程和制度改革仅仅是促进行为养成的方式，工程教育要传承历史使命，传承革命精神，进行红色教育，培养学生忧国忧民的大局意识。此外，可以联合社会和企业的力量，帮助学生及时了解时代发展，把握行业的风向标，做到树立学生正确的人生观价值观世界观，帮助学生树立远大的目标。

当学生的好奇心得到保护和激发，获得前所未有的成就感，同时具有强烈的责任感和社会使命时，自信且有创造力的新一代工程师便会应运而生。

（二）设置創新课程，满足新工科教育的学科交叉

1. 攻克项目教学开展难点

美国工程教育的探索一直遥遥领先，麻省理工学院、斯坦福大学、欧林工学院等走在改革最前线的名校不约而同地提出了项目课程以实现课程内容重构。

从新工科定义提出后，教育工作者一直在改革的路上不辞劳苦地尝试，在交流中，很多学校已经开展了项目课程，比如香港科技大学、重庆大学等。项目课程不仅可以很好地培养学生的团队合作能力或集成思维能力，还可以有效地促进创新思维的培养。同时，当项目课建立在校企合作的平台时，可以很好地激发学生的好奇心，使得学生获得前所未有的成就感。项目课程也存在一些问题，学生层面而言，存在知识碎片化、学习方法转变的挑战等问题，教师层面的问题包括课程选择的覆盖面、备课的难度、职称的评定、学生的评价标准体系是否合理等，学校层面面临项目课程是否有强大的资金支持以及来自各方压力等。

在学校的大力支持下，在尝试项目课程的时候，试图用不同的方法进行难点攻克，甚至有些问题已经得到较好的解决。在项目课结束后，加入教师总结梳理环节解决学生知识碎片化难题，在课程选择覆盖面上首先开展较为成熟的项目课程，在尝试中总结经验并通过课程讨论、分工教学的方法以及提供教师学习机会来降低备课难度。目前学院已经生成了五项项目课程，并完成了第一轮的课程迭代。项目课程的完善还有很长的路要走，始终秉持大胆尝试、在尝试中查漏补缺、在失败中总结经验的思路，最终必迎来全面的成功。

2. 建设特色基础学科课程

专业知识的学习决定着新工程教育改革的成功。目前在新工科的建设中，很多改革者选择合并、重新安排课程，然而对于数学、物理等基础自然学科的改革问题通过简单的合并重排方法并不能完全满足创新思维培养中对专业知识的要求。创新思维的拥有者不仅要有完善的知识体系，还要在关键时候解决在不同情境下“专业知识产生需要多少，什么时候需要，以及如何获取”的难题。

赫巴特曾说“数学一般通过直接激发创造精神和活跃思维的方法来提供最佳服务”，创新教育的改革离不开数学等基础学科的改革［4］。我国传统的工科数学教学是在高等数学的基础上根据实际需要不断地增加和引入，随着时代的发展，这样的教学内容覆盖面广，但存在重经典、轻现代，并不完全符合时代的需要的问题，在这种课程的安排下，数学教学的周期长，教学难度高；学生在应用过程中力不从心，因此单纯地拓宽数学的知识面是不够的。从数学的发展史看，数学反映了人们积极进取的意志、缜密周详的推理以及对完美境界的追求，一切数学的发展均源于实际，理论一旦在实际需要中出现，就不可避免地会使它自身获得发展的动力，目前基础学科建设与教学倾向于纯粹性和抽象性的一侧，但数学科学在本质上是革命的，是不断更新、发展的，我国传统的数学教学过程在纯粹数学和具有活力的应用之间产生了不幸的分离［5］。目前数学建模大赛是锻炼数学思维的一个重要形式，数学建模过程本身是一个创新过程，有利于提高学生的创新能力和培养学生的创新精神。数学建模问题从实际中来，但结论过于理论性不能用于实际生产，纯粹数学和具有活力的应用之间没有形成完美的结合，不能完全弥补课程内容偏离实际的问题。

欧林工学院新生必修的两门课程Quantitative Engineering Analysis（QEA，相当于4门课），通过真实的案例来学习各种进行定量工程分析的方法，涉及的课程包含大学物理，微积分、线性代数、概率论与统计等数学课程，该课程注重跨学科和人文社科知识的学习，增强团队合作能力、终身学习能力和动手解决问题能力，提升学生运用数学方法解决实际问题的能力。相较于传统工科教学，QEA课程在真实的案例中学习巩固知识，恰好弥补了课程内容偏离实际的问题，使得数学物理教学不仅仅是知识的传授，更传递了基础学科的思想和精神实质。

