新工科的核心能力與教學(xué)模式探索

周開(kāi)發(fā)，曾玉珍

（1．重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2．重慶交通大學(xué) 圖書(shū)館，重慶 400074）

新工科的核心能力與教學(xué)模式探索

周開(kāi)發(fā)1，曾玉珍2

（1．重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2．重慶交通大學(xué) 圖書(shū)館，重慶 400074）

第四次工業(yè)革命的到來(lái)，促使工程教育進(jìn)行全方位的變革。“新工科”改革倡議正是我國(guó)工程教育面對(duì)《中國(guó)制造2025》所做出的積極回應(yīng)。工業(yè)4．0的核心內(nèi)容包括智能工廠(chǎng)、智能生產(chǎn)和智能物流三大主題和大數(shù)據(jù)分析、自主機(jī)器人、模擬、水平和垂直系統(tǒng)集成、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全、云計(jì)算、增材制造、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)9項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。未來(lái)工程領(lǐng)域?qū)⒃诳沙掷m(xù)發(fā)展、計(jì)算能力、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、納米技術(shù)和3D打印材料、跨學(xué)科合作方面呈現(xiàn)新的趨勢(shì)。為了適合新工業(yè)革命與工程發(fā)展的新趨勢(shì)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)一代大學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，當(dāng)前我國(guó)新工科教學(xué)宜采用合作學(xué)習(xí)、整合教育技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、跨學(xué)科協(xié)同合作、重視本科生科研、促進(jìn)師生互動(dòng)、實(shí)踐互動(dòng)的教學(xué)策略，并實(shí)施深度學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)、虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)分析的智慧教學(xué)模式，從而培養(yǎng)新工科學(xué)生個(gè)人效能、知識(shí)能力、學(xué)術(shù)能力、技術(shù)能力和社會(huì)能力等5類(lèi)核心能力，并讓學(xué)生達(dá)成6項(xiàng)本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果：人文、科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，智力與實(shí)踐技能基礎(chǔ)，職業(yè)能力，倫理、價(jià)值、態(tài)度與行為，社區(qū)與全球意識(shí)，綜合與應(yīng)用學(xué)習(xí)。研究表明，我國(guó)工程教育改革必須重視基于能力的教育和基于成果的教育模式的探索，以及相應(yīng)的工程教育智慧學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)建，以培養(yǎng)能夠應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命挑戰(zhàn)的卓越工程師。從改革方向來(lái)看，采用“自上而下”與“自下而上”的協(xié)同互動(dòng)方式是新工科教育改革的最佳路徑。

第四次工業(yè)革命；新工科；工程教育；核心能力；本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果；智慧教學(xué)模式

自第一次工業(yè)革命以來(lái)，技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)力的急劇提升。在19世紀(jì)第一次工業(yè)革命中，人們學(xué)會(huì)了將大規(guī)模熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，蒸汽機(jī)為工廠(chǎng)提供了強(qiáng)大動(dòng)力。在20世紀(jì)初第二次工業(yè)革命中，人類(lèi)學(xué)會(huì)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電氣化帶來(lái)了工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。在20世紀(jì)70年代第三次工業(yè)革命中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，信息革命取代了前兩次的能源革命，人與人之間溝通更加容易，聯(lián)系更加緊密。21世紀(jì)，我們正處于第四次工業(yè)革命（也稱(chēng)工業(yè)4．0）的浪潮之中。簡(jiǎn)單地說(shuō)，前三次工業(yè)革命分別源于機(jī)械化、電力和信息技術(shù)，而第四次工業(yè)革命則源于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和信息物理系統(tǒng)（CPS）。在新工業(yè)革命中，機(jī)器收集與分析數(shù)據(jù)成為可能，制造過(guò)程更加快捷、靈活和有效，工廠(chǎng)能夠以更低的成本生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。因此，新工業(yè)革命促使生產(chǎn)效率快速提升、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)進(jìn)一步加速，從而改變勞動(dòng)力配置，最終改變公司、地區(qū)和國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力。

新工業(yè)4．0需要工程教育4．0。任何一次工業(yè)革命不但會(huì)促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，也會(huì)促進(jìn)教育大變革，特別是工程教育的發(fā)展。工業(yè)革命需要新型工科人才，工程教育改革促進(jìn)工業(yè)革命發(fā)展。新工業(yè)革命將極大地改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蛯?zhuān)業(yè)技能，實(shí)施工業(yè)4．0需要卓越的工程師和教育家。因此，我們必須探討如何基于核心能力和有效利用深度學(xué)習(xí)來(lái)構(gòu)建“新工科”人才培養(yǎng)模式，為工科學(xué)生應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備［1］。

一、新工業(yè)革命與工程發(fā)展的新趨勢(shì)

（一）新工業(yè)革命的核心內(nèi)容

在2011年漢諾威博覽會(huì)上，德國(guó)首次提出了工業(yè)4．0的概念。2012年1月，德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部成立了工作組，起草全面實(shí)施工業(yè)4．0的戰(zhàn)略建議。2013年德國(guó)政府正式通過(guò)了工業(yè)4．0計(jì)劃，并將其納入高技術(shù)戰(zhàn)略2020。隨后，其他國(guó)家也紛紛出臺(tái)了類(lèi)似的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，如美國(guó)《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》《日本再興戰(zhàn)略》《法國(guó)新工業(yè)》、韓國(guó)《制造業(yè)創(chuàng)新3．0戰(zhàn)略實(shí)施方案》和《中國(guó)制造2025》等，其目的是通過(guò)創(chuàng)新重塑?chē)?guó)家的工業(yè)實(shí)力，提高工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，并在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。

根據(jù)工業(yè)4．0計(jì)劃，未來(lái)的企業(yè)將建立起全球網(wǎng)絡(luò)，將機(jī)械、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施組合成信息物理系統(tǒng)（CPS）。在實(shí)際制造中，這些智能機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施能夠自動(dòng)地交換信息、觸發(fā)操作和彼此獨(dú)立控制。這有利于促進(jìn)制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和生命周期管理的整個(gè)工業(yè)過(guò)程，使制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的轉(zhuǎn)變，最終建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。具體來(lái)說(shuō)，工業(yè)4．0的核心內(nèi)容包括三大主題和九項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)［2－3］。

1．三大主題

⑴智能工廠(chǎng)：重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)，全面集成、自動(dòng)化和優(yōu)化生產(chǎn)流水線(xiàn)，提高生產(chǎn)效率，改變傳統(tǒng)的供應(yīng)商、生產(chǎn)商和客戶(hù)間的關(guān)系以及人與機(jī)器間的關(guān)系。⑵智能生產(chǎn)：主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。工業(yè)4．0計(jì)劃吸引中小企業(yè)參與，并使其成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者、創(chuàng)造者、供應(yīng)者和受益者。⑶智能物流：主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)整合物流資源，使現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方充分發(fā)揮作用，需求方快速獲得服務(wù)匹配與物流支持。

2．9項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)

