葛動(dòng)元 李健 羅慧聰 王俊娜 羅海萍
[摘 要]高?;诮?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展要求以及工程學(xué)科的發(fā)展規(guī)律,針對(duì)高校工程教育改革發(fā)展存在諸多掣肘因素,構(gòu)建面向新工科的創(chuàng)新思維的教學(xué)體系。教師可聯(lián)合中學(xué)階段的理綜、信息技術(shù)等課程的教學(xué)等,注重發(fā)散式思維的培養(yǎng),經(jīng)過(guò)大學(xué)階段的專業(yè)學(xué)習(xí),使其成為具有創(chuàng)新意識(shí)和跨界整合能力的“新工科”人才。
[關(guān)鍵詞]新工科;創(chuàng)新教育;高等工程教育
[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2018)12-0170-03
高等工程教育在我國(guó)高等教育中占有重要地位。以深化工程教育改革為契機(jī),國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展,實(shí)施“一帶一路”、“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略,以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展,對(duì)工程科技人才提出了更高要求,迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新 [1]。大學(xué)生的專業(yè)精神,即“工匠精神”,是指在相應(yīng)的領(lǐng)域具備豐富系統(tǒng)的理論知識(shí),以及一定的創(chuàng)新能力,同時(shí)樹(shù)立孜孜不倦、精益求精、以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度[2]。2017年2月,教育部在復(fù)旦大學(xué)召開(kāi)高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì),達(dá)成復(fù)旦共識(shí);2017年4月,教育部在天津大學(xué)召開(kāi)新工科建設(shè)研討會(huì),明確了新工科建設(shè)的行動(dòng)路線;2017年6月教育部新工科研究與實(shí)踐專家組成立第一次工作召開(kāi),林蕙青副部長(zhǎng)做重要報(bào)告,會(huì)議形成新工科建設(shè)的北京指南 [3-4]。從復(fù)旦共識(shí)、天津行動(dòng),到北京指南,明確了新工科建設(shè)的目標(biāo),對(duì)新工科走向?qū)嵺`產(chǎn)生的廣泛影響與作用。本研究主要根據(jù)新工科發(fā)展的需要,結(jié)合高等工程教育發(fā)展的歷史與現(xiàn)實(shí),開(kāi)展大學(xué)生專業(yè)精神與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與探索,為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供智力支撐。
一、新工科建設(shè)下的創(chuàng)新教育
“新工科”對(duì)應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè),首先是指針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè),如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)算等,也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造。從新經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)講,新工科之“新”在于對(duì)我國(guó)工程學(xué)科未來(lái)發(fā)展的新要求。2018年1月12日在哈爾濱舉辦的“新工科建設(shè)與工程教育改革發(fā)展研討會(huì)”上,教育部高教司理工處處長(zhǎng)愛(ài)華在主旨報(bào)告“面向未來(lái)、主動(dòng)謀劃 ,以新工科建設(shè)引領(lǐng)高等教育變革”中提到,新經(jīng)濟(jì)要求工程技術(shù)人員具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力,建立更多樣化和個(gè)性化的工程教育培養(yǎng)模式。新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需要通過(guò)創(chuàng)新教育銜接新工科人才的培養(yǎng),服務(wù)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。按照服務(wù)新經(jīng)濟(jì)的要求,面對(duì)大數(shù)據(jù)支持下的智能化機(jī)器,為提高人和機(jī)器合作協(xié)調(diào)的能力,本課題有關(guān)創(chuàng)新人才的技能矩陣如圖1所示。
(一)面向創(chuàng)新教育中的探究式教學(xué)與差異化教學(xué)
針對(duì)缺乏創(chuàng)造性的和機(jī)械訓(xùn)練的教育方法,美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的教育家、哲學(xué)家杜威提出在教學(xué)中使用探究方法。探究式學(xué)習(xí)是一種積極的學(xué)習(xí)過(guò)程,不僅要求學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的知識(shí),更重要的是要學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程或方法。從20世紀(jì)50年代到60年代,探究式學(xué)習(xí)作為一種教學(xué)方法的合理性得到普遍認(rèn)同。