新工科的核心能力與教學模式探索

宋吉廣，史洪宇，劉彥文

(哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

工業革命是社會生產力水平發展到更高階段引發的變革，在拉動經濟增長的同時，可以為各行各業提供有利的發展支撐，尤其在工程教育領域，工業革命對該領域產生的影響較大。由于在工業革命中，社會需要大量的工業人才，所以學校在組織新工科教學時，應結合社會需求加大核心能力培養，積極探索適合學生的教學模式，改善以往教學中的不足，有序提升新工科教育教學質量。

一、新工業革命與工程發展的新趨勢

(一)新工業革命的核心內容

早在2011 年的漢諾威博覽會中，德國最先提出“工業4.0”概念。在2013 年，德國政府正式通過了“工業4.0”計劃，并將其列入到高技術戰略發展中來。之后其他國家也仿照德國政府頒發的“工業4.0”計劃，制定類似工業發展戰略，例如中國《中國制造2025》。通過這些計劃以提升其工業和產品在國際中的競爭力，力求在接下來一輪的工業化革命之中占據一席之地。

在“工業4.0”計劃中，企業在發展工業的過程中會建設全球網絡，力求將機械、倉儲系統和加工設備結合成信息物理系統。在現實中進行工業制造時，這些工業機械、倉儲系統和加工設備都能靈活自如地交換信息、遠程控制工業操作，有利于企業在制造、使用材料和管理生命周期中，促使制造業向著智能化方向發展，將集中式控制轉向分散式，建設靈活的數字化和信息化產品服務模式。總體而言，工業4.0 核心內容包含了三大主題和九項先進技術。

三大主題分別是智能工廠、智能生產、智能物流。其中智能工廠重點研究智能化生產系統和過程。智能生產牽涉到企業的工業物流管理、人機互動以及3D 技術應用，在“工業4.0”計劃中，為中小型企業帶來了發展契機，促使大多數中小型企業成為智能生產的主力軍。智能物流就是指企業在生產中，借助網絡技術將物流資源整合起來，力求最大限度發揮網絡物流資源管理的作用，需求方可以在較短時間內獲得服務匹配與物流數據，隨時了解物資的生產運輸情況。

九項先進技術包含大數據分析、自主機器人、模擬、水平和垂直系統集成、工業物聯網、網絡安全、云計算、增材制造、增強現實。大數據分析就是指工業在生產中，將相關行業的信息資源收集到一起，例如生產設備、數據系統、企業和客戶管理系統等，可以根據數據整合到的數據資源，分析工業發展方向，為今后產業發展奠定基礎。自主機器人通常被企業應用到完成繁雜的工業制造中來，要求企業形成人與機器交互合作的生產模式，這樣可以減少工業的經濟付出成本，提升工業生產效率。模擬是指企業在工業制造中，利用3D 虛擬技術生產產品、加工材料，并利用虛擬技術測驗新型產品在后期投入使用中的問題，從而結合虛擬測驗結果進行優化設計，切實提高生產產品質量。水平和垂直系統集成一般會被應用到跨公司合作中來，借助數據集成網絡實現自動化價值鏈。工業物聯網是指企業在生產產品時，利用傳感器和嵌入式計算方式，操控現場生產設備，確保生產設備能夠平穩運轉。網絡安全是通過利用網絡技術，保證工業生產各個環節的管理系統有序實施。云計算是指利用機床數據和功能，將監測和控制技術用于云端，實現跨公司數據共享模式。增材制造通常會被用到小批量定制產品的生產制造中來，這種技術既可以減少原材料需求量，還能增加生產產品質量。增強現實是指通過虛擬技術對生產人員進行培訓，支持各種生產服務，并在工人生產中為其實時提供產品生產情況，協助工作人員靈活控制產品生產流程。

(二)工程發展新趨勢

這些年我國科學技術發展速度較快，推動了工程領域發展，能夠在生產產品中有效滿足市場和消費者需求。第四次工業革命轉變了人們的生活方式，對工程領域人才培養提出更高要求。在未來工業發展中，工程領域會出現如下新型發展趨勢。

首先，可持續發展。近幾年全球資源能源消耗嚴重，各個國家為了保護環境大力倡導減少碳排放，尤其工程領域意識到自身對可持續發展的重要影響，加大對新型生產技術研發，創新工程設備，力求工業在生產、加工制造中可以減少對資源能源的需求，降低碳排放，為可持續發展貢獻一份力量。