⑴大數(shù)據(jù)分析：收集和綜合評(píng)價(jià)來(lái)自許多不同資源的數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)以及企業(yè)和客戶(hù)管理系統(tǒng)，并將其作為支持實(shí)時(shí)決策的標(biāo)準(zhǔn)。⑵自主機(jī)器人：廣泛用于處理復(fù)雜任務(wù)，實(shí)現(xiàn)人—機(jī)、機(jī)—機(jī)間的智能互動(dòng)與合作，充分體現(xiàn)自主靈活、成本更低、能力更強(qiáng)等特點(diǎn)。⑶模擬：將3D虛擬模擬應(yīng)用于產(chǎn)品、材料的生產(chǎn)過(guò)程，為新產(chǎn)品生產(chǎn)和機(jī)器配置進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試。⑷水平和垂直系統(tǒng)集成：用于構(gòu)建跨公司通用數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化價(jià)值鏈。⑸工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：通過(guò)傳感器和嵌入式計(jì)算，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間能夠交流互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)去中心化分析和決策。⑹網(wǎng)絡(luò)安全：是通信管理、關(guān)鍵工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)線(xiàn)管理必不可少的。⑺云計(jì)算：將機(jī)床數(shù)據(jù)與功能、監(jiān)測(cè)與控制過(guò)程置于云端，增加跨公司數(shù)據(jù)共享。⑻增材制造：廣泛用于生產(chǎn)小批量定制產(chǎn)品，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低原材料成本。⑼增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：支持各種服務(wù)，如虛擬工廠(chǎng)操作員培訓(xùn)，為工人提供實(shí)時(shí)信息。

（二）工程發(fā)展新趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與快速發(fā)展，工程領(lǐng)域也呈現(xiàn)出諸多發(fā)展趨勢(shì)，以滿(mǎn)足消費(fèi)者、全球市場(chǎng)和政府的需求。與前三次工業(yè)革命一樣，第四次工業(yè)革命正改變著人們的生活和工作方式，影響著高等工程教育系統(tǒng)的演變和人才培養(yǎng)。未來(lái)十年，工程發(fā)展將呈現(xiàn)如下一些新趨勢(shì)［4－7］：

1．可持續(xù)發(fā)展。資源減少和能源消耗的問(wèn)題日益明顯，減少碳排放問(wèn)題已成為一個(gè)突出的政治議題，工程領(lǐng)域更加敏銳地意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展與實(shí)踐的必要性。因此，工程領(lǐng)域的創(chuàng)新需求將持續(xù)上升，以確保技術(shù)和產(chǎn)品更具可持續(xù)性。

2．計(jì)算能力。近年來(lái)，微型化帶來(lái)傳統(tǒng)計(jì)算能力的巨大增長(zhǎng)。幾十年前需數(shù)月才能完成的工程計(jì)算，現(xiàn)在幾乎可以立即完成。自學(xué)習(xí)計(jì)算方法使簡(jiǎn)單工程任務(wù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，從而幫助工程師完成更復(fù)雜的工程任務(wù)，并提供更高價(jià)值的服務(wù)。尖端新技術(shù)工具和跨學(xué)科合作，可提升個(gè)人和團(tuán)隊(duì)解決復(fù)雜難題的能力。

3．大數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，提升了人們收集和評(píng)估數(shù)據(jù)的能力，使研究者能夠發(fā)現(xiàn)和分析新的數(shù)據(jù)模式。數(shù)據(jù)科學(xué)作為一種跨學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)方法，已被稱(chēng)為科學(xué)研究的“第四范式”。借助數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和相關(guān)方法，研究人員能夠探討以前難以應(yīng)對(duì)的科學(xué)領(lǐng)域。

4．互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)使研究人員間可以實(shí)時(shí)交流，世界各地的研究小組可以分享想法和解決方案。通過(guò)智能感知、傳感器設(shè)備、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在任何物品與物品之間建立起超級(jí)鏈接，將有效促進(jìn)信息交換和通信。

5．納米技術(shù)和3D打印材料。納米技術(shù)為工業(yè)制造所面臨的復(fù)雜問(wèn)題提供了解決方案，并用來(lái)提高產(chǎn)品效率和測(cè)試環(huán)境污染。3 D打印與大量先進(jìn)材料，如鎳合金、碳纖維、玻璃、導(dǎo)電油墨、電子、制藥和生物材料，實(shí)際應(yīng)用已擴(kuò)展到航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)、能源和軍事等領(lǐng)域。

6．跨學(xué)科合作。在21世紀(jì)的科學(xué)和工程研究中，傳統(tǒng)學(xué)科的界限已經(jīng)變得模糊。現(xiàn)代工程問(wèn)題涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化和政治等，這要求不同學(xué)科協(xié)同合作，貢獻(xiàn)集體的智力、創(chuàng)造力和精力來(lái)解決這些復(fù)雜的問(wèn)題。跨學(xué)科合作能匯集不同的觀(guān)點(diǎn)和知識(shí)，創(chuàng)造性地解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。目前，在許多實(shí)驗(yàn)室研究、跨學(xué)科課程和學(xué)位項(xiàng)目中都有不同工程和學(xué)科領(lǐng)域之間廣泛合作的趨勢(shì)。

二、新工科學(xué)生的核心能力

（一）CBE與能力模型

基于能力的教育（Competency－based Education，CBE）日益受到業(yè)界和大學(xué)的重視。美國(guó)能力運(yùn)動(dòng)發(fā)起人McClelland認(rèn)為，只用相關(guān)知識(shí)和技能的考試成績(jī)，不能預(yù)測(cè)出畢業(yè)生未來(lái)工作表現(xiàn)是否優(yōu)秀，個(gè)人生活是否成功，只有核心能力才是學(xué)生成功就業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。因此，核心能力目前已成為人力資源開(kāi)發(fā)和管理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。歐美等國(guó)的企業(yè)界和工業(yè)界正廣泛利用能力模型（Competency Models）來(lái)選擇、教育、培訓(xùn)、評(píng)估和提升員工。國(guó)際高等教育界也開(kāi)始倡導(dǎo)基于能力的教育，大學(xué)教育的重點(diǎn)已開(kāi)始由知識(shí)與技能傳授，逐漸轉(zhuǎn)向?qū)W生核心能力的培養(yǎng)與測(cè)評(píng)，以確保畢業(yè)生能夠滿(mǎn)足企業(yè)與未來(lái)社會(huì)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。

構(gòu)建有效的能力模型是基于能力教育的關(guān)鍵。2005年，美國(guó)勞工部就業(yè)培訓(xùn)局（Employment and Training Administration，ETA）提出了一個(gè)通用能力模型，并作為布什總統(tǒng)“高增長(zhǎng)行業(yè)就業(yè)培訓(xùn)計(jì)劃”的一部分。ETA的通用能力框架是一個(gè)9層的金字塔結(jié)構(gòu)，底層是高層的基礎(chǔ)（如圖1）。底層是行業(yè)通用能力，層次向上移動(dòng)，代表更為具體的職業(yè)能力。其中，1層到3層為底層，描述基本能力，包括個(gè)人效能、學(xué)術(shù)能力和職場(chǎng)能力；4層和5層為中間層，描述行業(yè)相關(guān)能力，包括整個(gè)行業(yè)的技術(shù)能力和具體行業(yè)的技術(shù)能力；6層到9層為高層，描述職業(yè)相關(guān)能力，包括特定職業(yè)知識(shí)、特定職業(yè)技能、特定職業(yè)要求和管理能力［8］。