該教學(xué)方法通過(guò)在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)類似于學(xué)術(shù)研究的情境,倡導(dǎo)學(xué)生的主動(dòng)參與,通過(guò)獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)、思索、實(shí)驗(yàn)、收集與處理信息、表達(dá)與交流等一系列的活動(dòng),獲取專業(yè)知識(shí),激發(fā)探索精神,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在創(chuàng)新教學(xué)過(guò)程中,教師要把學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)自主學(xué)習(xí)掌握知識(shí)與培養(yǎng)能力的過(guò)程,還原學(xué)生在教學(xué)體系中的主體地位。同時(shí),教師將各種間接經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為學(xué)生生活情景中的直接經(jīng)驗(yàn),讓學(xué)生積極進(jìn)行交流與探索,開(kāi)發(fā)創(chuàng)造性思維強(qiáng)烈的發(fā)散性、靈活的變通性,激勵(lì)原型啟發(fā)的突然性等,在各相關(guān)學(xué)科與知識(shí)之間建立新的聯(lián)系,并有所發(fā)現(xiàn),有所發(fā)明。美國(guó)的教育家本杰明·布盧姆認(rèn)為,學(xué)生的學(xué)習(xí)并不一定呈正態(tài)分布。我們?cè)诙嗄甑慕虒W(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),在教學(xué)過(guò)程中,教師通過(guò)差異化的教學(xué),通過(guò)探索不同學(xué)生的思維方式和他們各自解決問(wèn)題的思維習(xí)慣,努力尋找教育對(duì)象與教育內(nèi)容之間最佳的結(jié)合點(diǎn),充分發(fā)揮每一個(gè)學(xué)生的最大潛能,使教學(xué)活動(dòng)滿足所有個(gè)體的專業(yè)學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)的需要,完全可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)教學(xué)班級(jí)齊頭并進(jìn)的理想局面。同時(shí),具有跨行業(yè)、跨領(lǐng)域特性的新經(jīng)濟(jì),需要工程技術(shù)人才具有交叉復(fù)合特性,以及跨學(xué)科、跨產(chǎn)業(yè)的跨界整合能力。這也決定了工程教育培養(yǎng)模式的多樣性與個(gè)性化。而隨著翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等新型在線開(kāi)放課程和學(xué)習(xí)平臺(tái)的興起,也為個(gè)性化、差異化的培養(yǎng)模式提供了有力支撐,使得學(xué)生接受更多可能性的多元化教學(xué)模式成為可能。這也是創(chuàng)新教育的發(fā)展方式之一。
(二)面向創(chuàng)新教育的人文關(guān)懷與引喻啟導(dǎo)
創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)要從小抓起;在從事專業(yè)學(xué)習(xí)之前,樹(shù)立學(xué)生對(duì)專業(yè)的信心與對(duì)科研的憧憬是至關(guān)重要的。教高[2017]8號(hào)文件指出,教學(xué)改革需要探索基于統(tǒng)一高考和高中學(xué)業(yè)水平考試成績(jī)、參考綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)的多元錄取機(jī)制;以實(shí)施高考綜合改革,增強(qiáng)高考與高中學(xué)習(xí)、高校專業(yè)培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)性[5]。高中階段,在注重高考成績(jī)以及不影響高考科目學(xué)習(xí)的前提下,教師應(yīng)注重對(duì)學(xué)生發(fā)散式思維的培養(yǎng)。如湖南省隆回縣第二中學(xué)采取密切關(guān)注學(xué)生成長(zhǎng)、潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的放養(yǎng)式。該校的學(xué)生在升入大學(xué)的學(xué)習(xí)階段或者大學(xué)畢業(yè)后的表現(xiàn),普遍具備適應(yīng)能力強(qiáng),以及能夠保持持續(xù)努力的特性。該校經(jīng)過(guò)近二、三十年的努力,形成學(xué)生在校園內(nèi)碰到老師都能主動(dòng)問(wèn)好,而老師也平和、慈愛(ài)地應(yīng)答的融洽的校園環(huán)境。同時(shí)根據(jù)學(xué)校地處郊區(qū),校園面積廣闊的優(yōu)勢(shì),采取自己進(jìn)行種植、養(yǎng)殖的方式,以改善、保障學(xué)生的生活品質(zhì),據(jù)此給學(xué)生以耳目一新的體念感受。通過(guò)學(xué)校教工無(wú)形的關(guān)愛(ài),適當(dāng)屏蔽學(xué)生成長(zhǎng)時(shí)期外界紛擾雜音的干擾,有助于學(xué)生專注力的形成、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。另外學(xué)校還依據(jù)地處魏源故鄉(xiāng)的文化底蘊(yùn),建設(shè)魏源文化墻,喚起學(xué)生樸素的自豪感。在素質(zhì)教育方面,重視信息技術(shù)等反映前沿研究的課程教學(xué),以提高學(xué)生的信息素養(yǎng);對(duì)于物理、化學(xué)和生物等理綜科目的教學(xué),注意理綜相關(guān)課程教學(xué)與生產(chǎn)、生活實(shí)際的關(guān)聯(lián)。比如在講解單擺等周期的教學(xué)內(nèi)容時(shí),布置學(xué)生課前自制兩根長(zhǎng)度為2米與0.2米的擺桿,然后用手指在空中拖住,并根據(jù)擺桿的傾斜方向移動(dòng)手臂讓擺桿不倒,通過(guò)實(shí)踐,看看哪一個(gè)擺桿的控制容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)類比實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,在課堂中與學(xué)生一起分析:擺桿越長(zhǎng),周期越大,越易于控制;得到單擺的周期與擺桿的長(zhǎng)度的算術(shù)平方根成正比的感性認(rèn)識(shí)。這樣通過(guò)實(shí)踐,不但使學(xué)生容易掌握單擺周期的公式,也容易激起學(xué)生對(duì)科學(xué)的原始興趣以及立志投身科學(xué)研究的情懷。
