美國21世紀CPS教育報告的課程結構設計及啟示

言 十

21 世紀 CPS 教育報告[1-2]基本按照工程教育專業認證體系，給出了計算機科學（基本包含國內計算類專業）、電氣工程（基本包含國內電類專業）、機械工程（基本包含國內機械類專業）、土木工程（基本包含國內土木類專業）4個專業的本科4年課程計劃。這4個專業在工科領域最具影響力，在國內本科教育中占很大比重。報告還給出了一個新專業——CPS專業的本科和碩士課程計劃。課程計劃采用模塊式結構，每個模塊給出了確定的課程門數。本文把這種模塊與課程門數的關系稱為“課程結構”。

不同于國內大學（不含港、澳、臺，下同）仍然沿用計劃經濟時代形成的“層次結構”，即“基礎課—專業基礎課—專業課—畢業設計（論文）”，報告中列出的本科課程設置采用的是“模塊結構”。兩種結構相比較，表面上看只是形式上稍有不同，但實質卻大不相同。

表1是對報告所列5個本科專業課程設置的一個統計，關注兩個方面，一是課程模塊，二是課程門數。

表1　課程模塊與課程門數統計

表1把報告中“數學與自然科學”模塊的數學部分分解為“基本數學”和“專業數學”兩個模塊，是考慮了國內大多數學校課程設置的現狀，便于比較分析。“基本數學”模塊是指“數學與自然科學”模塊中的4門課程：微積分I、微積分II、線性代數、概率與統計，5個專業完全相同。這與國內大多數大學的課程設置也基本相同?！皩I數學”模塊是指“數學與自然科學”模塊中其他幾門課程，各專業有所不同，與國內大多數大學的“工程數學”比較接近，見表2。

表2　“專業數學”模塊課程設置

對于“高年級設計課程（senior capstone design）”模塊，報告強調課程的行業參與及跨領域跨學科團隊，包括工商管理。這類課程與國內的“綜合設計”和“畢業設計”比較接近，但有很大不同。

“職業選修”課程模塊對應報告中“面向特定行業，涉及社會、職業倫理”方面的選修課程模塊，這類課程國內比較少見。對照我國工程教育專業認證規范，其中的12條畢業要求[3]有以下3條。

（1）工程與社會：能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

（2）環境和可持續發展：能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

（3）職業規范：具有人文社會科學素養和社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范，履行責任。

顯然，這一模塊主要是為這3項畢業要求而設置的。以報告中所列CPS專業為例，明確這一模塊的課程有以下基本要求：需要具備與特定行業相關的領域背景知識、知識產權意識、倫理學知識，可選主題有現代航空電子、汽車系統、機器人學知識、智能建筑物、智能交通、智能電網、醫療器械、空中交通管制和無人機，也就是說，這些課程要以特定行業為背景，培養學生的職業基本技能與職業操守。

“基本數學”“自然科學”“社會科學”“人文科學”4個課程模塊所含課程一般稱為“通識教育課程”，而“專業數學”“核心課程”“設計選修”“專業選修”“職業選修”“自由選修”6個模塊所含課程，一般稱為“專業教育課程”?？偨Y報告中的5個專業課程方案，可以看出，專業雖不同，但各模塊的課程門數差別不大，特別是通識教育各專業的課程設置基本相同，體現了“通識教育”的特點，見表3。

表3　課程結構簡表

為了便于分析和說明問題，我們以報告中CPS專業為范例。CPS是新專業新方案，不同于其他幾個老專業易受傳統影響，因此，以CPS專業為范例，得到工科本科專業課程結構的基本參考范式，見表4。

表4　工科本科專業課程結構參考范式

以CPS專業為參考范式，可以得出以下結論。

（1）總課程40門。每一個專業4年的全部課程總數都只有40門，美國大學8個學期都開課，每年還有一個短學期，每個長學期學生修課一般都不超過4門。我們只有7個學期開課，4年課程總門數一般大大超過50門，所以每學期學生修課門數一般都在7門以上，多的一學期甚至超過10門。教師給學生上那么多課，實際上學生可能并沒學什么。

