錢 夔，路 紅，陳 桂，溫秀蘭，劉義亭

(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京,211167)

“國勢(shì)之強(qiáng)由于人,人才之成出于學(xué)。”培養(yǎng)什么人是教育的首要問題。工程教育承擔(dān)著培養(yǎng)工程人才的使命,當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)新變局,高等學(xué)校對(duì)于未來工程師專業(yè)技能、勝任素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)也提出更高的要求。

縱觀世界工程教育史,美國工程教育一直處在世界前列,20世紀(jì)90年代初,美國掀起“回歸工程運(yùn)動(dòng)”,其核心內(nèi)容就是要改革美國“過度工程科學(xué)化”的工程教育體系,轉(zhuǎn)為重視工程教育本身的系統(tǒng)性和完整性[1]。之后,Moses J提出“大工程觀”概念[2],并指出這是未來工程教育發(fā)展的新方向,獲得廣泛認(rèn)同。“大工程觀”理論在實(shí)踐中逐步豐富與完善,逐漸從概念演變?yōu)橐婚T系統(tǒng)學(xué)科——工程系統(tǒng)學(xué),至今仍深刻影響著整個(gè)世界工程教育[3]。

錢學(xué)森院士早在20世紀(jì)80年代就提出“物—事—人”系統(tǒng)思考方法論[4],為我國工程教育系統(tǒng)工程思維的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并逐步建立以系統(tǒng)思維為理念,從系統(tǒng)視角來分析、設(shè)計(jì)和管理復(fù)雜工程問題的系統(tǒng)工程觀。長期以來我國高等工程教育也緊緊圍繞系統(tǒng)工程觀進(jìn)行教育實(shí)踐,注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和解決復(fù)雜工程問題能力,促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)踐能力持續(xù)、遞進(jìn)提升。

面對(duì)百年未有之大變局下的人才戰(zhàn)略重大需求,我國迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。為此,教育部提出新的教育改革方向,面對(duì)國內(nèi)、國際發(fā)展新形勢(shì),以培養(yǎng)多元化、國際化、創(chuàng)新型人才為目標(biāo),以立德樹人為發(fā)展內(nèi)涵,面向工程教育發(fā)展“新工科”,以工程教育專業(yè)認(rèn)證引領(lǐng)專業(yè)建設(shè)與國際接軌[5]。

當(dāng)前,中國工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定12項(xiàng)基本要求[5]:(1)工程知識(shí);(2)問題分析;(3)設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案;(4)研究;(5)使用現(xiàn)代工具;(6)工程與社會(huì);(7)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展;(8)職業(yè)規(guī)范;(9)個(gè)人和團(tuán)隊(duì);(10)溝通;(11)項(xiàng)目管理;(12)終身學(xué)習(xí)。這些能力要求既包括解決復(fù)雜工程問題的知識(shí)技能要求,還包括個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、終身學(xué)習(xí)、職業(yè)規(guī)范、工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等非技術(shù)性指標(biāo)體現(xiàn)的能力,而這正是“新工科”學(xué)生核心能力的范疇。高等工程教育正從注重技術(shù)應(yīng)用的“技術(shù)范式”向注重實(shí)踐、能力、綜合素質(zhì)的“工程范式”轉(zhuǎn)變,學(xué)生培養(yǎng)路徑正從解決“復(fù)雜技術(shù)問題”向解決“復(fù)雜工程問題”轉(zhuǎn)變。

國內(nèi)各高校也紛紛進(jìn)行了眾多有益探索[6-7]。尤其應(yīng)用型高校教學(xué)體系越來越注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng),設(shè)立各類實(shí)驗(yàn)課以及實(shí)踐課程,并引入工程化教學(xué)模式,將知識(shí)獲取和工程實(shí)踐能力提升結(jié)合,有效提高學(xué)生創(chuàng)新能力以及對(duì)理論知識(shí)運(yùn)用的工程實(shí)踐能力,這也十分契合新工科建設(shè)中提出的人才培養(yǎng)目標(biāo)。然而,12條通用標(biāo)準(zhǔn)是畢業(yè)最低要求,未來工程師的知識(shí)、技能、素養(yǎng)在程度上需要高于通用標(biāo)準(zhǔn)。

