如何培養(yǎng)新工科人才的思維能力*
——以麻省理工學院新工程教育轉型為例

覃麗君 王建梁

一、問題的提出

新工科人才思維能力的培養(yǎng)不僅是我國新工科建設的重要內容,也是國際工程教育界關注的重點議題。2017年,我國啟動新工科建設。教育部在新工科建設“北京指南”中明確指出,要培養(yǎng)新工科人才的批判思維、設計思維、工程思維、數字化思維、工程管理思維及工程倫理思維。[1]同年,工程教育翹楚、世界一流大學麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)啟動了新工程教育轉型(New Engineering Education Transformation,NEET),創(chuàng)造性地提出了NEET思維方式(Ways of Thinking,WoT)。2018年,魯斯·格雷漢姆(Ruth Graham)博士在《全球工程教育現狀》(The Global State Art of Engineering Education)中指出,工程人才思維能力的培養(yǎng)受到新加坡、澳大利亞、荷蘭等國高等教育機構高度重視,包括系統(tǒng)思維、設計思維等。[2]2021年6月修訂的《華盛頓協議》(Washington Accord)及2022年8月發(fā)布的第3版CDIO教學大綱(CDIO Syllabus v3.0)也對工程人才的思維能力進行了重點強調,包括批判思維、創(chuàng)造思維、計算思維、反省思維等。

作為新工科改革的國際典型案例,NEET備受關注,其影響力不斷提升,學生規(guī)模不斷擴大,2022年已達到230余人。[3]作為NEET的三大創(chuàng)舉,思維方式、項目中心式課程(project-centric curriculum)及跨學科串聯(cross-departmental threads)也開始成為學界關注的熱點話題。[4]雖然思維方式提出時間最早,與NEET構想同步,于2016年就已形成了雛形[5],但目前學界主要研究范疇包括NEET框架[6]、課程體系[7]、課程組織模式[8]、內容與內在邏輯等[9],對NEET思維方式及其培養(yǎng)機制的探討仍有一定空間。不僅如此,根據MIT的調查,新工科人才思維能力的培養(yǎng)取得了較好成效,有研究價值。以倫理思維為例,學生總體持積極態(tài)度,以李克特五級評分,大二學生給4.2-4.7分,大三學生給3.8-4.1分。[10]其他反饋意見包括倫理思維模塊的學習是值得的;建立了倫理概念與真實世界、自身學習之間的聯系;開始深入思考倫理問題;對未來從事工程師工作有幫助等。[11]

基于此,本研究以NEET為典型案例,試對思維方式培養(yǎng)機制進行系統(tǒng)分析,以期為我國新工科人才思維能力的培養(yǎng)提供參考。為獲得案例最新信息,同時交叉驗證已有材料,2022年11月,研究對NEET專門負責思維方式課程開發(fā)、教學、測評工作的相關教師進行了訪談,獲取了目前存在的問題、最新變動及最新教學大綱等數據。

二、是什么：NEET思維方式的定義及結構

NEET思維方式是應對復雜挑戰(zhàn)的認知性路徑與能力,旨在幫助學生個體及學生在團隊中工作時學會終身有效且高效的自主思考、規(guī)劃及學習能力。[12]該思維方式是一個多維結構,由12種思維組成。[13]

(1)制造。發(fā)明和創(chuàng)造以往不存在的技術人工物,通過與CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate)理念相關的產品和系統(tǒng)傳遞價值理念。

(2)發(fā)現。通過探究、識別及生產新的知識推進社會及世界知識的不斷發(fā)展。

(3)人際交往。能與他人互動,能理解他人,包括溝通、傾聽、領導團隊、與他人協作、建立協作網絡、倡導與引領變革。

(4)個體能力與態(tài)度。具備主觀能動性、判斷力及決策力,有社會責任感、靈活性與自信,能遵守道德并正直行事,并致力于終身學習,包括培養(yǎng)倫理性思維。