其次，計算能力。當今社會微型化推動了傳統計算能力發展，以往需要超過幾個月才能完成的工程計算量，現在可以在較短時間內快速完成。自主學習計算方式促使簡單工程任務實現自動化，能夠協助工程師處理更加繁雜的工程任務，并即時提供高價值服務，尤其尖端高新技術工具和跨學科合作，有效提高團隊和個人之間的團結合作能力，增強個人處理復雜難題的能力。

再者，大數據。隨著計算能力不斷發展，人們收集各個行業發展數據的能力有所提升，研究者能夠在分析數據的過程中，探索新型數據模式。數據科學作為一種跨學科領域的科學技術，如今已被稱為科學研究的“第四范式”，利用數據分析和網絡技術探索的方式，研究人員可以借助數據分析以往難以解決的工業問題。

另外，納米技術和3D 打印材料。以往工業領域在生產產品時，通常存在產品質量較低的現象，納米技術可以有效解決這一難題，并且可以提升產品生產效率，降低產品對環境的污染程度。3D 打印材料包含碳纖維、玻璃、導電油墨、電子、制藥和生物材料，這些材料如今已經被應用到航空航天、醫療、汽車和能源等領域的設備制造中來。

最后，跨學科合作。在21 世紀工程研發中，以往學科之間的界限已經被打破，現代工程在發展中涉及技術、經濟、社會、文化等領域，要求不同學科之間進行融合，通過合作創新的方式解決工業發展難題。

二、新工科學生需要掌握的核心能力

雖然如今的新工科領域，對核心能力未有精準界定，但是在新工業的發展背景中，對工程教育教學質量具有更高要求，需要學生在學習階段掌握更多解決問題的能力，建立完善的知識結構，力求學生在學習中形成個人效能、知識能力、學術能力、技術能力和社會能力等核心能力，這些核心能力具體表現如下。

(一)個人效能

這項效能需要學生建設終身學習的思想理念，個人行事作風誠信正直，品性端正。同時，還需要學生具有主動承擔風險精神，在學習階段形成較高的工作責任感，能夠以積極的態度投入到工作中來，做到愛崗敬業。再者，學生在發展中應具備良好的適應環境能力，具備換位思考能力，能夠在不同環境中理解他人，并約束自身行為，處理好自身與他人之間的關系。

(二)知識能力

對于工科學科而言，大部分以理科知識為主，學生容易將學習時間和學習重心放到理科知識探索中來，忽視了人文知識學習。但是在新工科的背景中，既需要學生掌握完善的數學、科學知識，還要學生了解人文藝術方面的內容，這樣可以以健全的思維方式分析工程知識。另外，隨著新型革命產生，信息技術發展速度加快，人工智能技術成為工業生產的主要趨勢，因此學生也應在學習階段掌握完善的信息技術知識，熟知各個工程所需要的技術知識，并結合工業生產需求學習部分金融、網絡和法律知識等，豐富自身的知識儲備量。

(三)學術能力

學術能力要求學生能夠根據已有的知識經驗處理問題，在解決問題中形成批判性思維，學會對問題進行定量分析，結合數據分析結果制定解決對策，并對自己解決問題的能力進行客觀評估。

(四)技術能力

在新工科背景中，需要學生具備分析數據的能力、能夠利用信息技術維護網絡安全，學生能夠對數據與信息進行全面收集與分析，確保數據完整性、安全性，能夠獨立操作計算機設備，并會利用計算機掌控不同機器生產。還需要學生具備良好的學習能力，能夠根據新工科發展需求跨學科學習，有序培養自身的創新思維。

(五)社會能力

社會能力是在社會發展的過程中被提出來的，學生需要掌握不同工程的理論知識，善于團隊協作處理問題，并在合作解決問題中逐步培養自身的領導能力，加強培養自身的人際溝通能力。

三、新工科學生現存問題

首先，學生缺乏自主解決問題的能力。在調查中發現，在我國絕大多數工科教育實施的過程中，學生無法通過自己的學習經驗處理問題，部分學生在面對問題時，受到問題復雜性的影響，產生逃避心理，不能以積極的態度面對問題、處理問題。

其次，學生創新能力較為薄弱。雖然這些年我國大力倡導教育教學改革，但是應試教育在我國實施時間較長，導致學生的慣性思維難以在較短時間內得到改善，部分學生認為在本科階段只要掌握工科理論知識即可，忽視了自身創新能力培養，導致學校在準備工科創新型比賽時，學生無法以良好的態度參與其中。

