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繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學方法

　　【作者簡介】
　　陸一平,聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學合作教席副研究員,北京交通大學機電學院副教授;查建中,聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學合作教席主持人,北京交通大學機電學院教授。

　　參考文獻
　　[1]查建中、何永汕:《工程教育改革的三大戰(zhàn)略》,北京理工大學出版社2009年版。
　　[2]融亦鳴:《基于項目的教育:美國伍斯特理工學院的“雙塔傳統(tǒng)”》,《中國高�？萍寂c產(chǎn)業(yè)化》2008年第11期。

　　工程教育的目標就是要培養(yǎng)符合經(jīng)濟社會發(fā)展要求的合格工程師,而國內外的發(fā)展則要求我們改革現(xiàn)行的工程教育方法。正如筆者之一在《工程教育改革的三大戰(zhàn)略》一書中所提出的,改革的整體戰(zhàn)略包括三項內容:做中學、產(chǎn)學合作、國際化[1]。
　　工程教育改革是當前世界范圍內被高度重視的領域。2000年,美國工程院院士、麻省理工學院航空航天系教授聯(lián)合幾所世界著名工科大學,爭取到1600萬美元,經(jīng)過4年的探索,創(chuàng)立了構思-設計-實現(xiàn)-運作為主線的CDIO工程教育模式。CDIO是“做中學”和“基于項目的教育和學習”的集中體現(xiàn),它定義了工程教育所必不可少的“關聯(lián)”環(huán)境,包括12條標準[2]。這12條標準涵蓋了教學全過程,從引入工程職場環(huán)境作為工程教育的環(huán)境,到建立職場需求的人才能力大綱、課程體系、學科關聯(lián)、教學方法、師資培養(yǎng)、學生和專業(yè)評價,強調人才的通用能力和工程素質,而不是某一工程領域和具體項目所涉及的具體知識。
　　工程教育改革的三大戰(zhàn)略、CDIO標準和能力培養(yǎng)目標必須通過具體的教學活動才能實現(xiàn)。因此,就存在一個由戰(zhàn)略、標準和規(guī)劃向教學活動的映射(mapping)問題———從整體上看,必須完成向學生培養(yǎng)方案的映射,亦即培養(yǎng)方案層次上的改革;從局部上看,必須完成向各個教學環(huán)節(jié)的映射。
　　戰(zhàn)略、標準和目標是方向上的,是抽象層次上的哲理和規(guī)則,而在具象的課堂改革上則可以是多種多樣的。本文主要從課堂教學改革方面,介紹并評析筆者見到的三個有突出特色的國外名校教授的課堂教學方法創(chuàng)新。這些創(chuàng)新都是現(xiàn)代工程教育改革的戰(zhàn)略、方法、目標在微觀具象上的實現(xiàn)。
　　課堂教學是工程教育改革的第一線,希望本文能為辛勤工作在課堂教學戰(zhàn)線的工科教師的教學改革提供一些思路上的參考。
　　一、團隊合作、碰撞火花、“做中學”———Alexander Slocum的機械設計課堂教學
　　1.課堂背景。
　　AlexanderSlocum教授是MIT機械工程專業(yè)的教授,主講機械設計學。Slocum 1992年編寫的《精密機械設計》[3]一書不但是美國流行的工科教材,而且是工業(yè)界公認為較有價值的參考手冊之一。2005年他出版了一本名為《設計基礎》[4]的教材,主要采用基于項目的教學方式編排內容。他主講的設計制造課程中的遠程機器人競賽經(jīng)常被美國電視臺轉播,2008年獲得美國機械工程師學會(ASME)“機械設計成就獎”[5]。
