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新工科背景下大学生能力培养

［摘要］高校基于经济社会的发展要求以及工程学科的发展规律,针对高校工程教育改革发展存在诸多掣肘因素,构建面向新工科的创新思维的教学体系.教师可联合中学阶段的理综、信息技术等课程的教学等,注重发散式思维的培养,经过大学阶段的专业学习,使其成为具有创新意识和跨界整合能力的“新工科”人才.

［关键词］新工科；创新教育；高等工程教育

［中图分类号］ G64 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2018）12-0170-03

高等工程教育在我国高等教育中占有重要地位.以深化工程教育改革为契机,国家推动创新驱动发展,实施“一带一路”、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略,以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展,对工程科技人才提出了更高要求,迫切需要加快工程教育改革创新［1］.大学生的专业精神,即“工匠精神”,是指在相应的领域具备丰富系统的理论知识,以及一定的创新能力,同时树立孜孜不倦、精益求精、以及严谨的学术态度［2］.2017年2月,教育部在复旦大学召开高等工程教育发展战略研讨会,达成复旦共识；2017年4月,教育部在天津大学召开新工科建设研讨会,明确了新工科建设的行动路线；2017年6月教育部新工科研究与实践专家组成立第一次工作召开,林蕙青副部长做重要报告,会议形成新工科建设的北京指南［3-4］.从复旦共识、天津行动,到北京指南,明确了新工科建设的目标,对新工科走向实践产生的广泛影响与作用.本研究主要根据新工科发展的需要,结合高等工程教育发展的历史与现实,开展大学生专业精神与创新能力培养的研究与探索,为新经济发展和产业转型升级提供智力支撑.

一、新工科建设下的创新教育

“新工科”对应的是新兴产业,首先是指针对新兴产业的专业,如人工智能、智能制造、机器人、云计算等,也包括传统工科专业的升级改造.从新经济的角度来讲,新工科之“新”在于对我国工程学科未来发展的新要求.2018年1月12日在哈尔滨举办的“新工科建设与工程教育改革发展研讨会”上,教育部高教司理工处处长爱华在主旨报告“面向未来、主动谋划,以新工科建设引领高等教育变革”中提到,新经济要求工程技术人员具备更高的创新创业能力和跨界整合能力,建立更多样化和个性化的工程教育培养模式.新产业的发展,需要通过创新教育衔接新工科人才的培养,服务产业的转型升级.按照服务新经济的要求,面对大数据支持下的智能化机器,为提高人和机器合作协调的能力,本课题有关创新人才的技能矩阵如图1所示.

图1中,What、Why涉及发现问题,When、How主要涉及解决问题.其中的FAST表示四个要素中的Appli?cation、Foundation、Science、Technology的首字母.（一）面向创新教育中的探究式教学与差异化教学针对缺乏创造性的和机械训练的教育方法,美国哥伦比亚大学的教育家、哲学家杜威提出在教学中使用探究方法.探究式学习是一种积极的学习过程,不仅要求学生学习专业的知识,更重要的是要学习科学研究的过程或方法.从20世纪50年代到60年代,探究式学习作为一种教学方法的合理性得到普遍认同.该教学方法通过在教学中创设类似于学术研究的情境,倡导学生的主动参与,通过独立自主地学习、思索、实验、收集与处理信息、表达与交流等一系列的活动,获取专业知识,激发探索精神,培养创新能力.在创新教学过程中,教师要把学生被动接受知识的过程转变为通过自主学习掌握知识与培养能力的过程,还原学生在教学体系中的主体地位.同时,教师将各种间接经验转化为学生生活情景中的直接经验,让学生积极进行交流与探索,开发创造性思维强烈的发散性、灵活的变通性,激励原型启发的突然性等,在各相关学科与知识之间建立新的联系,并有所发现,有所发明.美国的教育家本杰明·布卢姆认为,学生的学习并不一定呈正态分布.我们在多年的教学实践中发现,在教学过程中,教师通过差异化的教学,通过探索不同学生的思维方式和他们各自解决问题的思维习惯,努力寻找教育对象与教育内容之间最佳的结合点,充分发挥每一个学生的最大潜能,使教学活动满足所有个体的专业学习与成长的需要,完全可以实现整个教学班级齐头并进的理想局面.同时,具有跨行业、跨领域特性的新经济,需要工程技术人才具有交叉复合特性,以及跨学科、跨产业的跨界整合能力.这也决定了工程教育培养模式的多样性与个性化.而随着翻转课堂、慕课等新型在线开放课程和学习平台的兴起,也为个性化、差异化的培养模式提供了有力支撑,使得学生接受更多可能性的多元化教学模式成为可能.这也是创新教育的发展方式之一.

