如何將設計嵌入本科工程教育

摘? ?要：“設計”在工程學習和實踐中的作用越發凸顯，設計能力正逐漸成為工程創新的關鍵部分。文章聚焦美國哈維穆德學院和史蒂文斯理工學院兩個典型案例，從培養方案、課程體系、支撐條件三個維度總結其模塊化嵌入的實踐特色，系統梳理將設計嵌入本科工程教育的經驗做法。研究發現，哈維穆德學院、史蒂文斯理工學院以設計流為主線，以集成式課程群為輔線，通過工程設計課程和項目活動的模塊化設計，實現了工科人才系統化、結構化知識的獲取。借鑒國外成功經驗，文章從課程體系、教學模式、支撐機制三個方面出發，為我國卓越工程師培養提供政策建議。

關鍵詞：工程教育；工程設計；課程體系；教學體系

中圖分類號：G712? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?DOI： 10.3969/j.issn.1672-3937.2023.12.03

一、設計在本科工程教育體系中的重要性

第四次工業革命以來，以生物技術、虛擬現實技術、量子信息技術和人工智能為代表的新興科學技術蓬勃發展，工程創新設計迎來前所未有的機遇與挑戰。2015年，國務院出臺《關于深化體制機制改革? 加快實施創新驅動發展戰略的若干意見》《中國制造2025》，強調要大力發展制造業領域的創新設計能力，以提升我國制造業的創新能力。2018年10月，教育部、工信部和中國工程院聯合印發《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，明確指出要以新工科建設為重點，繼續深化工程教育，加速培養高素質的工程技術人才，以適應和引導新一輪的技術革命和工業變革。一系列政策表明，科技創新已經成為國家創新驅動發展戰略的重要內容，而創新工程人才培養對于實現創新驅動、推動我國向制造強國跨越、建設創新型國家具有十分重要的作用。

設計是工程的核心[1]，工程設計作為決定工程產品體系和質量的關鍵環節，對促進現代工程創新發展發揮著空前重要的作用[2][3]。在工程學習和實踐中，“設計”元素變得越來越重要，設計能力正逐漸成為工程師創新能力的重要組成部分。[4][5]從知識的角度來看，設計是將知識從設計情境中剝離出來，然后進行再創造的過程。[6]從學習者角度來看，設計要經過接受設計任務、確定問題、尋找解決方案、實施方案驗證等多個過程，為實現設計解決方案，學習者要全身心投入到全階段學習過程中，并在解決問題的循環中進行自我知識構建。[7]當前，我國高等工程教育的教學模式、教學理念與“以學生為中心”之間仍有明顯矛盾，且對工程技術人才的培養依然存在理科屬性濃厚、工程倫理教育缺失、隊伍建設薄弱、產教融合不深入等問題[8][9]。設計是工程的本質，設計范式的工程教育改革或可成為深化“以學生為中心”的高等教育改革的有效實踐。

如何將設計有機融入工程教育，亟需開展理論研究和實踐探索。美國哈維穆德學院和史蒂文斯理工學院是國際上本科工程教育改革的先行者，本研究以兩所學校為研究對象，重點聚焦如何將設計嵌入本科工程教育，嘗試從中汲取對于我國設計范式的工程教育改革的啟示。

二、實踐案例：在本科工程教育中嵌入設計

（一）哈維穆德學院

哈維穆德學院（Harvey Mudd College，HMC）創建于1955年，“將實踐融入工程和科學教學”是其辦學的重要理念。作為一所的精英大學，哈維穆德學院十分重視本科生教育，尤其重視本科工程教育的改革與創新。1962年，哈維穆德學院的本科工程設計課程獲得美國工程教育協會工程認證委員會（ABET）的認證，本科工程系在2023年的《美國新聞與世界報道》（U.S.News & World Report）最佳工程培養項目評比中排名第二。哈維穆德學院工程畢業生的就業率極高，科學和工程博士畢業生占比在全美排名居首。

