2023年12月11日发(作者：)
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工程导论:工科大学生的必修课邱秧琼 宋 扬 顾 征 孔寒冰【摘 要】 2008年,浙江大学开设了一门“工程导论”新课程。在北美,该课程通常是工科大学生必修的入门课程。本文探讨“工程导论”开设的背景、意义和国际经验,介绍浙江大学设置的“工程导论”的架构、主题及其实践的初步探索。【关键词】 工程导论 工程教育 教学改革 课程创新【收稿日期】 2008年10月【作者简介】 邱秧琼、宋扬、顾征,浙江大学科教发展战略研究中心博士研究生;孔寒冰,浙江大学科教发展战略研究中心副主任、副教授。 众所周知,工程是一个现代化国家社会富足、经济强盛、国力壮大的基础,工程人才和工程科技更是这个基础的源泉,是国家安全和竞争力的基本保障。以造就工程科技人才为己任的工程教育担负着重大的使命,它必须应对改革创新的时代要求,满足未来科技、经济和社会对高质量工程人才的需要。改革发展中的我国工程教育虽然已经取得许多重大成就,但依然存在这样一个问题:报考工科的高中学生以及指导他们报考的教师和家长,其实并不了解工程;而大学狭窄的工科专业设置和以人文社科为主的“通识课程”,也无法让工科新生了解工程的真实面貌,更不用说认识工程的实质和精髓,以至于临毕业,很多学生对于工程的认识仍然极其有限、零散。因此,在进入工科专业学习以前,甚至在本科教学计划之始,开设“工程导论”类课程,对于工程及工科专业的学习进行正确的引导、清楚的认识、正向的激励,是非常关键和必要的。一、“工程导论”的意义1.课程开设的初衷。是什么”“、工程师干什么”一类的常识性问题。这样的课程设置有着极大的负面影响。第一,它不能让学生认识工程是一种社会实践,是知行并重、理论密切联系实际的学问,是在各种约束限制条件下想方设法解决现实问题的学问。第二,它不能让学生认清工程不是科学(包括工程科学)“,分析”“、推理”、“证明”并不是工程的关键,工程需要的是在分析基础上的综合、整合或集成,否则无法解决任何工程问题。第三,它不能让学生懂得工程并不简单地等于技术,尤其不是现在过度专门化教育下的狭窄的技艺。除了生产性的设计、制造(建造)外,工程还包括管理、服务、流通、经营的内容,需要想象力、理解力、判断力和执行力等非技术力的引领。第四,它不能让学生理解工程师的事业是关系人类发展的群体事业,它需要艰苦的巨大的投入却未必带给工程师个人以丰厚的物质回报,反而需要工程师的牺牲与奉献精神。在高等学校内部,工程教育也面临诸多挑战。首先,在大学的教育活动与研究活动中,教育处于弱势或劣势,政策导致大学教师倾向科学研究与论文发表而不是尽心培育人才,一方面是大学的教育“边缘化”,一方面是在“学科齐全”的大学中工程教育“边缘化”。其次,在大学的传统文化环境中,崇尚理论、鄙薄技术,脱离实践和生产劳动,导致对学生过度的理论训练(实为知识灌输)的“学术化”。另外,工科大学新生的学前背景、智力水平、学习动机和职业志向的“多元化”,也有必要传统的工程专业本科课程通常是:大学一年级为“公共基础课”;二年级开始学习工程分析课程,即“专业基础课”;三、四年级学习大量的“专业课”,其间穿插若干“第二课堂”的课程与活动。理论性课程过重,实践性教学偏少,工程设计的内容少而又散,毕业设计更是简化为毕业论文。直到大学毕业,工科学生十有八九不能正确回答“工程—115— 高等工程教育研究 2009年第1期加以正确引导,以最大化适应国家的新型工业化道路对各类各层次人才的迫切需求。2.课程目标的设定。(4个学分),介CSE115,名称是“计算机科学导论”绍计算机科学和工程领域的基础知识,强调解决问题的思维训练。2.全校或全院统一开设的工程导论类课程。