缤纷课堂:源于国外的工程教育实践教学方法

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缤纷课堂:源于国外的工程教育实践教学方法

　　【作者简介】
　　陆一平,联合国教科文组织产学合作教席副研究员,北京交通大学机电学院副教授;查建中,联合国教科文组织产学合作教席主持人,北京交通大学机电学院教授。

　　参考文献
　　[1]查建中、何永汕:《工程教育改革的三大战略》,北京理工大学出版社2009年版。
　　[2]融亦鸣:《基于项目的教育:美国伍斯特理工学院的“双塔传统”》,《中国高校科技与产业化》2008年第11期。

　　工程教育的目标就是要培养符合经济社会发展要求的合格工程师,而国内外的发展则要求我们改革现行的工程教育方法。正如笔者之一在《工程教育改革的三大战略》一书中所提出的,改革的整体战略包括三项内容:做中学、产学合作、国际化[1]。
　　工程教育改革是当前世界范围内被高度重视的领域。2000年,美国工程院院士、麻省理工学院航空航天系教授联合几所世界著名工科大学,争取到1600万美元,经过4年的探索,创立了构思-设计-实现-运作为主线的CDIO工程教育模式。CDIO是“做中学”和“基于项目的教育和学习”的集中体现,它定义了工程教育所必不可少的“关联”环境,包括12条标准[2]。这12条标准涵盖了教学全过程,从引入工程职场环境作为工程教育的环境,到建立职场需求的人才能力大纲、课程体系、学科关联、教学方法、师资培养、学生和专业评价,强调人才的通用能力和工程素质,而不是某一工程领域和具体项目所涉及的具体知识。
　　工程教育改革的三大战略、CDIO标准和能力培养目标必须通过具体的教学活动才能实现。因此,就存在一个由战略、标准和规划向教学活动的映射(mapping)问题———从整体上看,必须完成向学生培养方案的映射,亦即培养方案层次上的改革;从局部上看,必须完成向各个教学环节的映射。
　　战略、标准和目标是方向上的,是抽象层次上的哲理和规则,而在具象的课堂改革上则可以是多种多样的。本文主要从课堂教学改革方面,介绍并评析笔者见到的三个有突出特色的国外名校教授的课堂教学方法创新。这些创新都是现代工程教育改革的战略、方法、目标在微观具象上的实现。
　　课堂教学是工程教育改革的第一线,希望本文能为辛勤工作在课堂教学战线的工科教师的教学改革提供一些思路上的参考。
　　一、团队合作、碰撞火花、“做中学”———Alexander Slocum的机械设计课堂教学
　　1.课堂背景。
　　AlexanderSlocum教授是MIT机械工程专业的教授,主讲机械设计学。Slocum 1992年编写的《精密机械设计》[3]一书不但是美国流行的工科教材,而且是工业界公认为较有价值的参考手册之一。2005年他出版了一本名为《设计基础》[4]的教材,主要采用基于项目的教学方式编排内容。他主讲的设计制造课程中的远程机器人竞赛经常被美国电视台转播,2008年获得美国机械工程师学会(ASME)“机械设计成就奖”[5]。
　　2006年5月13日,中国开放教育资源协会(CORE)为推动中美教师的合作,承办了一届“中美工程设计教学交流研讨会”。会议上Slocum教授介绍了MIT在工程设计基础领域的研究进展,并主要展示了他以“团队协作设计”为主题的教学方法。笔者组织并主持了这次研讨会。
　　2.教材。
　　这里将MIT工程设计课程教材(即Slocum教材)与国内教材做一个对比(见表1)。比较的结果显示:国内的教材明显是学科导向的,而MIT教材则明显体现出CDIO的集成思想;国内教材的内容分散在多门课程之中,而MIT则把所有与设计过程相关的内容都集中在一个教材里。显而易见,MIT教材容易做到基于项目的设计过程的全面训练。