(5)創(chuàng)造性思維。能通過深入、專注的思考孵化新的想法,有意識地闡明與表達新的思考與想法,采取行動予以驗證,從而形成新的、有價值的東西。

(6)系統(tǒng)性思維。面對復雜性與模糊性時,能夠通過檢驗情境中相互關聯的各要素來預測整體。

(7)批判與元認知思維。通過觀察、體驗或交流等方式收集相關信息,對這些信息進行分析與評估,據此判斷某一概念、產品或過程的價值或有效性。

(8)分析性思維。采取系統(tǒng)性、邏輯性的工作方法分解事實并解決問題,運用理論、建模、數字分析等方式識別因果關系并預測結果。

(9)計算性思維。通過應用計算機編程的基本結構(如抽象、模塊化、遞歸)、數據結構、算法及計算來理解物理、生物及社會系統(tǒng)。

(10)實驗性思維。開展實驗獲取數據,包括選擇測量方法、確定驗證數據的程序、提出并檢驗假設。

(11)人本主義思維。形成對社會及其傳統(tǒng)、制度等的整體理解,包括人類文化、人類思想體系、藝術表達方式、社會的政治經濟框架等。

(12)學會如何學習。自主思考和自主學習的認知性路徑。

三、怎么培養(yǎng)：NEET思維方式培養(yǎng)機制

(一)開發(fā)大一到大四全學段思維能力課程

1.開設大一本科生思維方式選修課

自2020年秋季以來,NEET團隊開始開設面向全校大一新生的選修課——發(fā)現思維方式的神奇之處：NEET!該課程有三大目標：第一,幫助學生理解分析性思維、創(chuàng)造性思維、制造、系統(tǒng)性思維等重要概念;第二,幫助學生把這些概念與特定的方法、工具及技術聯系起來;第三,幫助學生利用特定的方法、工具及技術迎接與眾不同的挑戰(zhàn)。[14]根據訪談教師提供的教學大綱,2022年秋季學期的選修課從9月12日到12月12日,持續(xù)13周,來自數字化城市、自動機器、氣候與可持續(xù)系統(tǒng)、生命機器4個NEET串聯的教師共同開發(fā)課程并輪流授課。

2.開發(fā)大二至大四本科生思維方式課程模塊

在選修課的基礎上,NEET團隊開發(fā)了僅面向大二至大四NEET入選學生的思維方式專門課程——思維方式模塊(Ways of Thinking Module)。[15]每個課程模塊約90分鐘,通過串聯項目課(project class)授課。串聯項目課是圍繞某一主題有意識、有目的地構建的一系列相互銜接、難度逐漸遞增的若干研究項目組成的有機式項目集成,體現出跨學科性。[16]通過這種授課方式,新工科人才思維能力的培養(yǎng)能更好地與特定的串聯主題結合起來。

其他的串聯項目課如數字城市(Digital Cities)通過城市與環(huán)境技術應用實驗室、眾包城市：市政技術原型等培養(yǎng)學生的分析、計算等思維;氣候與可持續(xù)系統(tǒng)(Climate &Sustainability Systems)通過設計思維與快速原型入門等為學生提供設計類練習和動手實踐參與項目的機會,培養(yǎng)學生的設計、創(chuàng)造、問題識別、人際交往及快速原型化等思維;生命機器(Living Machine)通過沉浸式研究的微流體裝置或芯片器官等實驗培養(yǎng)學生的實驗思維、設計思維。

(二)采取多樣化的教學策略

1.明確思維方式的學習結果

NEET明確了思維方式的學習結果,為新工科人才思維能力的培養(yǎng)指明方向。[18]

倫理思維的學習結果包括：(1)能認識到工程活動與道德之間的密切關系;(2)能認識到工程決策在何時具備道德性影響;(3)能運用道德推理來指引工程決策;(4)能評估工程決策對個體及社會環(huán)境的影響。