1.培養目標

20世紀60年代開始，哈維穆德學院大力創新工程課程，推行工程設計教育理念，對本科工程教育做出科學的設計，以培養卓越工程師。首先，科學設計課程體系，保證學校在科學技術方面的優勢；其次，支持學生自主學習，讓學生動手實踐，幫助其更好地理解工程項目；最后，設置系列項目培養學生的社會責任感，提升學校的國際影響力。

2.課程實施

哈維穆德學院堅持“系統、設計、體驗式學習機會、專業實踐”（Systems，Design，Experiential Learning Opportunities，Professional Practice， S-D-ELOs-PP）理念，強調工程專業課程設計的先進性、系統性及基礎性。設計類課程有序穿插在學生為期四年的工程課程中，實行由易到難的實踐和訓練，促進能力、知識和素質的提升和豐富。

依據S-D-ELOs-PP的理念，哈維穆德學院形成了以科學、技術、工程、數學（STEM）為核心的專業必修課程集群。核心課程共43.5學分，哈維穆德的在校學生必須完成每個專業至少一門課程的學習，例如，在校學生必須選擇物理學、計算機科學以及生物學等在內的至少一門工程核心課程，保證其工程基礎知識的獲取。此外，學校還加強人文、社會科學和藝術類課程的設置，藝術類課程學分在全部學分中占比高達33%，這在美國大學中十分罕見。哈維穆德學院認為，“脫離了人文學科的技術從來就不存在”。人文學科對工科學生倫理塑造是極為重要的，工科學生通過學習莎士比亞文學、語言文化、心理學、宏觀經濟學和攝影技術等選修課，感知自身的社會價值，提高未來作為工程師的社會責任感（見表1）。

3.教學運行

哈維穆德學院堅持“設計是工程核心”的理念，在入學第一學期安排設計課程教學，通過讓學生參與簡單的設計活動，提升他們對工程的感知和認同，從而豐富設計經驗、提升專業技能。例如，在大學一年級開設“工程設計與制造概論”課程，具體內容包括工程圖紙、概念設計和制造技術，旨在教授學生設計相關的方法，并培養其工程倫理與職業道德。在課程教學中，學生組成研究小組，集中解決顧客提出的工程設計問題，將理論知識運用到設計項目中，從而提高工程設計能力，為后續設計課程的領悟與學習夯實基礎。“設計圖示與實現”是一項開設于二年級的實踐性課程，旨在推動學生親身參與到實踐工作中。“實驗工程”是一門實驗室實操類課程，旨在教會學生在工程現場和實驗室使用儀器儀表，重點關注學生在現實系統中處理實驗問題、通過運行實驗來提高工程系統構造的能力。哈維穆德學院為大三、大四工程專業的學生開設為期三學期的工程臨床課程，它既是專業實踐的重要組成部分，又是工程設計高級課程。工程臨床計劃依托現實生活中的重大工程項目，每個項目選取4～5名大三、大四學生成立項目組，并由企業和學校分別派出一位指導教師，進行聯合指導，協助項目組完成企業的相關任務，項目內容包含開發模型設備或軟件、出具項目進展報告等。

4.績效評價

哈維穆德學院通常將學生實踐水平以及不同模塊的項目表現作為學業考核的重點。傳統的知識測試依然通過書面考試形式進行；項目考核則采用答辯與匯報結合的形式，一般覆蓋開題匯報、中期匯報以及總結匯報三個部分。學生的最終績效評價結果由項目合作伙伴以及教師共同決定，考查內容包括學生知識點掌握情況、學業要求完成情況以及項目完成過程。

5.支撐條件

為保證工程設計教育的主體性地位，哈維穆德學院組建了專門的服務機構進行保障。為了顯示工程學院對工程設計的重視程度，哈維穆德學院于1995年組建設計教育中心，專門針對工程設計領域進行教學與研究。依托設計教育中心，哈維穆德學院每兩年舉辦一次穆德設計研討會，向公眾推廣和展示設計對于工程教育的重要意義，穆德設計研討會在美國工程設計教育領域已經形成深遠的影響力。歷年來參與穆德設計研討會的人員均是該領域的佼佼者，他們定期探討工程設計教育各階段的問題與計劃，為美國工程設計教育的發展貢獻力量。自1997年以來穆德設計研討會每兩年召開一次，國內外不少高校踴躍參加，有力推動了全球工程教育的蓬勃發展。