圖1 ETA的通用能力框架

2012年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了一份報(bào)告，對(duì)深度學(xué)習(xí)和21世紀(jì)的技能進(jìn)行了研究，并指出21世紀(jì)的技能是人類(lèi)能力的重要維度。該報(bào)告給出了能力分類(lèi)初步方案，即總結(jié)出21世紀(jì)的技能由認(rèn)知、內(nèi)省和人際3類(lèi)能力構(gòu)成，且3類(lèi)能力相互之間有一定的重疊（如圖2）。認(rèn)知能力涉及推理和記憶，內(nèi)省能力是為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而管控自我行為和情感的能力，人際能力包括表達(dá)思想、解釋和回應(yīng)他人信息的能力。報(bào)告進(jìn)一步指出，在深度學(xué)習(xí)的過(guò)程中，善于發(fā)展和應(yīng)用核心能力的學(xué)習(xí)者，能為未來(lái)的成功做出更好的準(zhǔn)備［8］。

高等工程教育正面臨著范式轉(zhuǎn)變。工業(yè)4．0背景下，工程教育必將發(fā)生全方位的變革，其人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)與培養(yǎng)模式面臨著新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。工業(yè)和商業(yè)界越來(lái)越要求工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的“21世紀(jì)的技能”，如有效交流、批判性思維、系統(tǒng)思維、問(wèn)題解決、協(xié)同合作、數(shù)據(jù)決策、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和自我管理等技能。這些能力是個(gè)人未來(lái)職業(yè)成功和生活幸福的基礎(chǔ)。但是，業(yè)界雇主的調(diào)查報(bào)告指出，目前工科學(xué)生在這些核心能力方面存在著嚴(yán)重缺陷。為此，工程界領(lǐng)導(dǎo)者和教育研究者呼吁全面開(kāi)展新的工程教育改革，以發(fā)展學(xué)生寬廣的、可遷移的技能和知識(shí)，更好地應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命的挑戰(zhàn)［9］。

圖2 21世紀(jì)的技能結(jié)構(gòu)

（二）新工科學(xué)生的核心能力

盡管對(duì)核心能力的界定與分類(lèi)有各種不同的方案與爭(zhēng)論，但是在新工業(yè)革命時(shí)代，工程教育將致力于提升工科學(xué)生一系列創(chuàng)造性解決問(wèn)題的技能這一點(diǎn)是一致的。因此，針對(duì)我國(guó)工程教育系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討第四次工業(yè)革命背景下工程教育的核心能力結(jié)構(gòu)，并提出工科學(xué)生核心能力培養(yǎng)模式及評(píng)價(jià)措施，將有重要的現(xiàn)實(shí)意義和前瞻價(jià)值。

Ernst A．Hartmann和Marc Bovenschulte首次對(duì)工業(yè)4．0的能力需求進(jìn)行了分析。他們提出了基于技術(shù)路線(xiàn)圖分析的能力需求預(yù)測(cè)方法，并將其應(yīng)用于工業(yè)4．0能力結(jié)構(gòu)的定性分析。首先，他們借助歐洲智能系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)和國(guó)際電工委員會(huì)提供的文件，分析了智能系統(tǒng)的技術(shù)路線(xiàn)圖，并由此得出通用的技能要求。其次，他們分析了組織情景和技術(shù)／部門(mén)矩陣，并將其作為技能需求分析工具，得出定性技能和定量技能的要求［10］。

2015年，Lars Gehrke和Arno T．Kühn等以德國(guó)和美國(guó)為例，探討了工業(yè)4．0時(shí)代未來(lái)工廠(chǎng)的工人資格和技能（Qualifications and Skills，Q＆S）。他們采用派生任務(wù)分析方法，應(yīng)用“MuShCo”優(yōu)化技術(shù)，提出了一組重要的未來(lái)熟練勞動(dòng)力的Q＆S集。Q＆S集由技術(shù)Q＆S和個(gè)人Q＆S兩部分構(gòu)成，并列舉了20項(xiàng)具體的知識(shí)和技能［11］。

根據(jù)以上分析，本文提出新工科學(xué)生核心能力矩陣結(jié)構(gòu)。首先，我們將能力定義為個(gè)人的卓越品質(zhì)與表現(xiàn)，他們能夠?qū)⒅R(shí)、技能、行為和個(gè)性成功用于完成重要的工作和任務(wù)。其中，個(gè)性包括心理、智力、認(rèn)知、身體和精神等個(gè)人特性。其次，根據(jù)第四次工業(yè)革命背景下的工程發(fā)展新趨勢(shì)，借鑒Ernst和Lars的能力需求分析方法，提出新工科學(xué)生核心能力分類(lèi)架構(gòu)，它由5類(lèi)核心能力構(gòu)成，即個(gè)人效能、知識(shí)能力、學(xué)術(shù)能力、技術(shù)能力和社會(huì)能力。最后，應(yīng)用“MuShCo”優(yōu)化技術(shù)，構(gòu)建出的新工科學(xué)生核心能力矩陣結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表1）。

表1 新工科學(xué)生核心能力矩陣

三、新工科學(xué)生的學(xué)習(xí)成果

（一）OBE與學(xué)習(xí)成果

能力（Competencies）和學(xué)習(xí)成果（Learning Outcomes）都可以描述學(xué)生在具體課程和專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中所獲得的學(xué)習(xí)成就，但兩者并不相同。能力一般用于描述學(xué)生畢業(yè)后所具有的知識(shí)、技能和行為，它們使學(xué)生在教育、職業(yè)、生活和其他方面獲得成功；學(xué)習(xí)成果則是非常具體地描述學(xué)生完成一門(mén)課程或畢業(yè)后，可以做或應(yīng)該能做的事情，是可以測(cè)量或評(píng)估的。

基于成果的教育（Outcome－based Education，OBE）目前已被世界各國(guó)不同層次的教育系統(tǒng)廣泛采用。實(shí)質(zhì)上，OBE是一種教育理念和方法，它圍繞目標(biāo)（成果）來(lái)構(gòu)建教育系統(tǒng)的各個(gè)部分，要求每個(gè)學(xué)生在教育體驗(yàn)結(jié)束前都應(yīng)該達(dá)到這些目標(biāo)。早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)和英國(guó)就開(kāi)始采用OBE模式。20世紀(jì)90年代初，澳大利亞和南非采用了OBE政策。2005年，我國(guó)香港多所大學(xué)也開(kāi)始采用OBE方法。2008年，馬來(lái)西亞政府要求所有公立學(xué)校都應(yīng)采用OBE模式。2012年歐盟建議，成員國(guó)都要轉(zhuǎn)向強(qiáng)調(diào)成果的教育。在國(guó)際高等教育廣泛接受OBE的背景下，華盛頓協(xié)議已全面采納OBE，即采用OBE方法獲得的本科工程學(xué)位才被認(rèn)可［12］。

美國(guó)工程教育目前已全面采用了OBE模式。上世紀(jì)90年代，美國(guó)工程技術(shù)評(píng)審委員會(huì)（Accred itation Board for Engineering and Technology，ABET）開(kāi)始采用OBE政策，要求獲得認(rèn)證的本科工程教育項(xiàng)目必須包括一組學(xué)習(xí)成果。ABET將學(xué)生學(xué)習(xí)成果定義為：本科工程學(xué)生順利完成所修項(xiàng)目時(shí)他們應(yīng)該擁有的技能、知識(shí)和行為，這些內(nèi)容即是工程畢業(yè)生必須達(dá)到的教育目標(biāo)。根據(jù)ABET 2017本科工程教育的一般標(biāo)準(zhǔn)，本科工程學(xué)生學(xué)習(xí)成果包括以下11項(xiàng)能力［13］（見(jiàn)表2）：

