工程教育改革实践探索范文

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一、1994～2000年：浙江大学工程教育高级班的初创

工程教育发展至今，对于工程基础教育和工程科学的重要性认知已愈趋明显和形成共识，工程科学家和教育家钱学森先生在上世纪50年代前后在两篇论著中以一位战略家的前瞻性思维明确指出了未来工程教育的发展根基。他指出：工程科学的问题是一些个别的问题，而工程科学家的任务是处理特殊情况，提不出具有普遍性的方案。这种印象无论如何都是不正确的。在当前工程发展的多种多样的问题中，在许多工程分支中，存在着重复发生的现象。这些现象能够从一些直接的常规的问题中提炼出来，而这些问题是工程科学家必须解决的而且能在个别的研究领域中得到表述的问题。这样研究的结果将不仅使一个工程领域受益，而且使所有的工程领域都得到好处。这就是工程科学的基础研究，通过这种研究将使零星分散的工程活动得到统一。［1］钱学森先生1947年夏回国探亲期间在浙大、交大、清华三次讲演“工程与工程科学”，在此基础上丰富完善起来的思想以英文发表。对于工程科学家的论述在发表之后，对工程教育模式的影响较大，相信这也与浙江大学在30年前混合班创建时提出的“工科人才理科培养”模式不无关联。在30年前（1984年）浙江大学本科教育改革重要起步的浙江大学混合班创设之后，浙江大学继而在85级优秀学生中开设基础理论教学选课班，即提高班，期望充分发挥浙江大学理工结合的优势。学校对本科生实施分层次的因材施教，探索教学过程和课程改革的有益经验，以推动全校本科教学过程的改革。同时通过严格的理科基础训练，加强思想政治教育和非智力因素培养，把优秀的工科学生培养成基础扎实、思路开阔、具有创新精神和开拓能力的高级工程科学人才。在此基础上，浙江大学在1994年正式创办“浙江大学工程教育高级班”，简称工高班，可谓之浙江大学进行工科人才培养模式创新的起点。这一初创探索阶段的发展情形我们已经在《从混合班到竺可桢学院———浙江大学培养拔尖创新人才的探索之路》一文中详细阐述，至今年9月，恰值混合班创办30周年和工高班正式定名20周年，我们在对浙江大学工程教育改革路径进行回顾和总结时仍想将这一阶段的发展思考和一些实践探索发表共享，对混合班的这一历史溯源及改革思考仅摘要阐述，更具体的内容可参见《从混合班到竺可桢学院———浙江大学培养拔尖创新人才的探索之路》一文。