　　2006年5月13日,中國開放教育資源協(xié)會(CORE)為推動中美教師的合作,承辦了一屆“中美工程設計教學交流研討會”。會議上Slocum教授介紹了MIT在工程設計基礎領域的研究進展,并主要展示了他以“團隊協(xié)作設計”為主題的教學方法。筆者組織并主持了這次研討會。
　　2.教材。
　　這里將MIT工程設計課程教材(即Slocum教材)與國內教材做一個對比(見表1)。比較的結果顯示:國內的教材明顯是學科導向的,而MIT教材則明顯體現(xiàn)出CDIO的集成思想;國內教材的內容分散在多門課程之中,而MIT則把所有與設計過程相關的內容都集中在一個教材里。顯而易見,MIT教材容易做到基于項目的設計過程的全面訓練。
　　在Slocum教材中,對知識點的教學都與案例相聯(lián)系。圖1是其中幾個知識點的案例教學內容。圖1(a)是二桿機構的教學內容,通過觸發(fā)器案例進行教學;圖1(b)是車輪懸掛及轉向機構的教學內容,通過自行車和卡車的案例進行教學。
　　這些案例教學非常強調概念的產(chǎn)生和概念草圖工具的使用(見圖1(c),(b)),這在國內教材中還是一個空白。概念草圖是工程師產(chǎn)生創(chuàng)新設計的重要工具,缺乏這方面的教學訓練會妨礙工程師的創(chuàng)新能力的形成。
　　3.教學過程及效果。
　　Slocum教授舉例展示了設計概念在應用中產(chǎn)生方法的教學過程。教學采用的是“做中學”和基于項目的學習方法。整個過程歷時約2~3個小時,過程如下:
　　(1)講解:首先,Slocum教授講解了概念草圖工具及使用方法,團隊協(xié)作方法。
　　(2)布置項目題目:為一個虛擬大學設計一個�；諛俗R(Logo)。
　　(3)分組:將學生分成5組,每組4-5名學生,并強調不設組長(no team leader)。
　　(4)獨立設計:要求學生用5-8分鐘時間各自使用草圖工具獨立設計自己的Logo。
　　(5)同級評價(peer review):每個學生把自己設計好的Logo交給組內右邊的同學填寫評語。
　　(6)組內競爭:學生們在組內把所有的Logo及評語展示出來,選出組內最佳方案。
　　(7)組內協(xié)作:學生在組內綜合各自意見共同協(xié)作完成代表小組參加組間競爭的方案。
　　(8)組間競爭:各組把自己的方案通過投影演講方式展示給所有學生。
　　(9)全體學生在老師的指導下選出勝出的方案。
　　(10)勝出方案將送往贊助公司制造出模型。
　　以上基于項目的教學過程有如下特點:
　�、倏梢宰寣W生體驗創(chuàng)新設計概念的產(chǎn)生過程,練習概念草圖的使用方法;
　�、趯W生置身于兩級團隊合作的環(huán)境中,體驗協(xié)作與競爭的對立統(tǒng)一。
　　Slocum指出,不設組長是重要的細節(jié),這樣可以使組內競爭更加激烈,激發(fā)頭腦風暴,產(chǎn)生更強的創(chuàng)新。如果組內只有一個比較強的學生,則小組運轉會很平穩(wěn),很容易產(chǎn)生出小組方案。如果組內有兩個或以上比較強的學生,則組內沖突會比較大,頭腦風暴會更激烈,有時候會產(chǎn)生兩個甚至以上的小組方案。組內頭腦風暴是協(xié)作產(chǎn)生創(chuàng)新設計的一種方法。學生的設計結果產(chǎn)生出極佳的方案,某些方案融入了機械傳動的技巧,可實現(xiàn)組合匹配。
　　4.評論。
