基于STEP 工程教育理念的卓越工程师培养模式

2023-11-30于靖军

北京航空航天大学学报（社会科学版） 2023年6期

王扬，于靖军

（1.北京航空航天大学研究生院，北京 100083；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）

目前，世界新一轮科技革命和产业变革迅猛发展，综合国力竞争日益激烈，而综合国力竞争说到底是人才竞争。2021 年中央人才工作会议将卓越工程师作为国家战略人才力量的重要组成部分，要求“努力建设一支爱党报国、敬业奉献、具有突出技术创新能力、善于解决复杂工程问题的工程师队伍”[1]，以支撑中国高水平科技自立自强。然而，长期以来，中国高校在卓越工程师培养方面仍存在以下突出问题[2-4]：一是理论教学“知识灌输”多，实验教学“重复验证”多；二是理论教学与实验教学脱节，教学与科研脱节；三是课堂教学缺少面向工程实际的教学内容。上述问题让高校工程教育效果大打折扣，导致部分学生学习主动性不强，创新实践能力不足，严重阻碍了高校对卓越工程师的培养。

近年来，以CDIO（conceive-design-implement-operate）为代表的工程教育理念成为高校进行卓越工程师培养的纲领和行动指南。国内部分高校尝试将体验式教学、研究型教学、项目式教学等新型教学方式在工程教育中进行推广和应用[5]39-41。为了适应新形势下创新人才培养的需求，在工程教育改革和工程认证大环境下，笔者拟借鉴CDIO 等国内外先进的教育理念，通过对标国际一流高校，结合北京航空航天大学（以下简称“北航”）工程教育特色，提出对支撑工程教育、培养卓越工程师具有普适性的STEP教育模式（以下简称“STEP”），并在相关学院课程体系和课程群建设中进行推广和应用，以期能取得良好的教学效果。

一、STEP 概念及内涵

卓越工程师培养旨在培养大学生的科学素养、技术创新能力、解决复杂工程问题的实践能力。其培养过程离不开以创新型、综合化和全过程为理念的工程教育的支撑。STEP 就是瞄准卓越工程师培养的核心目标，将工程教育的普遍原理与国情、校情紧密结合的教育模式。STEP 是软件（software）、理论（theory）、实验（experiment）、项目（project）四者结合的简称。北航从2010 年开始探索STEP，形成了以项目驱动为核心，理论教学和实验教学协同，软件工具支撑的卓越工程师培养体系，并从课程体系、教学模式、保障机制等方面对STEP 进行了全方位的探索和实践。STEP 构建方案，如图1所示。

图1 STEP 构建方案

STEP 与CDIO 既有不同之处，又有若干相似特征。CDIO 是以产品、生产流程为载体，将系统从研发到运行的各个阶段进行分解[5]39-41，其特征是按照产品实现过程的纵向维度构建课程体系；STEP 则是通过方法手段的横向维度开展工程教育。具体而言：首先，STEP 和CDIO 都是对工程认证的重要支撑，均强调“以学生为中心”“课程体系支撑人才培养目标”的理念；其次，STEP 和CDIO 相辅相成，都强调“基于项目学习”（做中学）、“一体化”、“全过程”的教育理念，实现人才培养体系的一体化贯通；最后，STEP 和CDIO 都重视过程管理和依托内部质量保证体系的支撑，两者都需要师生在时间、精力、资源等方面给予足够多的投入，细微差别可能在于CDIO 偏于宏观，而STEP 则在课程体系宏观层面以及单一课程或课程群微观层面均具有适用性[6]。

二、STEP 构建方案

（一）课程体系

课程体系建设是卓越工程师培养的关键，STEP的课程体系建设要充分体现项目驱动、理论教学与实验教学、协同软件工具支撑的一体化设计。

1.项目驱动

项目驱动是STEP 的核心。国内外许多高校已经开展了基于项目驱动教学的探索和实践[7-8]。美国麻省理工学院和斯坦福大学等世界名校的本科生每周用于完成课程项目和作业的时间长达30 余小时，这种教学方式让学生能够非常扎实地掌握课程知识并能深刻理解知识对于项目实践的价值。STEP 的项目驱动教学不能简单地等同于项目式教学，该模式更加突出知识体系在课程教学中的重要性，项目是学生掌握知识体系的驱动案例。在STEP 中，项目是核心和载体，学生所构建的知识体系不再是一盘散沙，也不再是模糊的书本内容，而是在具象化的目标任务的指引下，将理论、实验、软件三者有机融合，让学生明确这三者在解决实际问题中的关联和作用。在这个过程中，团队协作、知识分享、自主学习等多种学习方式不断迭代和升华，能够有效提升学生的创新能力和解决实际问题的综合能力。

