新工科背景下大學生創新能力培養的探索

葛動元　李健　羅慧聰　王俊娜　羅海萍

[摘 要]高校基于經濟社會的發展要求以及工程學科的發展規律，針對高校工程教育改革發展存在諸多掣肘因素，構建面向新工科的創新思維的教學體系。教師可聯合中學階段的理綜、信息技術等課程的教學等，注重發散式思維的培養，經過大學階段的專業學習，使其成為具有創新意識和跨界整合能力的“新工科”人才。

[關鍵詞]新工科；創新教育；高等工程教育

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0170-03

高等工程教育在我國高等教育中占有重要地位。以深化工程教育改革為契機，國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對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新 [1]。大學生的專業精神，即“工匠精神”，是指在相應的領域具備豐富系統的理論知識，以及一定的創新能力，同時樹立孜孜不倦、精益求精、以及嚴謹的學術態度[2]。2017年2月，教育部在復旦大學召開高等工程教育發展戰略研討會，達成復旦共識；2017年4月，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，明確了新工科建設的行動路線；2017年6月教育部新工科研究與實踐專家組成立第一次工作召開，林蕙青副部長做重要報告，會議形成新工科建設的北京指南 [3-4]。從復旦共識、天津行動，到北京指南，明確了新工科建設的目標，對新工科走向實踐產生的廣泛影響與作用。本研究主要根據新工科發展的需要，結合高等工程教育發展的歷史與現實，開展大學生專業精神與創新能力培養的研究與探索，為新經濟發展和產業轉型升級提供智力支撐。

一、新工科建設下的創新教育

“新工科”對應的是新興產業，首先是指針對新興產業的專業，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，也包括傳統工科專業的升級改造。從新經濟的角度來講，新工科之“新”在于對我國工程學科未來發展的新要求。2018年1月12日在哈爾濱舉辦的“新工科建設與工程教育改革發展研討會”上，教育部高教司理工處處長愛華在主旨報告“面向未來、主動謀劃 ，以新工科建設引領高等教育變革”中提到，新經濟要求工程技術人員具備更高的創新創業能力和跨界整合能力，建立更多樣化和個性化的工程教育培養模式。新產業的發展，需要通過創新教育銜接新工科人才的培養，服務產業的轉型升級。按照服務新經濟的要求，面對大數據支持下的智能化機器，為提高人和機器合作協調的能力，本課題有關創新人才的技能矩陣如圖1所示。

（一）面向創新教育中的探究式教學與差異化教學

針對缺乏創造性的和機械訓練的教育方法，美國哥倫比亞大學的教育家、哲學家杜威提出在教學中使用探究方法。探究式學習是一種積極的學習過程，不僅要求學生學習專業的知識，更重要的是要學習科學研究的過程或方法。從20世紀50年代到60年代，探究式學習作為一種教學方法的合理性得到普遍認同。該教學方法通過在教學中創設類似于學術研究的情境，倡導學生的主動參與，通過獨立自主地學習、思索、實驗、收集與處理信息、表達與交流等一系列的活動，獲取專業知識，激發探索精神，培養創新能力。在創新教學過程中，教師要把學生被動接受知識的過程轉變為通過自主學習掌握知識與培養能力的過程，還原學生在教學體系中的主體地位。同時，教師將各種間接經驗轉化為學生生活情景中的直接經驗，讓學生積極進行交流與探索，開發創造性思維強烈的發散性、靈活的變通性，激勵原型啟發的突然性等，在各相關學科與知識之間建立新的聯系，并有所發現，有所發明。美國的教育家本杰明·布盧姆認為，學生的學習并不一定呈正態分布。我們在多年的教學實踐中發現，在教學過程中，教師通過差異化的教學，通過探索不同學生的思維方式和他們各自解決問題的思維習慣，努力尋找教育對象與教育內容之間最佳的結合點，充分發揮每一個學生的最大潛能，使教學活動滿足所有個體的專業學習與成長的需要，完全可以實現整個教學班級齊頭并進的理想局面。同時，具有跨行業、跨領域特性的新經濟，需要工程技術人才具有交叉復合特性，以及跨學科、跨產業的跨界整合能力。這也決定了工程教育培養模式的多樣性與個性化。而隨著翻轉課堂、慕課等新型在線開放課程和學習平臺的興起，也為個性化、差異化的培養模式提供了有力支撐，使得學生接受更多可能性的多元化教學模式成為可能。這也是創新教育的發展方式之一。