在1994～2000年间，工高班的教学管理团队和导师团队对工程科技人才培养的创新模式进行了初步的探索，通过选拔一批优秀的低年级学生，在原专业之外，精心组织若干理论教学内容和课外教学环节，期望培养一批具有扎实的自然科学、工程科学基础，得到良好的工程思想和方法训练的复合型工程技术人才。主要进行了三方面的教育模式设计和创新尝试：其一，工程技术新手段、新思想的融入。工高班在课程设计上，主要设置了一些未来工程师所必备而目前专业教育又缺乏的教学内容，如工程技术新手段（计算机技术）、国际化的交流与表达能力（英语技能）、工程设计和创造的思想与一般方法（设计方法等），以及工程问题的辨识、抽象与表达（建模能力），等等。首先，为培养高素质工科人才的技术能力方面提前为其进行了前沿知识储备和工具训练；其次，通过“工程概论”、“设计概论”等课程的介绍，把国际上当时新出现的工程科技发展前沿引入本科阶段的工程科技人才培养，在较早期就凸显和强调了“设计”思想在工程科技发展中的重要作用。其二，凸显工程实践教育。高素质工程科技人才的培养与大型、先进的工程科技实践密不可分，大型工程实地参观与普通的金工实习不同，后者着眼于实践技能的打造，前者则从工程实施理念和工程系统视角为学生提供更加真切的背景。以往我们教学和实习环节的设计常常强调分阶段循序渐进，但在工高班的人才培养改革实践中，教师们为学生在相关知识学习时提供了大型工程场景，尝试通过整体工程的认知环境塑造，让学生们在头脑中塑造某种“工程情境”，并学习分门别类的各项知识，这是运用实践手段尝试进行知识链接、交叉和整合的教育方式的早期尝试。在浙大工高班开展的广泛课外教学活动中，有包括参观大型工程（如上海宝钢集团），邀请工程技术负责人演讲，组织参加各种全国性的设计竞赛，开设发明创造类实践性选修课等等，以全面培养学生的工程能力、创新意识和创造能力。此外，在课程师资和工程实践导师的配备上，工高班特别遴选了科研造诣和工程实践经验并重的教师进行授课和带领学生参观大型工程实践。因此，无论是从课外教学的环节设计抑或是教师的投入而言，初创阶段的工高班都在实践环节上进行了很好的尝试。其三，工程科技创业理念的萌芽。在参观学习美国MIT以及哈佛大学的教学和课程情况之后，工高班的教育教学管理及导师团队敏感地察觉到创业精神在工程科技人才培养中的重要作用，萌生要在工高班的培养中融入管理能力以及创业精神的元素。在工高班初创时的七年，工高班尝试邀请管理学资深教授为工高班的学生设计了讲座式的课程。在强调科技创业、工程领导力和创业能力的今时今日，工高班早期课程类目和针对性讲座的设计都体现了教育教学管理理念的先进性和前瞻性。也为未来相应师资的配备以及今后完善的课程学习模块的设计提供了先期试验的成果。工高班初创阶段的发展历程标志着浙江大学工科人才培养的培养理念由因材施教、培养优秀学生向交叉复合、培养高素质全面人才的转变。从而也在初步探索的工科学生培养理念基础上，逐渐注入了新的培养要素，同时也进入浙江大学工程教育模式变革的成长发展阶段。