挖掘合适的项目是STEP 成功的前提。项目挖掘要围绕“一个核心”，遵循“五个原则”。“一个核心”：以学生为中心，尊重学生的选择权，聚焦学生的实际需求和学习兴趣[9]。“五个原则”：一是整体性，项目应能较为完整地支撑学生的知识体系构建；二是真实性，项目应源于工程实际；三是关联性，项目应将理论、实验和软件有机融合；四是适应性，项目驱动的形式要符合课程的特点[10]；五是前沿性，项目要能够反映当代先进的技术水平，让学生了解当代最先进的科学技术思想。

2.理论教学与实验教学协同

理论教学强调通识课、学科课、专业课、综合课四个层次的课程建设和逐级递进。一是通过扎实的通识课教育，开阔学生视野，提升学生的内在修养，培养学生的人文精神、科学精神和思辨能力；二是通过宽厚的学科课教育，培养学生的数理理论基础，使学生具备基本的学术研究基础和持续拓展的学习能力；三是通过精深的专业课教育，使学生了解最前沿的专业和行业知识，获得良好的专业训练，学习模块化的专业课程；四是通过综合课教学，培养学生在某一专业方向上的综合性、系统性的知识体系。理论教学强调通识与专业并重、个性化与一体化联动，着重培养学生建立阶梯型的知识结构。

实验教学突出四个结合，即：教师引导与学生自主实践相结合、课内与课外相结合、虚拟仿真与实物操作相结合、考试评价与过程评价相结合。实验教学主要面向学生的基本工程素质与工程能力训练分层次开展，由基础性向综合性逐级过渡，分为基础型、专业型、科研型、交叉型四个层次。基础型和专业型实验项目，主要培养学生利用专业知识分析解决实际问题的能力和动手操作能力；科研型和交叉型实验项目，主要引导学生开展科研创新活动，培养学生解决复杂系统问题的能力和跨学科整合能力。

打造若干核心课程群，强化理论教学与实验教学协同，是确保STEP 课程系统性的关键。随着学科交叉和知识融合日益凸显，课程之间的联系越来越紧密。北航以专业综合改革实践为契机，鼓励各专业根据教学内容的相关性，围绕骨干课程建设核心课程群，在课程群内大范围推广STEP，打通理论教学与实验教学之间的壁垒，强化理论教学与实验教学之间的协同。

3.软件工具支撑

掌握与课程相关的软件工具的使用方法，特别是掌握虚拟仿真软件的运用，已成为当前科研和工程领域从业者的必备能力。软件工具强大的功能和逼真的仿真效果，让运用全覆盖式的软件工具辅助理论教学和实验教学成为可能。在以往的教学活动中，软件工具更多是作为课程学习的“配角”，理论学习多，实际运用少，效果较为有限。STEP 提升了软件工具在学生学习和解决实际问题中的地位，软件工具可以很好地辅助项目完成虚拟环境下的仿真设计、参数设置、分析评价等工作，从而帮助学生获得更加扎实的学习效果。通过对理论教学和实验教学的梳理发现，绝大部分的基础课、专业课、综合课程都能找到与之配套的专业软件工具来支撑课程教学。

（二）教学模式

1.科教融合

STEP 的科教融合，课程是起点，项目是根本。要想让学生通过课堂学习掌握科学的思维方式和正确的科研方法，教师需要提炼出适合教学的好项目，采用学生乐于接受的方式及时将科研成果引入教学，培养学生利用现代工具解决工程实践问题的能力。一是开设“工程+”课程。鼓励教师自行研发与科研项目密切相关的教学实验项目和仪器设备，让学生在真实的工程项目中学习并掌握课程知识，培养学生的工程思维和创新实践能力。二是开设名师课堂。聘请院士、长江学者、杰出青年科学基金获得者等担任主讲教师，让学生近距离感受这些学术大师的风采，接触国际前沿的学术成果，开阔学生的学术国际视野。三是倡导新型课堂教学方法。倡导以学生为中心的启发式、讨论式、研究式、项目式教学，建立体验式课堂文化，引导学生主动学习。