表5　課程模塊與認證規范

（2）通識教育課程15門，占總課程的3/8。

（3）專業教育課程25門，占總課程的5/8，其中，專業必修課程15門，占總課程的3/8；專業選修課程10門，占總課程的1/4。

通識教育與專業教育的學分數量邊界是明確界定的，不互相擠壓對方。通識教育重要性不言而喻，學生學習有成效是硬道理，不是靠不斷增加學分數提高質量，也不應該隨意擠壓通識教育中的數學與自然科學課程。國內大學擠壓物理課程，不修化學、生物等自然科學課程現象比較嚴重。學分數都要減少，但要求都在提高，課程教學模式不改革沒有出路。

（4）課程結構簡單，除了“設計選修”模塊，沒有刻意設置類似我國多數大學設置的復雜的所謂“動手能力”課程，所謂“創新創業”課程，但絕非美國的大學不重視“動手能力”的培養，而是恰恰相反。美國的教學模式更多的是強調“做中學、學中做”。國內多數大學都設置非常復雜的“實踐教學體系”，實際效果并不好。很多大學的本科培養方案中還分出了“理論教學”與“實踐教學”。所謂“理論教學”，絕大多數指的是課堂授課。把課堂授課等同于“理論教學”，顯然是一個常識性的錯誤。我們的教學模式基本還停留在農耕時代的“滿堂灌”模式，學生的實際能力提高有限。提高學生的實際能力，關鍵還是在于課程教學模式的改革，不是搞什么“理論教學”和“實踐教學”，把系統知識的掌握與實際能力的訓練割裂或對立，顯然是錯誤的。

（5）報告基于工程教育專業認證體系，制訂各專業的學士學位（本科）模塊課程計劃。表5總結了課程模塊與教育目標（培養目標）及學生學習成效（畢業要求）的相互關聯。

與國內大學相比較， “知識體系與專業能力”方面的課程設置和教學關注度最高，比重最大，而在“職業倫理與社會責任”“個人修養與領導能力”兩個方面課程設置模糊，教學目標也很不明確。

報告的課程結構設計只給出了課程模塊和各模塊應設的課程門數，沒有給出各門課程的具體學分數。

國內現在多數大學都實行“學分制”。我們不討論到底什么是“學分制”以及怎樣的教學運行才是真正的“學分制”，而只把學分看成課程的一個量化單位，學生畢業要求的一個“度量”。既然是一種“度量”，有一個公認的標準是很有必要的。國內目前的狀況比較復雜，甚至可以說是混亂，也很少有對“學分”做出明確定義的學校，如畢業要求學分，從150學分到220學分的都有，學分數普遍偏多，有的同一個學校專業不同，畢業要求的學分數差異非常大。除了學分數偏多，課程的門數也偏多，有的學校學生一學期修讀課程高達10幾門，周課時有的超過40課時，而且都是課堂授課。

國外對“學分”的定義也多種多樣，很難說哪種“定義”最好。關于“學分”數量的定義，國內外大學多數的規定是1周教學=1學分。1學分對應多少課時呢？這與學期制度有關。國內目前多數情況有兩種： 1學分=18課時；1學分=16課時。

學分數量一般與學期制度有關。國內大學多數采用2學期制，每學期一般為20周。如果采用16課時為1學分，一般都安排16周為常規教學周，多數學校把一學期多出的4周用于“考試周”，或開設集中實驗實踐課程，效率不高，問題比較多，這反映出國內大學的教學運行管理還停留在“粗放模式”，離“精細化管理”尚有差距。

學期的問題比較復雜。國內普遍采用的是2學期制，也有3學期制的，還有4學期制的。國外大學的學期制也是多種多樣，很難說哪一種學期制是最好的，但2學期制已越來越少，如日本近年來由文部省推動學期制改革，采用了4學期制度。

日本推行的新學期制，與美國的“學季制”有些類似。美國大學的學期制度分兩種。Semester制： 每年 2個學期，每個學期 16～17周，其余時間分為寒假（4周）和暑假（14周）。Quarter制：每年3個學期，每個學期10～11周，其余時間分為寒假和暑假。美國的大學假期較多，一般都有14～18周。假期長可方便教師做研究，學生去打工。

為什么日本也在最近進行了學期制改革？我們認為這比較符合現在社會快節奏的特點。一個學期長達20周，確實已不太符合現代社會快節奏潮流。從另一個方面來看，由于教案“電子化”，課堂的信息量已是“粉筆+黑板”的好幾倍，教學模式也朝著少授課、多實踐、多互動交流的方向發展，一門課的學時（學分）數也沒以前那么多，因此，改革2學期制勢在必行。

