工程導論類課程建設目標與思路辨析——美國部分高校的案例分析

蘇 春

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京211189）

近年來，“大類招生、專業分流”已經成為國內高校招生及人才培養的重要模式，面向一年級新生的工程導論課程也普遍開設。但是，目前在專業分流方法和新生工程導論課程教學組織等方面仍然不夠完善，不僅影響了人才培養的質量，也不利于各學科的均衡發展。

如何讓今天的畢業生能夠有效地解決未來的工程問題，是工程教育工作者需要思考的問題與面對的挑戰。它要求畢業生不僅要具有扎實的基礎理論和寬廣的專業知識，還要掌握科學的學習方法，具備出色的學習能力、分析與解決工程實際問題的能力以及良好的團隊合作精神，能夠洞察社會發展趨勢，以實現終身學習和可持續發展的目標[1]。

近年來，學科之間交叉滲透現象日益明顯，專業界限逐漸淡化，知識更新速度不斷加快，社會對畢業生素質要求也呈現出多元化趨勢。與多元的社會需求相比，高校傳統的招生和人才培養方式的弊端日漸顯現。為適應形勢變化，國內高校積極進行教學改革與探索，大類招生、專業分流、開設新生專業導論課程等成為改革的重要方向。實際上，上述培養模式改革并非我國首創，美國、歐洲等地區高校已經積累了豐富經驗，值得我們學習和借鑒[2-3]。

本文基于美國幾所高校工程類專業案例，分析它們在工程導論課程建設和工科人才培養等方面的成功做法；結合自身實際，分析存在的不足并提出改善思路。

一、工程導論課程教學改革的必要性分析

高等教育是建立在中等教育基礎上的專業（職業）教育，其目標是為社會培養各類高級專門技術和管理人才。因此，與中學階段相比，大學教育在學習目標、教學方法等方面都存在很大差別。對于新入學的大學生而言，能否適應這種變化，不僅關系到大學階段的學習成績，還與后續的職業發展息息相關。工程導論課程在其中扮演著重要角色。

工業革命以來，人們在創造大量知識和財富的同時，也帶來了資源短缺、環境污染和生態破壞等問題，嚴重威脅人類的可持續發展。近年來，國內水污染、霧霾、食品安全、極端天氣等問題頻發，水資源短缺、耕地面積減少，能源及礦產品進口逐年增加，都成為制約社會和諧發展的重要因素。社會發展、知識更新和技術進步，也提出許多新的研究課題。大學生是未來社會發展的中堅力量。因此，在校期間就應幫助他們從科學的角度去分析問題的根源，并積極思考和嘗試解決問題的有效方法。

另一方面，科學技術集成的趨勢越來越明顯，現代產品開發往往建立在多學科基礎之上，僅靠單一學科、專業的知識已經很難實現產品的創新開發。上述趨勢反映到高等教育中就是課程的綜合化，通過強化基礎理論、專業知識與應用研究的滲透、交叉，培養學生適應社會需求和解決復雜工程問題的技能。工程導論和綜合性課程應包括基礎理論、設計、項目規劃和問題解決技巧等方面訓練；通過案例向學生展示工程問題的解決思路與方法，培養學生尋找資源和查閱文獻的能力。另外還應培養學生完成報告、演講、傾聽和溝通能力，全面提升學生的專業素質。

美國高校在工程教育領域十分注重講授工程科學對社會的服務功能，引導學生關注人類可持續發展，培養學生應用工程方法解決人類面臨難題的能力。選題包括環境保護、污染水處理、可再生能源、傳感網、碳排放、基因工程、未來交通系統、智慧城市等學科前沿，既能幫助學生認識工程學科與社會、自然之間的關系，也能促進邊緣學科發展和綜合性課程的創成[3]。

職業精神培養和工程倫理（engineeringethics）意識的建立是工程教育的核心問題之一。良好的職業精神和工程倫理是優秀工程師必備的素質，缺少職業道德的工程師不是合格的工程師。近年來，日本福島核電站泄漏、豐田汽車剎車門事件、溫州動車追尾脫軌事故、黃島輸油管道爆炸以及頻發的礦難、交通事故都與工程倫理的缺失密切相關。美國高校的工程導論課程中，普遍強調學生工程倫理的養成和工程師責任的訓練。目前，國內高校對此領域的關注程度還不夠。