（二）史蒂文斯理工學院

史蒂文斯理工學院（Stevens Institute of Technology，SIT）成立于1870年，由美國著名工程師、企業家埃德溫·奧古斯都·史蒂文斯的遺產捐助創立，是美國最古老的私立研究型理工學院之一。學校坐落于新澤西州的霍博肯市，隸屬于紐約大都會區，與紐約曼哈頓島隔河相望。史蒂文斯理工學院專注于社會需求的七個關鍵領域：人工智能、機器學習和網絡安全，數據科學和信息系統，復雜的系統和網絡，金融系統和技術，生物醫學工程，醫療保健和生命科學，以及彈性和可持續性。

1.培養目標

史蒂文斯理工學院是一個以工程、科學和管理項目為主的研究型大學，強調學生創新精神和企業家精神的培育。目前，史蒂文斯理工學院關注國際前沿研究領域，積極鼓勵本科生參與學校技術創新與研究項目的開發，并與之配備了優越的校企合作條件。史蒂文斯理工學院的學生均可選擇校內任意一個五年制合作教育項目，第一年和第五年在學校全職完成課程，其他時間可以兼職工作，且只需交四年學費。

2.課程實施

史蒂文斯理工學院以設計大綱為中心，貫穿8個學期的設計大綱成為其本科工程教育實施的基石（圖1所示的每個框為一門設計課，方框中列舉的是工程科學的一門與設計課相結合的課程）。設計大綱是史蒂文斯理工學院課程設計的核心，旨在通過系統化的方法，培養學生的問題解決、經濟管理、工程倫理、團隊協作及產業生態等關鍵技能。史蒂文斯理工學院的設計大綱主要包括9門設計課程，前4門設計課程是以結構化形式進行（安排在1～5個學期），旨在幫助學生對有關設計問題進行了解；與專業有關的3門設計課程則以模塊化方式進行（安排在6～8學期），幫助學生了解與產品、工藝等有關的核心問題。在最新的課表里，這些課程被重新命名為“工程設計1～8”（Engineering Design I-Ⅷ），1～5為工程類的通識課程，6～8為各專業核心課程。

與傳統的課程體系相比，團隊溝通、計算機應用、社會倫理等主題在史蒂文斯理工學院設計大綱中得到強化。設計大綱與同期的工程科學課程緊密結合，極大地提高學生的期望值以及對科學與工程學的認識。史蒂文斯理工學院的課程體系根據雇主對工程專業人才的預期，融合了溝通技能、團隊合作、項目管理、經濟等方面的知識，全面提升學生的職業勝任力。

3.教學運行

自1991年起，史蒂文斯理工學院就實施基于“設計流”的教學模式，覆蓋了大一、大二、大三的多門核心課程，由在職或剛退休的工程師擔任教師。為達到 ABET 2020認證的要求，史蒂文斯理工學院以“設計流”為依據，加強核心設計課程，并對課程策略進行調整，保證其工程類課程符合認證要求。調整的內容包括：重新定義教學目標，建立以能力為基礎的目標系統；對畢業生進行回訪，調查他們在就業過程需要的問題解決、團隊協作、交流能力以及項目管理等方面的技術和能力。

4.績效評價

除傳統的課程評價外，史蒂文斯理工學院也很注重工科學生溝通技能、團隊協作、項目管理能力的評價。為此，史蒂文斯理工學院在課程中設計了多種學生學習過程追蹤評價的工具。除了項目或作品成果，學生每學期還需要反思的學習進展和下一步的目標，每個學期末學生都會得到個人導師和任課教師的學業反饋。

5.支撐條件

第一，史蒂文斯理工學院設有專業的教研組織，針對學生的培養方案和培養過程進行研討和調整。同時，史蒂文斯理工學院具有豐富的教師資源，其師生比達1∶12。第二，史蒂文斯理工學院資金雄厚，除了基本的實驗設備和相關平臺，還為每個學生配有筆記本電腦和相關專業軟件。第三，史蒂文斯理工學院與企業合作緊密，開設校企合作課程與項目，學生在校期間可以到高露潔、強生、埃克森美孚等企業實習。

