丁中建

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理論教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生工程思維能力的探索

丁中建

大學(xué)生工程思維能力的培養(yǎng)是應(yīng)用型本科院校教學(xué)改革的熱點(diǎn)之一。通過對專業(yè)理論教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生工程思維能力的可能性和理論基礎(chǔ)的分析，提出了了雙通道教學(xué)模式。介紹了雙通道教學(xué)模式的設(shè)計(jì)原則和方法，并討論了新教學(xué)模式與教師知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)技能間關(guān)系，為應(yīng)用型本科高校課程體系改革提供了理論和實(shí)踐的參考模式。

課程改革；工程思維能力；基礎(chǔ)理論課；教學(xué)模式設(shè)計(jì)

應(yīng)用型本科高校的職能是為區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才[1]。這些高級應(yīng)用型人才的特點(diǎn)是能夠理論聯(lián)系實(shí)際將知識應(yīng)用于實(shí)際的人才,其本質(zhì)是學(xué)以致用，“用”的基礎(chǔ)是掌握知識與能力，“用”的對象是社會(huì)實(shí)踐，“用”的目的是滿足社會(huì)需求[2]。形象地說，就是培養(yǎng)行業(yè)中“師”字號高級專門人才，如工程師、律師等。

2015年5月8日國務(wù)院公布了《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃。制造業(yè)的發(fā)展必然需要大量合格的工程技術(shù)人才。應(yīng)用型本科院校的工科專業(yè)能否培養(yǎng)出合格的專業(yè)理論扎實(shí)、實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)的工程人才——工程師，這是我們的使命。美國工程與技術(shù)鑒定委員會(huì)推出的“工程標(biāo)準(zhǔn)2000”(Engineering Criteria 2000,EC2000)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在大學(xué)期間為進(jìn)入工程職業(yè)所作的準(zhǔn)備：是否具備了從事工程活動(dòng)的知識、能力和素養(yǎng)，能否適應(yīng)實(shí)際工程和社會(huì)變化的需要，是否受到產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)可等[3]。若要達(dá)到EC2000標(biāo)準(zhǔn)，大學(xué)生應(yīng)具備以工程的眼光去判斷、分析和解決工程性問題的能力，這種能力就是工程思維能力。

如何培養(yǎng)大學(xué)生的工程思維能力？華中科技大學(xué)在教改中引入美國的主流工程教育教學(xué)模式(CDIO)。CDIO核心是“在做中學(xué)”，即通過不同層次的項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生獲得應(yīng)用工程科學(xué)技術(shù)知識設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力和制作產(chǎn)品、系統(tǒng)的能力[3]。吳鳴等也認(rèn)為CDIO 工程教育模式能夠有效的幫助學(xué)生提供工程能力[4]。陳彪韋提出加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)重視綜合性訓(xùn)練的思路[5]。祝海林提出培養(yǎng)學(xué)生的工程能力首先要解決學(xué)生難以直接接觸實(shí)際生產(chǎn)的過程，建議分初級、中級、高級三個(gè)層次，從初期的實(shí)習(xí)到最終開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，從而加強(qiáng)學(xué)生的工程能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練[6]。目前，相關(guān)的教改基本都聚焦在如何通過工程實(shí)踐活動(dòng)來提高學(xué)生的工程能力。這種思路是完全正確的，因?yàn)楣こ炭茖W(xué)本身就是實(shí)踐科學(xué)，學(xué)習(xí)和提高的最好辦法就是去“動(dòng)動(dòng)手”，但我們也要考慮到在高校的教學(xué)體系中不僅有實(shí)踐教學(xué)，還有大量的理論教學(xué)。如何在專業(yè)理論教學(xué)中(在教室中)培養(yǎng)大學(xué)生建立工程思維能力，這需要我們探索新的教學(xué)方法。

1 教學(xué)模式創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)

波普爾的科學(xué)發(fā)展模式[7]：

P1→TT1→EE1→P2→ TT2→EE2→ P3……

對應(yīng)到工程問題的解決過程就是:P1:(發(fā)現(xiàn)工程問題)，TT1(分析可能的影響因素)、EE1(通過對這些影響因素反駁、證偽、試錯(cuò)和糾錯(cuò))、P2:(為解決問題，可能帶來的新工程問題)，……。

波普爾的科學(xué)發(fā)展模式也符合人類的求知的規(guī)律，即當(dāng)人遇到問題并希望能夠解決問題時(shí)，就推動(dòng)他們?nèi)ニ妓鲉栴}的答案，在不斷去偽求真的過程中，加深對知識的理解，獲取了解決問題所需要的知識。我們認(rèn)為這種模式順應(yīng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)律，可以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促使學(xué)生的大腦隨著問題的探索而積極運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