再者，學生團隊協作能力較差。在新工科背景中，團隊協作能力屬于社會能力，是學生必須具備的一項核心能力。通過調查發現，部分學生的團隊協作能力較差，在完成團體任務時，受到拖延懶散心理影響，無法以積極態度處理任務，在完成任務中發現難以解決的問題時，就會產生相互推脫心理，阻礙了團隊完成任務的進度。

最后，學生缺乏工程素養。部分工科學生在進入到大學之后，學習態度比較消極，對專業課的理論知識掌握不夠牢固，缺乏完善的網絡原理知識儲備，對工科領域網絡發展趨勢了解不夠全面，工程素養較低。

四、新工科互動教學策略

(一)數字原生代學習特點

如今的大學生與以往大學生不同，他們被稱為“數字原生代”或者“網絡一代”，這些大學生在成長中基本上被網絡技術、網絡新聞環繞，學生通常是利用網絡數據了解社會，習慣在網絡環境中探尋信息，并完善自身的認知結構。當今大學生是第一批虛擬學習者，他們的感官系統逐漸與現實世界隔離，習慣長時間沉浸在由計算機技術掌控的虛擬信息空間中，并接受網絡信息給自身提供的數據分析。隨著科學技術發展速度加快，大學生在學校擁有非常多的學習資源，并且可以利用網絡技術學習新型知識，數字原生代大學生習慣游戲型學習方式，習慣線上直接反饋交互溝通，傾向于網絡社交，在工作中擅長多種任務非線性處理，思維上擅長掃描式閱讀，批判性思維較強，具體表現如下。

依賴網絡。數字原生代學生希望時刻與網絡聯系到一起，絕大多數學生都是伴隨電腦、智能手機和社交媒體成長起來的，習慣通過各種移動終端設備瀏覽新聞信息，或者線上網絡文學，這就導致閱讀傳統印刷文本的學生人數越來越少。

精通技術。在調查中發現，數字原生代學生精通各種軟件操作技術，并樂于研究新型技術，希望通過探索高端技術給自身帶來便利，習慣利用網絡共享資源庫與學術資料進行課程論文調研。

社交互動。數字原生代學生對數字技術具有較高興趣，習慣在網絡上進行社交互動，尤其在學習中碰到復雜問題時，習慣通過線上互動的方式相互探討解決方式，甚至部分學生會花費大量的個人時間進行網絡游戲或者聊天。

游戲化學習。利用游戲的方式進行學習是數字原生代學生的顯著特點，通過調查發現，有超過70%的大學生習慣通過互動視頻或者網絡游戲學習的方式，完成學習任務，并且這些游戲化學習大部分都是在多任務的環境中同時開展。

(二)新工科教學策略

近些年我國現代教育技術發展水平較高，絕大多數區域高校正在探尋新型教學策略，力求最大程度滿足工科學生學習需求，轉變師生之間的教與學關系，以下是新工科典型教學策略。

合作學習。教師在組織新工科教學時，將合作學習策略滲透到課堂教學中，并積極創建學習社區，對學生參與學習的過程重視程度較高，師生可以在合作學習中進行有效溝通，在互動探討中深入挖掘更多工科領域的特定主題，采用網絡測試、合作調研等方式，逐步了解工科知識。

整合教育技術。為了調動學生學習興趣，教師可以在開展工科教學時，結合教學內容選擇教學技術，通過多媒體營造課堂學習環境，學生可以結合多媒體內容與教師進行交流；借助網絡學習資源能夠豐富學生知識儲備，幫助學生更好地掌握專業知識。

創建虛擬學習環境。信息技術可以拓展學生學習環境，學生可以利用移動終端，在任何時間、任何地點選擇不同方式進行學習。再者，虛擬學習技術可以采用多種形式，比如交互式協作、慕課、教學視頻等傳播知識點，能夠有效滿足學生的學習需求。