近幾十年來，以美國為代表的發達國家，在高校課程建設、人才培養等領域提出一系列改革舉措，并取得顯著成效。1991年，美國政府頒布《關于發展高等教育和提高專門人才質量方案》，提出“加強專門人才在生產和科技部門獨立工作的能力，是當前高等教育向現代化方向發展的基本方針”，在課程改革方面強調“打破原有的課程界限及框架，實行跨學科綜合研究，創設新型綜合課程”。2003年起，美國國家自然科學基金委員會（NSF）資助成立工程教育促進中心（The Center for the Advancement of Engineering Education，CAEE），專門研究高等教育的教與學問題，其中包括工程教育、大學本科教育兩個分支機構，普渡大學、斯坦福大學、華盛頓大學、明尼蘇達大學等多所高校參與其中，并取得豐富成果[4]。CAEE的研究領域包括：工程類本科生的學習體驗以及學校—工作的轉換，工程教育工作者的教學方法，工程類畢業生的職業發展，工程教育研究組織的擴展活動與模型等。

美國高校多年的教學實踐表明：科學地設計工程導論和相關綜合性課程，可以激發學生學習的積極性，使他們對專業抱有持續的好奇心，變得博學和富有主見；可以使學生了解工程領域面臨的挑戰、畢業后的職業發展機會；能夠增強學生的學習興趣，最終幫助他們實現職業夢想。

自2010年起，東南大學提出“卓越化、國際化、研究型”本科教學工作新要求，在多個院系實施“大類招生、專業分流”的招生及培養模式改革，并多次組織全校通識課、新生研討課、系列專業研討課建設工作，在本科人才培養方面取得一定成績。但是，應該看到由于相關政策的細節設計、課程內涵建設等方面尚不夠完善，導致某些專業人才培養的質量不升反降，挫傷了相關專業教師和學生的積極性[5]。因此，有必要學習國內外高校的成功做法，切實提高人才培養質量。

二、美國工程教育理念淺析

工程與技術認證委員會（Accreditation Board for Engineering and Technology，ABET）是美國工程專業領域的權威認證機構。它的宗旨是促進工程教育質量的持續提升，鼓勵工程教育創新，以培養具有出色學習能力、在當今全球化時代具有競爭力的畢業生。ABET認證的指標包括學生質量與表現、學生的學習成果、項目教育目標、專業的持續提升、課程設置、師資、設施、支持等方面內容，其中特別強調學生對科學、技 術、工 程、數 學（Science，Technology，Engineering and Mathematics，STEM）基本概念、工程設計流程以及相關專業技能的掌握，主要體現在以下幾個方面：

（a）應用數學、科學和工程知識的能力；

（b）設計和開展實驗的能力，以及數據的分析與解釋；

（c）設計系統、零件或流程的能力，并滿足特定的約束條件，包括經濟、環境、社會、政治、倫理、健康、安全、可制造性、可持續性等；

（d）運行與管理跨學科團隊的能力；

（e）識別、制定和解決工程問題的能力；

（f）理解專業和道德責任；

（g）有效的交流能力；

（h）接受必要的教育，以便從全球、經濟、環境以及社會層面理解工程解決方案的影響；

（i）認識到終身學習的必要性并具備相應的能力；

（j）具備當代問題的相關知識；

（k）應用技術、技能和必要的現代工程工具以解決工程實際問題的能力。

2001—2002年，美國國家工程院（National Academy of Engineering）提出“2020的工程師：新世紀的工程視野（The Engineer of 2020：Visions of Engineering in the New Century）”報告，提出2020年工程領域的愿景，預測彼時工程師的工作環境，分析2020年前后工程師應具備的特質，如表1所示[6]。

表1 2020年工程師應具備的特質

為提高本科生職業素質、培養能符合未來需求的畢業生，美國各高校紛紛開展導論和綜合課程的改革實踐，并取得豐富經驗。

三、美國部分高校工程導論課程建設的經驗分析

1.Rutgers University面向一年級學生的Engineering Exploration課程[7]

一年級的工程經驗對于激發、保持以及提升學生對工程專業的滿意度至關重要。但是，對于工科一年級學生，數學、物理、化學、文科以及其它通識課程通常占用了大部分課時，他們很少有機會去探索工程領域及其發展動態。為增加學生的工程探索體驗，并將一年級課程與工程實際有機連接，Rutgers大學工學院（RU-SOE）創建了一門交互式、基于項目的工程設計課程——工程探究（Engineering Exploration），以替代傳統的一年級工程導論課程。