縱觀國外大學的學期制度，我們不難發現其學期普遍比我國的短，假期較長。這種學期制度比較符合現代社會的快節奏，也給教師和學生較大的自由空間。

國內大學現行的學期制度，是農耕時代的產物，因此，改革國內大學的學期制度勢在必行。三大問題給我國學期制度設計帶來困擾：由于中國傳統文化——春節的特點，我國的春節每年日期都不同且跨度達20多天，最早的春節時間是1月22日，最晚的春節時間是2月19日，且相鄰兩個年度的春節時間變化大，無確定規律；南方酷暑和北方寒冬也給學期制度帶來不便；非教師人員也要與教師和學生有一樣的暑假和寒假。這3個“特色問題”導致每年開學日、放假日都在變化，這非常不利于教學的組織和安排，對國內大學的國際化也有不利影響。

這些中國特有的問題，使得我們無法照搬國外模式，因此，找到比較合理又比較符合國情學期制度，受到以下約束：學期要縮短，但有效教學時間不能少；課程要精簡，但畢業要求不能降低；課程的課堂授課時數要精簡，但對課程的投入和要求不能降低；民俗要尊重，氣候要考慮。

按照以上基本約束，“兩長兩短”4學期制可能是一個比較合理的選擇，即秋季學期，16+4=20周；春季學期，16+4=20周。每個教學年度的有效教學周共40周，寒暑假共12周。這與目前實行的2學期制在時間上沒差別，因長短學期時間上是連續的，但這種改變首先是縮短了長學期的教學周，加快了教學運行的節奏，且短學期的安排具靈活性。

由于春節和氣候的原因，無法采用如日本那樣的4個等長學期。國內有的大學采用等長4學期制，每個學期為10周。因大多數課程一般都在3學分48學時以上，學期過短與課程教學規律相悖，導致課程教學過于集中，不利于課程內容的消化吸收。

以16周為一個長學期，對應1學分為16課時，或一個教學周為1學分，已經沒有給傳統的“考試周”留出時間。為何要取消“考試周”？因為課程教學應該“重過程”，而不是過分重“期末考試”。傳統的“一卷一考”定一門課程成績的教學模式是很不合理的，是農耕時代教學模式的產物，應該改革。不注重“教學過程”，也是當前國內大學期末考試舞弊成風的重要原因之一。

采用兩長兩短的學期制，第4年只有兩長一短3個學期（第8學期畢業班無短學期），因此，得出本科4年的畢業總學分數：16×8+4×7=156。其中，通識教育約占畢業總學分的3/8，約58學分；專業教育約占畢業總學分的5/8，約98學分。這應該是本科畢業要求總學分數的上限。國內多數大學的本科畢業要求總學分數普遍都在170學分以上，高的超過200學分，且每學分基本是16課時，因此國內大學本科教學普遍存在總學分數過高、課程門數太多、學生課堂聽課負擔過重、課程教學效果欠佳等突出問題。

畢業總學分數如何規定沒有依據、隨意性非常大是國內大學本科教學最為突出的問題。國際工程教育專業認證的實質是用現代管理學的方法規范教學行為與過程，因此，每門課程的學分數、每個學分的課時數、畢業總學分數、年度的學期制度、有明確的規范是辦學的基本要求。

采用“16+4”兩長一短學期制度和學分制度，1學分16課時或1個教學周，本科畢業要求40門課程共156學分，其中通識教育課程15門58學分，占總學分的3/8，專業教育課程25門98學分，占總學分的5/8，是一個比較符合工程教育專業認證要求和適應工業時代教學模式的工科類專業的整體課程基本結構。

參考文獻：

[1]The national academies of sciences engineering medicine[EB/OL]. [2017-11-16]. http://www.nap.edu.

[2]言十. 美國 21 世紀 CPS 教育報告簡介[J]. 計算機教育, 2018(1): 2-9.

[3]中國工程教育專業認證協會. 工程教育認證標準[EB/OL]. [2018-01-11]. http://www.ceeaa.org.cn.

[4]Carnegie Mellon. University[EB/OL]. [2018-01-11]. https://www.cmu.edu.