二、2000～2007年：拔尖创新人才的试验

进入新世纪，浙江大学工高班对于工科人才的培养理念逐渐突出了关注创造力开发、关注实践问题解决能力等方面，这一阶段与世界范围内工程教育改革的趋势也比较相符，可以说，工高班人才培养的实践也真切地反映了中国工程教育实践的前沿，其人才培养理念及实践探索的鲜明特征可以和国际先进的工程教育相提并论。翻阅浙江大学近年来编译刊出的《国际工程教育前沿与进展》［3］，可以看到如编年史般的美国工程教育系列研究报告：2001年，美国国家工程院（NAE）的工程教育委员会发起名为“2020工程师”的研究计划，将分析能力、实践经验、创造力列在“2020工程师关键特征”的前三位（NAE，2004）；2007年，美国国家科学理事会（NSB，2007）建议国家科学基金会（NSF）大力资助那些拓展工科学生实践经验的教育模式；2008年，密歇根大学前校长Duderstadt（2008）及其团队撰写的报告《变革世界的工程》，以及卡内基教育促进基金会的《培养工程师：谋划工程未来》（Sheppard，2008），均强调了专业实践教育的必要性。这些权威的备受热议的改革理念和行动纲领推动了全美工科院校积极大胆的改革研究和实践探索。其中独树一帜的工程教育范式创新的案例当属1997年创办的欧林工学院。本文不再赘述欧林工学院的成立发展历程，仅摘述其中对我们工程教育理念形成有关键影响和对应发展关系的课程及培养计划等内容。欧林工学院提供电气与计算机工程（Electri－calandComputerEngineering）、机械工程（Me－chanicalEngineering）、普通工程（Engineering）三种教育计划。目前，其知名度和影响力绝不逊于世界顶尖大学，已成为享誉全美乃至全球的工程教育后起之秀，并被誉为“最佳本科工程教育计划（非博士类高校）”（美国《世界新闻与报道》）。欧林的课程教学内容主要包括四个类别：数学与自然科学（MTH＆SCI）、工程（ENGR）、艺术／人文／社会科学（AHS）、创业（E！）。绝大多数课程都注重工程应用或跨学科训练，不同类型的项目（包括实验仿真、团队合作、动手实践等）则是其重要依托。从其整体教学计划和理念来看，欧林工学院对于工科人才的创造力和设计能力培养非常重视。并强调：设计是工程的精粹。除了在一般课程中接触开放性的设计问题外，学校还特别设置了不同年级必修的设计类系列课程———设计流（designstream）：强调工程设计的原理和方法，把学生带到工作室环境中并鼓励他们尝试将想法转化为模型；强调通过与用户的互动及合作，开发真实产品的概念与模型；最终学生将接触学科跨度较宽、项目主题较广的设计，包括系统、部件或流程的再造。与欧林工学院相似，浙江大学工程教育高级班在该阶段的课程设置、培养理念以及师资配备上同样凸显了交叉、创造、设计、团队等要素，与工高班初创阶段进行了的一些课程探索和师资的早期组建不同，这一阶段工高班进入了成长发展期，师资储备、课程设置和培养计划的匹配愈臻成熟。从培养方案来看，除了继续坚持工高班的“重基础”，进一步突出数学建模、计算机技术平台的教学思路之外，还着重添加了如现代工程设计这一特色教学，强调复合型创造力的培养，并对于“乐于、勤于”参与复杂工程创建设计工高班学生提供了“面对复杂世界客观现实、乐于研究复杂系统演化规律和用于驾驭复杂事务运动方向”的现代工程设计类别课程（参见图1）。在工高班的特色教学计划中指出：现代工程设计的研究对象是面向创建复杂系统的设计理论与设计方法，其研究内容是从综合工程设计的客体对象、主体思维与搜索技术一般规律中导出的设计理论和设计方法，其研究范围是界定在工程总体构思阶段中的设计理论与设计方法，是现代设计方法的总论。从2003年至2006级工高班学生的培养，课程进行过微调，如在短学期增加“整合与创新设计”和“电子系统综合设计”、“嵌入式系统”课程，并将“现代设计方法”调整为“设计思维与表达”。

除此之外，还增加了诸如“科学与艺术”这样拓宽学生视野的课程。在工高班第二发展阶段后期，随着浙江大学竺可桢学院的成立和各类特色辅修班级的建设发展，工高班的课程设计模块化课程思路逐渐显露端倪，在创新与创业管理强化班和公共管理强化班分别成立并探索出成熟的课程方案和培养计划之后，工高班除了仍然坚持工程基础类课程之外，将管理等人文社科类拓展视野和通识基础类课程采用与其他特色班级共享的模式，并在此过程中，在学生的实践课程作业及竞赛中出现了一些大跨度的专业交叉合作成果，浙江大学的工科人才培养实践呈现出“宽专交”人才培养模式。在本研究团队对工高班工程教育改革实践跟踪研究的同时，我们对于整合型工程教育理念指导下的综合工程教育进行过理念的探讨，相关研究思路载于《高等工程教育研究》。研究提出：综合工程教育改革及其人才培养模式创新是一项培养高素质、创新型工程科技人才的战略举措。基于历史经验与现实需求的综合考量，研究发现，只有构筑起通识基础教育、专业工程教育和综合工程教育三位一体的人才培养模式，才能真正达到培养高素质、创新型工程科技人才这一根本目的。研究中提到的T型、通识型、复合型人才培养模式均凸显了新发展环境中对于“核心要凝聚、边界要跨越”的学科创新与人才知识结构需求，唯有如此路径，才能塑造和培养一大批“基础宽厚，知识、能力、素质与人格协调发展，富有创新精神和创新能力的卓越人才”。在对工高班2004～2006级的课程设置不断思考、研讨的基础上，浙江大学科教发展战略研究中心与竺可桢学院联合承担了教育部国家级“综合工程教育人才培养模式创新实验区”建设项目，开始进行基于整体观的工程人才培养实践探索。