表2 ABET本科工程學(xué)生的學(xué)習(xí)成果

另外，美國(guó)專(zhuān)業(yè)工程師協(xié)會(huì)（National Society of Professional Engineers，NSPE）在ABET一般標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，增加了6項(xiàng)額外的學(xué)習(xí)成果［14］（見(jiàn)表3），將其作為所有工程專(zhuān)業(yè)注冊(cè)工程師應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)。

表3 工程專(zhuān)業(yè)注冊(cè)工程師的學(xué)習(xí)成果

為了應(yīng)對(duì)21世紀(jì)全球?qū)W習(xí)的挑戰(zhàn)，2008年美國(guó)大學(xué)與學(xué)院協(xié)會(huì)（Association of American Colleges＆Universities，AAC＆U）提出了面向全國(guó)高校的LEAP改革計(jì)劃，并制定了全新的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果。AAC＆U認(rèn)為，本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果（Essential Learning Outcomes）是學(xué)生在整個(gè)大學(xué)期間培養(yǎng)和發(fā)展的一組全面的學(xué)習(xí)目標(biāo)，反映了應(yīng)對(duì)不斷變化的復(fù)雜世界挑戰(zhàn)所需的知識(shí)、技能和能力。本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果是為學(xué)生將來(lái)就業(yè)、個(gè)人生活和公民生活所做的準(zhǔn)備。隨著這些成果的實(shí)現(xiàn)，畢業(yè)生將擁有廣而深的知識(shí)，足夠強(qiáng)的智力和實(shí)踐技能，致力于個(gè)人和社會(huì)的責(zé)任，社區(qū)相互依存的意識(shí)，以及綜合運(yùn)用他們所學(xué)知識(shí)與能力來(lái)解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題［15－16］。

AAC＆U的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果由4個(gè)類(lèi)別構(gòu)成：人類(lèi)文化與物理自然世界的知識(shí)，智力和實(shí)踐技能，個(gè)人和社會(huì)責(zé)任，綜合性學(xué)習(xí)。表4為AAC＆U建議的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果及其主要內(nèi)容，以及2006年AAC＆U與Hart協(xié)會(huì)對(duì)雇主關(guān)于“要求大學(xué)更加強(qiáng)調(diào)本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果”的調(diào)查結(jié)果。調(diào)查結(jié)果表明，雇主高度認(rèn)同AAC＆U的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果。

表4 AAC＆U的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果

（二）新工科學(xué)生的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果

采用OBE模式是我國(guó)工程教育改革的主要方向之一。OBE模式是世界高等教育的發(fā)展趨勢(shì)，也是評(píng)估學(xué)生是否達(dá)到雇主期望的有效評(píng)價(jià)方法。雖然中國(guó)高校目前還很少采用OBE模式，但是我國(guó)工程教育論證已開(kāi)始借鑒OBE框架。為此，本文借鑒AAC＆U和ABET學(xué)生學(xué)習(xí)成果的基本框架，并根據(jù)第四次工業(yè)革命的核心內(nèi)容與工程教育發(fā)展的新趨勢(shì)，制定了我國(guó)新工科學(xué)生的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果（見(jiàn)表5），它包括以下6個(gè)類(lèi)別的內(nèi)容［17］：

1．人類(lèi)文化與物理自然世界的知識(shí)：包括藝術(shù)、歷史、人文、語(yǔ)言、數(shù)學(xué)、科學(xué)與技術(shù)、社會(huì)科學(xué)、大數(shù)據(jù)、人工智能等。

2．智力和實(shí)踐技能：包括有效交流、定量推理、定性推理（批判性、分析性和創(chuàng)造性思維）、技術(shù)素養(yǎng)、信息素養(yǎng)、數(shù)據(jù)素養(yǎng)、媒體素養(yǎng)、系統(tǒng)思維。

3．職業(yè)能力。學(xué)生將通過(guò)達(dá)到既定的學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)，擔(dān)當(dāng)團(tuán)隊(duì)重要成員，有效地提出和解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，積極尋求和精通終身學(xué)習(xí)技能，展示專(zhuān)業(yè)能力。

4．倫理、價(jià)值、態(tài)度與行為。通過(guò)獲取、提高和展示在道德推理和理解方面的技能，學(xué)生將成為對(duì)個(gè)人和社會(huì)負(fù)責(zé)的人。

5．社區(qū)服務(wù)意識(shí)。通過(guò)培養(yǎng)社區(qū)之間的相互依存性、社區(qū)內(nèi)部存在的問(wèn)題、解決這些問(wèn)題的組織和技能等社區(qū)服務(wù)意識(shí)，為地方、國(guó)家和全球社區(qū)提供服務(wù)。

6．綜合與應(yīng)用學(xué)習(xí)。通過(guò)綜合性學(xué)習(xí)和應(yīng)用性學(xué)習(xí)，借助學(xué)術(shù)社區(qū)和更廣泛的社區(qū)，讓學(xué)生致力于解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

表5 新工科學(xué)生的本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果

四、新工科的互動(dòng)教學(xué)策略

（一）數(shù)字原生代的學(xué)習(xí)特點(diǎn)

當(dāng)代大學(xué)生與以往的學(xué)習(xí)者完全不同，他們被稱(chēng)為“數(shù)字原生代”或“網(wǎng)絡(luò)一代”。這些90后大學(xué)生生長(zhǎng)在數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，主要借助數(shù)字技術(shù)來(lái)認(rèn)識(shí)世界，習(xí)慣在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中尋找信息并建構(gòu)知識(shí)。他們是第一代虛擬學(xué)習(xí)者，感官與現(xiàn)實(shí)世界日漸隔離，大腦長(zhǎng)期沉浸在完全由計(jì)算機(jī)控制的虛擬信息空間之中。隨著科學(xué)技術(shù)變革步伐的不斷加快，這些新一代大學(xué)生來(lái)到大學(xué)校園，擁有與以往學(xué)生完全不同的資源、技能和期望，并以前所未有的方式追求著知識(shí)和體驗(yàn)。數(shù)字原生代大學(xué)生日益表現(xiàn)出一些獨(dú)特特征［18－19］：學(xué)習(xí)上喜歡游戲化學(xué)習(xí)和直接反饋；社交上趨向于基于社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)；工作上擅長(zhǎng)多任務(wù)、非線(xiàn)性方法并精通技術(shù)；思維上擅長(zhǎng)掃描式閱讀、信息可視化和批判性思維。具體表現(xiàn)為：

1．依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)一代的學(xué)習(xí)者希望時(shí)刻與網(wǎng)絡(luò)相連。他們伴隨著電腦、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)和社交媒體一同成長(zhǎng)，更喜歡借助移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)瀏覽各類(lèi)新聞或閱讀網(wǎng)絡(luò)文學(xué)，所以閱讀傳統(tǒng)印刷文本的體驗(yàn)比以往的學(xué)生更少。

2．精通技術(shù)。他們追求新技術(shù)，樂(lè)于享受高科技帶來(lái)的便利服務(wù)：廣泛且熟練地使用各種智能產(chǎn)品；利用網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)服務(wù)查找相關(guān)資料，實(shí)時(shí)瀏覽國(guó)內(nèi)外資訊；借助強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)共享知識(shí)庫(kù)與學(xué)術(shù)資料，幫助完成課程作業(yè)或課程論文；有的把大量時(shí)間花費(fèi)在同步社交媒體上，沉迷于在線(xiàn)互動(dòng)游戲和聊天。