RU-SOE傳統的課程名為“專業方向介紹系列講座（Introduction to Orientation Lectures）”。該課程是工程專業的必修課，包括八個80分鐘的講座，分別由學院每個系的一位教授向學生介紹各自的工程專業，同一班級的學生人數在100人以上。成績分為“合格（pass）”和“不合格（nocredit）”，成績評定的主要依據是出勤率。這種以被動聽講座的授課方式、純粹以考勤來評定成績的教學模式，導致學生注意力不夠集中、厭倦以及考勤帶來的課堂消耗，教學效果差。

開設“工程探究”課程的目標包括：向學生介紹工程專業，提高教與學的效果，幫助學生在工程領域成功。為實現上述目標，課程設計了組合式的主動學習策略（active learning strategies），包括基于項目的學習（project-based learning）、探究式學習（inquiry-based learning）、合作式學習（collaborative learning），從而構成一門綜合性課程。工程設計流程是該課程教學的另一條主線，并通過基于專業的設計項目來介紹相關專業。另外，該課程提出了“半結構化—基于項目—合作式學習方法（semi-structured project-based collaborative learning approaches）”，允許學生提出方法，在做相關概念性研究和團隊合作的基礎上完成項目。工程項目選題包括：橋梁建造、建筑建造、電路設計、咖啡機的逆向工程、賽車設計、太陽能儀表板電路設計、應力/應變分析、血壓分析等。上述改革措施均符合ABET認證的指標與要求。

工程是科學原理和數學方法的實際應用，最終要實現結構件、機器、流程或系統的設計、制造以及有效運作。為有效地解決工程項目研究中的相關問題，需要用到STEM中多門課程知識。為此，學院開設一門綜合課程（integrated curriculum），以集成的方式講授數學、科學、技術、工程以及英語等學科知識。此外，在設計工程項目時，除考慮培養學生主動學習的方法之外，還重視學生工程設計流程的訓練，將科學知識和數學概念用于解決實際問題也是工程設計流程的一個部分（如圖1）。

面向專業的工程設計項目取材于實際工程問題，并適用于多專業學生，旨在幫助學生認識職業的重要性并樂意從事相應的職業。通過參與相關項目，學生可以深入理解自己未來需要學習的科學及數學問題。項目成果以技術報告及口頭演講的形式提交，其中技術報告是在做科學研究之后所撰寫的論文。“工程探究”課程不支持純粹的模型而是強調多課程的集成，以便將科學概念、工程設計流程、科技寫作融合到項目中。此外，科技寫作也工程師的基本素質要求，在完成項目的過程中要求學生以口頭或文字方式闡述相關概念，并論述如何將相關知識應用于工程問題的解決方案之中，以便反映對問題的理解程度。

RU-SOE的教學實踐表明，“工程探究”選修課程，尤其是通過采用主動式學習方法，不僅向學生介紹了多個工程學科，也向學生展示要在工程領域成功所需的學術和專業技能。幾年來，選修該課程的學生對專業的認可率明顯提高，對該課程也給予很高評價。統計表明：開設該課程使得三年內學生的專業保留率提高19%。目前，RU-SOE正計劃將該課程推廣到一年級所有新生中。此外，該學院還計劃加強課程建設，并通過開發工程選題視頻資料庫等形式，以便使盡可能多的學生受益。

2. T exas A&M U niversity 面向一年級學生的“F o u ndation Coalition Program”[8]

1994年秋季起，德州農工大學（Texas A&MUniversity）啟動基礎聯盟計劃（Foundation Coalition Program，FCP）課程。該課程面向770多名一年級新生，包括4學時化學、3學時英語、5學時工程、8學時數學和7學時物理，課程跨度為兩個學期，3-4 個學生組成一個團隊， 在主動—協作（active-collaborative）的環境下完成教學活動。FCP教學以一種集成的“問題—解決方案（problem-solving）”方式展開，以跨專業系列課堂練習和綜合性設計項目替代傳統單一的講座，向一年級工程專業學生講授設計方法、工程問題的解決方案以及圖形化分析工具。

