1、基于工程教育本质的教学改革与实践 李娜 龚星宇 西安科技大学计算机科学与技术学院 摘 要： 基于高等工程教育理念, 以回归工程本质为导向, 以提升工科大学生工程实践 能力为培养目标, 针对目前高等学校“卓越计划”实施中面临的问题, 结合工 程教育和应用型人才培养进行了深入的研究和分析, 指出了现行人才培养方案 在课程设置及理论教学与实践教学等方面存在的问题和不足, 从多方面、 多渠道 开展基于工程素质和实践创新能力培养的教学内容、教学方法、教学环节的改革 和实践。 提出了“基于工程应用链接一体化综合课程教学改革”教学模式, 探索 实践了“问题与案例双驱动, 课内与课外互促进, 理论与实践相结合
2、”的教学 方法。实践证明, 此方法可以取得良好的教学效果。 关键词： 工程教育; 人才培养; 教学改革与实践; 教学方法; 作者简介：李娜 (1982) , 女, 陕西省蒲城人, 工学博士, 西安科技大学计算 机学院教师。 作者简介：龚星宇 (1982) , 男, 宁夏平罗人, 博士研究生, 西安科技大学计 算机学院教师。 基金：西安科技大学教改项目 (JG14045) 0 引言 高等工程教育的目标和本质是培养高级工程技术人才1。数十年来, 我国高等 工程教育为行业和社会培养了大量国家建设与发展所需要的人才, 支撑我国工 业体系的形成与发展, 在国家建设和产业发展中发挥了不可替代的作用。 然而
3、, 由于受传统教育思想的影响和盲目照搬国外高等教育模式, 我国高等工 程教育存在培养方案科学化色彩浓厚、工程性缺失和实践薄弱等问题2。特别 是实施扩招后, 高等工程教育中“工程弱化”现象更加明显。 大多数高校的评价 体系导向重论文、轻设计、缺实践、没工程的趋势, 对学生的工程教育和创业训 练重视和投入不足, 校企合作不到位, 企业不重视人才培养过程的参与。 许多具 有行业特色的工科院校出现了严重的去行业化现象, 优势和特色淡化, 同质化明显。一系列问题导致人才培养模式与人才需求之间的尖锐矛盾:一方面, 学生 的知识结构难以契合企业的实际需求;另一方面, 企业技术人才出现断层, 而这 已成为制约
4、企业发展的瓶颈。 在这种情况下, 高等工科教育回归工程本质乃大势 所趋。2010 年, 教育部根据我国现阶段高等教育存在的问题, 结合国家产业发 展与调整对人才的需求关系, 启动了“卓越工程师教育培养计划”;2017 年, 复旦大学、 天津大学等提出了“新工科”计划行动, 该计划行动将大大加快我国 由工程教育大国迈向工程教育强国的脚步。该计划的宗旨是面向工业界、面向世 界、面向未来, 培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各 类型工程技术人才, 为建设创新型国家提供人才支撑。 1 高等工程教育与教学理念 世界发达国家为适应现代化工程的要求, 十分重视本国的工程教育研究和改革,
5、并且已形成了各自比较完善的培养体系和科学的培养模式3。目前, 国际工程 师培养主要分为以下两大模式: (1) 以美国为代表的“华盛顿协议”成员模式4, 即大学生在校期间着重进行 工科基础教育, 毕业后由社会提供工程师职业方面的教育, 并通过专门的考试 和职业资格认证后成为合格工程师; (2) 以德国和法国为代表的欧洲大陆国家模式, 即大学生在校学习期间就要完 成工程师的基本训练, 毕业时获得一个工程师学位, 同时也是职业资格。 两种培养模式虽然形式不同, 但都注重实践教学, 并较早开始进行工程综合训 练。 通过实践课程或项目开发, 将工程实际问题带入课堂, 学生在企业接受实践 操作技能培训。
6、高等工程教育十分重视实践技能教学5,6。在国外许多工科大学中, 实践教学 占有很大的比例2。如美国斯坦福大学工程专业, 各种实践性学分为 83, 占总 学分的43%。其多层次的 Project训练、多形式的课外实践构成了完整的实践教 学体系, 开放的实践教学环境、 众多社会和企业实习锻炼机会为学生提供了良好 的能力培养平台。 同时, 具有特色的人文素质教育体系既注重学生法律法规的教 育, 也注重表达能力、与人交流能力、协作精神的培养, 将素质教育与专业知识 学习有机结合。美国大学工科教育以强调专业基础理论教育、终生学习的思想、 工程科学与社会和环境协调的思想、 工程实践中的责任感和职业道德教育
7、形成了 鲜明的特色。 在德国工科教育中, 实践教学地位举足轻重, 在教学计划中占有大 量学时。 斯图加特大学机械工程系基础学习阶段的课程实践练习课与讲课比达到 12, 专业学习阶段比例更高, 各种生产实习就有 26周, 由此保证工程教育的 特色和特点。 2 工程教育对人才培养方案修订思路 高等学校人才培养方案是教育教学的总纲, 是人才培养体系的主要内容。 一所大 学人才培养体系的建立是一个不断完善的过程, 不但需要具有自己的特色和特 点, 更要符合可持续发展的需求。 根据工程教育的内涵与发展趋势, 在新的人才 培养方案修订中应关注国家社会需求和工程教育认证标准7。人才培养方案修 订的主要思路应