據(jù)此，我們設(shè)計(jì)出“提出工程性問題(P1)——結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，分析各種可能的影響因素(TT1)——結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，分析排除非或次要因素，尋求解決方案(EE1)”的教學(xué)模式。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過程中會(huì)經(jīng)歷這種分析、解決問題的訓(xùn)練。課程體系中有許多理論知識點(diǎn)，這意味著學(xué)生會(huì)反復(fù)體驗(yàn)這種訓(xùn)練。依據(jù)心理學(xué)原理，反復(fù)的過程會(huì)形成習(xí)慣。

2 教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

為了能在理論教學(xué)中幫助學(xué)生建立起必要的工程思維方式，我們必須對目前“以教師為中心、以教材為中心”傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革。

2.1 教學(xué)模式設(shè)計(jì)的原則

(1)尋找理論性的知識點(diǎn)與實(shí)際工程問題及影響因素的結(jié)合點(diǎn)。

(2)依據(jù)“提出工程性問題(P1)和可能的影響因素(TT1)——通過分析各種影響因素，完成教學(xué)內(nèi)容——通過對各因素的分析、排除及尋求解決方案的過程(EE1)流程安排教學(xué)內(nèi)容。

(3)教學(xué)操作程序設(shè)計(jì)時(shí)，我們提出了教學(xué)過程的雙通道模式。從問題的提出和影響因素的分析到傳授知識為正向通道；運(yùn)用新學(xué)的知識進(jìn)行各因素分析和尋求解決方案為反向通道。正向通過的目的是通過問題、影響因素把學(xué)生引向到教學(xué)大綱規(guī)定的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)；反向通道的目的是加深和鞏固對新知識的理解和應(yīng)用。兩個(gè)通道的運(yùn)用不要拘泥于完成正向后才能進(jìn)行反向的程序，而是應(yīng)該根據(jù)課程講解的需要和學(xué)生對知識理解程度在兩個(gè)通道間調(diào)整，最終目的是實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)施模塊化的基礎(chǔ)和目標(biāo)之一.模塊化也是標(biāo)準(zhǔn)化的一種新形式,它是標(biāo)準(zhǔn)化原理中簡化、統(tǒng)一化、系列化、通用化、組合化等理論的綜合運(yùn)用,是標(biāo)準(zhǔn)化的高級形式.

(4)工程性問題和相關(guān)影響因素的設(shè)計(jì)一定要來源于工程實(shí)踐。當(dāng)前在校大學(xué)生嚴(yán)重缺乏工程背景知識，如果我們在課堂教學(xué)中再不提供相關(guān)的工程知識，不能提出真正的工程問題，那么培養(yǎng)所謂具有工程思維的大學(xué)生是一句空話。當(dāng)然問題的設(shè)計(jì)也不能脫離教學(xué)大綱內(nèi)容，畢竟我們是要完成基礎(chǔ)理論教學(xué)的。

2.2 理論教學(xué)模式的形式

2.2.1 教學(xué)過程的雙通道模式如圖1所示。

圖1 雙通道教學(xué)模式結(jié)構(gòu)圖

從圖1我們可以看到，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，我們可將一些理論性知識點(diǎn)以工程問題的形式反映出來。當(dāng)我們按正向通道由工程問題引導(dǎo)到影響因素并對各因素討論時(shí)，知識點(diǎn)的內(nèi)容和常用工程分析方法同時(shí)被講授；當(dāng)我們以反向通道，運(yùn)用所需知識解決工程問題時(shí)，新學(xué)的知識和方法被復(fù)習(xí)和鞏固；當(dāng)我們把正反向連在一起，就實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生分析和解決問題的能力的培養(yǎng)，由此學(xué)生的工程思維形成。

例如：公司的某產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，查找原因發(fā)現(xiàn)是由于原料A單位時(shí)間投料量不夠?qū)е碌摹，F(xiàn)在要解決的“工程問題”是如何“如何保證原料A的單位時(shí)間投料量？”。我們參照表1所示的雙通道教學(xué)模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體的教學(xué)模式。

2.2.2 整個(gè)課程內(nèi)容的架構(gòu)。我們可結(jié)合某產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程，將整個(gè)課程內(nèi)容以知識模塊方式聯(lián)系起來，這就構(gòu)成了課程體系樹圖。這幅圖具有強(qiáng)烈的工程背景，可在教學(xué)過程的不同階段，依據(jù)教學(xué)需要適時(shí)展示給學(xué)生，讓學(xué)習(xí)變得更形象、更易理解，目的性也越強(qiáng)。

例如，《化工原理》全課程內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，我們可先介紹合成氨復(fù)雜的工藝流程，然后將其分解為數(shù)個(gè)操作單元(無論多復(fù)雜的工藝也是有操作單元構(gòu)成的)，再將操作單元?dú)w納為“三傳一反”的知識模塊，在每個(gè)模塊中，又可分解為數(shù)個(gè)知識點(diǎn)，那么《化工原理》課程許多章節(jié)以知識模塊形式連接在一起形成課程體系樹。以此樹的邏輯關(guān)系展開每堂課的教學(xué)活動(dòng)，使我們的教學(xué)活動(dòng)處于層次展開、環(huán)環(huán)相連的狀態(tài)。