為此，該校專門成立了由不同專業背景教員組成的課程教學團隊，以完成該課程的協調與管理，負責從全局上把握課程材料及條件的準備，并及時響應學生需求、向學生提供各種鍛煉機會。每位教師專注于自己的領域和特長，并從課程總目標出發準備教學素材，包括典型的工程案例。相關教員通過周會形式交流，并保持常規的通信聯系，以保證教學工作的開展及課程主線。

該課程強調學生解決基本工程問題能力的培養、掌握可視化工具以及溝通技巧的訓練。課程建設和學生培養的目標包括：（1）對工程科學基礎理論的良好掌握；（2）為學生提供解決工程問題的必需技能；（3）向學生介紹一些基本的工程工具；（4）幫助學生發展邏輯思維能力；（5）幫助學生發展草圖繪制技能；（6）培養學生閱讀和解釋技術成果的能力；（7）對團隊合作的透徹理解；（8）對終身學習的好奇與渴望；（9）良好的溝通技巧；（10）批判性、創造性思維能力的培養。

FCP課程的主線和特色體現在集成、團隊、主動學習和技術等方面。下面逐一作簡要解釋：

（1）集成（Integration） 集成是該課程的首要目標，將化學、英語、工程、數學以及物理集成，以促使工程問題的解決與設計。為此，學生要接受大量與課程相關的材料、信息。

（2）團隊（Teaming） 培養學生以科技團隊中一名成員的方式去學習和工作。在一年的學習過程中，每名學生會成為三個不同團隊的成員。在每學期開始時會提供培訓，以幫助學生學會建立和維護團隊，培訓時間不在課時之內。

（3）主動學習（Active Learning） 課程的第三個目標是變“被動的課堂講座”為“合作式的學習體驗”。教員和學生都需要適應這種轉變，教員要在課前布置學習目標，通過閱讀評估測驗（Readiness Assessment Tests）考核學生課前準備情況、鼓勵學生閱讀材料并做好上課準備。授課時間主要用來講授學生在閱讀過程中較難理解的概念，以實現課堂效果的最大化。每節課會有10—15分鐘用來解釋學生作業。

（4）技術（Technology）在課堂內外通過技術的使用，強化學生設計能力的培養和對問題解決工具的掌握。教學中應用到 的 軟 件 包 括AutoCAD、Maple、Microsoft Word、PowerPoint、Excel以及互聯網與其它軟件。

該項目的建設得到美國國家自然科學基金的資助和學校的支持。教學實踐和統計數據表明，選修FCP課程后學生對專業的滿意度明顯提高。

3.L o u isiana T ech U niversity 的新生工程課程“L iving with the L a b”[9]

1998年起，在美國國家自然基金委員會工程教育聯盟（Engineering Education Coalitions） 等項目資助下，Louisiana Tech University面向一年級新生開設基于項目的工程課程。在傳統的實驗室中，教師或實驗人員通常要事先準備好所有設備及實驗用原材料等，以確保實驗的正常進行并獲得想要的數據。對于能力強的教員，可以通過創造性的設計項目及工作經驗，引導學生完成實驗。但是，隨著學生數量的增加，這樣做將會花費大量時間，因此這種模式也不可持續。

為此，該校工程及科學學院（College of Engineering and Science，CES）開設了一門新生工程課程——生活在實驗室（Living with the Lab）。該課程將學生變成實驗室的主人并負責實驗室的維護，大量增加學生體驗式學習（Experiential Learning）的機會。這種實驗室能促進學生親自動手獲得創新所需的知識、技巧及精神。

這門面向一年級新生的集成課程涵蓋微積分、化學及化學實驗、物理以及其它一些非技術性課程等內容。課程采用模塊化，在每學期40位學生可以組成一個班級，以完成其中某些模塊的學習。在數學和科學課程中會結合一些工程問題，以激發發生的學習興趣。另外，CES還開設了3門面向一年級學生的工程課程，教學形式為講座及實驗課程，兩周一次、每次110分鐘。1998—2007年間，面向新生開設過的工程課程包括工程基礎（電路，物料平衡，靜力學）、計算機應用（Excel，Mathcad，Solid work）、統計學、工程經濟學、團隊合作、交流技巧以及設計項目等。學生主要以團隊方式完成課程學習，包括解決作業中的問題、實驗室管理以及演講等。2008—2009學年，有近800名學生參與Living with the Lab課程的學習。