　　Slocum課堂教學方法體現(xiàn)“做中學”和關聯(lián)教學的理念,其特色在于培養(yǎng)學生的團隊工作意識,并且在技術上使學生理解團隊在創(chuàng)新設計中的作用,以及如何組織團隊工作才能更有效地產(chǎn)生創(chuàng)新。經(jīng)常在這種競爭與合作的項目環(huán)境下學習,能使學生在將來的工作中非常自然地適應團隊工作。Slocum的課堂還給出了一種特殊的適合創(chuàng)新涌現(xiàn)的合作方式,顯然這種環(huán)境在一定條件下是會出現(xiàn)在未來的工程師工作職場中的,并且當工程師具有足夠的組織資格后可利用這種環(huán)境的特色促進工作效果的提升。
　　二、全職場環(huán)境關聯(lián)———David C. Wisler的設計學課堂教學方法
　　1.課堂背景。
　　David C. Wisler博士是渦輪機械空氣動力學的國際專家,美國工程院院士,美國通用電氣公司大學戰(zhàn)略聯(lián)盟負責人。他同時也是MIT兼職顧問,從事MIT的CDIO教學方法推廣工作[6]。
　　2009年16日清華大學航天航空學院、清華大學工程教育研究中心聯(lián)合召開工程教育研討會,邀請David C. Wisler博士講解關于CDIO教學模式探索,并進行CDIO教學活動的演示。其教學活動的內容是一個濃縮了的互動課堂。
　　2. David C. Wisler關于工程師教育的觀點。
　　Wisler博士從歷史角度分析了美國現(xiàn)行工程教育遠離實踐教學的原因:最初美國的工程院校中的教師來自企業(yè),教師成分以工程師為主;隨著冷戰(zhàn)時期太空技術競爭的加劇,美國開始重視科學教育,使得工程院校的年輕教師的成分變成了以科學家為主;隨著老年教師的退休,美國的工程教育就被科學化了。他認為,科學教育讓學生掌握堅實的知識無疑是有益的,其缺點在于工程實踐教育的削弱。CDIO的任務是在保持系統(tǒng)的科學理論教育的前提下增強工程實踐教育。
　　3.教學過程及效果。
　　Wisler博士的教學演示被命名為TheSkyscraper Exercise(摩天樓練習),課堂歷時約4個小時。過程如下:
　　(1)主講教師指示學生自由組合分成若干組,每組3~5人。
　　(2)宣布工作任務如下:
　　a)使用土地(即正方形木板)、建造塊(即泡沫塑料塊)、連接件(竹簽)設計并搭建摩天大樓模型;
　　b)模型的目標有兩個:最高———可獲得最高建筑獎,最藝術———可獲得最藝術建筑獎;
　　c)要求控制建筑的造價。建筑不可超過給定的造價上限,土地、建造塊因大小而單價不同,連接件也有單價;
　　d)要求建筑穩(wěn)定,其上部要承擔一個裝有一定重量水的瓶子,整個建筑應該能在底部“土地”傾斜5度角情況下不至于倒塌。
　　(3)學生在組內進行角色分工,包括總設計師、設計師、預算師等。
　　(4)要求學生首先構思,給出設計草圖,擺出理由說服“審查部門”(即教師)批準后購買材料開始建造;如果中途更改設計,需要得到審查部門的再批準。
　　對比Slocum的課堂,Wisler的教學過程添加了職業(yè)角色和社會環(huán)境角色(即審查部門,造價約束),讓學生在另一種團隊狀態(tài)(即有總設計師的團隊狀態(tài))下感受職場的氛圍。與Slocum課堂相同,組間競爭是不可或缺的,也是模擬職場環(huán)境的最核心內容。競爭的結果劃分出優(yōu)、劣設計,促使學生反思自己在組里的作用(自己的理念是否被小組接納和實現(xiàn),是否起到好的或者壞的效果,體會領導能力和團隊協(xié)作能力)。
　　圖2是作者根據(jù)當時的記錄畫出的學生作出的三種建筑設計。
　　圖2(a)圖是以高度勝出的冠、亞軍結構形式,其特點是經(jīng)濟簡單,缺點是穩(wěn)定性差,必須冒技術風險;
　　圖2(b)是以藝術性勝出的冠軍結構,其特點是結構獨特,比較穩(wěn)定;
　　圖2(c)是一類失敗的設計,主要是過分強調了穩(wěn)定性,致使其因受材料造價的影響而在高度上失去優(yōu)勢。
　　4.類似課程設計的要求。