（三）案例小結

哈維穆德學院、史蒂文斯理工學院的本科課程方案均關注工科人才系統化、結構化知識的獲取，兩所高校在圍繞工程思維和設計項目的模塊化設計方面特色突出。

從培養目標來看，均強調工程人才的復合能力培養。一方面，二者均注重夯實學生工程和技術素養，關注學生工程思維和專業能力的培養。無論是哈維穆德學院對“設計集成課程”的反思，還是史蒂文斯理工學院對“設計大綱”的規劃，均體現出兩所高校對工程思維的重視。另一方面，兩所學校依托系部、院校間的合作形成多層次的資源整合保障，最大程度上實現了工程課程資源的整合，形成了多層次的工程課程體系。

從課程實施來看，均強調將專業核心知識融入設計項目，促進多學科知識的融會貫通。哈維穆德學院在本科階段設置了三大學習模塊，每個模塊設置特定的主題項目，根據項目需求將不同形式的課程和學習活動（講座、工作坊等）嵌入到主題模塊中，不同模塊之間相互區別又彼此聯系，學生通過參與模塊化團隊解決工程實際問題。史蒂文斯理工學院將8門核心課程串聯為完整的學習線，將工程、技術、設計有序融入其中，保證學生掌握專業技能和進行知識轉化。

從教學來看，均關注項目制教學的運用。無論是橫向整合還是縱向貫通，都在兩校項目設置中得以充分體現。在項目設置上，兩所學校注重回應社會真實需求，讓學生在項目中學以致用，打通理論和實踐之間的界限。哈維穆德學院和史蒂文斯理工學院在課程體系上分別設置了8個和6個設計項目，設計項目內容由淺入深，學生解決的問題也由簡入繁，有效保證了學生在項目實操中循序漸進地吸收和轉化相關理論知識。

從績效評價來看，均強調學生學習過程和學習結果的雙向評價，除了學業成績、小組合作成績，專業成績、溝通技能、交流能力等綜合能力也是其考查的關鍵。此外，完成模塊化項目是學生獲得學位計劃的必要條件，所有學生均被要求完成學位論文。

從支撐條件來看，兩所學校對院系和專業提出較高的要求，需要實踐平臺、信息資源、校企合作關系等資源配備；需要跨學科師資和實踐型師資等師資配備；同時需要創新文化、強有力領導和專門的教育管理和研究機構等組織文化支撐。

三、實踐特色：模塊化嵌入

兩所大學以工程設計為核心，通過1～4年的模塊化專業課程設計，保障學生對工程學科進行系統化學習。

（一）培養方案：以集成式設計課程群為主線

兩所大學以集成式的設計課程群為主線，通過真實設計項目來提高工科學生的自主性。在本科工程教育體系中，兩所學校以工程設計為主線，引導學生參與項目設計、工程設計等活動，并以模塊化課程為暗線，將工程知識一體化、實踐性設計、創造性產出等有機結合起來。挑戰性教學、逆向思維等教學方式在培養方案中尤其受到重視，這些載體和工具能夠有效培養學生的設計思維，進而提升學生的工程學習成果。為了避免由于“設計”而導致的課程零散，兩所大學有機整合了理論課程、體驗課程、實踐課程。其中，理論課程布局于傳統課堂教學中，體驗課程則更多關注學生在實際工程場景的模擬和仿真，實踐課程則讓學生實地學習和操作。

（二）課程體系：保證課程結構的科學性和系統性

兩所大學的課程設置遵循以下幾個基本原則。第一，遵循通識課、專業基礎課、專業核心課等課程的基本要求。在以設計為基礎的工程教學中，學生必須先完成數學基礎（包括微積分、線性代數、大學物理）、人文社科（英語、文學、藝術、思政）等課程。第二，工程基礎課程仍以設計為主線。具體的設計方案與不同的課程群是有聯系的，每個課程群的設置都與設計緊密相連，每個學生都可以根據不同的喜好來選擇不同的課程。第三，工程專業知識遵循縱（課程群）橫（課程模塊）交錯。從縱向上講，課程設置是以設計流程為主線，一種設計對應1～3個不同類型的課程。從橫向上講，覆蓋工程基礎課程、工程情境課程、工程設計課程、工程創業課程模塊等專業核心課程。第四，在原有的課程體系中，突出了工程教育集成、實踐和創新的特點，并非單純地進行課程的“加法”。