　　在Slocum教材中,对知识点的教学都与案例相联系。图1是其中几个知识点的案例教学内容。图1(a)是二杆机构的教学内容,通过触发器案例进行教学;图1(b)是车轮悬挂及转向机构的教学内容,通过自行车和卡车的案例进行教学。
　　这些案例教学非常强调概念的产生和概念草图工具的使用(见图1(c),(b)),这在国内教材中还是一个空白。概念草图是工程师产生创新设计的重要工具,缺乏这方面的教学训练会妨碍工程师的创新能力的形成。
　　3.教学过程及效果。
　　Slocum教授举例展示了设计概念在应用中产生方法的教学过程。教学采用的是“做中学”和基于项目的学习方法。整个过程历时约2~3个小时,过程如下:
　　(1)讲解:首先,Slocum教授讲解了概念草图工具及使用方法,团队协作方法。
　　(2)布置项目题目:为一个虚拟大学设计一个校徽标识(Logo)。
　　(3)分组:将学生分成5组,每组4-5名学生,并强调不设组长(no team leader)。
　　(4)独立设计:要求学生用5-8分钟时间各自使用草图工具独立设计自己的Logo。
　　(5)同级评价(peer review):每个学生把自己设计好的Logo交给组内右边的同学填写评语。
　　(6)组内竞争:学生们在组内把所有的Logo及评语展示出来,选出组内最佳方案。
　　(7)组内协作:学生在组内综合各自意见共同协作完成代表小组参加组间竞争的方案。
　　(8)组间竞争:各组把自己的方案通过投影演讲方式展示给所有学生。
　　(9)全体学生在老师的指导下选出胜出的方案。
　　(10)胜出方案将送往赞助公司制造出模型。
　　以上基于项目的教学过程有如下特点:
　　①可以让学生体验创新设计概念的产生过程,练习概念草图的使用方法;
　　②学生置身于两级团队合作的环境中,体验协作与竞争的对立统一。
　　Slocum指出,不设组长是重要的细节,这样可以使组内竞争更加激烈,激发头脑风暴,产生更强的创新。如果组内只有一个比较强的学生,则小组运转会很平稳,很容易产生出小组方案。如果组内有两个或以上比较强的学生,则组内冲突会比较大,头脑风暴会更激烈,有时候会产生两个甚至以上的小组方案。组内头脑风暴是协作产生创新设计的一种方法。学生的设计结果产生出极佳的方案,某些方案融入了机械传动的技巧,可实现组合匹配。
　　4.评论。
　　Slocum课堂教学方法体现“做中学”和关联教学的理念,其特色在于培养学生的团队工作意识,并且在技术上使学生理解团队在创新设计中的作用,以及如何组织团队工作才能更有效地产生创新。经常在这种竞争与合作的项目环境下学习,能使学生在将来的工作中非常自然地适应团队工作。Slocum的课堂还给出了一种特殊的适合创新涌现的合作方式,显然这种环境在一定条件下是会出现在未来的工程师工作职场中的,并且当工程师具有足够的组织资格后可利用这种环境的特色促进工作效果的提升。
　　二、全职场环境关联———David C. Wisler的设计学课堂教学方法
　　1.课堂背景。
　　David C. Wisler博士是涡轮机械空气动力学的国际专家,美国工程院院士,美国通用电气公司大学战略联盟负责人。他同时也是MIT兼职顾问,从事MIT的CDIO教学方法推广工作[6]。
　　2009年16日清华大学航天航空学院、清华大学工程教育研究中心联合召开工程教育研讨会,邀请David C. Wisler博士讲解关于CDIO教学模式探索,并进行CDIO教学活动的演示。其教学活动的内容是一个浓缩了的互动课堂。
　　2. David C. Wisler关于工程师教育的观点。