五、新工科智慧教學模式

(一)深度學習

這些年國內外高校在工科教學中重視學生自學能力培養，要求教師以學生為中心設計教學模式，提高工科課堂教學的針對性，促使學生從被動學習轉向主動學習，從教師為中心轉向學生為中心，使得學生在探索知識點中能夠提升自身解決問題能力，強化學生深度學習水平。由于每個學生學習實力不同，學生可以選擇不同深度學習方式探索學習。常見深度學習方式有兩種，分別是對知識淺層加工記憶和深度加工學習，其中對知識進行淺層加工記憶是指學生被動學習，并且學生在掌握知識中，只是根據考試內容分析知識點內涵，沒有對知識理論進行深入探索。深度加工學習是指學生利用高級認知技能處理信息，并利用自己的知識儲備進行轉化理解，能夠結合自己的學習思維搭建新舊知識聯系，深度加工學習既是一種學習方式，也是一種學習理念，能夠對學生學習行為或者學習體驗產生積極影響。由此可以看出，深度學習是培養學生核心能力和學習成果的重要方式，學生探索學習的方式越深入，學習效果就越好。

(二)混合學習

信息技術和通信技術發展速度較快，對各行各業都產生了顯著影響，并且成為21 世紀社會、經濟發展的重要要素。這些年教育領域也積極將通信技術和信息技術引入到課堂教學中來，促使混合學習得到有效普及?；旌蠈W習是一種學習環境，立足傳統面對面教學方式，利用信息技術進行在線教學，并根據學生學習實際制定教學方式，力求提升學生課堂學習質量。當教師在工科教學中應用混合學習教學模式時，應將傳統教學和在線教學中的優勢融合起來，實現在線教學環境和面對面教學環境平衡。但是不同學生具有不同的學習技巧，這就需要教師在組織工科教學中使用不同的教學方式，針對學生學習需求制定多種教學措施，提升課堂教學效益成本的有效性。并且混合教學模式操作簡便，如今已經被廣大工科高校所使用，在利用混合教學模式開展教學時，不受時空限制，能夠給學生留有充足的參與學習機會，通過翻轉課堂、移動學習、慕課學習等方式，充分發揮混合教學在時間和空間方面的靈活性，增強學生課堂學習效果。

(三)虛擬學習環境

近些年在線學習已經成為高等教育的重要發展趨勢，傳統學習模式逐漸向虛擬學習環境轉變，尤其這些年在工科教學中通過使用虛擬學習環境，促使師生實現線上互動交流，學生在學習中出現困惑時，可以第一時間詢問教師，提高學生在學習過程中的學習體驗。虛擬學習環境的主要功能有課程地圖、師生在線支持、課程資源鏈接、在線作業、在線考試等，它既是一種被教師設計好的學習信息交流空間，也是同步或者異步社交空間，整合了多種媒體教學工具，將物理環境與虛擬數字環境組合到一起，這就促使學生既是知識的學習者，也是知識的創造者。虛擬學習環境能夠為學生學習、教師教學提供良好的課堂環境，教師可以在組織工科教學中將全班學生分成多個小組，讓學生在虛擬學習環境中通過在線調查、在線互動等方式，交互分享學習資源，例如教師可以給學生傳送學習課件、教學文檔等，學生可以向教師在線反饋作業文檔、學習資料搜集文檔等。再者，教師可以根據工科教學內容，借助網易云課堂、TED、YouTube 等學習網站，將外部教學資源引入到虛擬學習環境中，豐富學生在線學習資源，滿足學生學習需求。

(四)學習分析

學習分析是Web 分析在工科教學中的運用，Web分析是企業分析相關行業商業活動，明確消費者消費需求，制定行業發展方向，當教師在工科教學中應用學習分析，能夠將學生在線上學習的情況收集整理起來，探索學生學習薄弱點，結合教學內容制定今后教育目標。學習分析能夠幫助教師測驗、整理和報告學生學習現狀，協助教師理解、優化教學環境，提高課堂教學針對性，調動學生自覺參與學習的興趣，評估學生完成學業并取得成功的多重因素。但是如今學習分析正處于發展階段，對學生在線學習數據采集、數據應用自動化方面存在局限性，學生學習的個人隱私無法得到有效保障，需要國家加大學習分析的研究力度。

六、結束語

綜上所述，第四次工業革命的產生，推動了新工科的產生和發展，對高校工科教學質量提出更高要求，需要教師在組織工科教學中，根據社會對新工科人才的核心能力需求，制定多種教學模式，通過深度學習、混合學習、虛擬學習環境、學習分析等教學模式，促使學生以積極的態度參與到工科學習中來，大力培養學生探索學習能力，促使學生在掌握知識點的過程中有序提升核心能力，增強新工科課堂教育教學質量。