鉴于前述,我们把“工程导论”课程的总目标设定为:让工科大学生树立未来工程师应有的工程意识,自觉打造自身的知识能力结构,主动、顺利地完成大学本科学业,为未来的职业生涯与发展做好准备。具体的课程目标包括:①介绍与工程有关的基本概念、术语和常识;②展现工程与人类生活质量之间密不可分的关系;③了解工程的实践本质和科技、经济、政治、社会文化与生态的互动关系;④开发解决问题和设计的愿望、思想和一般方法;⑤倡导一个多学科的学习环境以整合工程学科的理论与实践;⑥提高团队合作、创造性解决问题的能力;⑦预见工程创造未有天地的广阔前景。3.课程的角色扮演。如普渡大学工学院为所有的工科新生开设工程导论课,纽约州立大学(Buffalo)为全校一年级工科学生开设1个学分的工程导论课。3.由学系开设、全院(校)选修的工程导论类课程。美国康奈尔大学工学院下设16个教育计划,其工程导论课程的编号以ENGRI1开头,共有13门。它们是工科学生公共课的组成部分,旨在向学生介绍工程的各个方面,没有先修要求。工程导论通常也是某个系的课程,因此不止一种课程编号。比如ENGRI1100“激光与光子学”与AEP1100相同,ENGRI1130“水处理设计”与CEE1130相同,等等。这些课程中有2门作为全工科学生在短短四年中,通常要修读几十门课程。课程众多、安排密集,整个教学计划像超载的巴士。然而,许多工科学生并不清楚这些课程的作用与联系,也未认真思考今后自己的职业方向;教师也很少就此主动向学生提供帮助和指导。“工程导论”的开设正可予以部分补救,它在本科教育计划中扮演的角色,恰似一出大戏的序幕,一部巨著的开篇,一处游览胜地入口处的景观鸟瞰图。二、国外同类课程的经验许多国家的高等学校都在开设工程导论或类似的课程,有的是各系自行安排,有的是全校统一规定;少则一门,多则几门,甚至有个别学校开设了十几门。根据课程的不同面向,可将工程导论分为三种类型:1.本系范围的一门或者数门工程导论类课院的工程导论课,不再列入某系的范围,它们分别是ENGRI1144“设计导论”和ENGRI1123“传感器和调节器”。13门课程都是3个学分。这些工程导论课程在内容上也有很大差别,概括起来有四种:1.课程名称就是“工程导论”,比较常见。例如澳大利亚悉尼技术大学的“工程导论”,其主题有:什么是工程;专业工程师做什么;表达能力、重要的工程技能、设计、专业活动的关键所在;工程方法———设计过程的综合方法;创造性;提供技术管理的实际例子和练习以帮助学生自己探讨观点“;澳大利亚工程师协会”及其道德规范、工业组织、“澳大利亚专业工程师和科学家联合会”;合作教育的概念、专业经验、合适的雇佣类型。2.内容接近,但深浅、宽窄有较大区别。程。美国爱荷华州立大学工程学院的工业工程系(1个学开设了IE101课程,名称是“工程导论”这一类课程名称繁多,比如美国新泽西州立大学的“工程方向讲座”,丹佛大学的“工程师的诞生”,加州大学伯克利分校的“第一课”,康奈尔大学的“背景中的工程”,等等。以“背景中的工程”为例,该课程向工科和其他专业介绍工程专业的传统和实践,基本设计原理及其对人类文化的影响,在不同技术背景中的科学和工程设计原理的开发,工程专业的发展及设计过程演进的总观点,科学、技术和工程的关系,土木、机械、电气、化工及其他工程课题的案例研究,信息技术在社会中的含义和应用。分)。纽约州立大学(Buffalo)工程和应用科学学院下设化学和生物工程、土木结构和环境工程、计算机科学和工程、电气工程、工业和系统工程、机械和航空工程6个系。其中,土木结构和环境工程系开设CIE101课程,名称是“土木工程的伟大(1个学分),介绍大型建筑背后的设计理念成就”以及设计方式,以及这些建筑作为人类伟大的艺术作品的象征意义;计算机科学和工程系开设—116—工程导论:工科大学生的必修课3.以技术内容及其应用为主。品、系统与服务,从根本上改变了人们的生活方式,提升了人们的生活质量,延长了人类的平均寿命,也发展了人类的文明和文化。