（二）面向创新教育的人文关怀与引喻启导

创造性人才的培养是一个长期的过程,创新意识的培养要从小抓起；在从事专业学习之前,树立学生对专业的信心与对科研的憧憬是至关重要的.教高［2017］8号文件指出,教学改革需要探索基于统一高考和高中学业水平考试成绩、参考综合素质评价的多元录取机制；以实施高考综合改革,增强高考与高中学习、高校专业培养的关联性［5］.高中阶段,在注重高考成绩以及不影响高考科目学习的前提下,教师应注重对学生发散式思维的培养.如湖南省隆回县第二中学采取密切关注学生成长、润物细无声的放养式.该校的学生在升入大学的学习阶段或者大学毕业后的表现,普遍具备适应能力强,以及能够保持持续努力的特性.该校经过近二、三十年的努力,形成学生在校园内碰到老师都能主动问好,而老师也平和、慈爱地应答的融洽的校园环境.同时根据学校地处郊区,校园面积广阔的优势,采取自己进行种植、养殖的方式,以改善、保障学生的生活品质,据此给学生以耳目一新的体念感受.通过学校教工无形的关爱,适当屏蔽学生成长时期外界纷扰杂音的干扰,有助于学生专注力的形成、创造性思维的培养.另外学校还依据地处魏源故乡的文化底蕴,建设魏源文化墙,唤起学生朴素的自豪感.在素质教育方面,重视信息技术等反映前沿研究的课程教学,以提高学生的信息素养；对于物理、化学和生物等理综科目的教学,注意理综相关课程教学与生产、生活实际的关联.比如在讲解单摆等周期的教学内容时,布置学生课前自制两根长度为2米与0.2米的摆杆,然后用手指在空中拖住,并根据摆杆的倾斜方向移动手臂让摆杆不倒,通过实践,看看哪一个摆杆的控制容易实现.通过类比实验的现象,在课堂中与学生一起分析：摆杆越长,周期越大,越易于控制；得到单摆的周期与摆杆的长度的算术平方根成正比的感性认识.这样通过实践,不但使学生容易掌握单摆周期的公式,也容易激起学生对科学的原始兴趣以及立志投身科学研究的情怀.

二、新工科建设下的教学设计

北京师范大学何克抗教授等认为,教学设计主要是以促进学习者的学习为根本目的,运用系统方法,将学习理论与教学理论等的原理转换成对教学目标、教学内容、教学方法和教学策略、教学评价等环节进行具体计划、创设有效的教与学系统的“过程”或“程序”.借鉴苏州科技学院院长何若全教授的研究报告,按照Spady等提出的成果导向教育OBE（Outcome-based education）理念,为确保学生有效地取得教学成果,根据作者多年的教学实践与经验积累,在新工科的视域下,本研究设计的教学设计如图2所示.

（一）基于问题意识与创新思维的教学设计

大学生创新能力的培养,是国家创新体系中的重要组成部分,关系到国家创新教育的实现,是新工科建设的核心.爱因斯坦认为,发现问题和系统阐述问题可能比解决问题更为重要；因为解决问题是数学上或者实验上的技巧,而从新的角度看旧问题、发现问题、提出新的问题与提出新的可能性,需要创造性的想象力,是科学的真正进步.在新工科的建设中,为促进个性思维的深刻性与创造性,创新教育需激发大学生的“问题意识”.发现问题是解决问题的关键,是思维的内动力；一切创新都始于问题的发现,是今后学术创新的突破口.发现问题源于敏锐的“问题意识”,而“问题意识”不是自发的,其蕴含在学生内心深处且纷繁复杂,在教学设计中,需要教师认真研究与分析,悉心培养和触发.根据调查,我国大学生由于受多种因素的影响,学习主动性较差,多数学生不善于或者不能提出问题.在大学生的专业教学中,教师是引导者,要将学生潜在的、静态的问题意识转化为显在的、动态的问题意识［6］.作为探究者,学生应通过自己的探究去发现问题、解决问题,直至形成新的发现.在新工科建设的教学设计中,需要平衡教师的“引”和学生的“探”的关系,做到既不放任自流,让学生漫无边际去探究,又不能过多牵引,而是主要由大学生尝试从各种现象中认识相应的本质,形成流畅、严密的创新性思维.同时培养学生具备若干“新素养”,如对“超世界存在”的关注、空间感、关联力等的自觉［7］.