（二）面向創新教育的人文關懷與引喻啟導

創造性人才的培養是一個長期的過程，創新意識的培養要從小抓起；在從事專業學習之前，樹立學生對專業的信心與對科研的憧憬是至關重要的。教高[2017]8號文件指出，教學改革需要探索基于統一高考和高中學業水平考試成績、參考綜合素質評價的多元錄取機制；以實施高考綜合改革，增強高考與高中學習、高校專業培養的關聯性[5]。高中階段，在注重高考成績以及不影響高考科目學習的前提下，教師應注重對學生發散式思維的培養。如湖南省隆回縣第二中學采取密切關注學生成長、潤物細無聲的放養式。該校的學生在升入大學的學習階段或者大學畢業后的表現，普遍具備適應能力強，以及能夠保持持續努力的特性。該校經過近二、三十年的努力，形成學生在校園內碰到老師都能主動問好，而老師也平和、慈愛地應答的融洽的校園環境。同時根據學校地處郊區，校園面積廣闊的優勢，采取自己進行種植、養殖的方式，以改善、保障學生的生活品質，據此給學生以耳目一新的體念感受。通過學校教工無形的關愛，適當屏蔽學生成長時期外界紛擾雜音的干擾，有助于學生專注力的形成、創造性思維的培養。另外學校還依據地處魏源故鄉的文化底蘊，建設魏源文化墻，喚起學生樸素的自豪感。在素質教育方面，重視信息技術等反映前沿研究的課程教學，以提高學生的信息素養；對于物理、化學和生物等理綜科目的教學，注意理綜相關課程教學與生產、生活實際的關聯。比如在講解單擺等周期的教學內容時，布置學生課前自制兩根長度為2米與0.2米的擺桿，然后用手指在空中拖住，并根據擺桿的傾斜方向移動手臂讓擺桿不倒，通過實踐，看看哪一個擺桿的控制容易實現。通過類比實驗的現象，在課堂中與學生一起分析：擺桿越長，周期越大，越易于控制；得到單擺的周期與擺桿的長度的算術平方根成正比的感性認識。這樣通過實踐，不但使學生容易掌握單擺周期的公式，也容易激起學生對科學的原始興趣以及立志投身科學研究的情懷。

二、新工科建設下的教學設計

北京師范大學何克抗教授等認為，教學設計主要是以促進學習者的學習為根本目的，運用系統方法，將學習理論與教學理論等的原理轉換成對教學目標、教學內容、教學方法和教學策略、教學評價等環節進行具體計劃、創設有效的教與學系統的“過程”或“程序”。借鑒蘇州科技學院院長何若全教授的研究報告，按照Spady等提出的成果導向教育OBE（Outcome-based education）理念，為確保學生有效地取得教學成果，根據作者多年的教學實踐與經驗積累，在新工科的視域下，本研究設計的教學設計如圖2所示。

（一）基于問題意識與創新思維的教學設計

大學生創新能力的培養，是國家創新體系中的重要組成部分，關系到國家創新教育的實現，是新工科建設的核心。愛因斯坦認為，發現問題和系統闡述問題可能比解決問題更為重要；因為解決問題是數學上或者實驗上的技巧，而從新的角度看舊問題、發現問題、提出新的問題與提出新的可能性，需要創造性的想象力，是科學的真正進步。在新工科的建設中，為促進個性思維的深刻性與創造性，創新教育需激發大學生的“問題意識”。發現問題是解決問題的關鍵，是思維的內動力；一切創新都始于問題的發現，是今后學術創新的突破口。發現問題源于敏銳的“問題意識”，而“問題意識”不是自發的，其蘊含在學生內心深處且紛繁復雜，在教學設計中，需要教師認真研究與分析，悉心培養和觸發。根據調查，我國大學生由于受多種因素的影響，學習主動性較差，多數學生不善于或者不能提出問題。在大學生的專業教學中，教師是引導者，要將學生潛在的、靜態的問題意識轉化為顯在的、動態的問題意識[6]。作為探究者，學生應通過自己的探究去發現問題、解決問題，直至形成新的發現。在新工科建設的教學設計中，需要平衡教師的“引”和學生的“探”的關系，做到既不放任自流，讓學生漫無邊際去探究，又不能過多牽引，而是主要由大學生嘗試從各種現象中認識相應的本質，形成流暢、嚴密的創新性思維。同時培養學生具備若干“新素養”，如對“超世界存在”的關注、空間感、關聯力等的自覺[7]。使得大學生既有前瞻性的視野，又能夠敏銳地發現新問題與新方法，成為教學過程中的主角。同時由于新工科建設的開放性，以及技術路線的多樣性和復雜性，專業教師往往并沒有現成的答案。我們發現，一般而言，整個教學過程呈現出類似于IPDI的特性，即教師的指導作用隨著教學進程的展開逐步降低，學生的自主學習逐步處于主導地位的態勢[8]。遵循這一特性，也是新工科建設的教學設計中應有的態度與認識。