大量的图文让学生了解到一些工程的术语、概念和常识,激起他们对成为一名未来工程师的自豪感,明了自己应当承担的使命和民族的期望,增强后续学习的动力。2.工程的领域及其环境。它们介绍相关工程专业或技术学科的基本原理和概念,以及ICT技术相关应用的内容,几乎不涉及工程的非技术方面,或者仅强调技术和原理的实际应用或设计等。例如加州州立多科技术大学的“航空工程基础”,其主题有:航空问题的基本工程原理与应用,流体流动的概念,程序设计导论,亚音速风洞仪及其操作等。4.侧重工程的非技术方面的广泛主题。对于工程来说“,系统”是一个关键词。讲授工程的领域与环境可以使学生了解整个工程活动、工程职业及其知识体系(工程学科Π专业)的发展脉络。任何一位工程师都不可能独立完成一项具体的工程工作,同时,任何一项工程也都是在跨学科的团队合作、多领域的资源综合,以及天时地利集成的背景下才能完成。工程师在很多时候都要考虑到标记效率的希腊字母η,如何在资源紧缺、条件有限的情况下找到最好的工程解决方案并且有效实施,一直是工程师这个职业产生至今的一个关键问题。环境变化与发展趋势导致未来工程师面临前所未有的挑战与机遇。工程及其所处的环境,以及工程伦理、工程文化的介绍,将使学生形成必要的系统观念,以摆脱传统工程教育造成的“狭窄于技术”和“技术上狭窄”的阴影。3.工程师:创造性解决问题的人。其出发点不仅是为拓宽工程教育,而是充分考虑到未来工程实践可能涉及的宽广领域,使未来工程师具备相应的能力。这类主题包括:东西方思想史和意义,自然环境,美国政府结构和工作,技术预见和预测,技术交付系统,共同的世界,宏观经济指标,决策,有效交流,由信息到理解、到明智(发展批判力),人的行为,锻炼右半脑,复杂人群系统控制,技术选择影响的评估,发展形成的整体(人际关系),多元文化经验,国家安全,高技术社会的伦理观,等等。目前,几乎所有英语国家工科院校都开设具有自己特色的工程导论课程,工程导论已经成为整个工科课程计划中不可或缺的重要组成部分,是取得学位的必要条件。这一点无疑说明了工程导论的地位与重要性,也给我们提供了借鉴之处。三、“工程导论”的探索作为教育部国家级工程教育改革实验区的项目,浙江大学在竺可桢学院的工程教育高级班实施了“综合工程教育人才培养模式创新实验区”计(2学分)是其中一门创新课程,将划“,工程导论”工科大学生是未来的工程师,工程是他们将来所要从事的职业和事业。但是,工程师职业的功能与特征、工程事业和工程的对象与方式是什么,工程师如何工作,以及工程师区别于其他专业人士的最重要才干是什么等等这些问题,学生从原有课程与书本上是难以学到的,即使第二课堂的学习活动也难以给出完整答案。本课程在这一部分给出工程师职业和职能的分类描述,有助于学生对于未来职业有正确的理解;详细介绍社会和企业工程对工程人才的需求和评价标准,清晰地勾画出工科学生努力的方向,便于他们有的放矢地打造自己的愿景和成长途径。4.工程的过程。配合教育计划内的其他课程,以培养适应当今及未来社会要求的工程师为最终目标。预期经过“工程导论”的学习,参加创新实验区的学生能在知识上明了工程的基本概念、术语和常识,通晓工程与人类生活质量之间的密切关系;在技能上学到在跨学科环境中团队协作解决问题的初步实践;在态度上激发为国家的工程事业刻苦钻研、创新创业的精神。这些都将为他们后续的大学学习和生活做好一定准备。浙江大学的“工程导论”由以下6个部分组成:1.工程及其成就。这部分介绍工程的生命周期全过程,涉及创造性问题求解的过程与方法、工程设计与设计过程、工业化和信息化时代生产方式的变迁,以及现代工业进程开拓的新的工程活动领域。在引入这些概念性内容的同时,着重讲授了工程的设计、制造和服务三大过程和工程设计过程的10个步骤,并且布置学生分组进行具体对象的概念设计大作课程以展示人类伟大的工程实践与成就作为开篇,首先给学生以生动的感性认识。