批判性思維的學習結果包括：(1)能將看似封閉的自治系統(tǒng)概念化為包括人類各種選擇的異質性社會技術系統(tǒng);(2)能認識到不同形式的成本與收益;(3)能認識到并回應技術系統(tǒng)和人類各種選擇所隱含的競爭性及政治性本質。

學會如何學習的學習結果包括：(1)能識別知識存在的特定環(huán)境,知道知識不存在于真空之中;(2)能識別不同類型的知識及何種類型的知識存在于何種環(huán)境中;(3)能使用恰當工具和策略檢索并使用信息資源,用于開展學習活動;(4)能識別出未解決的問題,并用它們去闡釋還需知道或理解的內容;(5)能圍繞一個研究問題形成并審視自己的想法及相關理論,以此指引自己的工作;(6)能理解社會上存在的各種偏見,了解偏見是如何影響知識形成及知識創(chuàng)新的;(7)能認識到所從事的工作及所屬領域其他人的工作在更宏觀層面的社會性及歷史性影響;(8)能認識到自身的能動性,并能采取相關策略、形成實踐方案,幫助人類更平等、更多途徑地獲取各類知識,并從知識中獲益。

2.推出配套的信息化學習資源

割草裝置的轉向部分主要由電機和減速機構構成。減速機構的主要作用是增大電機的轉矩, 減速比越大, 轉矩也越大。參考后輪驅動傳動減速機構設計，轉向部分傳動機構也采用齒輪三級傳動減速，其中，傳動比

為跟上智能時代教育數字化、智能化的發(fā)展趨勢,NEET于2021年11月開始推出與思維方式配套的信息化學習資源——NEET學習插件。每個學習插件由一個10分鐘左右的學習視頻和一份包含3個題項的反思性作業(yè)組成。學習插件的研發(fā)整合了多學科資源,由NEET與MIT眾多院系專家共同研發(fā),與思維方式課程模塊配套。如創(chuàng)造性思維由NEET、建筑與規(guī)劃學院負責;倫理性思維由NEET及人文、藝術與社會科學學院語言學與哲學系負責;學會如何學習由NEET、圖書館負責。[19]2021年秋季學期推出的學習插件為“工程師的倫理性思維”,其他學習插件的研發(fā)工作正在進行中。

3.強調參與式設計教學理念

基于參與式設計(participatory design)教學理念,NEET團隊融合案例教學法、反思教學法等方法培養(yǎng)新工科人才的思維能力。其核心是學生作為聯合設計師(co-designer)參與整個設計過程。

以“工程設計中的倫理性思維”為例[20],圍繞“智能家居系統(tǒng)”設計案例,學生參與整個設計過程,形成切實的工程設計體驗,認識到工程設計中的倫理道德兩難困境(ethical dilemma),進而理解與工程設計相關的各種價值觀,掌握各種價值觀的不同取向,分析各種價值取向的利弊及相互之間存在的沖突,最終形成倫理性思維。具體教學包括以下五個緊密聯系的環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)一：教師指出工程設計中不同的價值觀對應不同的工程設計方案。如工程設計中的倫理道德兩難困境需符合4個方面的要求：有2種及以上的設計決策、有2種及以上的相關價值觀、不同設計決策的價值觀取向不同、沒有價值觀占據統(tǒng)治性或主導性地位。

環(huán)節(jié)二：以荷蘭東謝爾特擋潮閘為案例,教師展示工程設計與價值觀取向之間的關系,如安全性與生態(tài)關懷之間的沖突(見表1)。[21]

表1 荷蘭東謝爾特擋潮閘案例中的倫理價值觀

環(huán)節(jié)三：教師引入參與式設計、聯合設計師等術語,給出價值觀分析的三個維度：價值性(什么是好的)、功能性(什么是有用的)及藝術性(什么是美的)。

環(huán)節(jié)四：教師指出工程設計中的倫理思維貫穿整個設計過程,包括移情-定義-構思-原型-測試(empathize-define-ideate-prototype-test)。