使得大学生既有前瞻性的视野,又能够敏锐地发现新问题与新方法,成为教学过程中的主角.同时由于新工科建设的开放性,以及技术路线的多样性和复杂性,专业教师往往并没有现成的答案.我们发现,一般而言,整个教学过程呈现出类似于IPDI的特性,即教师的指导作用随着教学进程的展开逐步降低,学生的自主学习逐步处于主导地位的态势［8］.遵循这一特性,也是新工科建设的教学设计中应有的态度与认识.

另外,在进行教学设计时,教师应根据学生的认知规律与特性,从整体和全局的高度用系统的观念有意识地逐级推进,系统安排；做到部分探究与全部探究相适应.作为教学的组织者和协调者,教师应采取提问式、讨论式、启发式、引导式等教学方式,调动大学生主动参与到教学活动中来,使得教师和学生形成课程教学的共同体［9-10］.

（二）基于前沿研究与循序渐进的教学设计

李培根院士认为,“新工科”需要重新审视专业边界,如传统的机械设计与制造自动化,也应该使该专业的学生有物联网、大数据分析、人工智能等方面的专业概念.基于“一带一路”倡议的工程教育国际化背景,在大学生创新能力的培养方面,由于一些新理念、新技术的出现,在专业知识学习的过程中,教师可结合课题研究、专业优势,将本学科领域最新的研究动态与前沿知识适当地融入课程教学中；通过积极向上的心理启示,激发大学生创新的主动性、发散性以及对跨学科知识的敏感性［11-12］.如上海工程技术大学以国家级科研项目为依托,联合华盛顿大学和浙江捷尚视觉有限公司等建成机器视觉创新科研团队,构建跨界体系,学科壁垒,促进工科协同、艺工交融和文理渗透［4］.同时,设计探究式教学时,教师需要依据大学生的认知规律,让学生的学习过程与该学科的科学探究与发展历程基本一致.如依据人工智能发展的历程,组织大学生参加一些以机器学习、机器视觉等课外活动等实践时,首先学习BP神经网络、经典的有监督学习网络,逐步进阶到卷积神经网络、限制玻尔兹曼机、对抗神经网络等,形成学生学习的螺旋式上升、波浪式前进的教学模式；并结合相应的语言如Python或Matlab,以及机器学习开源库Ten?sorFlow等,将基本原理与典型应用,以及相应的原程序交叉结合.通过研究型的课程学习与充分的训练,实现从零基础开始,让学生逐步掌握人工智能的基本原理.解决部分大学生所学的专业知识与前沿研究的发展不相适应的问题,并锻炼大学生对技术的领悟能力和创造能力,以及相应知识领域的迁移能力.

三、结论

新工科概念的提出,对我国高等工程教育改革发展提出了新的要求、也提供了新的机遇与平台.高校应通过面向新工科建设的创新教育的探索与实践,培养大学生创造性思维,使其具有积极的求异性,强烈的发散性以及灵活的变通性.同时,其还能使大学生在专业学习或者毕业后的工程实践与科学研究中,通过持久、专注的冥思苦想,由原型启发的顿悟而发现新问题、新方法.

［参考文献］

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［3］胡波,冯辉,韩伟力. 加快新工科建设,推进工程教育改革创新——“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述［J］. 复旦教育论坛,2017（2）：20-27+2.

［4］夏建国,赵军. 新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议［J］. 高等工程教育研究,2017（3）：15-19+65.

［5］教育部. 教育部关于推动高校形成就业与招生计划人才培养联动机制的指导意见［Z］.2017-12-29.

［6］关红梅. 高校创新教育的实践与展望［J］. 中国成人教育,2016（17）：72-74.

［7］李培根. 工科何以而新［J］. 高等工程教育研究,2017（4）：1-4+15.

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［10］刘洪永,程远平,朱国庆. 嘉宾论坛模式及对我国新高等工程教育的启示——以澳大利亚昆士兰大学为例［J］.大学教育,2018（2）：192-194.

［11］范斐,陆洲. 以学习者为中心的跨学科创新学习空间营造研究［J］. 高等工程教育研究,2016（3）：63-68.