许多在人们日常生活中习以为常然而又难以割舍的工程产—117— 高等工程教育研究 2009年第1期业。这部分内容不仅让学生对作为工程核心的设计过程有一个理性认识和实际练习的机会,而且让他们清楚地认识到:工程的三大过程不仅是一个改变物质形态的技术过程,同时也是充满信息流动的管理过程,以及附加不同价值的流通、经营过程;工程师应当成为技术高手和专家,但绝不应沦为廉价的“技术打工仔”,更要理所当然地成为现代工程活动的领军人物和主力。5.工程未来展望。MIT率先提出的“大E工程”,生动揭示了人程师的一项基本功,因而课程的两类作业都要求以小组方式完成。事实上,学生在小组组成、活动方法、成果展示与管理模式等方面,都表现出了生动的创造性;由这种实际经历得到的经验和感受,并不亚于他们在课堂上的单向知识吸收。四、“工程导论”的教学反馈由于浙大“工程导论”这门课程的试验性质,教学组迫切需要获得学生的反馈意见以改进教学。要求每一位学生在课程结束时提交学习报告,也就是为此设计的反馈环节。该报告不仅要求学生总结课程学习的体会与收获,还要求他们评价课程的内容与章节安排、教学及成绩评定的方式方法,并且提出相应的建议。所有学生都积极参与了这个反馈环节。尽管他们对“工程导论”各章节安排喜好不一,有些甚至对本课程做了重新设计,但多数意见是要求增加更多的师生互动、小组讨论和及时交流。几乎所有学生都认为,这门课程对他们走向工程职业起到了积极的促进作用。概括评价意见有以下几点:1.“工程导论”引起学生对工程的思考和对类工程的未来前景。21世纪的工程教育应当造就不同于以往的新生代工程师,后者特征是具备丰富的想象力、明智的洞察力、果敢的判断力和勇往直前的执行力。这部分内容旨在让学生们看到充满巨大挑战的诱人前景,进一步意识到未来新生代工程师的建树和作为,以及肩负的历史责任。6.专题讲座。这个部分是穿插在课程进行中的讲座内容。已经开设的两个专题是工程技术史和汽车发展史。工程技术专题从历史和文化的角度,梳理工程和技术给人类社会带来的巨大变化,让学生更加直观地感受工程和技术的威力及其局限性。汽车发展专题用汽车这一“改变世界的机器”作案例,以其发展过程向学生揭示工程与环境相互作用的巨大影响。以上6部分内容,在于引导学生把对工程的感性认识上升到理性思考。从身边随处可及的工程产品、系统和服务入手,向学生展现工程的生动历史画卷,既拓宽其知识面,又强调了未来工程师必备的能力和品质。虽然只是纸上谈兵,但无疑会引发学生的认真思考。“工程导论”的教学以讲授为主,另有近1Π3的课堂时间用于组织学生交流观点与成果。“工程导论”的学习方法是听课、提问与宣讲,以及课后的小组讨论与作业。教师在课堂上可以利用的时间总是有限的,但是学生通过自己组织的极具挑战性的课外工作,弥补了课堂时间的不足,以保证取得最大的课程效果。“工程导论”的学习评价方法包括小作业、大作业和课程参与程度(含课堂出勤、小组贡献、课程结束时的学习报告)三个部分。在课程一开始时就公布评价方法,并向学生明确提出:①该课程是由学生与教师共同建设、一起完成的,因此学生的主动参与和表现尤为重要;②团队合作是工工程职业的向往。“在老师的指导下,我形成了自己对于工程的理解,它创造了现在的世界,也正在改变着这个世界。它是动态的创造性的过程”“在了解什么是,工程以后,我不断反问自己,我适合这类工作吗?要成为优秀的工程师我还欠缺什么能力?我该怎样培养自己这方面的能力?我们和国外的工程师有什么样的差距?我们应该怎么样缩小这些差距?幸运的是老师给了我全方面的信息资料,我了解到工程师所要具备的基本能力和品质,国内外工程教育的异同”“这门课可以称得上是我走,向工程师职业的入门课。”“学习这门课程让我对工程有了更进一步的了解。首先我更加全面地了解中外古今的各种工程成就,对工程有了一个感性认识。之后了解了许多工程的相关内容,尤其是工程师的职责一节,让我对工程师这一职业产生了无限尊敬,感受到自己作为未来工程师的崇高使命。”