環(huán)節(jié)五：教師指出完成“智能家居系統(tǒng)”工程設計的相關要點。包括如何實現參與式設計、如何明確不同組合家庭(如2大3小、2大1小等)的設計需求、如何明確可能出現沖突的相關價值觀(如安全性、便利性、隱私性、透明度、包容性、正義等)等。

最后,學生需完成如下反思作業(yè)。第一,給出真實世界中存在的道德兩難困境案例。案例可來自任何領域或學科,不限于科學、工程等。指明案例所涉及的兩難困境及相關的至少兩種價值觀。包括商業(yè)性、便利性、生態(tài)關懷、包容性、正義、隱私、安全性、透明度等。第二,指出兩難困境的解決方案,并分析解決方案存在的問題。如果該困境并未解決,則分析為何沒有解決。第三,針對該兩難困境,給出更好的解決方案,并描述設計解決方案的過程。給出的方案需與案例涉及的價值觀相關。[22]

4.開發(fā)思維方式教學與評價框架

通過訪談得知,NEET開發(fā)了思維方式教學與評價的框架：SAFO(System,Architecture,Function,Outcomes)框架。SAFO包括系統(tǒng)、結構、功能、結果等要素。系統(tǒng)指技術工程系統(tǒng)。結構指系統(tǒng)的結構,即該技術工程系統(tǒng)是什么,如何運作。功能指系統(tǒng)的功能,即該系統(tǒng)有什么功用,能夠做什么。結果指系統(tǒng)的結果,即該系統(tǒng)緣何存在,其功用如何影響社會。2022年秋季學期,教師已開始要求學生用SAFO框架展示挑戰(zhàn)項目的解決方案,運用OPCloud、CAD對該框架進行概念化、可視化、原型化。

(三)資助NEET思維方式培養(yǎng)研究項目

自2020年以來,MIT共資助了7個思維方式培養(yǎng)研究項目,見表2。[23]資助來自MIT副校長辦公室管理的阿貝洛夫卓越教育基金(d’Arbeloff Fund for Excellence in Education)設置的NEET專項基金。[24]

(四)設計系列跨學科挑戰(zhàn)項目

跨學科挑戰(zhàn)項目依托一個串聯,以一種思維方式的培養(yǎng)為重心。學生以獨立作業(yè)、小組合作等方式完成挑戰(zhàn)。每個跨學科挑戰(zhàn)項目持續(xù)約2周。表3為2020年的挑戰(zhàn)項目。[25]表4為2022年的挑戰(zhàn)項目,來自訪談教師提供的2022年秋季學期教學大綱。

表3 2020年的挑戰(zhàn)項目

表4 2022年的挑戰(zhàn)項目

(五)構建跨院系組織合作機制

MIT構建了跨院系組織合作機制,對全校不同院系的資源進行跨學科整合,實現思維能力培養(yǎng)資源的最佳組合。例如,制造思維由工程學院創(chuàng)客空間負責;發(fā)現能力由理學院負責;人際交往能力由斯隆管理學院負責;個體能力與態(tài)度(如倫理思維)由語言與哲學系、工程學院戈登工程領導力項目負責;創(chuàng)造性思維由建筑與規(guī)劃學院建筑系負責[26];系統(tǒng)性思維由數據、系統(tǒng)與社會研究所負責;批判與元認知思維由科學、技術與社會項目、J-WEL世界教育實驗室、歷史系、人類學系負責;分析性思維、實驗性思維由工程學院各系負責[27];計算性思維由電子工程與計算機科學系負責;人本主義思維由人文、藝術與社會科學學院負責;學會如何學習由MIT圖書館負責。[28]