　　Wisler博士从历史角度分析了美国现行工程教育远离实践教学的原因:最初美国的工程院校中的教师来自企业,教师成分以工程师为主;随着冷战时期太空技术竞争的加剧,美国开始重视科学教育,使得工程院校的年轻教师的成分变成了以科学家为主;随着老年教师的退休,美国的工程教育就被科学化了。他认为,科学教育让学生掌握坚实的知识无疑是有益的,其缺点在于工程实践教育的削弱。CDIO的任务是在保持系统的科学理论教育的前提下增强工程实践教育。
　　3.教学过程及效果。
　　Wisler博士的教学演示被命名为TheSkyscraper Exercise(摩天楼练习),课堂历时约4个小时。过程如下:
　　(1)主讲教师指示学生自由组合分成若干组,每组3~5人。
　　(2)宣布工作任务如下:
　　a)使用土地(即正方形木板)、建造块(即泡沫塑料块)、连接件(竹签)设计并搭建摩天大楼模型;
　　b)模型的目标有两个:最高———可获得最高建筑奖,最艺术———可获得最艺术建筑奖;
　　c)要求控制建筑的造价。建筑不可超过给定的造价上限,土地、建造块因大小而单价不同,连接件也有单价;
　　d)要求建筑稳定,其上部要承担一个装有一定重量水的瓶子,整个建筑应该能在底部“土地”倾斜5度角情况下不至于倒塌。
　　(3)学生在组内进行角色分工,包括总设计师、设计师、预算师等。
　　(4)要求学生首先构思,给出设计草图,摆出理由说服“审查部门”(即教师)批准后购买材料开始建造;如果中途更改设计,需要得到审查部门的再批准。
　　对比Slocum的课堂,Wisler的教学过程添加了职业角色和社会环境角色(即审查部门,造价约束),让学生在另一种团队状态(即有总设计师的团队状态)下感受职场的氛围。与Slocum课堂相同,组间竞争是不可或缺的,也是模拟职场环境的最核心内容。竞争的结果划分出优、劣设计,促使学生反思自己在组里的作用(自己的理念是否被小组接纳和实现,是否起到好的或者坏的效果,体会领导能力和团队协作能力)。
　　图2是作者根据当时的记录画出的学生作出的三种建筑设计。
　　图2(a)图是以高度胜出的冠、亚军结构形式,其特点是经济简单,缺点是稳定性差,必须冒技术风险;
　　图2(b)是以艺术性胜出的冠军结构,其特点是结构独特,比较稳定;
　　图2(c)是一类失败的设计,主要是过分强调了稳定性,致使其因受材料造价的影响而在高度上失去优势。
　　4.类似课程设计的要求。
　　“摩天楼练习”能在团队协作、CDIO动手能力、关联教学等方面综合地训练学生的能力,是一种浓缩的CDIO课堂。作者对这种教学方式进行了总结,认为在课程的设计上要注意以下几个方面:
　　(1)教具———必须有教具支持,做课程的设计时需要规划并准备好教具,教具最好有可重复使用的性能。
　　(2)保持任务工作结果的不确定性———如果是连续开设的课程,需要设计出灵活的设计任务,使学生工作任务的结果有足够的不确定性,以形成冲突决策问题,增强竞争的效果。例如,如果重复使用“摩天楼练习”教学模式,会使得图(b)的设计丧失新颖性,而图(a)的方案会被学生知悉而大量重复,从而导致决策风险因素缺失。
　　(3)专业知识的融入———“摩天楼练习”中的专业知识的融入相对欠缺,需要构思一种更能融入专业知识的课程组织模式。例如,把“摩天楼练习”的课程周期拉长,鼓励学生使用力学和有限元仿真技术优化建筑的设计结构,则可更加深入地训练学生的专业知识。或者根据课程内容设计更能融入专业知识点的教学方案。
　　(4)竞争—协作环境模拟———“摩天楼练习”
　　的竞争—协作环境模拟可考虑与Slocum的方式互换或相结合。
　　(5)商业环境模拟———“摩天楼练习”中的造价约束较好地模拟了商业环境,在类似课程设计中应该采用。
