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        工程師的誕生
        ——記北京航空航天大學(xué)的一項探索

        2018-10-31 11:35:48喬熙陳曉麗
        大學(xué)生 2018年11期
        關(guān)鍵詞:學(xué)院課程設(shè)計

        文/喬熙 陳曉麗

        可同時載人載物的便攜式交通工具,協(xié)助跨越小型障礙物的便攜式斜坡,方便老年人、殘疾人在家中上下樓的水動力/空氣動力電梯,防止下車開車門時不慎致人傷亡的智能車門,幫助貧困地區(qū)農(nóng)民利用風(fēng)能提升地下水的風(fēng)車動力傳輸系統(tǒng)……

        學(xué)生在進(jìn)行《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計導(dǎo)論》作品展示暨匯報

        這些聽起來兼具實用性和科技感的產(chǎn)品,全部出自北京航空航天大學(xué)國際通用工程學(xué)院(以下簡稱國通學(xué)院)大一學(xué)生在《通用工程及多學(xué)科設(shè)計導(dǎo)論》課上的學(xué)習(xí)和實踐。國通學(xué)院于2015年入選由國家外國專家局和教育部共同實施的“高校國際化示范學(xué)院推進(jìn)計劃”,2018年加入美國工程院大挑戰(zhàn)學(xué)者計劃(NAEGlobal Challenges Scholars Program,GCSP),是北航“新工科”國際教育教學(xué)改革的示范和品牌學(xué)院。

        國通學(xué)院從2017年9月開始招收本科生,《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計導(dǎo)論》課程是該學(xué)院探索“新工科”人才培養(yǎng)模式的一次試驗,也體現(xiàn)了對標(biāo)國際,培養(yǎng)通曉國際規(guī)則,能參與國際競爭的國際通用型工程師的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

        《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計導(dǎo)論》課程模擬真實的工業(yè)設(shè)計流程,由來自加拿大多倫多大學(xué)的Kamran教授擔(dān)任課程負(fù)責(zé)人,向?qū)W生提出五個錯綜復(fù)雜且綜合性強(qiáng)的選題。50個學(xué)生分為10個小組,每組選擇一個題目,合作完成一個項目作品,并配一位項目導(dǎo)師。

        課程設(shè)置: 以需求為導(dǎo)向

        《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計導(dǎo)論》基于實踐,注重全面能力素養(yǎng)和基于項目的學(xué)習(xí)方法。

        1.評委老師認(rèn)真聽取學(xué)生的作品展示匯報

        2.Kamran教授與學(xué)生及項目作品合影

        這門課沒有教材,也沒有試卷,而是模擬一種真實工業(yè)界的環(huán)境。Kamran教授一直把自己稱為大客戶,提出設(shè)計要求,讓學(xué)生自主解決客戶的問題。

        張以遠(yuǎn)是國通學(xué)院 2017級學(xué)生,在這門課程中得到了最高分,他和組員的課題是設(shè)計一款可載物的便攜私人交通工具。

        課程持續(xù)一年,第一階段進(jìn)行背景調(diào)查、問題綜述和需求分析,通過500份問卷的調(diào)查結(jié)果,張以遠(yuǎn)小組得出了“大家很需要,特別是學(xué)生黨和上班族”的結(jié)論。第二階段開始設(shè)計制作。從用頭腦風(fēng)暴到確定最優(yōu)方案,從組裝部件到用大數(shù)據(jù)實驗一體機(jī)分析可能性,從一版設(shè)計到終版設(shè)計,通過反復(fù)研究和調(diào)整,張以遠(yuǎn)小組最終設(shè)計制作出了一款有著超強(qiáng)的載物能力,有代步,旅行箱與電動助力旅行箱三種使用形態(tài)的便攜交通工具,解決了載人與超大載物量不能兩全的痛點(diǎn)。

        這種以需求為導(dǎo)向,首先從項目出發(fā)去思考問題的思路,不同于傳統(tǒng)的科研思路?!艾F(xiàn)在很多科研都是博士生、碩士生根據(jù)一個已有的技術(shù),尋找它應(yīng)用的領(lǐng)域,但是比較難落地,沖擊這個市場的痛點(diǎn)。但是這個項目不是給學(xué)生技術(shù)基礎(chǔ),而是先給出了痛點(diǎn)讓學(xué)生解決?!睆堃赃h(yuǎn)說,“這樣更實用,而且相對來說門檻更低,同學(xué)們能夠天馬行空,不會受所學(xué)知識或現(xiàn)有工具的約束,再加上學(xué)院特別支持,提供足夠的經(jīng)費(fèi),所以有什么想法都可以做得出來?!?/p>

        理解了“工程師”