　　“摩天樓練習”能在團隊協(xié)作、CDIO動手能力、關聯(lián)教學等方面綜合地訓練學生的能力,是一種濃縮的CDIO課堂。作者對這種教學方式進行了總結,認為在課程的設計上要注意以下幾個方面:
　　(1)教具———必須有教具支持,做課程的設計時需要規(guī)劃并準備好教具,教具最好有可重復使用的性能。
　　(2)保持任務工作結果的不確定性———如果是連續(xù)開設的課程,需要設計出靈活的設計任務,使學生工作任務的結果有足夠的不確定性,以形成沖突決策問題,增強競爭的效果。例如,如果重復使用“摩天樓練習”教學模式,會使得圖(b)的設計喪失新穎性,而圖(a)的方案會被學生知悉而大量重復,從而導致決策風險因素缺失。
　　(3)專業(yè)知識的融入———“摩天樓練習”中的專業(yè)知識的融入相對欠缺,需要構思一種更能融入專業(yè)知識的課程組織模式。例如,把“摩天樓練習”的課程周期拉長,鼓勵學生使用力學和有限元仿真技術優(yōu)化建筑的設計結構,則可更加深入地訓練學生的專業(yè)知識�；蛘吒鶕�(jù)課程內容設計更能融入專業(yè)知識點的教學方案。
　　(4)競爭—協(xié)作環(huán)境模擬———“摩天樓練習”
　　的競爭—協(xié)作環(huán)境模擬可考慮與Slocum的方式互換或相結合。
　　(5)商業(yè)環(huán)境模擬———“摩天樓練習”中的造價約束較好地模擬了商業(yè)環(huán)境,在類似課程設計中應該采用。
　　5.評論。
　　Wisler博士的教學過程是濃縮的CDIO課堂,充分強調了“做中學”和學習的環(huán)境關聯(lián)原則。
　　三、跨國課堂、文化交融———融亦鳴的國際合作項目課堂教學方法
　　1.課堂背景。
　　融亦鳴是美國伍斯特理工大學(WPI)機械工程系的講座教授。WPI的課程體系中要求本科生:在三年級時做一個針對社會需求但非本專業(yè)的項目,名為IQP(interactive qualify project);在四年級做一個本專業(yè)的項目,名為MQP(major qualifyproject)。這兩個項目時間各為7周,一般要求與工業(yè)界密切合作,最好是企業(yè)真刀真槍的實際問題。WPI的學生可以在設于全世界的20幾個項目中心做MQP和IQP。MQP和IQP反映了伍斯特理工學院“基于項目的教育”的工程教育理念[7]。
　　2005年,融教授開始與華中科技大學(HUST)機械工程學院開始了聯(lián)合本科生項目訓練的教學。2009年融教授與北京交通大學合作進行IQP項目,7月底與華中科技大學的MQP組一起進行了項目答辯。
　　2.教學方法及效果。
　　融教授的課堂是一個國際化的項目訓練課堂。方式是融教授把WPI的本科學生帶到中國,與國內大學的本科學生混合編隊成小組,每個小組做一個項目。項目都由工業(yè)界資助或者具有較強工業(yè)背景。項目的工作語言為英語。以與北京交通大學合作(BJTU)的IPQ訓練項目為例,項目總周期為10周左右,其中學生在中國的工作時間為7周,其教學過程如下。
　　(1)題目確定階段:由WPI和BJTU的教師聯(lián)合確定IPQ題目及任務書。
　　(2)雙方確認參加的學生:WPI和BJTU通過報名和面試分別確認參加項目的學生,并確認項目組。
　　(3)中美學生通信交流:學生通過電子郵件和其他網(wǎng)絡交流工具進行交流,內容包括:學生相互自我介紹;介紹對項目的了解;初步確認項目內容和分工;確認工作目標、工作計劃,聯(lián)合完成開題報告撰寫。
　　(4)美方學生到中方學校與中方學生一起工作,日常工作內容包括:比照工作目標和計劃,控制工作進程;每周由老師組織報告會形式的例行檢查。
　　(5)小組作集體參加答辯:多個小組在一起做競爭答辯,答辯評審委員主要來自工業(yè)界。