二、新工科建設(shè)下的教學(xué)設(shè)計(jì)
北京師范大學(xué)何克抗教授等認(rèn)為,教學(xué)設(shè)計(jì)主要是以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)為根本目的,運(yùn)用系統(tǒng)方法,將學(xué)習(xí)理論與教學(xué)理論等的原理轉(zhuǎn)換成對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)進(jìn)行具體計(jì)劃、創(chuàng)設(shè)有效的教與學(xué)系統(tǒng)的“過(guò)程”或“程序”。借鑒蘇州科技學(xué)院院長(zhǎng)何若全教授的研究報(bào)告,按照Spady等提出的成果導(dǎo)向教育OBE(Outcome-based education)理念,為確保學(xué)生有效地取得教學(xué)成果,根據(jù)作者多年的教學(xué)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累,在新工科的視域下,本研究設(shè)計(jì)的教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。
(一)基于問(wèn)題意識(shí)與創(chuàng)新思維的教學(xué)設(shè)計(jì)
大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),是國(guó)家創(chuàng)新體系中的重要組成部分,關(guān)系到國(guó)家創(chuàng)新教育的實(shí)現(xiàn),是新工科建設(shè)的核心。愛(ài)因斯坦認(rèn)為,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和系統(tǒng)闡述問(wèn)題可能比解決問(wèn)題更為重要;因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題是數(shù)學(xué)上或者實(shí)驗(yàn)上的技巧,而從新的角度看舊問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出新的問(wèn)題與提出新的可能性,需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力,是科學(xué)的真正進(jìn)步。在新工科的建設(shè)中,為促進(jìn)個(gè)性思維的深刻性與創(chuàng)造性,創(chuàng)新教育需激發(fā)大學(xué)生的“問(wèn)題意識(shí)”。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是解決問(wèn)題的關(guān)鍵,是思維的內(nèi)動(dòng)力;一切創(chuàng)新都始于問(wèn)題的發(fā)現(xiàn),是今后學(xué)術(shù)創(chuàng)新的突破口。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題源于敏銳的“問(wèn)題意識(shí)”,而“問(wèn)題意識(shí)”不是自發(fā)的,其蘊(yùn)含在學(xué)生內(nèi)心深處且紛繁復(fù)雜,在教學(xué)設(shè)計(jì)中,需要教師認(rèn)真研究與分析,悉心培養(yǎng)和觸發(fā)。根據(jù)調(diào)查,我國(guó)大學(xué)生由于受多種因素的影響,學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差,多數(shù)學(xué)生不善于或者不能提出問(wèn)題。在大學(xué)生的專業(yè)教學(xué)中,教師是引導(dǎo)者,要將學(xué)生潛在的、靜態(tài)的問(wèn)題意識(shí)轉(zhuǎn)化為顯在的、動(dòng)態(tài)的問(wèn)題意識(shí)[6]。作為探究者,學(xué)生應(yīng)通過(guò)自己的探究去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,直至形成新的發(fā)現(xiàn)。在新工科建設(shè)的教學(xué)設(shè)計(jì)中,需要平衡教師的“引”和學(xué)生的“探”的關(guān)系,做到既不放任自流,讓學(xué)生漫無(wú)邊際去探究,又不能過(guò)多牽引,而是主要由大學(xué)生嘗試從各種現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)相應(yīng)的本質(zhì),形成流暢、嚴(yán)密的創(chuàng)新性思維。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生具備若干“新素養(yǎng)”,如對(duì)“超世界存在”的關(guān)注、空間感、關(guān)聯(lián)力等的自覺(jué)[7]。使得大學(xué)生既有前瞻性的視野,又能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題與新方法,成為教學(xué)過(guò)程中的主角。同時(shí)由于新工科建設(shè)的開(kāi)放性,以及技術(shù)路線的多樣性和復(fù)雜性,專業(yè)教師往往并沒(méi)有現(xiàn)成的答案。我們發(fā)現(xiàn),一般而言,整個(gè)教學(xué)過(guò)程呈現(xiàn)出類似于IPDI的特性,即教師的指導(dǎo)作用隨著教學(xué)進(jìn)程的展開(kāi)逐步降低,學(xué)生的自主學(xué)習(xí)逐步處于主導(dǎo)地位的態(tài)勢(shì)[8]。遵循這一特性,也是新工科建設(shè)的教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)有的態(tài)度與認(rèn)識(shí)。