三、2007年至今：基于整体观的浙江大学综合工程教育模式创新

在两个七年发展阶段之后，浙江大学工高班的人才培养实践分别探索了工程基础、创业管理、设计思路以及实验实践的课内外教育教学方案，各种人才培养实践在经历了思路形成、方案探索、师资筹备以及成果反馈、模式加强的生长发生环节之后，工程科技人才培养的新鲜理念渐次成为工程教育理论，与国际工程教育实践相映成趣，反映了我国工程科技人才培养的前沿思路，并进一步列入国家计划，开始工高班的二次创业历程。浙江大学工高班的二次创业始于2007级学生被列入教育部国家级“综合工程教育人才培养模式创新实验区”这一人才培养实验计划。实验区的办学宗旨明确提出：实验区将在继承工高班的优秀传统、集成工高班的优势资源和开辟工高班的崭新天地基础上，致力于通过教育理念、教学内容与培养模式的综合创新来实现在新形势下的工高班二次创业，在新的起点和平台上谋求跨越式发展。参加工高班教育改革实践的学生将具有扎实的数理科学和工程科学基础，具有良好的文理结合与多学科交叉的工程意识，具有较强的设计创新能力，以及具有优秀的工程项目组织与领导能力。如前所述，与国际趋势一致的是，工高班在探索人才培养的创造能力、实践能力、以设计思维整合学科基础等思考的基础上，仍然发现工科学生培养中欠缺非常关键的全球视野和系统思维，而在应对工程环境日趋复杂化和愈来愈多地需要运用多学科知识解决工程问题的同时，工科人才培养如何应对变化、适应未来？整合工程教育模式势在必行。因此，虽然近年来的工程教育“回归实践”的呼声是当前工程教育转型的关键标志和重大趋势，但工程教育的系统性改革是各个利益相关者不断博弈、艰难前行的过程。真实的工程专业实践需要兼具创造、设计制造和综合应用于一体。对于未来工程的复杂形势，美国工程院（NAE）在2008年9月的《21世纪工程大挑战》报告有详细的列述。报告针对四个主题的14项工程大挑战进行了阐述，对每一项“大挑战”（GrandChallenges）内容分别阐明了它的严重性、对工程的冲击与焦点，以及回应该挑战的策略思考。“大挑战学者计划”是一个融合课程内容和课程内外活动的计划。为此，美国工程院提供了培养能够迎接大挑战的新型工程师的课程架构，要求每个参与计划的工学院要有应对挑战的方案，且机制必须到位。该框架有五个组成部分，要求该计划中的学生必须参加一个与大挑战主题或者与某特定的大挑战问题有关的实质性的团队项目或独立的项目；并要求参与计划的工学院开设跨学科课程，把工程学科和其他学科连接起来，因为这是解决大挑战的根本；需要工学院系设计一种“工程＋”的课程，使工科学生能够在工程学科和非工程学科之间的交叉领域工作，如公共政策、国际关系、商务、法律、伦理、人类行为、风险、医药和自然科学；每个大挑战学生都必须参与将创新和发明市场化的课程或元课程模块，可以是商业的风险投资，或者是为公众利益向非盈利组织介绍技术。非常重要的是，大挑战计划指出：当今世界是一个相互依存的世界，全球意识对有效工作来说非常必要。学生需要学习在全球经济中发展创新或解决全球关心的伦理问题所需的基本原理，强调国际化的国内活动或跨文化应用；并增强其社会意识，增强利用自己的技术专长解决社会问题的动机。在对国际各国进行的工程教育模式变革计划进行考察和培养计划、目标、课程设计等内容进行分析的基础上，浙江大学工高班的创新实验区计划界定了新的培养目标，提出：工高班是工程科技领导者的摇篮，培养知识、能力与素质俱佳，具有领导潜质、创新能力和国际视野，具备较强的专业竞争力，能在未来重大工程科技领域发挥关键作用的高层次优秀人才。并在充分研讨的基础上，重构和系统规划工高班教学计划，该教学计划涵盖“工程基础模块、工程设计模块、工程管理模块和工程实践模块”等四模块18门必修和选修课程。