該課程涵蓋7個教學目標，在一年的教學活動中并行推進，它們是：系統、機電裝置、制造與采購、軟件、基本工程概念、交流以及拓展活動。與以往課程采用教材所不同的是，學生需要購買以下物品：機器人開發組件工具包（含可編程控制器、傳感器、伺服及其軟件）、機電項目開發所需工具（包括安全眼鏡、萬用表、游標卡尺、膠帶、混合工具及零件等）、工程領域3D建模及分析軟件、筆記本計算機以及Mathcad、SolidWorks、Microsoft Excel等軟件。學校為該課程專門提供了一間面積為1800平方英尺（約167.23平方米）教室，其中包括11張4人桌、一臺筆記本、投影儀、2臺簡易車床、1臺砂帶磨光機、10臺鉆銑床以及用來存儲工具的櫥柜等。

為改善教學效果，該院開展為期兩周的師資培訓研討課，對參與課程教學的教師進行培訓。每位教師按照設想中學生應采用的學習方式，完成課堂學習和相關作業，并完成離心泵、熱電阻、電導傳感器等制造。上述都是該課程必需的環節。通過兩周的研討，教學團隊成員之間建立了緊密聯系，形成了強大的團隊。此外，課程團隊成員要每周見面，交流課程進展。

為評估新課程的教學效果，該學院將學生分為兩組（選修傳統導論課程組、選修該課程組），分別測評兩組學生課程學習之后的基本素質與技能。結果表明，新的工程導論課程為學生提供了更多發展技能的機會，學生的基本技能和測試成績普遍高于另一組學生。在一年級期間，學生掌握了工程和科學的基本概念、常用軟件、制造、交流、團隊合作以及系統層面的思考技能，實現了課程設定的培養目標，為學生后續的職業發展打下了堅實基礎。

四、結 語

“大類招生、專業分流”是一項復雜的系統工程，其出發點是激發學生學習興趣、拓寬學生知識面，以提升學生綜合素質與能力，增強學生的崗位適應性。但是，能否取得預期的效果，則取決于實施過程中的細節設計和配套舉措。

本文以美國幾所高校一年級工程導論課程為例，從提升專業認可度和學生工程素質的角度出發，分析其中具有共性的成功做法。它們共同的經驗包括：從工科大類學科的角度出發考慮專業分流問題，而不僅限于兩個或少數專業；良好的頂層設計，集中全院相關資源建設相關課程，并組建相應的教學團隊；從新生工程導論課程建設入手，配置必要的教學條件和資源，強調各專業力量的平衡；不以傳授知識為重點，而是側重于學生專業技能、動手能力和綜合素質的養成；以滿足未來職業需求和終身學習為目標。在上述層面，我們還任重而道遠。

［1］ 蘇春．平衡于傳授知識與培養能力之間［J］．東南大學學報：哲學社會科學版，2004（2）：64-66．

［2］ Lawrence E Carlson，Jacquelyn F Sullivan.Hands-on engineering：Learning by doing in the integrated teaching and learning program［J］.International Journal of Engineering Education，1999，15（1）：20-31．

［3］ 蘇春，張繼文．美國里海大學“工程實踐導論”新生研討課的組織與實施［J］． 東南大學學報：哲學社會科學版，2011（S）：131-133．

［4］ Cynthia J.Atman，Sheri D.Sheppard，Jennifer Turns，et al.Enabling engineering Student success：The Final Report for the Center for the Advancement of Engineering Education［R］.San Rafael，CA：Morgan&Claypool Publishers，2010：1-224.

［5］ 蘇春.基于案例的大類招生政策對新小專業辦學負面影響研究［J］.東南大學學報：哲學社會科學版，2014，16（增）：201-205．

［6］ National Academy of Engineering.The Engineer of 2020：Visions of Engineering in the New Century［R］.The National Academies Press，Washington DCUSA，2004.

［7］ Lydia Prendergast，Eugenia Etkina.Review of a first-year engineer ingdesign course［C］.Proceedings of the 121st American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition，Indianapolis，Indiana，USA，2014：1-29.

［8］ Morgan JR.A freshman engineeringexperience［C］.Proceedingsof 1997 ASEE Annual Conference & Exposition， Milwaukee，Wisconsin USA，1997：15-18.

［9］ Stan Cronk，David Hall，James Nelson.Living with the Lab：A project-based curriculum for first-year engineering students［C］.Proceedings of the 2009 ASEE Gulf-Southwest Annual Conference，Baylor University，USA，2009：1-12.