(六)對接產業(yè)界對人才的思維能力需求

為對接產業(yè)界需求,NEET對40余位高級經理人、40余名知名校友及通用公司等知名企業(yè)進行了調研。[29]調研內容包括按重要性為各思維方式打分、指出存在的問題等。產業(yè)界的反饋意見為人際交往、個體能力與態(tài)度、分析性思維的重要程度最高,其次為實驗性思維、制造、發(fā)現、創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、批判與元認識思維、計算性思維及人本主義思維;MIT畢業(yè)生亟需增強的是人際交往、系統(tǒng)性思維;建議增加第12種思維方式——學會如何學習。[30]基于調研結果,NEET按重要性程度對思維方式進行了排序,著重培養(yǎng)新工科人才的創(chuàng)造性思維、學會如何學習、個體能力與態(tài)度、制造及系統(tǒng)性思維,并增加了第12種思維方式。來自通用公司和波音公司的工程師也通過指導研討、項目課及頂石項目參與了新工科人才思維能力的培養(yǎng)過程,實現了與產業(yè)界需求的深度對接。

四、學什么：總結與啟示

(一)重視新工科人才思維能力的培養(yǎng)

新工科人才思維能力的培養(yǎng)是我國新工科建設的重要內容,也是當前國際工程教育界關注的重要議題。2022年11月,NEET進一步強調,設計、制造、原型化是思維能力培養(yǎng)的核心要素。[31]在新工科建設不斷推進的背景下,我們需高度重視新工科人才思維能力的培養(yǎng)問題。如制定明確的新工科人才思維能力培養(yǎng)目標;順應智能智造時代要求,按優(yōu)先級排列需重點培養(yǎng)的思維,如創(chuàng)造性思維、制造思維等;設置專項基金,加強研究,深入把握思維能力的本質屬性、具體表現、生成機制;開發(fā)思維能力課程,創(chuàng)新教學組織形式與教學方法,提高思維能力培養(yǎng)成效;整合多樣資源,構建科學的培養(yǎng)支持機制等。

(二)開發(fā)貫通式思維能力跨學科課程

NEET構建了貫通大學四年的全學段思維能力跨學科課程。雖然目前我國部分高校開設了思維能力培養(yǎng)相關課程,但存在系統(tǒng)性與貫通性不足及跨學科性不明顯的問題。基于此,我國可根據不同年級新工科人才的培養(yǎng)需求,開發(fā)一體化、貫通式、全學段、跨學科思維能力培養(yǎng)課程。例如,通過通識教育課程模塊開發(fā)大一思維能力課程,重點強調通識性與入門性;通過專業(yè)課程模塊開發(fā)大二、大三思維能力課程,對思維能力進行進階培養(yǎng),輔以實踐領域的代表性案例,對制造思維、系統(tǒng)性思維、倫理思維等進行特別強調;通過實習實踐、跨學科項目等實踐性較強的課程培養(yǎng)大四學生的高階思維能力;引入思維能力的復雜概念、多樣方法等,輔以更多的真實世界存在的跨學科實踐案例,實現更為系統(tǒng)的學習;增加小組活動,重點關注學生運用創(chuàng)造、制造、人際交往、學會學習等多樣思維解決真實世界復雜問題的能力等。

(三)發(fā)揮有機式項目集成的作用

串聯是NEET三大創(chuàng)舉之一,是有機式項目集成。通過各類有機聯系、難度逐漸遞增的項目集成,新工科人才有機會超越學科限制,了解真實的社會問題,也能通過具體的實踐活動提高解決復雜社會問題的能力。我國也需注重發(fā)揮各類有機式項目集成的作用。如圍繞特定主題有意識、有目的地構建系列項目,確保各項目的難度逐漸遞增,為新工科人才思維能力的培養(yǎng)提供貫穿大學四年的持續(xù)性支持;大一、大二主要開展個人項目或2人項目;大三主要開展3-5人小組項目;大四可開展人數更多的大型項目等。在項目主題選取與項目設計的過程中,也需整合多方資源,收集思維能力研究專家、產業(yè)界專家、專業(yè)課教師、通識課教師及學生等多元主體的意見,確保項目的典型性與代表性,反映真實世界的復雜問題,同時也符合思維能力的發(fā)展規(guī)律,切實促進思維能力的發(fā)展。