在该培养方案中，特别指出了工高班不但注重强化学生的自然科学基础，而且更为注重培养学生的工程科学基础，通过实现教学环节的文理综合与理工综合以及秉承主修专业培养和工程教育相结合的培养模式，积极搭建起“多规格、多通道、模块化、宽专交、开放性、互动式”的创新型人才培养互动平台和产学合作教育网络。工高班通过制定特殊人才培养计划，按照“高目标、宽口径、厚基础、重交叉、强实践、分层次”的人才培养模式，从学生的综合素质、基础理论、动手实践、创新设计、工程训练等多个环节全方位地提高其动手实践能力、自主设计能力和综合创新能力。由于前期工程教育模块化思路的形成和师资力量的进一步充实，工高班的教学管理方案进行了较大幅度的调整，不仅设计了全新的课程类目，而且在每门课的授课中都有引导地组织教师团队研讨，进一步突出工程实践和项目教学的作用。同时，在许多新设课程中，原有的单一教师授课改为教学团队授课，一门课（如“工程导论”）由来自不同专业、不同国籍、不同机构的富有经验的教师组成，教学团队在集体研讨课程时，也能充分体现团队优势和在研讨碰撞时产生更为新颖的教学思路，课程形式也不断突破传统，教师的身份由教学改为陪练，由教授如何解题改为工程项目探讨和辩论，在此过程中，工高班的学生们也感受到了来自新模式的冲击，一边纷纷感叹难以完成的大量工程模拟项目训练，一边更加热忱地广邀跨专业学生，研讨如何以更加创新的思路解决工程难题。其中值得分享的就有新设课程“计算机辅助创新”中的一次教学实验：图4浙江大学工高班创新实验区项目课程改革计算机辅助创新课程的一次工程实践项目设计背景模仿了墨西哥湾漏油问题解决的全过程。该题目的设计和解题过程，课程教学团队和工高班学生们历经月余，时间上也恰与墨西哥湾漏油事件最后的解决过程基本同步，且在课堂上学生们应用学到的理论与相关专业知识得到解决思路的时间还稍早于墨西哥湾漏油问题最终解决方案的出台与实施，令人惊喜的是，虽然各处寰球一端，所临情境差异较大，但最终论证出的解决方案几乎如出一辙。学生们在经历了应用系统解决思路、形成解题的概念模型、组建专业团队、设计仿真模型、计算方案成效、组间辩论等一系列过程后，最终推出了比较可行可靠的解决方案，在此过程中，学生们也群策群力，一直密切跟踪墨西哥湾漏油事件披露的各种数据和事实材料，并不断补充进入解题的概念模型中。在课程作业汇报完毕后，有学生继续跟踪该事件的发展过程，当最终获知解决方案与课堂上研讨的思路非常一致时，学生受到了莫大激励，并重新开始审视课堂上学习到的系统解题思维和工程项目实践实施流程，发现在此次项目的组织过程中，在工程知识之外学习到了更加重要的工程项目管理经验和创新开发思路。这次课程项目的开发案例也成为该课程的经典案例，因为该案例中学生们亲自参与其中，也比较奇妙地产生了工程责任感，感受到了工程和工程师的力量。在课程改革的基础上，实验区建设项目对于工程教育高级班教学特色也进行了重新的思考和设计，通过实施DTIL特色计划，即工程设计计划（Design）、实践训练计划（Training）、海外实习计划（OverseaInternship）和领导力开发计划（Leadership）来形成教学特色。在班级管理机制上，工高班创新实验区也建立了新型模式，对工高班实验教学和人才培养质量、效果进行及时跟踪反馈，并由实验区项目承担方进行试验方案的定期汇报和研讨，根据教学问题和其他情况进行教学方案的修订和变化。总的来看，从浙江大学初创工程教育高级班，开始走上浙江大学工程教育模式变革之路开始，到工高班进入“综合工程教育人才培养模式创新实验区”建设项目之后，浙江大学工程教育模式改革的探索走了一条螺旋式上升的路径，其间的差异似只是工程问题日趋系统化、复杂化这一特征，因此需要从基础、实践、创造力提升等方面全方位提升人才培养的层次，虽然只是这一差异，但对于工程的天地和工程人才的培养而言，已然进入了全新的境界。