2.虚实结合

以移动互联、大数据和云计算为代表的新一代信息技术革命改变了高校课堂的教学模式，以虚实结合为核心，提升课堂关注度和学习自主性，可以有效提升STEP 的教学效果。虚实结合模式是根据教学目标和内容要求，综合考虑课程性质和教学实施环境，按照优势互补的原则综合运用虚拟和现实手段完成教学任务所构建的新模式。在宏观层面，搭建虚实结合教学平台，引入云课堂和MOOC 课程，构建翻转课堂模式，建设优质的课程电子资源库，引导学生课下自主学习，课上专注于师生互动和实践环节，以满足学生的个性化需求；在微观层面，将软件工具合理嵌入课程体系，运用与课程体系相关性强的软件工具开展虚拟仿真、分析评价等工作，帮助学生获得更加迅捷、真实的学习体验。

3.竞赛聚合

通过竞赛来聚合课程知识体系，是STEP 的重要手段。北航建立了“校友——教师——学生”“企业——学校——基地”“创意——创新——创业”的“三层联动”机制，实现了课程学习、竞赛实践、学生培养三者的紧密结合，实现了竞赛聚合模式的全覆盖、全方位、全链条。在竞赛聚合模式下，学生需要综合运用所学到的理论知识和实践经验，通过团队协作和创新实践，来完成竞赛题目、制作参赛作品、解决实际问题，并撰写课程报告和结题论文。这一过程对于综合培养学生的文献研究能力、自主学习能力和分析解决问题能力至关重要。

（三）保障机制

北航原有的管理体系和质量评价机制更侧重以教师传授为主的课堂教学和以应试为主的学生评价方式，STEP 更强调“以学生为中心”，鼓励教师在教学中由知识传授者向学习引导者转变，由教学“一刀切”向教学个性化转变，由被动执教者向主动开发者转变。

1.提升教学能力

STEP 对教师的教学能力提出了较高要求。北航始终坚持优先提升教师的教学水平和教学能力。一是推广STEP。引导教师运用STEP 理念设定教学目标、编制教学计划，将合适的科研成果转化为教学资源，融入教学环节，全面执行理论、实验、软件、项目四者相结合的教学方法。二是打造融合教师团队。打破以往教师单打独斗、独立完成某一门课程的壁垒，根据教学目标强强联合，围绕课程群汇聚教师团队，通过多门课程的配合支撑大型项目的实施和开展。三是建立以企业导师、校内教师、实验室人员三位一体的合力育人机制，特别是在项目设置和实验教学环节，实行校企“双导师制”，聘请领军企业中技术水平高、授课能力强的技术专家担任企业导师，为学生提供与一线科研生产相匹配的指导，聘请校内教师从事与项目相结合的理论教学和实验教学，聘请实验室人员协助校外导师和校内教师，完成大量实践环节的指导工作。

2.完善实践环境

实践环境是培养学生创新实践能力的重要场所。建立与STEP 相适应的实验环境是实施STEP的基础。一是完善教学实验平台。建立先进的软硬件环境以及配套的管理机制和激励机制，扩大实验室开放程度，鼓励教师和实验人员开设综合型、设计型和创新型实验项目，以满足学生在STEP 中的实践需求。二是完善科技竞赛平台。围绕“创意、创新、创业”构建递进螺旋式竞赛体系，将课程学习与竞赛项目有机结合，系统提升学生的科研实践能力；构建课程化的竞赛培训体系，以课内教学为基础，打造精品课外实践课，提供完备的知识技能储备。三是完善校企合作平台。以建设联合创新人才培养基地为目标，与国内外行业领军企业建立深度合作，共建校企联合实验室和校外产教融合基地，联合开展具有工业应用背景的实验系统和实验平台的建设工作。

3.改进质量评价体系

建立适应STEP 的课程教学质量评价体系。将核心评价指标由过多关注课程教学过程的监控和学生最终成绩的获得，转变为关注教师积极性的提升以及学生自主意识、团队意识、实践能力的构建。一是优化考评体系。采用包括学生评价、学院评价、教师自评和专家评价四个维度的教学质量评价方式[11]，实现从教师到学生的全过程闭环管理，确保质量评价的全面性、科学性和规范化。二是注重过程评价。合理设计基于过程的、可操作的考核体系，转变评价方式，摒弃传统的单一闭卷考核方式，采取实践过程表现、研究成果演示与答辩、考试、学生自评与互评结合的综合方式来评定学生成绩，从知识的综合运用与工程实践能力的角度来评价学生。三是注重一体化教学。课程体系强化理论、实验、软件、项目四者的一体化运用，要求课程具有完备的教学计划、教学大纲和讲义，将上述四者纳入本科教学质量检查与评价体系并加强督导和反馈。