另外,在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與特性,從整體和全局的高度用系統(tǒng)的觀念有意識(shí)地逐級(jí)推進(jìn),系統(tǒng)安排;做到部分探究與全部探究相適應(yīng)。作為教學(xué)的組織者和協(xié)調(diào)者,教師應(yīng)采取提問(wèn)式、討論式、啟發(fā)式、引導(dǎo)式等教學(xué)方式,調(diào)動(dòng)大學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中來(lái),使得教師和學(xué)生形成課程教學(xué)的共同體[9-10]。
(二)基于前沿研究與循序漸進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)
李培根院士認(rèn)為,“新工科”需要重新審視專業(yè)邊界,如傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化,也應(yīng)該使該專業(yè)的學(xué)生有物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等方面的專業(yè)概念?;凇耙粠б宦贰背h的工程教育國(guó)際化背景,在大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面,由于一些新理念、新技術(shù)的出現(xiàn),在專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的過(guò)程中,教師可結(jié)合課題研究、專業(yè)優(yōu)勢(shì),將本學(xué)科領(lǐng)域最新的研究動(dòng)態(tài)與前沿知識(shí)適當(dāng)?shù)厝谌胝n程教學(xué)中;通過(guò)積極向上的心理啟示,激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新的主動(dòng)性、發(fā)散性以及對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的敏感性[11-12]。如上海工程技術(shù)大學(xué)以國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目為依托,聯(lián)合華盛頓大學(xué)和浙江捷尚視覺(jué)有限公司等建成機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì),構(gòu)建跨界體系,破解學(xué)科壁壘,促進(jìn)工科協(xié)同、藝工交融和文理滲透[4]。同時(shí),設(shè)計(jì)探究式教學(xué)時(shí),教師需要依據(jù)大學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程與該學(xué)科的科學(xué)探究與發(fā)展歷程基本一致。如依據(jù)人工智能發(fā)展的歷程,組織大學(xué)生參加一些以機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)等課外活動(dòng)等實(shí)踐時(shí),首先學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)典的有監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),逐步進(jìn)階到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、限制玻爾茲曼機(jī)、對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,形成學(xué)生學(xué)習(xí)的螺旋式上升、波浪式前進(jìn)的教學(xué)模式;并結(jié)合相應(yīng)的語(yǔ)言如Python或Matlab,以及機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)源庫(kù)TensorFlow等,將基本原理與典型應(yīng)用,以及相應(yīng)的原程序交叉結(jié)合。通過(guò)研究型的課程學(xué)習(xí)與充分的訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)從零基礎(chǔ)開(kāi)始,讓學(xué)生逐步掌握人工智能的基本原理。解決部分大學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)與前沿研究的發(fā)展不相適應(yīng)的問(wèn)題,并鍛煉大學(xué)生對(duì)技術(shù)的領(lǐng)悟能力和創(chuàng)造能力,以及相應(yīng)知識(shí)領(lǐng)域的遷移能力。
三、結(jié)論
新工科概念的提出,對(duì)我國(guó)高等工程教育改革發(fā)展提出了新的要求、也提供了新的機(jī)遇與平臺(tái)。高校應(yīng)通過(guò)面向新工科建設(shè)的創(chuàng)新教育的探索與實(shí)踐,培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)造性思維,使其具有積極的求異性,強(qiáng)烈的發(fā)散性以及靈活的變通性。同時(shí),其還能使大學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)或者畢業(yè)后的工程實(shí)踐與科學(xué)研究中,通過(guò)持久、專注的冥思苦想,由原型啟發(fā)的頓悟而發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、新方法。
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[責(zé)任編輯:劉鳳華]