以ChatGPT[8]為代表的新一代人工智能新形態(tài),正加速教育的革命性重塑。新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)[9]正是應(yīng)對(duì)當(dāng)前教育難題與未來教育變革的重要路徑。因此,面對(duì)文理整合、理工并重的復(fù)合型人才培養(yǎng)要求,高等學(xué)校工程培養(yǎng)教學(xué)模式如何引入新信息革命賦能下的系統(tǒng)工程觀,對(duì)滿足未來新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)意義重大。

一、項(xiàng)目化教學(xué)模式發(fā)展現(xiàn)狀

工程化教學(xué)作為一種系統(tǒng)的教學(xué)模式,在國內(nèi)外已得到大量教學(xué)實(shí)踐[10],并被認(rèn)為是工業(yè)4.0時(shí)代實(shí)現(xiàn)教育可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要手段[11]。Musa[12]強(qiáng)調(diào)工程化教學(xué)對(duì)學(xué)生知識(shí)構(gòu)建和能力培養(yǎng)的作用,讓學(xué)生圍繞來自項(xiàng)目中的現(xiàn)實(shí)任務(wù)來學(xué)習(xí)知識(shí)和技能;Almulla[13]以學(xué)生為中心,利用知識(shí)、信息共享與討論等手段來提高學(xué)生的參與度。此外,研究者已發(fā)現(xiàn)工程化教學(xué)模式可促進(jìn)深度學(xué)習(xí)產(chǎn)生[14-15],有助于實(shí)現(xiàn)可用知識(shí)的復(fù)雜實(shí)踐,同樣以高階認(rèn)知能力培養(yǎng)為目標(biāo)的深度學(xué)習(xí)教學(xué)理念在建構(gòu)式教學(xué)過程中也起著重要作用。

國內(nèi)研究者也提出一系列工程化教學(xué)模式與實(shí)踐創(chuàng)新,在培養(yǎng)思路、培養(yǎng)途徑等方面進(jìn)行改革嘗試,如梁海英[16]利用信息化將工程化教學(xué)與在線課程設(shè)計(jì)結(jié)合,提高學(xué)生綜合能力;李軍[17]則提出三維聯(lián)動(dòng)的教學(xué)模式,將項(xiàng)目化教學(xué)融入課堂與競賽,以項(xiàng)目促能力;張蕾[18]在新工科背景下將工程化教學(xué)用于翻轉(zhuǎn)課堂,進(jìn)行能力培養(yǎng)方面的實(shí)踐探索。在工程化教學(xué)實(shí)踐研究中,也有不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)教學(xué)策略可與項(xiàng)目化教學(xué)模式相結(jié)合[19-20],以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與運(yùn)用。

然而目前工程化教學(xué)研究仍偏重培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)實(shí)踐運(yùn)用能力,存在學(xué)生工程思維缺失、專業(yè)知識(shí)邊界過重等問題,而深度學(xué)習(xí)理論仍處于淺層階段,兩者結(jié)合過程中易出現(xiàn)教學(xué)策略偏差導(dǎo)致的重視知識(shí)難度忽視廣度、過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)性與弱化教師引導(dǎo)作用而導(dǎo)致的學(xué)習(xí)低效等問題。

在深度學(xué)習(xí)理論與項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐指導(dǎo)下,面向新工科學(xué)生綜合素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo),通過跨學(xué)科整合與重構(gòu),改變傳統(tǒng)知識(shí)簡單組合拼接的淺層融合,擴(kuò)展深度學(xué)習(xí)寬度、延伸項(xiàng)目化教學(xué)深度,是新工科新理念下以人才培養(yǎng)為核心的教學(xué)模式變革與創(chuàng)新研究的重要內(nèi)容。

二、項(xiàng)目化深度教學(xué)模式頂層設(shè)計(jì)