3．社交互動(dòng)。數(shù)字原生代大學(xué)生完全依賴(lài)于計(jì)算機(jī)，并迷醉于數(shù)字技術(shù)。他們喜歡通過(guò)動(dòng)手的方法來(lái)學(xué)習(xí)，尋求在線(xiàn)社交互動(dòng)，并期待這種互動(dòng)成為學(xué)習(xí)過(guò)程的一部分。

4．游戲化學(xué)習(xí)。通過(guò)游戲來(lái)學(xué)習(xí)是數(shù)字原生代大學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程最顯著的特征之一。約77%的網(wǎng)絡(luò)一代學(xué)習(xí)者玩互動(dòng)視頻或網(wǎng)絡(luò)游戲，而這些游戲大部分都是在多任務(wù)環(huán)境下進(jìn)行的。

5．多重任務(wù)。他們同時(shí)承擔(dān)多項(xiàng)任務(wù)，很享受團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作。他們習(xí)慣于同時(shí)應(yīng)對(duì)眾多的活動(dòng)與任務(wù)，喜歡在多任務(wù)環(huán)境中協(xié)同完成游戲；利用網(wǎng)絡(luò)通信工具建立廣泛的人際關(guān)系，與他人進(jìn)行良性互動(dòng)交往；借助各種論壇和網(wǎng)絡(luò)空間開(kāi)放和展示自我，樂(lè)于與人分享，勇于面對(duì)不同觀(guān)點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

6．國(guó)際合作。他們具有真正的全球視野，并期望跨國(guó)工作。他們擁有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，具有接受知識(shí)和分析知識(shí)的卓越能力。

（二）新工科的教學(xué)策略

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的快速發(fā)展，高等學(xué)校正在探索一些新興的教育技術(shù)與方法，以滿(mǎn)足工科學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格與需求。同時(shí)，教師們已經(jīng)感覺(jué)到新的教學(xué)壓力：減少講授學(xué)時(shí)，增加深度學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，使學(xué)習(xí)環(huán)境更加互動(dòng)，適時(shí)采用協(xié)作學(xué)習(xí)策略，并將技術(shù)廣泛融入學(xué)習(xí)體驗(yàn)。今天，許多課堂教學(xué)已開(kāi)始充滿(mǎn)活力，教與學(xué)的過(guò)程變得越來(lái)越微妙，教與學(xué)的關(guān)系更加無(wú)縫化，教與學(xué)的活動(dòng)也在師生間不斷互動(dòng)。下面是未來(lái)工程教學(xué)的一些典型策略［20－23］。

1．合作學(xué)習(xí)。將合作或協(xié)作學(xué)習(xí)策略整合到課程中，鼓勵(lì)創(chuàng)建學(xué)習(xí)社區(qū)，重視教師和學(xué)生參與學(xué)習(xí)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生／教師的討論。師生也可通過(guò)社交媒體互相合作，了解更多的特定主題，測(cè)試想法和理論，了解事實(shí)，評(píng)估彼此的意見(jiàn)。

2．整合教育技術(shù)。將技術(shù)適時(shí)整合到課程中有利于提升教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。如電子郵件有利于促進(jìn)生／生或師／生間的課堂交流，在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)能夠幫助師生開(kāi)展話(huà)題討論、探索關(guān)鍵問(wèn)題并提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜概念的理解。同時(shí)，創(chuàng)造媒體（Creating Media）是另一個(gè)值得注意的技術(shù)驅(qū)動(dòng)的教育活動(dòng)。

3．創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。信息技術(shù)拓寬了學(xué)習(xí)環(huán)境的概念，使學(xué)習(xí)體驗(yàn)可以擴(kuò)展到傳統(tǒng)課堂之外。學(xué)生通過(guò)在線(xiàn)平臺(tái)和移動(dòng)學(xué)習(xí)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)。虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)可采取許多形式，如交互式協(xié)作／討論、慕課、視頻會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

4．跨學(xué)科協(xié)同合作。教育工作者正在探尋與其他科學(xué)學(xué)科共享設(shè)施、講座、課堂和實(shí)驗(yàn)室的方法，并尋找更廣泛的學(xué)術(shù)合作機(jī)會(huì)。例如，將工程學(xué)院和商學(xué)院聯(lián)合起來(lái)，可以促進(jìn)協(xié)同效應(yīng)，這種協(xié)同合作將加速下一代創(chuàng)業(yè)公司的發(fā)展。

5．重視本科生科研。本科生科研為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)新知識(shí)和技能的機(jī)會(huì)，可教給學(xué)生許多寶貴的技能；學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)可視化的寶貴體驗(yàn)，并與其他教師進(jìn)行討論評(píng)估和批判；與本科生、研究生、教師和其他專(zhuān)業(yè)科學(xué)家建立互動(dòng)關(guān)系，有助于學(xué)生學(xué)業(yè)與生活取得成功，豐富大學(xué)經(jīng)歷。

6．促進(jìn)師生互動(dòng)。與熱情且有啟發(fā)的教師密切聯(lián)系，這是學(xué)生成功的最重要因素之一。教師與學(xué)生的積極互動(dòng)有利于創(chuàng)建民主的課堂環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生的技能和情感發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)業(yè)自我概念，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和成功率。建立積極的師生關(guān)系有助于學(xué)生的認(rèn)知、社會(huì)經(jīng)歷和情感的成長(zhǎng)，提高他們的心理幸福感。

7．實(shí)踐互動(dòng)（Hands－on Interaction）。實(shí)踐互動(dòng)是指在簡(jiǎn)短的講授期間，定期穿插動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和解決問(wèn)題的活動(dòng)，有利于學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和技能立即應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題之中。普渡大學(xué)的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)手建立水凈化系統(tǒng)的學(xué)生對(duì)概念的理解比那些以聽(tīng)課為基礎(chǔ)的學(xué)生更深刻。動(dòng)手學(xué)習(xí)更能吸引學(xué)生，而且還可以提高學(xué)生的理解能力，能有效地吸引學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)和工程專(zhuān)業(yè)。

五、新工科的智慧教學(xué)模式

（一）深度學(xué)習(xí)

近年來(lái)，諸多國(guó)內(nèi)外高校致力于設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心的主動(dòng)教學(xué)環(huán)境營(yíng)造，以充分發(fā)揮學(xué)生的全部學(xué)習(xí)潛能，而這些潛能在傳統(tǒng)教學(xué)模式中并未受到重視。研究表明，這些努力取得了一定的成效，許多學(xué)生致力于各種主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的活動(dòng)。特別是從被動(dòng)教學(xué)向主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，從教師為中心的教學(xué)方法向?qū)W生為中心的學(xué)習(xí)活動(dòng)的轉(zhuǎn)變，正逐步將學(xué)生引向更深層次的理解和更高級(jí)的思維技能，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)和技能應(yīng)用于真實(shí)、復(fù)雜和快速變化的世界。這種轉(zhuǎn)變引出了高等教育的新概念——“深度學(xué)習(xí)”，并越來(lái)越受到高校的重視。