　　由于在項目中,學生工作小組是混合編隊的,因此文化交流的氣氛非常濃重,雙方學生都能感受和學習怎樣與不同文化背景的學生進行合作。
　　WPI在項目目標中非常重視表達能力的訓練,學生在每周和最后訓練中充分鍛煉了正式的英文表達能力。同時項目非常強調與工業(yè)界的結合,一般都是與跟WPI有人脈關系的跨國公司結合,充分訓練了學生在國際水準公司工作的能力。
　　大部分題目最終能切實地為企業(yè)解決一些實際問題,得到公司的欣賞,同時公司也能利用這一活動從項目中選拔人才。Cartpillar公司工程經(jīng)理表示:招募的新員工必須經(jīng)過磨合和培訓,這樣的項目能夠較好地促進新人和公司文化的銜接。這種公司和學校的雙贏特征為連續(xù)爭取公司的贊助和支持創(chuàng)造了條件。
　　與本文之前介紹的Slocum教授的課堂類似,融教授的MQP和IQP小組都不設團隊領袖(組長),以使學生在平等團隊合作中體驗團隊合作的沖突解決過程。
　　3.需要注意的問題。
　　在實施這樣一種聯(lián)合項目訓練過程中,有以下問題需要解決:
　　(1)教學環(huán)節(jié)的對接———需要把此項目訓練納入學校的教學計劃中,以保證學時和學分的要求。
　　(2)教師的國際化水平———國內教師必須有一定的國際化水平才能聯(lián)合指導學生。
　　(3)校企合作問題———需要找到較高水平的企業(yè)進行合作,并贊助解決國內交通、住宿等費用;解決此問題的關鍵是要做到校企雙贏。
　　(4)國際旅行及費用———美方學生到中方的費用一般由美方學生以學費的形式解決。
　　(5)中美學生生活習慣的差異等———美方學生在飲食、衛(wèi)生等方面與中方學生存在差異,需要注意;美方比較重視學生健康和意外事件的安全問題,需要簽訂免責法律文件。
　　(6)主導型國際合作的開拓———條件成熟中方可派學生到美方做項目。
　　4.評論。
　　融教授的課堂采用的是一種“基于項目的學習”的教學方式。該課堂同時包括了“做中學”、校企合作、國際化三方面的元素。文化交融、取長補短,訓練學生在不同文化背景、不同母語、不同思維方式和做事方式的團隊中工作能力是該教學方式最大的特點。
　　四、結論本文介紹了國外著名教授帶來的三個一線本科生教學方式案例。三個案例的共同特點都強調了“基于項目的學習”、“做中學”和團隊工作訓練。
　　其中, Slocum教授的設計課程從教材內容編排到教學方法都與國內所對應課程的傳統(tǒng)教學方式有很大區(qū)別;Wisler博士的課堂則更強調職場環(huán)境的關聯(lián);融亦鳴教授的項目教學則是一種設置在企業(yè)和不同文化背景下的校外課堂,同時體現(xiàn)出“做中學”、校企合作、國際化三方面的元素。
　　三個教學案例都與我國較多采用的傳統(tǒng)的灌輸式教學方式有很大的不同,對國內工科一線課堂教學改革有一定的參考意義。
　　【摘　　要】　回歸實踐、面向產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展需求是當前國內外工程教育改革的主要目標。標準和目標是方向上的,在抽象層次的哲理和規(guī)則上是需要統(tǒng)一認識的;為實現(xiàn)上層的改革哲理,在具象上的課堂教學改革則可以多種多樣。本文總結了三個有突出特色的國外實踐教學改革方式,其都在相當程度上支持工程教育回歸實踐和面向產(chǎn)業(yè)需求的目標,不但印證了工程教育改革理論的可實現(xiàn)性,而且對改革在我國高等本科工程教育中普遍采用的“聽中學”課堂教學方法具有較大借鑒意義。
　　【關鍵詞】　課堂教學　實踐教學　工程教育改革

  本文關鍵詞：繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。