        “在通常情況下,本科學(xué)習(xí)進(jìn)入到高年級階段會有一部分學(xué)生進(jìn)入到老師的課題組或?qū)嶒炇?,在學(xué)有余力的情況下還會參加各類學(xué)術(shù)科技競賽的時候,才會面臨需要解決這種綜合問題。很多工科學(xué)生重知識輕能力,學(xué)習(xí)了很多知識,但是讓他真正做一個東西時卻做不出來,不能理論聯(lián)系實際。這門課程的創(chuàng)新之處在于從大一開始、持續(xù)一年的時間,在全英文的環(huán)境下,拓展學(xué)生的全球視野,打破現(xiàn)有知識體系架構(gòu),讓學(xué)生有更多的自主能力,學(xué)以致用,去解決實際的工程問題。在國內(nèi),北航是第一個做這種嘗試和創(chuàng)新的?!眹▽W(xué)院院長文東升說。

        國通學(xué)院副院長趙海云說:“很多學(xué)生高中學(xué)的都是書本知識,大一直接來做項目,比較吃力,而國外的基礎(chǔ)教育在這方面對接得比較好。這門課也讓大一新生完成了從高中到大學(xué)的過渡?!彪m然都是做科研,張以遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)高中的做法和大學(xué)的做法大有不同?!案咧芯褪恰鏄犯摺?,參加中國青少年機(jī)器人競賽和關(guān)于高層建筑作業(yè)機(jī)器人的科技創(chuàng)新項目,核心都是用樂高機(jī)器人做的?!睆堃赃h(yuǎn)總結(jié),“到了大學(xué)以后,我發(fā)現(xiàn)科研不是玩玩具了,以前玩的教育機(jī)器人封裝集成度很高,現(xiàn)在則完全是白手起家,需要購買各種部件,自己攢在一塊。再往后就是等到真的有實力的時候,可能就是自己定制的一些東西了。”

        據(jù)國通學(xué)院學(xué)生工作負(fù)責(zé)人趙秋迪老師介紹,21世紀(jì)工程師應(yīng)該是具備動手實踐能力、能夠應(yīng)對重大挑戰(zhàn)、改變世界的人。但目前傳統(tǒng)教育模式下通過大學(xué)四年培養(yǎng)出來的大部分工科畢業(yè)生到了業(yè)界,還得重新學(xué)習(xí)和接受再培訓(xùn),大學(xué)的工科教育和工業(yè)界之間存在溝壑需要填補(bǔ)。這種基于動手實踐的能力,從大一開始培養(yǎng),然后讓學(xué)生帶著這種習(xí)慣,進(jìn)行大學(xué)四年的學(xué)習(xí)。

        經(jīng)過一年的實踐,張以遠(yuǎn)對“工程師”這三個字也逐漸有了自己的理解?!肮こ處熞尲夹g(shù)為人所用,從而改善人的生活,需要有很扎實的東西,很踏實、很認(rèn)真地做工程?!盞amran教授要求每個同學(xué)記錄工作日志?!氨热邕@一天,我進(jìn)行了任務(wù)討論和分組,在小組里成立了電控組,機(jī)械搭建結(jié)構(gòu)組,引導(dǎo)大家完成工作。”張以遠(yuǎn)說,“越來越像一個工程,剛開始可能散,后來就習(xí)慣了?!?/p>

        作為小組組長,張以遠(yuǎn)曾經(jīng)“差點(diǎn)把隊伍帶崩了”。“之前我老用自己的那套思維去要求別人,告訴他們怎么做。有些組員很有想法,感覺我給他們強(qiáng)加一些違背他們想法的東西。后來就崩掉了,有一次我定一個點(diǎn)來開會,只有我一個人來了?!睆堃赃h(yuǎn)說,現(xiàn)在的他會更多關(guān)注個人感受,跟每個人去交流,了解并尊重他們的想法。

        《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計導(dǎo)論》部分項目作品及實物展示

        由于高中做過機(jī)器人,張以遠(yuǎn)對整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計的感覺較強(qiáng),有位組員則特別重視理論基礎(chǔ)?!坝袝r候我說可行,他說還得研究驗證一下;有時候他要這樣做,我說你不行,然后我倆會爭論。雖然剛開始會有沖突,到后來我就退讓一步,讓他多做一些理論計算這方面的事情,到后來兩個人都“綻放”了,都做得很好?!?/p>

        國通學(xué)院課程助教付尊儒介紹這門課程最大的特色是老師作為觀察者,沒有強(qiáng)制性的命令,任務(wù)由學(xué)生自主安排完成。在和團(tuán)隊、導(dǎo)師、助教等不同角色的溝通、互動中,學(xué)生提高了在工業(yè)產(chǎn)品實際制作過程中跟人打交道的能力。

        “通過這門課的鍛煉,第一,培養(yǎng)了學(xué)生在國際大背景下的溝通與交流能力;第二,培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力;第三,提升了學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)力。這是他們的進(jìn)步。”國通學(xué)院科技輔導(dǎo)員周思齊說。

        獲取知識:被動到主動

        獲取知識是一種能力。這門從問題出發(fā)的項目課程,使學(xué)生在獲取知識上由被動變?yōu)橹鲃印?/p>

        Kamran教授給學(xué)生很高的自由度,通過提供框架、布置任務(wù),引領(lǐng)課程的進(jìn)展。“通常只給一個梗概,雖然會進(jìn)行一些解釋,但他的解釋往往是單方向的,而不是多層面的。但是他鼓勵我們從多層面去把他的框架填圓滿,填飽滿。”張以遠(yuǎn)說,“相當(dāng)于他給你一個骨頭,你把肉填上,可以自己去發(fā)揮自己想象力?!?/p>