(四)創(chuàng)新思維能力評價方式

根據訪談,NEET通過SAFO框架、分析NEET教學大綱、獲得師生的評價與反饋意見、學生完成實踐作業(yè)等方式評價新工科人才思維能力的發(fā)展情況。為提高評價科學性,NEET也計劃在未來采取更多樣化的評價方式,包括形成性評價、總結性評價、增值評價、對照實驗等。訪談教師也特別指出,由于無法有效區(qū)分NEET教育活動與其他教育活動對學生思維能力發(fā)展的影響,所以目前較難開展控制實驗。

基于NEET的經驗教訓,在當前不斷推進教育評價方式改革的背景下,我國可通過創(chuàng)新評價方式準確評價新工科人才的思維能力發(fā)展情況。例如,開發(fā)思維能力教學與評價框架、開展表現性評價及增值評價、關注新工科人才在實踐中運用思維能力的情況、及時了解師生的反饋意見、建立思維能力發(fā)展檔案、開展設計良好的對照實驗明確思維能力發(fā)展的各項影響因素、建設智慧學習空間并運用現代智能技術監(jiān)測思維能力發(fā)展情況等。

(五)構建完善的思維能力培養(yǎng)支持機制

雖然MIT構建了思維能力培養(yǎng)跨院系組織合作機制,但在實踐中仍存在合作機制表面化的問題。這些問題包括使用的術語不一致,如批判性思維、倫理思維教師團隊均使用“批判性思維”,但定義、內涵有所不同;不同課程模塊的內容重復,如創(chuàng)造性思維、學會如何學習等模塊均包括利益相關者等內容;各模塊授課時長不一致;思維方式課程模塊與NEET各串聯的融合度不足,如自動化機器串聯中呈現的案例與機器人、自動化關聯度有待進一步提升等。

NEET教師在訪談中指出,出現以上問題的主要原因在于承擔思維方式教學工作的部分教師來自MIT其他院系,但是他們并未深度參與NEET,與NEET團隊合作不足,導致開展的教學活動游離于NEET教育目標,學生難以內化并在實踐中運用所學知識。

基于以上經驗教訓,為提高思維能力培養(yǎng)成效,我國可構建更為完善的思維能力培養(yǎng)支持機制,為新工科人才的思維能力發(fā)展提供系統(tǒng)性支持。例如,深化通識教育課程教師與專業(yè)課程教師之間的合作與聯系;加強跨學科平臺與組織的建設,促進不同學科教師之間的交流與合作,助力教師達成對思維能力培養(yǎng)的深度共識;開發(fā)一致性較強、術語定義不沖突、內容重復少、與各專業(yè)培養(yǎng)目標融合度較高,且體現各專業(yè)特色的思維能力培養(yǎng)課程等。

(六)對接社會對新工科人才的思維能力需求

MIT通過對產業(yè)界進行調研對接社會對人才思維能力的需求,產業(yè)界也通過深度參與新工科人才的培養(yǎng)過程反饋對人才思維能力的要求。隨著現代智能技術的不斷發(fā)展,社會變遷速度不斷加快,各種技術層出不窮,我國也需要對接社會對新工科人才思維能力的需求,如對企業(yè)家、產業(yè)界、用人單位、知名校友等進行調研,明確思維能力的內涵、結構;對各思維打分,排列優(yōu)先級,為高校培養(yǎng)新工科人才的思維能力提供方向指導;構建產業(yè)界、用人單位等深度參與人才思維能力培養(yǎng)的有效機制;在教育教學過程中融入真實世界的復雜問題作為案例或者實踐項目;邀請業(yè)界專家開展講座及承擔具體的教學工作,為學生了解真實的社會問題,通過動手操作開展實踐活動解決真實世界的各類復雜工程問題提供支持等。