三、典型案例

STEP 对宏观层面的课程体系建设和微观层面的单一课程或课程群建设均具有普适性，下文将通过两个典型案例来作进一步诠释。

（一）机械工程专业课程体系的STEP 教学实践

机械工程学科是北航优势工科的典型代表，要求学生综合运用材料、机构、传感、动力、控制、计算机等交叉学科知识进行设计研发。然而，原有教学模式普遍存在理论学习多、实验实践少以及理论教学与实践教学交叉融合不足等问题，导致学生的系统性实践创新能力有所欠缺。为了适应国际上“回归工程”即“大工程观”的高等工程教育理念，机械工程专业以学生掌握“典型机电一体化产品实现过程”为人才培养目标，系统地对STEP 进行探索实践。

基于STEP 的机械工程专业课程体系，如图2所示。理论教学以通识基础、学科基础、专业基础和专业核心为核心构建体系，实验教学以特色基础、专业综合、科研创新和交叉开放为核心构建体系。通过打造若干核心课程群，强化理论教学与实验教学协同，支撑典型机电一体化产品实现过程的人才培养目标。

图2 基于STEP 的机械工程课程体系

典型机电一体化产品的设计与制造核心课程群，如图3 所示。在教学大纲设计过程中，一是通过机械工程概论等通识理论类课程群学习，对典型机电一体化产品的设计与制造过程建立整体认识；二是通过设计类课程群学习，掌握典型机械系统概念与结构设计过程，再通过机电一体化等实验类课程群学习，掌握典型机电一体化系统设计过程，培养学生的机电控制与硬件设计能力；三是通过制造类课程群学习，掌握典型机械制造工艺与过程；四是通过专业综合实践、生产实习等，掌握与专业方向相关的系统设计制造过程，全面提升技术创新能力和善于解决复杂工程问题的实践能力，为培养卓越工程师打下坚实的基础。

图3 典型机电一体化产品的设计与制造核心课程群

机械工程专业凝练了三类项目驱动教学，并将项目合理嵌入课程：一是课程基础项目。项目来源于课程应用实际，能够支撑一个课程模块，并串联起课程模块的知识体系。课程模块可以是某一课程中的若干知识点、一门独立的课程或由若干门相关的课程组成的课程群。二是科研训练项目。整合学科专业优质的实验资源设置项目，对不同类型课程群的相关知识进行进一步的扩展和运用。学生需要综合运用专业知识和技能，解决较为综合性的实践问题。三是综合创新项目。瞄准各学科专业的前沿理论、先进技术和高水平研究成果，以高水平创新创业竞赛项目、毕业设计、专业综合实践为牵引设置项目。项目能够较为全面地体现“完整的机械产品实现过程”，以及不同专业知识的交叉与渗透。

在软件工具支撑方面，机械工程专业总结了与课程配套的全覆盖式软件工具主要有4 大类，20 余套，分别是设计类、制造类、控制类和分析类软件，如图4 所示。

图4 与机械工程专业课程体系配套的全覆盖式软件工具分类

（二）机电控制工程技术课程的STEP 教学实践

基于STEP 的机电控制工程技术课程主要针对目前学生普遍存在的工程实践能力较差等问题，采用整合和集成的思想重构了课程内容。课程融入了项目化教学环节，但其本身更侧重STEP 所倡导的系统性知识构建过程。

1.基本思路

课堂教学遵循STEP，即：以一个典型机电控制工程项目设计为驱动，以理论学习和设计实践融合为主要教学方式，以学生小组为组织形式，进行机电控制系统的设计与工程实现。形成“1 条主线、2 个环节、3 个实践点”的项目研究式教学体系：1 条主线即以1 个工程项目驱动课程教学的主线；2 个环节是优化理论教学内容和突出实践教学；3 个实践点主要精选3 个体现机电融合知识点的子任务作为实践大作业，要求学生亲自动手设计并予以工程实现。通过理论与实践教学有机结合，以线串点、以点带面，构建了学生的综合知识结构，锻炼了工程实践能力。同时，课程自主研制开发了60 套相关控制系统及与之配套的相关软件工具，搭建了实践教学平台，作为项目开发工具使用。

2.考核方法

根据STEP 特点，课程侧重从知识的综合运用与工程实践能力的角度评价学生。课程以小组为单位实施实践教学，设计了以客观评价小组学生综合能力为核心的考评机制，采取学生自评与互评综合的方式来评定学生成绩，其中，实践过程表现在总成绩中的占比为10%、研究成果演示与答辩在总成绩中的占比为50%、考试在总成绩中的占比为40%。