（三）支撐機制：重視行業參與，創新評價方式

從兩所大學的運行機制來看，大學工程教育體系內外部的資源流動、信息流動和人才流動始終處于高度集中的狀態。兩所大學充分吸收行業力量，擴大行業參與的深度和廣度，有效促進了工程技術人才的培養。例如，哈維穆德學院組織穆德設計研討會，邀請業界參與工程技術人才的培訓計劃，找到產業發展和人才培養的契合點，讓產業界“更接地氣”地制定出設計的任務，把實際的工程問題變成可供操作的學術課題。此外，兩所大學皆關注行業需求，創新考核方式。兩所大學以設計過程和作品為評估核心，以學生在設計過程中反映的素質能力為衡量標準，全面考慮各個階段的評價標準，構建科學性、創新性的評價方式，推動高質量工程人才的培養與發展。

四、結語

在本科教育中，獨立開設工程設計課程的簡單形式難以快速見效，如何將設計系統嵌入本科工程教育實踐成為關鍵。哈維穆德學院和史蒂文斯理工學院以課程模塊和項目群為突破重點，將工程設計課程模塊化嵌入到工科學生的核心培養方案中，實現卓越工程人才的培養。

兩所大學所建構的工科課程體系，是個體學習過程與組織模式構建的整合，能夠為我國高校踐行設計導向的工程學習模式提供有效借鑒。我國未來或可從課程體系、教學模式、制度設計三個方面出發，系統化、全局性地思考、建構與布局工程設計課程，以有效提升我國工程師培養的效率和質量。一是強調以“解決工程問題”為導向的整合式設計課程理念，打破學科界限，將相關學科、領域的知識進行系統性重組與劃分。二是轉變以往教師主導的課程教學模式，在課程中有機融入高質量的設計任務模塊，鼓勵學生主動參與到課程建設、教學設計和質量評價中，主動參與完整的設計任務過程，提高學生對工程知識及工程應用的深度理解。三是利用產教融合、校企結合等制度機制，設立設計類實踐課程，鼓勵學生親自設計、操作與體驗真實的工程問題，支持學生代入工程師身份與業界工程師就工程問題進行互動討論，尋求創造性的解決方案，以實現對已學知識意義的理解與動態構建。

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How to Embed Design in Undergraduate Engineering Education

—Taking Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology as Examples

WEI Lina1，2

（1. Graduate School of Education， Beijing University， Beijing 100871，China；

2. National Center for Health Professions Education Development，Beijing University， Beijing 100871， China）

Abstract： “Design”plays an increasingly prominent role in engineering learning and practice， and design ability is gradually becoming a key part of engineering innovation. Focusing on two typical cases of Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology in the United States， this paper summarizes the practical characteristics of modular embeddedness from three dimensions of training program， curriculum system and supporting conditions， and systematically reviews the experience of designing embeddedness in undergraduate engineering education system. The study found that Harvey Mudd College and Stevens Institute of Technology have achieved systematic and structured knowledge acquisition for engineering talents through the modular design of engineering design courses and project activities by using the design stream as the primary path and integrated course clusters as the supporting path. Drawing on successful foreign experiences， this paper provides policy suggestions for the cultivation of excellent engineers in China from three aspects： curriculum system， teaching mode and support mechanism.

Keywords： Engineering education; Engineering design; Curriculum system; Teaching system

編輯 王亭亭? ?校對 朱婷婷

作者簡介：魏麗娜，北京大學教育學院博士后、北京大學全國醫學教育發展中心助理研究員（北京 100871）

基金項目：中國博士后科學基金第73批面上資助項目“校企聯合培養對工科博士生實踐創新能力影響機制研究”（編號：2023M730059）；國家自然科學基金青年項目“校企聯合培養對工科博士生創新能力影響機制研究”（編號：72304020）