學(xué)生學(xué)習(xí)可以采用不同的學(xué)習(xí)方法，且學(xué)習(xí)成果與其所用的學(xué)習(xí)方法密切相關(guān)。常見(jiàn)的學(xué)習(xí)方法有兩種，即對(duì)知識(shí)的“淺層”加工方法和“深度”加工方法，分別稱(chēng)為“淺層學(xué)習(xí)”和“深度學(xué)習(xí)”。淺層學(xué)習(xí)指被動(dòng)接受和記憶信息，并將其作為獨(dú)立、無(wú)關(guān)的事實(shí)。它只是膚淺地掌握考試內(nèi)容，并未促進(jìn)理解或長(zhǎng)期保留知識(shí)與信息。深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者使用高級(jí)認(rèn)知技能（如分析、綜合、解決問(wèn)題和元認(rèn)知的能力）處理信息并構(gòu)建長(zhǎng)期而深刻的理解。它涉及對(duì)新思想的批判性分析，將新思想與已知概念和原理相關(guān)聯(lián)，并應(yīng)用于解決新的情境中的問(wèn)題。深度學(xué)習(xí)既是一種學(xué)習(xí)方式，也是一種學(xué)習(xí)態(tài)度，會(huì)對(duì)學(xué)生的行為、思維或感受方式產(chǎn)生持續(xù)、積極和實(shí)質(zhì)性的影響，并促進(jìn)其對(duì)生活的理解和應(yīng)用。因此，深度學(xué)習(xí)者是自主的學(xué)習(xí)者，也是合作型的學(xué)習(xí)者，具有較高的元認(rèn)知和學(xué)習(xí)技能。

深度學(xué)習(xí)是發(fā)展核心能力和學(xué)習(xí)成果的關(guān)鍵。學(xué)生的學(xué)習(xí)方法越深入，學(xué)習(xí)成果的質(zhì)量就越高。深度學(xué)習(xí)具有以下特點(diǎn)：⑴通過(guò)新知識(shí)與已有知識(shí)整合，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中建構(gòu)知識(shí)。⑵由于意義不能由教學(xué)直接強(qiáng)加或傳授，而是由學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)所創(chuàng)造的，因此學(xué)生在深度學(xué)習(xí)的過(guò)程中，努力尋找材料之間的關(guān)系，并根據(jù)以前的知識(shí)結(jié)構(gòu)和體驗(yàn)來(lái)理解知識(shí)并尋求意義。⑶教師重視學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并把活動(dòng)和抽象的概念聯(lián)系起來(lái)，使活動(dòng)具有意義。⑷發(fā)展高級(jí)認(rèn)知技能，如分析、綜合、邏輯推理、批判性思維和解決問(wèn)題等核心技能，并強(qiáng)調(diào)綜合學(xué)習(xí)和應(yīng)用學(xué)習(xí)。⑸激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，因?yàn)橄麡O的態(tài)度只會(huì)導(dǎo)致淺層學(xué)習(xí)，積極的心理才會(huì)產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)［24］。

（二）混合學(xué)習(xí)

迅速發(fā)展的信息和通信技術(shù)（ICT）對(duì)各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了廣泛且深遠(yuǎn)的影響，并成為21世紀(jì)不可或缺的要素之一。自從ICT被引入教育領(lǐng)域以來(lái)，隨著近年來(lái)科技的發(fā)展，混合學(xué)習(xí)得到了廣泛的普及，并取得了顯著的進(jìn)步。目前，混合學(xué)習(xí)的各種定義暫未達(dá)成一致。簡(jiǎn)要地說(shuō)，混合學(xué)習(xí)是指一種學(xué)習(xí)環(huán)境，它將傳統(tǒng)教學(xué)中的面對(duì)面教學(xué)與在線(xiàn)教學(xué)相結(jié)合，并采用多種教學(xué)模式、方法和工具，以?xún)?yōu)化學(xué)習(xí)成果和教學(xué)成本。然而，重要的是，在設(shè)計(jì)混合學(xué)習(xí)環(huán)境（如圖3）時(shí)，要根據(jù)e－學(xué)習(xí)方法的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)面對(duì)面互動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)，將傳統(tǒng)實(shí)體課堂與虛擬教育元素有效融合，構(gòu)建e－學(xué)習(xí)環(huán)境和面對(duì)面環(huán)境之間的平衡。

由于不同的人具有不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格，也就需要不同的教育方法，因此不存在某種教育方法是最理想的教育方法。然而，混合學(xué)習(xí)為學(xué)習(xí)者提供了最適合教育需求的學(xué)習(xí)方式，因?yàn)樗鼘⒆罴训恼n堂教學(xué)方法和其他教育教學(xué)方法結(jié)合在一起，由于課堂中自然和主動(dòng)互動(dòng)活動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程有積極的影響，所以使用混合學(xué)習(xí)具有以下一些好處：⑴可以針對(duì)不同的學(xué)習(xí)需求提出不同的解決方法；⑵提高效益成本的有效性；⑶操作簡(jiǎn)單，已被為許多大學(xué)所采用；⑷不受時(shí)空限制，給校園內(nèi)外的學(xué)習(xí)者提供了更多參與機(jī)會(huì)；⑸與傳統(tǒng)的單一學(xué)習(xí)方法相比，混合學(xué)習(xí)方法創(chuàng)造更多的學(xué)習(xí)時(shí)間，學(xué)習(xí)效果更好。

混合學(xué)習(xí)給高等教育帶來(lái)了觀(guān)念的轉(zhuǎn)變，并持續(xù)不斷地重塑學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)混合學(xué)習(xí)將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：⑴將提供更多的學(xué)習(xí)模式，如翻轉(zhuǎn)課堂、移動(dòng)學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、慕課、游戲化學(xué)習(xí)等，更加易于訪(fǎng)問(wèn)，并滿(mǎn)足學(xué)生的任何學(xué)習(xí)需求；⑵將充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)師生互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生投入學(xué)習(xí)；⑶將充分發(fā)揮時(shí)間和空間的靈活性，充分整合各種適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)模式，這將不斷創(chuàng)造出更多、更好的互動(dòng)，獲得更高的學(xué)生學(xué)習(xí)滿(mǎn)意度和學(xué)業(yè)成功率；⑷支持深度學(xué)習(xí)，發(fā)展高級(jí)思維；⑸利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，通過(guò)慢教深學(xué)、混合、迭代等方法，讓學(xué)生充分實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)［25］。

圖3 混合學(xué)習(xí)環(huán)境

（三）虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

信息和通信技術(shù)（ICT）的快速發(fā)展與商業(yè)化，對(duì)包括教育在內(nèi)的許多行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。近年來(lái)，在線(xiàn)學(xué)習(xí)已成為當(dāng)今世界高等教育最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式已逐漸轉(zhuǎn)向elearning，傳統(tǒng)的面對(duì)面教育環(huán)境也轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M學(xué)習(xí)環(huán)境（Virtual Learning Environment，VLE）。

VLE又可稱(chēng)虛擬課堂，是一種在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，如Moodle和WebCT，它允許師生在線(xiàn)互動(dòng)，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。其主要功能有：課程地圖，學(xué)生追蹤，師生在線(xiàn)支持，電子通信（電子郵件、在線(xiàn)討論、實(shí)時(shí)交流、信息發(fā)布），課程資源鏈接，在線(xiàn)作業(yè)與考試，在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)與研究。實(shí)際上，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境既是一個(gè)設(shè)計(jì)好的信息空間，又是一個(gè)同步或異步的社交空間。它集成了各種多媒體學(xué)習(xí)工具，將物理環(huán)境與虛擬數(shù)字環(huán)境交織在一起。因此，在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生不僅是主動(dòng)的參與者，也是知識(shí)的創(chuàng)造者。