本文圍繞新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo),提出項(xiàng)目化深度教學(xué)模式。該模式以項(xiàng)目化教學(xué)為抓手,通過對(duì)項(xiàng)目的深入實(shí)踐和探究,加強(qiáng)系統(tǒng)工程觀視域下核心素養(yǎng)培養(yǎng),在反思和評(píng)估中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。項(xiàng)目化深度教學(xué)模式旨在發(fā)展學(xué)生高階思維能力,提高綜合素養(yǎng)水平,在教學(xué)框架、人才培養(yǎng)、教學(xué)實(shí)踐等方面提出新理論、新路徑、新策略,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、內(nèi)容與方法的系統(tǒng)教學(xué)體系整合統(tǒng)一,促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)的融合建構(gòu),培養(yǎng)體系化系統(tǒng)工程思維。項(xiàng)目化深度教學(xué)框架如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目化深度教學(xué)頂層設(shè)計(jì)框架

項(xiàng)目化深度教學(xué)模式主要包括一體化深度教學(xué)框架,跨學(xué)科綜合素養(yǎng)路徑構(gòu)建以及深度學(xué)習(xí)教學(xué)邏輯策略,通過探究項(xiàng)目化深度教學(xué)理論基礎(chǔ)與構(gòu)成要素,建立統(tǒng)一融合教學(xué)理論架構(gòu),以指導(dǎo)新工科綜合性、交叉性、跨學(xué)科等人才培養(yǎng)實(shí)踐。

(一)一體化深度教學(xué)框架

一體化深度教學(xué)框架結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論與項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì),在項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式中,提出多層次深度干預(yù)模型,將宏觀教學(xué)階段與微觀知識(shí)內(nèi)容連接起來,在教學(xué)流程、協(xié)同機(jī)制、即時(shí)反饋等多方面迭代優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)從淺層學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的不斷進(jìn)階,并建立基于核心視角的多元智能評(píng)價(jià),建構(gòu)耦合共生的“教、學(xué)、習(xí)、評(píng)”共同體。

在具體實(shí)踐中,教師根據(jù)多元化、高階性和過程導(dǎo)向的深度學(xué)習(xí)能力發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)干預(yù)、引導(dǎo)教學(xué)過程中的深度學(xué)習(xí)路線。首先,淺層學(xué)習(xí)可視為深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),教師應(yīng)在課堂教學(xué)中傳授學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行淺層加工和簡單記憶的方法;其次,在淺層學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,教師將學(xué)生淺層加工和簡單記憶的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生掌握程序性知識(shí)以及解決問題的方法;最后,教師運(yùn)用學(xué)習(xí)策略和問題解決策略對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深度理解和創(chuàng)作性運(yùn)用,進(jìn)而幫助學(xué)生形成和掌握新的綜合知識(shí)學(xué)習(xí)策略和復(fù)雜工程問題解決策略,同時(shí)發(fā)展出更為高階的思維能力。

(二)跨學(xué)科綜合素養(yǎng)路徑構(gòu)建

跨學(xué)科綜合素養(yǎng)路徑構(gòu)建以項(xiàng)目化工程全生命周期為重點(diǎn),在教學(xué)過程中基于CMMI(能力成熟度模型集成)進(jìn)行項(xiàng)目過程域分解,面向哲學(xué)元素、知識(shí)元素、道德元素以及行動(dòng)元素等跨學(xué)科工程思維要素解構(gòu),建立工程過程域下的人才差異化培養(yǎng)路徑,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工程教育由單一維度向多維度模式的轉(zhuǎn)變,這也是構(gòu)建新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)路徑的核心所在。

CMMI模型在每個(gè)成熟度等級(jí)規(guī)定了不同的關(guān)鍵過程域。若要達(dá)到某一成熟度,就必須滿足關(guān)鍵過程域所規(guī)定的不同要求。由于該模型涵蓋了整個(gè)工程實(shí)踐周期,基于項(xiàng)目過程域分解實(shí)施跨學(xué)科工程培養(yǎng),與中國工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定12項(xiàng)基本要求也十分契合,二者對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