四、思考与讨论

在思考浙江大学工高班改革路径并提笔撰文的这段时间，我们同样关注了新环境下工程科技发展的未来以及世界各国对于工程师新型能力的关注：计算工程师的出现和基于仿真与模拟的工程教育模式。根据新的课题研究，大数据时代的来临和复杂工程项目的实施探索，基于仿真和模拟的工程教育模式已然是工程科技人才培养的主要变革方向。工程全新境界的出现又为工程教育模式发展提供了新的思路。在该过程中，我们又将如何思索和规划工高班这一创新实验区的未来？从工高班的工程教育模式发展阶段整体来看，浙江大学工高班的改革路径似循着一条人才培养能力提升的路径不断前进，其间对于工程师职业能力的解读也伴随着国际上工程实践领域的发展，着眼点均在于对于优秀工程科技人才的培养上：最初，敏感地察觉工程科学能力的重要性，提出培养工程科学家的设想，并尝试寻找和聚集资源，为学生们提供深厚工程科学基础的训练以及大工程见习的机会，形成了浙江大学工程教育改革探索的基础阶段模式；在察觉国际范围内创业教育（特别是高科技创业）的趋势之后，开始尝试探索新的教育教学方式及培养思路，逐渐添加创业能力、设计能力等要素，凸显浙江大学工程教育改革交叉复合阶段的人才培养思路；在“回归工程实践”的国际趋势中，浙江大学的工程教育改革试验进入“二次创业”阶段，该阶段将此前经历十四载的人才培养方案进行了模块化的整合，该模块化中的各教学要素也由于师资资源、教学内容的增加和更新，在具体的教学内容上同时凸显了“回归实践”的发展诉求，工程实践教育的系统化更加清晰。值得关注的是，浙江大学工程教育改革探索中的每一阶段都尝试保留了一部分的“创新探索”元素，经过探索式的教学思路设计，并在观察学生们的教学效果之后，新的培养计划方案也将会随之产生。因此，与传统的本科生培养计划不同，针对工高班人才培养的浙江大学工程教育改革实验方案的微调较为频繁，其间有考虑到学生的吸收能力和师资资源的重新整合、调配等等因素，从整体上来看，该人才培养模式的变化特征则恰巧呈现了七年一个周期的规律（参见图6）。2014年是浙江大学工高班成立20周年，浙江大学的工程教育改革实践探索即将迎来新一轮七年的发展变化。在本文前面曾引用了钱学森先生对于培养工程科学家的重要论述内容，细究之下，我们发现，这一“计算”思维的出现也仍然是工程本来的发展逻辑和根基。钱学森先生在《论技术科学》一文中系统探讨了“数学分析、建模和计算方法”在工程科学问题解决过程中的重要性，认为每一位技术科学的工作者首先必须掌握数学分析和计算的方法，并提及“最近电子计算机的发展，就对技术科学的研究有深切的影响”。在当今大数据时代，计算手段和工具即将成为智能世界的虚拟基础，“计算”能力对于工程问题的解决必将至关重要，工程师的计算能力培养也同样需要引起极大的关注。而面对这样的全球发展图景，我们国家的工程教育改革能否把握趋势、迎接未来？当此前景，工程科技人才培养的实验计划仍需要进一步的深化，继续坚定地前行。针对本研究提出的工程师职业能力的提升分析，这一循环式上升似乎预示着新一轮工程教育改革实验的发端。

作者：邹晓东陆国栋邱利民单位：浙江大学党委常务副书记