“工程师充满创造性的生活开始让我对这个职业充满期待。我知道这并不是一个轻松的职业,反而是一个每天都会遇到新的问题和困难的职业。但是与通过自己的创造使生活更加美好,使人类可持续发展所带来的快乐相比,累实在是—118—工程导论:工科大学生的必修课不值得一提”。2.“工程导论”使学生懂得并且学到了团队我人生方向的指明,是这门课程无法取代的意义之所在。”“通过了解欧美国家工科教育体系,并将之和我们国家目前的工科培养模式进行对比后发现,我们真的是在用培养科学家的方法在培养工程师啊!我需要加强锻炼自己的实践能力,提高自己发现问题,创造问题的能力”。总而言之,工程导论对于整个工程教育计划的重要性,可以说怎么样评价都不过分。浙江大学在工程教育创新实验区中开设的“工程导论”课程,虽然只是一种尝试,然而课程开设的效果与受欢迎程度是我们始料未及的,这增强了我们投身工程教育创新实验的信心。参考文献合作的道理和技能。“在上课过程中,学到了很多知识,不仅仅是在一些关于工程的知识上,更重要的是培养了自己的沟通能力和合作能力。以前我在做一些课程的project经常单干,觉得这样更能锻炼自己,可能有些时候这样是对的,但上这门课尤其是在做小组作业的过程中,我觉得小组合作更能发挥出一个人的想象力。和同学们在一起讨论问题感到很快乐,这是我感受最深的一点。”“我觉得小组合作的形式太可取了。通过两次作业,同学间的关系得到磨合,配合也越来越默契,常有志同道合、相见恨晚的感觉。在合作的过程中,自身的合作意识和合作能力得到加强,信息来源得到扩展,同时,也感到了愉悦。”3.“工程导论”让学生找到了自己今后学习teUniversityofNewJersey,niversityofNewYorkatBuffalo,UBUndergraduateCatalog:http:ΠΠΠlUniversityCoursesofStudy2008～sityofCalifornia,Berkeley,GeneralCatalogy2005～rniaStatePolytechnicUniversity,Pomona2005～sityofPittsburghBulletin,SchoolofEngineering,alScienceFoundation,DivisionofScienceResourcesStatistics,WebCASPARdatabasesystem,http:ΠΠ,:ΠΠΠEngineeringEssentialsΠ和发展的方向。“学习了这门课程,我明确了工程的定义,了解了目前工程领域的面貌,也了解了工程师所需要的能力,知道了自己的发展方向。”“我感觉到最重要的是这门课程传达了一种理念,一种我始终在寻找的归属感。我始终在思索,作为一个未来的工程技术人员或者工程领导者,我们应该具备什么素质,我们应该学习什么样的知识。幸运的是“,工程导论”给了我答案。我明白了我还需要更多的工程实践以及工程专业素养的培养,我知道了自己应该走的方向。我想,对IntroductiontoEngineering:ARequiredCourseforEngineeringCollegeStudentsQiuYangqiong,SongYang,GuZheng,KongHanbingAnewcoursenamedIntroductiontoEngineeringwasofferedfohAmerica,perprobesintothebackground,function,significance,makesapreliminaryexplorationtoframe,themesandfulfillmentofthiscourse.—119—
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