(三)深度學(xué)習(xí)教學(xué)邏輯策略

深度學(xué)習(xí)教學(xué)邏輯策略通過構(gòu)建深度學(xué)習(xí)環(huán)境產(chǎn)生有益條件,確立學(xué)習(xí)活動(dòng)邏輯順序和規(guī)則設(shè)計(jì),在教學(xué)實(shí)踐中整合綜合素養(yǎng)關(guān)鍵思維能力,重塑知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,并有效進(jìn)行師生共同體下的多維教學(xué)反思重構(gòu),加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)群之間的關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性、邏輯性,以項(xiàng)目化形式提高深度學(xué)習(xí)模式下學(xué)習(xí)效果,逐步提升不同學(xué)科的整體認(rèn)識(shí)。

深度教學(xué)環(huán)境構(gòu)建是進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的首要任務(wù)。教師一方面要為學(xué)生創(chuàng)建出心流體驗(yàn),在學(xué)習(xí)過程中真實(shí)地投入注意力、思維、情感、意志、價(jià)值觀,從而發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性;另一方面,要改變知識(shí)傳授型教學(xué)模式,將項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容中零散繁雜的知識(shí)點(diǎn)體系化重建,構(gòu)建具有一定挑戰(zhàn)性、反映學(xué)科本質(zhì)的教學(xué)主題,既要考慮該教學(xué)內(nèi)容是否為跨學(xué)科內(nèi)容的聯(lián)結(jié)點(diǎn),還要考慮國家課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求以及當(dāng)前社會(huì)性的熱點(diǎn)。

表1 關(guān)鍵過程域分解與能力要求培養(yǎng)

多維教學(xué)反思重構(gòu)為思維拓展的關(guān)鍵路徑。教師為學(xué)生提供真實(shí)的學(xué)習(xí)情景和問題遷移,引導(dǎo)其提升邏輯思維和應(yīng)用知識(shí)的系統(tǒng)性,為處理分析現(xiàn)實(shí)生活中的各類工程問題奠定基礎(chǔ);同時(shí)激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)機(jī),強(qiáng)化學(xué)生的邏輯抽象能力,提供更多從學(xué)科融合視角發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題的機(jī)會(huì)。這個(gè)過程需要學(xué)生在批判的基礎(chǔ)上對(duì)問題解決方案進(jìn)行重構(gòu),教師需根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果不斷調(diào)整深度學(xué)習(xí)教學(xué)策略,在相互反饋交織過程中,持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

三、項(xiàng)目化深度教學(xué)過程細(xì)化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目化深度教學(xué)模式頂層設(shè)計(jì)確立了系統(tǒng)工程觀視域下教學(xué)總體目標(biāo)與框架結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)具體的教學(xué)活動(dòng)和環(huán)節(jié),以深度學(xué)習(xí)路線圖為指導(dǎo),結(jié)合項(xiàng)目化教學(xué)基本流程,給出項(xiàng)目化深度教學(xué)過程細(xì)化設(shè)計(jì),如圖2所示。從宏觀層面看,教學(xué)過程分為導(dǎo)學(xué)啟動(dòng)階段、深度學(xué)習(xí)階段、強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)階段及教學(xué)反思階段。從微觀層面看,項(xiàng)目化深度教學(xué)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容分為課前自主學(xué)習(xí)、課中深度教學(xué)及課后全面反思三個(gè)環(huán)節(jié)。

圍繞新工科人才培養(yǎng)目標(biāo),工程人才素質(zhì)急需由單一維度向多維度模式轉(zhuǎn)變。本文提出的系統(tǒng)工程觀培養(yǎng)視域下的素養(yǎng)包括問題分析能力、實(shí)踐才能、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力、較高的倫理道德標(biāo)準(zhǔn)以及職業(yè)素養(yǎng)、知識(shí)應(yīng)用與遷移能力、良好的溝通能力、管理技能、領(lǐng)導(dǎo)才能等,涉及需求開發(fā)、技術(shù)方案、產(chǎn)品集成、產(chǎn)品驗(yàn)證、項(xiàng)目計(jì)劃、配置管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、組織培訓(xùn)、決策分析、質(zhì)量管理等工程過程域,涵蓋工程、過程管理、項(xiàng)目管理等過程類型。