        副院長趙海云總結(jié):“這門課不是強(qiáng)調(diào)最后要做出一個多么高精尖的成果,而是通過學(xué)生和學(xué)生之間,學(xué)生和老師之間基于項目的學(xué)習(xí)過程,提高解決復(fù)雜綜合問題的能力?!?/p>

        “課程負(fù)責(zé)人只是在第一節(jié)課提出他的課程架構(gòu)和對學(xué)生的要求,后面的事情基本上由學(xué)生自主完成,各組分別和自己的項目導(dǎo)師約時間開會,自己去買材料,去用預(yù)算?!眹▽W(xué)院本科教學(xué)秘書譚力老師說。

        在這一年里,張以遠(yuǎn)覺得很多東西“都挺意想不到的”?!皩?dǎo)師提綱挈領(lǐng),很多東西都靠自己去摸索,其實挺折磨人的,但是回頭看會發(fā)現(xiàn)自己成長得特別多,因為很多都是從無到有?!薄霸瓉硎歉嬖V學(xué)生這個知識很重要,是必修課,大家都學(xué),所以你要學(xué),但是學(xué)生不知道為什么要學(xué),以后會用在什么地方,有什么樣的作用?,F(xiàn)在則是在實踐的過程中,在問題的“倒逼”下,學(xué)生主動檢索文獻(xiàn),搜集資料,向老師請教?!壁w秋迪說,“怎么設(shè)計、制作產(chǎn)品?怎么跟人溝通?成本多少?最后結(jié)果又是怎樣?在制作或者應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)什么樣的問題……以問題為導(dǎo)向獲取知識,是一個全開放的過程。所有的東西其實我們沒有提供,但是所有東西我們又提供了,關(guān)鍵在于創(chuàng)造一個環(huán)境、提供一個平臺,學(xué)生可以自由創(chuàng)新、盡情發(fā)揮?!?/p>

        導(dǎo)師與學(xué)生的日常學(xué)習(xí)討論

        “這門課不是強(qiáng)調(diào)最后要做出一個多么高精尖的成果,而是通過學(xué)生和學(xué)生之間,學(xué)生和老師之間基于項目的學(xué)習(xí)過程,提高解決復(fù)雜綜合問題的能力?!?/p>

        “課程負(fù)責(zé)人只是在第一節(jié)課提出他的課程架構(gòu)和對學(xué)生的要求,后面的事情基本上由學(xué)生自主完成,各組分別和自己的項目導(dǎo)師約時間開會,自己去買材料,去用預(yù)算?!?/p>

        在設(shè)計制作可載物代步工具的過程中,其中一個技術(shù)難點(diǎn)就是張以遠(yuǎn)小組通過自學(xué)克服的。“我們一位組員通過查資料、問學(xué)長,用兩周時間搞明白了有限元分析,學(xué)完以后很快教給我們組其他人。通過有限元分析,可以模擬顯示人踩在上面的時候,箱體所發(fā)生的形變和位移?!睆堃赃h(yuǎn)說,“Kamran教授經(jīng)常鼓勵我們?nèi)プ约喝ヌ剿鲗W(xué)習(xí)各種技術(shù),他看到我們組用了有限元分析,喜出望外?!?/p>

        建模、設(shè)計、展示,做排版怎么顯示出重點(diǎn)?PPT怎么吸引人?等等各方面能力,都在自學(xué)的過程中得到鍛煉。

        帶著這門課上設(shè)計制作的作品,張以遠(yuǎn)參加了北航的招牌科技創(chuàng)新競賽——“馮如杯”科技作品競賽,榮獲節(jié)能減排專項全校第九名的好成績,之后又晉級全國大學(xué)生節(jié)能減排科技競賽,從海內(nèi)外400多所高校的近4000件作品項目中脫穎而出,榮獲國家三等獎。趙秋迪說:“我們學(xué)院學(xué)生在大一年級這門課程里做出的項目,就是未來我們參賽獲獎項目、畢業(yè)設(shè)計課題等的種子。大一時,這個課、程給他們提供了一個基礎(chǔ)和土壤。到了大二大三,隨著學(xué)生知識和想法的拓展,再對項目進(jìn)行升級,之后可以很從容地參加國際國內(nèi)比賽,如果想創(chuàng)業(yè),我們還可以進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)化?!?/p>

        課程結(jié)束后,張以遠(yuǎn)剛剛步入大二,他又開始準(zhǔn)備參加美國工程院大挑戰(zhàn)學(xué)者計劃(NAE-GCSP)。該項目是針對美國國家工程院(NAE)提出的“14項工程大挑戰(zhàn)”而實施的拔尖工程人才培養(yǎng)新戰(zhàn)略。各個學(xué)校的學(xué)生,通過國際化的平臺進(jìn)行交流,解決一些社會存在的問題,比如經(jīng)濟(jì)地利用太陽能,管理氮循環(huán),恢復(fù)和改善城市基礎(chǔ)設(shè)施等。

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