另外，在進行教學設計時，教師應根據學生的認知規律與特性，從整體和全局的高度用系統的觀念有意識地逐級推進，系統安排；做到部分探究與全部探究相適應。作為教學的組織者和協調者，教師應采取提問式、討論式、啟發式、引導式等教學方式，調動大學生主動參與到教學活動中來，使得教師和學生形成課程教學的共同體[9-10]。

（二）基于前沿研究與循序漸進的教學設計

李培根院士認為，“新工科”需要重新審視專業邊界，如傳統的機械設計與制造自動化，也應該使該專業的學生有物聯網、大數據分析、人工智能等方面的專業概念。基于“一帶一路”倡議的工程教育國際化背景，在大學生創新能力的培養方面，由于一些新理念、新技術的出現，在專業知識學習的過程中，教師可結合課題研究、專業優勢，將本學科領域最新的研究動態與前沿知識適當地融入課程教學中；通過積極向上的心理啟示，激發大學生創新的主動性、發散性以及對跨學科知識的敏感性[11-12]。如上海工程技術大學以國家級科研項目為依托，聯合華盛頓大學和浙江捷尚視覺有限公司等建成機器視覺創新科研團隊，構建跨界體系，破解學科壁壘，促進工科協同、藝工交融和文理滲透[4]。同時，設計探究式教學時，教師需要依據大學生的認知規律，讓學生的學習過程與該學科的科學探究與發展歷程基本一致。如依據人工智能發展的歷程，組織大學生參加一些以機器學習、機器視覺等課外活動等實踐時，首先學習BP神經網絡、經典的有監督學習網絡，逐步進階到卷積神經網絡、限制玻爾茲曼機、對抗神經網絡等，形成學生學習的螺旋式上升、波浪式前進的教學模式；并結合相應的語言如Python或Matlab，以及機器學習開源庫TensorFlow等，將基本原理與典型應用，以及相應的原程序交叉結合。通過研究型的課程學習與充分的訓練，實現從零基礎開始，讓學生逐步掌握人工智能的基本原理。解決部分大學生所學的專業知識與前沿研究的發展不相適應的問題，并鍛煉大學生對技術的領悟能力和創造能力，以及相應知識領域的遷移能力。

三、結論

新工科概念的提出，對我國高等工程教育改革發展提出了新的要求、也提供了新的機遇與平臺。高校應通過面向新工科建設的創新教育的探索與實踐，培養大學生創造性思維，使其具有積極的求異性，強烈的發散性以及靈活的變通性。同時，其還能使大學生在專業學習或者畢業后的工程實踐與科學研究中，通過持久、專注的冥思苦想，由原型啟發的頓悟而發現新問題、新方法。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 胡波，馮輝，韓偉力.加快新工科建設，推進工程教育改革創新——“綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J].復旦教育論壇，2017（2）：20-27+2.

[4] 夏建國，趙軍.新工科建設背景下地方高校工程教育改革發展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19+65.

[5] 教育部.教育部關于推動高校形成就業與招生計劃人才培養聯動機制的指導意見[Z].2017-12-29.

[6] 關紅梅.高校創新教育的實踐與展望[J].中國成人教育，2016（17）：72-74.

[7] 李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究，2017（4）：1-4+15.

[8] 姚錫凡，帥旗，譚偉，等.基于目標級聯法和IPDI原則的制造系統建模與優化策略[J].南京：南京理工大學學報（自然科學版），2009（8）：257-262.

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[10] 劉洪永，程遠平，朱國慶.嘉賓論壇模式及對我國新高等工程教育的啟示——以澳大利亞昆士蘭大學為例 [J].大學教育，2018（2）：192-194.

[11] 范斐，陸洲.以學習者為中心的跨學科創新學習空間營造研究[J].高等工程教育研究 ，2016（3）：63-68.

[12] 葛動元，姚錫凡，梁蔓安，等.基于Proteus 與螺旋進程的單片機翻轉課堂研究[J].電氣電子教學學報，2018（3）.

[責任編輯：劉鳳華]