目前，許多大學(xué)都建有虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境或在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，它們是實(shí)體教室的復(fù)現(xiàn)或延伸，并與各種課程整合。這些虛擬學(xué)習(xí)空間為學(xué)生、教師和管理者促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和教學(xué)質(zhì)量提供了更優(yōu)越的學(xué)習(xí)環(huán)境，這些明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：⑴為個(gè)人和小組建立廣泛的信息溝通渠道，如論壇、在線(xiàn)交流、在線(xiàn)調(diào)查、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和實(shí)時(shí)反饋；⑵師生共享豐富的學(xué)習(xí)資源，如多媒體課件、教學(xué)文檔、參考資料、播客和視頻等；⑶鏈接與嵌入外部資源，如與其他在線(xiàn)學(xué)習(xí)空間相連，嵌入網(wǎng)易云課堂、TED、You Tube等。

隨著ICT技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，未來(lái)VLEs將更具復(fù)雜性、有效性、挑戰(zhàn)性和吸引力，并更加強(qiáng)調(diào)參與、互動(dòng)、協(xié)作和實(shí)時(shí)交互。VLEs的未來(lái)發(fā)展主要有兩大趨勢(shì)：⑴創(chuàng)建小組學(xué)習(xí)環(huán)境。隨著社交媒體的出現(xiàn)，VLEs將不再是單用戶(hù)的個(gè)人學(xué)習(xí)環(huán)境，而是趨向于小組學(xué)習(xí)環(huán)境，如Facebook學(xué)習(xí)小組，Tweeter學(xué)習(xí)小組。⑵創(chuàng)建3D學(xué)習(xí)環(huán)境。在在線(xiàn)學(xué)習(xí)的早期，人們使用維基和博客作為PLEs，之后利用MOOC，SOOCs作為多用戶(hù)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。這些系統(tǒng)都是基于互聯(lián)網(wǎng)2D環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)的。然而，由于多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，未來(lái)的VLEs或?qū)⒀葑兂苫诨ヂ?lián)網(wǎng)或離線(xiàn)系統(tǒng)的3D環(huán)境。因此，在未來(lái)的VLEs中，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、游戲和各種敏感的電子設(shè)施將發(fā)揮主要作用［26－27］。

（四）學(xué)習(xí)分析

企業(yè)常用Web分析來(lái)分析商業(yè)活動(dòng)，確定消費(fèi)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)消費(fèi)者行為。學(xué)習(xí)分析是Web分析在教育中的應(yīng)用。近年來(lái)，教育界也借助數(shù)據(jù)科學(xué)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，收集與分析在線(xiàn)學(xué)習(xí)中學(xué)生互動(dòng)學(xué)習(xí)的大量數(shù)據(jù)，以支持教育決策和預(yù)防性干預(yù)。學(xué)習(xí)分析其實(shí)就是解決如何收集、分析、管理、保護(hù)、解釋和使用教育數(shù)據(jù)來(lái)支持學(xué)習(xí)。

學(xué)習(xí)分析可定義為：測(cè)量、收集、分析和報(bào)告有關(guān)學(xué)習(xí)者及其背景的相關(guān)數(shù)據(jù)，以理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)及其發(fā)生的環(huán)境。其目的是確定更好的教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，關(guān)注高危學(xué)生群體的學(xué)習(xí)，評(píng)估學(xué)生完成學(xué)業(yè)并取得成功的因素。學(xué)習(xí)分析涉及學(xué)生與在線(xiàn)文本、課件及學(xué)習(xí)環(huán)境的互動(dòng)和學(xué)生學(xué)業(yè)進(jìn)步與成功等方面，可為學(xué)生、教師和研究人員提供至關(guān)重要的見(jiàn)解。由于通過(guò)移動(dòng)學(xué)習(xí)和在線(xiàn)平臺(tái)可以跟蹤數(shù)據(jù)，做出及時(shí)響應(yīng)并提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生和教師開(kāi)始體驗(yàn)到學(xué)習(xí)分析的好處。

學(xué)習(xí)分析的具體優(yōu)勢(shì)有：（1）有助于預(yù)言學(xué)習(xí)者目前與未來(lái)在e－學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)；（2）教師能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者定制e－學(xué)習(xí)，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；（3）幫助目前和未來(lái)的學(xué)習(xí)者，如可根據(jù)現(xiàn)在收集的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，改變特定學(xué)習(xí)模塊或e－學(xué)習(xí)課程的挑戰(zhàn)難度，構(gòu)建更有效的學(xué)習(xí)環(huán)境；（4）幫助深入掌握e－學(xué)習(xí)課程和相應(yīng)資源的利用情況，從而提高e－學(xué)習(xí)成效，降低教育成本；（5）學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)與干預(yù)可以幫助更多的學(xué)生提高學(xué)習(xí)表現(xiàn)與學(xué)業(yè)成功率，減少失敗或輟學(xué)率；（6）跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中生成的大量數(shù)據(jù)，通過(guò)儀表板為老師和學(xué)生提供可視化分析；（7）MOOC平臺(tái)上的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)可挖掘用于推送服務(wù)；（8）采用聚類(lèi)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，可增強(qiáng)師生間的參與和互動(dòng)；（9）收集與處理的大量數(shù)據(jù)可與不同的利益相關(guān)者分享，利于畢業(yè)生求職；（10）學(xué)習(xí)分析中的游戲工具可以使MOOCs學(xué)習(xí)更加娛樂(lè)化，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和完成率。

學(xué)習(xí)分析仍處于開(kāi)發(fā)與應(yīng)用初期，面臨著各方面的挑戰(zhàn)。未來(lái)的學(xué)習(xí)分析將發(fā)生五大變化：⑴學(xué)習(xí)分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)應(yīng)用與分享將更加自動(dòng)化；⑵學(xué)習(xí)分析的隱私和倫理問(wèn)題將更受關(guān)注；⑶通過(guò)開(kāi)放的API實(shí)現(xiàn)教學(xué)的模塊化和可擴(kuò)展性，學(xué)習(xí)分析平臺(tái)將更具開(kāi)放性；⑷將更依賴(lài)于校際間的分析數(shù)據(jù)以建立更強(qiáng)大的預(yù)測(cè)系統(tǒng)；⑸將注重更先進(jìn)、更個(gè)性化的儀表板應(yīng)用，為學(xué)生和教師反思成績(jī)和定性分析提供幫助，有效評(píng)價(jià)書(shū)面與口頭交流、團(tuán)隊(duì)合作、批判性思維或創(chuàng)新思維、問(wèn)題解決等核心能力［28］。

六、結(jié)語(yǔ)

第四次工業(yè)革命將給未來(lái)的學(xué)習(xí)、工作和生活帶來(lái)顛覆性的影響。各種新技術(shù)層出不窮，制造業(yè)快速變化，企業(yè)生產(chǎn)方式也隨之發(fā)生根本性改變。工廠(chǎng)傳統(tǒng)、簡(jiǎn)單的工作模式正在消失，而新的職位日益更新，我們甚至無(wú)法想象未來(lái)制造業(yè)提供的就業(yè)機(jī)會(huì)。因此，我們應(yīng)加大信息技術(shù)與操作技術(shù)的整合力度，充分利用大數(shù)據(jù)的力量，促進(jìn)供應(yīng)鏈獲取價(jià)值，提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)越來(lái)越多地基于數(shù)字技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是未來(lái)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和福祉的重要支柱之一。隨著新工業(yè)革命的迅速發(fā)展，最為重要的是我們要快速改變自己，只有這樣，未來(lái)的年輕人才能勝任全新的工作，如機(jī)器人維護(hù)員、3D打印機(jī)編程員和數(shù)據(jù)科學(xué)家等。