3. 增加跨学科和人文社科知识课程

在欧林工学院提出的工程师应该具备的五种思维中，跨学科思维和全球思维引起关注。注重跨学科和人文社科知识的学习应该列入新工科学生的评价标准体系，目前我国已有很多教育工作者研究了该体系的建设。该类课程的设置可以邀请知名的专家讲座，也可以将人文社科内容进行加工整合作为学生的必修课。在条件较为局限时，可以将人文社科教学内容设置的权利还给学生。学生可以根据自己的兴趣爱好，选择自己喜欢的跨学科和人文社科知识的公开课及纪录片等资源在课堂上分享，同时学院可以建立共享模式，促进教师和各年级学生长期的共同学习。

（三）新工科教学模式改革，提高工程教学的质量

新工科专业明确的培养目标和丰富多变的教学内容要求新一轮的教学方式改革，传统的灌输式教学法提高了学习的效率和宽度。但随着信息化的发展，工程教学面临的新挑战是如何让学生学会根据需要发现问题、找到解决问题的知识并消化应用知识。对于具有难度的传统课程，压缩传统课程教学时间，补充类似QEA的课程，通过动手实验、启发式教学、翻转课堂、失败分析等方法培养融合与应用多学科知识的能力。对于较为容易学习的课程，以学生为中心，提出问题并引导学生自主学习解决问题，或者在项目课中以动手设计和制作为主、教师启发引导为辅的形式展开。希望在尝试教学方法改革的过程中，学生可以自定专业、自己选择课外活动以及追随自己的职业兴趣。

三、新工科创新教育的实践

根据以上分析，在我国工科创新教育改革中较为重要的三点分别是增强驱动力、设置创新课程和改变教学方法。为了验证理论，高校围绕这三点打造了符合国情的项目课程体系和基础课程重建。

针对项目课程，机械、电子信息、软件工程专业混合招生，形成了覆盖科学与工程类项目、工程原理类项目、系统集成项目、复杂工程项目和综合工程项目的项目课程体系，通过校企合作建设特色培养体系，构建以培养高素质工程师和企业家为目标、包含阶梯性的柔性课程体系以及学校教师和企业专家的教学团队，借助多种教学方法，强化人才培养目标、培养过程和培养质量等教学质量监督方法。

对于基础课程重建，进行QEA课程的学习实践。例如选择的课题是按要求制造一艘小船，这个课程需要运用微积分和数值积分及船舶静力学等知识。利用暑期对大一的学生开展此项课程，绝大部分学生是第一次参加项目课程。在课程内容方面，学生已学过微积分，课程的设置可以锻炼学生利用所学知识解决实际问题的能力，其次，学生并没有接触过数值积分，需要引导学生自主学习，解决问题。同时，船舶静力学是一门完全陌生的课程，学生需要在全新未知的領域解决问题，课程的设置符合创新教育的目标。在课程的实践过程中，学生希望尽可能多地学习欧林经验和欧林思想。考虑到两国的基本国情不一致，在欧林课程设置的基础上对教学的基础知识内容进行修改。首先要求学生在两小时内制造一艘达到标准的船，通过失败分析，在学生的心中种下定量分析的种子，通过动手实验、启发式学习、翻转课堂等方法实践了欧林QEA课程的基本框架。课后针对学生在QEA课程中遇到的“搭便车”成员、交流能力、专业知识和技术不足，团队协作对QEA完成影响程度及QEA课程的最大收获等问题做了问卷调查。

尽管课程设置只需要少量的知识补充且安排了教师讲授环节，但是学生在课程中遇到的最大困难依然是专业知识和技术不足。这个现象体现了学生在短时间内快速消化知识的能力不足，但也体现了课程的设置提升了学生对知识的渴望度。在问卷结果中有学生认为团队协作能力影响较小且多数人并未选择团队协作对QEA完成影响程度很大。团队合作能力的培养是一个过程，后续课程的设置需要进一步引导学生对团队协作能力认可且有意识地培养学生的领导能力。学生普遍反映QEA课程收获颇丰，很多同学表示课程提高了自己的科研能力、获取新知识的能力、沟通表达能力和发现问题的能力。

参考文献：

［1］ 江泽民. 江泽民文选［M］. 北京：人民出版社，2006.

［2］ 西南联大. 国立西南联合大学校史［M］. 北京：北京大学出版社，1996.

［3］ 陆登庭，阎凤桥. 一流大学的特征及成功的领导与管理要素：哈佛的经验［J］. 国家教育行政学院学报，2002（05）：10-26.

［4］ 约翰·弗里德里希·赫尔巴特. 德国精英教育心理学［M］. 北京：文化发展出版社，2017.

［5］ R·柯朗，H·罗宾. 什么是数学［M］. 上海：复旦大学出版社，2005.

（责任编辑：罗欣）