8、该注重以下方面: (1) 以区域经济和行业发展需求为导向, 以注重工程应用和创新能力培养为目 标, 提倡知识、能力、素质三位一体协调发展的教育理念, 坚持“以德为先、能 力为重、全面发展”的人才培养观和“面向社会、面向世界、面向未来”的国际 化视野, 遵循高等工程教育规律, 为国民经济建设培养工程应用型建设人才。 (2) 人才培养类型方面, 依据不同学校的定位, 坚持立足区域, 面向全国, 服 务主导行业及地方经济与社会发展, 培养具有“基础厚实、 作风朴实、 工作扎实、 为人诚实、勇于创新”特点的高级工程技术人才。 (3) 在专业课程体系与教学内容方面, 能够体现行业信息化特色和应用优势,
9、即以相关专业为基础, 融入计算机科学和信息技术等多学科知识。 在课程内容上, 结合行业工程需求进行延伸, 形成具有明显行业特色的课程体系。 (4) 在课程体系设置方面, 以工程范式为指导。 强调工程自身的综合性, 实践性 和创新性:一是注重知识、能力、素质培养的一体化;二是技术要素与非技术要素 培养的一体化。 强化综合训练环节, 增强学生的工程应用能力和解决复杂工程问 题的能力, 培养学生的团队协作和创新精神。 (5) 在课程计划内容组织和次序方面, 注重以相互支撑的理论知识为经, 以一 系列能力为纬, 经纬交织, 实现理论与实践的结合, 以及知识、能力、素质培养 的有机融合。 3 工程教育专
10、业课教学改革与实践 3.1 专业课程教学中存在的主要问题 工科专业类课程是学生学习工程知识、 训练工程思维方式和培养解决复杂工程问 题能力的重要环节8。工程知识具有综合性、系统性及实践性强, 表现形式多 样, 涉及面广等特点, 属于复杂知识, 所以工科专业类课程教学与生动形象的 文科类课程和抽象缜密的理科类课程相比具有更大的难度。 目前, 我校工科专业类课程教学中主要存在以下问题: (1) 在课程设置方面, 按照公共课、基础课、专业基础课、专业课、专业选修课 的层级序列构建课程体系, 有利于学生掌握学科知识体系, 但对工程实际体现 不够; (2) 现有课程更偏向于科学教育模式, 注重抽象的、
11、脱离工程背景的知识和概念 的传授, 缺乏系统性和工程实践性, 没有充分体现工程知识的特点, 不符合学 生认知工程过程的规律; (3) 教学方法依然以课堂内教师讲授为主, 存在传统化、 单一化的现象, 对学生 科学思维、主动学习的训练和激发不够; (4) 实践教学与理论教学结合不紧密, 实践教学理念陈旧, 训练中大多数学生 处于被动状态, 积极性不高, 导致实践能力培养实效性不高; (5) 学生习惯延用学习中学知识的学习方法来开展工程知识的学习, 学习中以 做题和死记硬背为主, 无法真正掌握和运用知识。 3.2 基于工程应用链接一体化课程教学改革 专业课作为工程知识学习的主要途经, 在教学中必须
12、遵循工程知识所具有的综 合性、实践性、关联性和递进性等特点。在现有的以学科体系为基础的课程设置 中, 工程知识分散在个体课程中, 缺乏工程实际情境化的有效联系, 学生所面 对的是独立的课程, “只见树木, 不见森林”, 知识的学习停留在点上, 没有 延伸到线和面上, 很难构成较为完整的知识体系。 工科课程体系中存在着学科之 间的交叉和融合, 课程内容之间存在着知识的关联和融合。 要促进知识点向知识 面延伸, 建构知识体系, 就需要将分散的个体课程通过工程实际有机连接起来, 使学生在一个情景化的主线引导下学习知识, 进行知识的综合及与工程实际的 关联。 我们以网络工程专业为例, 在专业课教学改革
13、中开展了由网络集成与工程设计 综合实验系统链接多门专业课的一体化课程教学模式的探索与实践。 对于网络工 程专业的学生, 分别开设了电子技术基础、 计算机组成原理、 数据通信技术基础、 计算机网络原理、 网络协议等主要专业基础课程, 并把这些主要的原理性和概念 性课程与工程类知识与能力结合起来, 使学生能够真正具备在社会实际应用中 规划、 设计和建设计算机信息网络的能力, 学会并掌握具有网络集成和工程项目 实施与管理的方法和手段。 通过多门相关课程工程应用链接的实践训练, 大大提 高了学生的工程实践能力。 通过三级环节培养学生的工程能力: 第一级是认识实验, 安排在开课前, 学生通过对实际应用系