歷史已經(jīng)證明，每次工業(yè)革命的產(chǎn)生都推動(dòng)教育的根本性變革，并創(chuàng)建相應(yīng)的教育體系，以滿(mǎn)足新的生產(chǎn)模式與價(jià)值模式的需求。因此，新工業(yè)革命必將推動(dòng)工程教育的全面改革。世界經(jīng)濟(jì)論壇預(yù)測(cè)，在工業(yè)4．0時(shí)代，適應(yīng)能力可能是人們需要擁有的首要技能，因此工科學(xué)生需要不斷地學(xué)習(xí)和獲取新知識(shí)。同時(shí)，高等學(xué)校必須培養(yǎng)他們的核心能力，如解決復(fù)雜問(wèn)題的技能，批判性思維和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等。其次，教育的職業(yè)－經(jīng)濟(jì)目標(biāo)將起到更少的支配作用，而價(jià)值創(chuàng)造將成為社會(huì)和個(gè)人的發(fā)展能力，因此大學(xué)必須支持學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的發(fā)展。再次，由于在線(xiàn)學(xué)習(xí)和虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的建立，工業(yè)界與大學(xué)的教育利益結(jié)盟關(guān)系將逐漸減弱，教育活動(dòng)將越來(lái)越多地被外包給非正式的組織、社區(qū)和同儕小組。最后，在工業(yè)4．0的全新經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活時(shí)代，以“充分就業(yè)”“全球競(jìng)爭(zhēng)”和“經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)”為根本目標(biāo)的高等教育政策，將日益被關(guān)注社會(huì)和個(gè)人幸福與發(fā)展的新思維所取代。

新工科的教育教學(xué)模式必須進(jìn)行范式變革。學(xué)習(xí)是人類(lèi)存在的基本模式，它依賴(lài)于社會(huì)互動(dòng)和意義創(chuàng)造，只有通過(guò)參與、交流和體驗(yàn)，學(xué)生才能獲得應(yīng)對(duì)復(fù)雜多樣、快速多變的世界挑戰(zhàn)的能力。因此，我們的工程教育理念應(yīng)該從傳統(tǒng)的“學(xué)工程”轉(zhuǎn)向“做工程”；教學(xué)模式應(yīng)該從以教師為中心的課堂教學(xué)，轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心的綜合性和應(yīng)用性學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)模式應(yīng)該從“一刀切”轉(zhuǎn)向定制式的深度學(xué)習(xí)；教學(xué)環(huán)境應(yīng)該從單一的面對(duì)面模式，轉(zhuǎn)向混合教學(xué)和虛擬教學(xué)；教學(xué)管理制度應(yīng)該從以校園為基礎(chǔ)的封閉式學(xué)分認(rèn)定政策，轉(zhuǎn)向適應(yīng)于遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和跨校學(xué)習(xí)的學(xué)分互認(rèn)政策。

毫無(wú)疑問(wèn)，新工科改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既存在支持改革的積極因素，也必然存在各種障礙。任何教學(xué)改革新模式，無(wú)論它們多么有效，都不會(huì)自動(dòng)取代舊的方法。因此，高等學(xué)校決策者和管理者必須采取積極的措施，營(yíng)造適于教育教學(xué)變革的民主與互動(dòng)環(huán)境。我們不能依賴(lài)于“自上而下”的行政模式，也不能寄望于“自下而上”的自發(fā)模式。因此，“自上而下”與“自下而上”的協(xié)同互動(dòng)或許是新工科改革的最佳路徑。

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（責(zé)任編輯 吳朝平）

Exploration on the Core Competence and Teaching Mode of New Engineering Education

ZHOU Kaifa1，ZENG Yuzhen2

（1．Schoolof Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2．Library，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The arrival of the fourth industrial revolution promotes a comprehensive reform in the engi neering education．“The new engineering”reform initiative is a positive response of China’s engineering education to“Made in China 2025”．The core contents of industry 4．0 include the three topics：smart fac tory，smartproduction and smartlogistics and the nine advanced technologies：analysis ofbig data，autono mous robot，vertical and horizontal system integration，industrial IoT，internet security，cloud computing，additive manufacturing and the augment reality．The future engineering will display new tendencies in the sustainable development，computing abilities，big data，internet and IoT，Nano technology，3D printing material and cooperation of cross disciplines To meet the new tendencies of new engineering revolution and engineering development，in view of the learning features of university students of internet generation，the teaching in the new engineering of China should adopt the cooperative learning，integrated education tech nology，creating virtual learning environment，coordination and cooperation of cross disciplines，attention on the scientific research of undergraduates，promoting the interaction of students and teachers，and practice and interaction，and also carry out the teaching modes of deepening learning，blending learning，virtual learning environment，learning and analyzing，in order to cultivate the five core abilities of new engineering students：individualeffectiveness，knowledge abilities，scholarism capabilities and skill abilities and social abilities，and with six essential learning outcomes：humanities，science and technologies basic knowledge，intelligence and practice skill，industrial capabilities，ethics，values，attitude and behavior，community and global consciousness，comprehensive and applicative learning．The results show thatthe reform in the engi neering education of China must focus on the exploration of CBE and OBE mode，as well as the creation of corresponding smart learning environment in engineering education，in order to cultivate the excellent engi neers who can meetthe challenges ofthe new industrialrevolution．In view ofthe reform direction，the new engineering education reform should adopt the coordination and interactive mode of“from top to the bottom”and“from the bottom to the top”，which is the best path of new engineering education reform．

the fourth industrial revolution；new engineering；engineering education；core compe tence；essential learning outcome；smart teaching mode

G642．0

A

1673－8012（2017）03－0022－14

10．15998／j．cnki．issn1673－8012．2017．03．003

2017－04－16

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金教育學(xué)一般項(xiàng)目“云教育環(huán)境下學(xué)習(xí)模式變革研究與實(shí)踐”（BIA150104）；重慶市教委研究生教改一般項(xiàng)目“基于國(guó)家創(chuàng)新體系的重慶高校跨學(xué)科研究生培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐”（yjg133084）；重慶市教委本科教改重大項(xiàng)目“基于‘四個(gè)核心能力’的高等工程教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐”（131011）

周開(kāi)發(fā)（1963—），男，江西貴溪人，重慶交通大學(xué)土木學(xué)院副教授，主要從事高等教育哲學(xué)和彈塑性力學(xué)研究；

曾玉珍（1964—），女，江西吉安人，重慶交通大學(xué)圖書(shū)館副研究館員，主要從事圖書(shū)館學(xué)和信息素養(yǎng)教育研究。

周開(kāi)發(fā)，曾玉珍．新工科的核心能力與教學(xué)模式探索［J］．重慶高教研究，2017，5（3）：22－35．

format：ZHOU Kaifa，ZENG Yuzhen．Exploration on the core competence and teaching mode of new engineering education［J］．Chongqing higher education research，2017，5（3）：22－35．