3 在新教學(xué)模式設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中應(yīng)處理好幾個(gè)關(guān)系

作為應(yīng)用型高校教師，沒有從事工程專業(yè)所應(yīng)有的基本能力和經(jīng)驗(yàn)，很難想象他能有效的設(shè)計(jì)和實(shí)施上述的教學(xué)模式。目前我們高校大部分教師都是從學(xué)校到學(xué)校，基本沒有工程經(jīng)歷，更談不上工程技能和經(jīng)驗(yàn)。國家主管部門和高校提出諸多的改進(jìn)措施，但收效甚微。究其原因，1、由于工廠環(huán)境和條件較差問題，教師主觀上不愿意較長期沉淀于生產(chǎn)現(xiàn)場；2、企業(yè)對來掛職鍛煉的教師當(dāng)作客人對待。掛職教師沒有具體職責(zé)和壓力，處理實(shí)際問題的機(jī)會(huì)也少。筆者曾在工廠工作近15年，每天不得不設(shè)法解決各種生產(chǎn)技術(shù)問題(這是職責(zé))。就在這種壓力下，分析問題解決問題的能力得到潛移默化的提高。

表1 雙通道知識點(diǎn)教學(xué)模式在“流體輸送”教學(xué)中的運(yùn)用

要解決教師工程知識結(jié)構(gòu)不合理問題，筆者認(rèn)為可從三方面來解決：1、是教師務(wù)必從職業(yè)道德的高度認(rèn)識改進(jìn)自身知識結(jié)構(gòu)的緊迫性。工人出次品是少數(shù)，而教師出次品是批量性；2、在教學(xué)模式設(shè)計(jì)中，充分利用教師豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和工程技術(shù)人員豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。主講教師要與經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)工程技術(shù)人員合作，且形成制度。3、改革高校的人事制度，讓教師能真正走進(jìn)工廠，同時(shí)讓經(jīng)驗(yàn)豐富且適合教學(xué)的工程師進(jìn)入學(xué)校。

3.2 新教學(xué)模式服務(wù)于教學(xué)目的和內(nèi)容

當(dāng)我們談到教學(xué)之初先提出工程問題作引導(dǎo)時(shí)，熟悉當(dāng)前教改的人可能會(huì)立即想到比較熱門的“問題導(dǎo)向教學(xué)法”。在這類教改中，筆者認(rèn)為存在著形式大于內(nèi)容的現(xiàn)象。這些教改為了突出問題導(dǎo)向，有選擇的刪減教學(xué)內(nèi)容，讓教學(xué)內(nèi)容去配合問題講解。

而在我們的教改中，我們強(qiáng)調(diào)教學(xué)模式必須服務(wù)于教學(xué)目的和內(nèi)容。模式設(shè)計(jì)的工程問題或因素必須滿足兩個(gè)條件：1、工程問題或因素是教學(xué)大綱規(guī)定的理論性知識點(diǎn)以工程形式的反映；2、涵蓋大綱規(guī)定的所有知識點(diǎn)。模式實(shí)施的過程中，兩個(gè)通道如何進(jìn)行應(yīng)根據(jù)學(xué)生對所講授知識的接受程度來靈活安排。

例如：模式中提出的“控制進(jìn)料口原料流量”問題，實(shí)際是流體連續(xù)性方程和柏努力方程這兩個(gè)理論知識以工程問題形式的反映。

3.3 教學(xué)技能是模式實(shí)施效果的保證

教學(xué)是一門藝術(shù)。無論多好的設(shè)計(jì)，沒有好的教學(xué)技能相配合，也無濟(jì)于事。在具體教學(xué)模式實(shí)施中，運(yùn)用嫻熟的語言技巧對工程問題、因素進(jìn)行描述、分析，能使教學(xué)到達(dá)事半功倍的效果。合理地控制教學(xué)節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生思維層層遞進(jìn)也是教師教學(xué)技能的體現(xiàn)。

3.4 改革傳統(tǒng)的教學(xué)效果評價(jià)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)評價(jià)是基于知識掌握程度的考核，通過試卷評分來評價(jià)教師教學(xué)效果和學(xué)生知識掌握的程度。對于學(xué)生工程思維能力培養(yǎng)的效果，顯然這種近似于教條的評價(jià)模式無法準(zhǔn)確反映。創(chuàng)新與新教學(xué)模式相適應(yīng)的評價(jià)體系是我們面臨的下一個(gè)課題。

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責(zé)任編輯：李應(yīng)青

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1673-1794(2016)05-0121-03

丁中建，滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院副教授，工程師(安徽 滁州 239000)。

安徽省化學(xué)工程與工藝特色專業(yè)項(xiàng)目(2014tezy031)

2016-01-12