14、统的参观和了解, 学习系统的组成和基本工作原理, 对工程知识和应用有一个初步的感性认识; 第二级是系统的课程学习, 在教学中, 将应用案例引入课程教学过程, 学生通 过理论学习及与工程实际的关联, 将初级的感性认识逐渐上升为对知识的融合 与理解; 第三级是专业综合实验, 学习完专业课程后, 集中安排两周网络综合实验, 促 进学生通过集成综合所学知识并结合工程应用, 逐渐将工程知识向工程能力提 升与转化。 3.3 基于研究性学习方式的专业课教学改革 在以学科体系为基础的人才培养方案中, 工程知识包含在各专业课程中, 学生 通过专业课的学习获得构建自身工程知识体系的基础。 传统的专业课教学主要采
15、用“课堂讲授+课内实验”的方法。针对传统专业课教学方法存在的问题, 我们 提出并实践了“问题、案例双驱动, 课内、课外互促进, 理论、实践相结合”的 教学方法。该方法将课程教学分为课前、课中和课后三个阶段, 教学方法与组织 过程如图1所示。 图1 双驱动、互促进、理论与实践相结合的教学方法 下载原图 开课前, 通过课外第二课堂, 以科技讲座和情境化工程应用实例的形式给学生 介绍本课程的基本知识和应用领域, 引出相关问题;在课程教学中, 采用研究性 学习方式, 开展基于问题的学习, 以案例、问题驱动课堂教学, 引发学生兴趣、 引导学生思考。 例如, 在网络协议的学习中, 因其具有抽象与概念化的特
16、点, 学 生难以理解和掌握, 我们通过课堂教学, 同时在课外开展基于项目的学习, 开 展课外相关知识应用的专题调研, 成立导师制负责的学生实践小组, 学生通过 调查发现、 了解网络协议的应用背景, 通过讨论学习掌握其工作原理, 从而研究 探索和解决问题, 从理论学习上升为工程应用能力的提升。 对学生的学习研究成果以学生课堂、 翻转课堂进行展示交流, 课程教学之后, 开 设系列网络工程综合实验, 通过相关实践使学生在不断的知识融合、 知识综合应 用过程中, 达到对所学知识的巩固提高和能力培养。 同时在课程学习过程中引导 学生参与课外创新实践活动、 教师科研项目和各类创新创业大赛, 比如课外创新
17、实验、网络安全创新大赛、工程训练竞赛、挑战杯课外科技活动竞赛等, 通过这 些学科交叉、知识综合项目的训练, 进一步培养学生的创新能力和知识应用能 力。 3.4 采用导师制的实践教学模式 充分发挥学生自主能动的学习实践精神, 采取“集中授课+分组指导+综合评 审”“学生为主体+自选实验+自主搭建+教师引导”的方式实施教学, 依据“教 师提框架, 提要求, 学生搭平台, 做实验”的原则完成实验指导工作, 提高了 学生实验的积极性、自主性, 及学生解决问题的能力和团队意识。导师制综合实 验开展过程如图2所示。 主要包括工程问题分析、 设计实验方案、 自主构建系统、 一体化实验系统、 实验测试与结果分
18、析和实验演示与答辩等环节, 整个实验过程 由学生自主完成, 教师主要起引导作用。 图2 一体化综合实验过程 下载原图 4 结语 本文以回归工程教育本质为导向, 针对目前高等学校应用型人才培养实施中面 临的问题, 结合工程教育和应用转型进行了深入的研究和分析。 以工程认证通用 标准为依据, 结合社会经济发展对人才培养需求的变化, 指出了现行人才培养 方案在课程设置及理论教学与实践教学等方面存在的问题与不足, 从多方面、 多 渠道开展着重工程素质和实践创新能力培养的教学内容、教学方法、教学环节的 改革和实践。 研究探索了“基于工程应用链接一体化课程教学改革”的教学模式, 探索实践了“问题、案例双驱
19、动, 课内、课外互促进, 理论、实践相结合”的教 学方法, 通过项目探索与实施, 取得了良好的教学效果。 参考文献 1沈春英, 张华, 胡秀兰, 等.工程教育培养目标有效性评价的探索J.高教 学刊, 2016 (4) :175-176. 2蒲彧.美国工程学士能力培养研究J.大连理工大学学报, 2010 (4) :70-74. 3谢和平.全面加强能力建设努力培养具有国际竞争力的创新人才 EB/OL.http:/ .shtml. 4方峥. 华盛顿协议 签约成员工程教育认证制度之比较J.高教发展与评估, 2014, 30 (4) :66-76. 5王万强, 张俊芳, 陈国金.基于“工程教育专业认证”的工程训练教学模式 的研究与实践J.教育教学论坛, 2016 (23) :150-151. 6韩凤霞, 郑军.基于工程教育专业认证的工程训练教学的改革J.实验技术 与管理, 2015, 32 (10) :178-181. 7龚尚福, 陈俊杰, 刘志生.基于课程建设推进教学质量工程J.世界华商经 济年鉴高校教育研究, 2009 (5) :206-207. 8刘宝, 李贞刚, 阮伯兴.基于工程教育专业认证的大学课堂教学模式改革J. 黑龙江高教研究, 2017 (4) :157-160.