圖2 項(xiàng)目化深度教學(xué)過程

項(xiàng)目化深度教學(xué)以項(xiàng)目化驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式,融合了學(xué)習(xí)知識(shí)的批判理解、學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合、學(xué)習(xí)過程的建構(gòu)與專業(yè)知識(shí)的遷移運(yùn)用等深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵特征,重構(gòu)傳統(tǒng)項(xiàng)目化教學(xué)過程。

在啟動(dòng)導(dǎo)學(xué)階段,教師根據(jù)課程目標(biāo)和具體的教學(xué)內(nèi)容,將設(shè)定的教學(xué)項(xiàng)目融入教學(xué)設(shè)計(jì)當(dāng)中,學(xué)生提前在線上資源平臺(tái)完成任務(wù)預(yù)習(xí),并通過線上測試以發(fā)現(xiàn)問題,感受重難點(diǎn)。

在深度學(xué)習(xí)階段,教師與學(xué)生應(yīng)明確各自在項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)中的地位和角色。項(xiàng)目活動(dòng)主體為學(xué)生,他們經(jīng)過身臨其境的學(xué)習(xí)鍛煉,體驗(yàn)工程項(xiàng)目全生命周期過程域;教師針對(duì)發(fā)放擬定的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行重難點(diǎn)精講,明確項(xiàng)目目標(biāo)、任務(wù)內(nèi)容、成果要求等事項(xiàng),隨后在項(xiàng)目實(shí)施中負(fù)責(zé)過程監(jiān)督和指導(dǎo),保證教學(xué)活動(dòng)順利開展。學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)開展團(tuán)隊(duì)協(xié)作、任務(wù)分工,并匯報(bào)完成情況或階段性成果,教師進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)與點(diǎn)評(píng)。

在強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)階段,教師以高階性學(xué)習(xí)活動(dòng)為主,將“分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造”作為教學(xué)目標(biāo),整合跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容,通過打破課本內(nèi)容結(jié)構(gòu),靈活整合學(xué)科知識(shí)并根據(jù)課程內(nèi)容特征設(shè)計(jì)案例分析、同伴互評(píng)和協(xié)作問題解決等教學(xué)形式,促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的高階思維強(qiáng)化訓(xùn)練。

在教學(xué)反思階段,學(xué)生要形成信息關(guān)聯(lián)思維與連接保持能力,能夠多視角發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題,面對(duì)新問題還能夠?qū)鉀Q方案進(jìn)行再構(gòu),持續(xù)鍛煉高階反思思維能力。教師則需針對(duì)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容進(jìn)行思維導(dǎo)圖制作,幫助學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)、整理學(xué)習(xí)內(nèi)容,深入思考所學(xué)知識(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系,形成完善的知識(shí)結(jié)構(gòu),讓學(xué)生更好經(jīng)歷有意義的學(xué)習(xí)過程,把握學(xué)習(xí)內(nèi)容的本質(zhì)特征,體驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的思維方法,促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的發(fā)展。

四、結(jié)語

本文面向新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)需求,將深度學(xué)習(xí)理論與現(xiàn)有項(xiàng)目化教學(xué)模式結(jié)合,構(gòu)建系統(tǒng)工程觀視域下的項(xiàng)目化深度教學(xué)模式;圍繞培養(yǎng)綜合素養(yǎng)能力所包容的工程思維深刻內(nèi)涵,將項(xiàng)目化教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式與培養(yǎng)要求有機(jī)統(tǒng)一,融合學(xué)習(xí)知識(shí)的批判理解、學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合、學(xué)習(xí)過程的建構(gòu)與專業(yè)知識(shí)的遷移運(yùn)用等深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵特征,完善跨學(xué)科綜合素養(yǎng)人才培養(yǎng)路徑體系,建立多維度、多視角、深層次教學(xué)邏輯策略,為一體化教學(xué)體系下加強(qiáng)新工科人才工程思維培養(yǎng)提供新思路。