　　5.评论。
　　Wisler博士的教学过程是浓缩的CDIO课堂,充分强调了“做中学”和学习的环境关联原则。
　　三、跨国课堂、文化交融———融亦鸣的国际合作项目课堂教学方法
　　1.课堂背景。
　　融亦鸣是美国伍斯特理工大学(WPI)机械工程系的讲座教授。WPI的课程体系中要求本科生:在三年级时做一个针对社会需求但非本专业的项目,名为IQP(interactive qualify project);在四年级做一个本专业的项目,名为MQP(major qualifyproject)。这两个项目时间各为7周,一般要求与工业界密切合作,最好是企业真刀真枪的实际问题。WPI的学生可以在设于全世界的20几个项目中心做MQP和IQP。MQP和IQP反映了伍斯特理工学院“基于项目的教育”的工程教育理念[7]。
　　2005年,融教授开始与华中科技大学(HUST)机械工程学院开始了联合本科生项目训练的教学。2009年融教授与北京交通大学合作进行IQP项目,7月底与华中科技大学的MQP组一起进行了项目答辩。
　　2.教学方法及效果。
　　融教授的课堂是一个国际化的项目训练课堂。方式是融教授把WPI的本科学生带到中国,与国内大学的本科学生混合编队成小组,每个小组做一个项目。项目都由工业界资助或者具有较强工业背景。项目的工作语言为英语。以与北京交通大学合作(BJTU)的IPQ训练项目为例,项目总周期为10周左右,其中学生在中国的工作时间为7周,其教学过程如下。
　　(1)题目确定阶段:由WPI和BJTU的教师联合确定IPQ题目及任务书。
　　(2)双方确认参加的学生:WPI和BJTU通过报名和面试分别确认参加项目的学生,并确认项目组。
　　(3)中美学生通信交流:学生通过电子邮件和其他网络交流工具进行交流,内容包括:学生相互自我介绍;介绍对项目的了解;初步确认项目内容和分工;确认工作目标、工作计划,联合完成开题报告撰写。
　　(4)美方学生到中方学校与中方学生一起工作,日常工作内容包括:比照工作目标和计划,控制工作进程;每周由老师组织报告会形式的例行检查。
　　(5)小组作集体参加答辩:多个小组在一起做竞争答辩,答辩评审委员主要来自工业界。
　　由于在项目中,学生工作小组是混合编队的,因此文化交流的气氛非常浓重,双方学生都能感受和学习怎样与不同文化背景的学生进行合作。
　　WPI在项目目标中非常重视表达能力的训练,学生在每周和最后训练中充分锻炼了正式的英文表达能力。同时项目非常强调与工业界的结合,一般都是与跟WPI有人脉关系的跨国公司结合,充分训练了学生在国际水准公司工作的能力。
　　大部分题目最终能切实地为企业解决一些实际问题,得到公司的欣赏,同时公司也能利用这一活动从项目中选拔人才。Cartpillar公司工程经理表示:招募的新员工必须经过磨合和培训,这样的项目能够较好地促进新人和公司文化的衔接。这种公司和学校的双赢特征为连续争取公司的赞助和支持创造了条件。
　　与本文之前介绍的Slocum教授的课堂类似,融教授的MQP和IQP小组都不设团队领袖(组长),以使学生在平等团队合作中体验团队合作的冲突解决过程。
　　3.需要注意的问题。
　　在实施这样一种联合项目训练过程中,有以下问题需要解决:
　　(1)教学环节的对接———需要把此项目训练纳入学校的教学计划中,以保证学时和学分的要求。
　　(2)教师的国际化水平———国内教师必须有一定的国际化水平才能联合指导学生。
　　(3)校企合作问题———需要找到较高水平的企业进行合作,并赞助解决国内交通、住宿等费用;解决此问题的关键是要做到校企双赢。
　　(4)国际旅行及费用———美方学生到中方的费用一般由美方学生以学费的形式解决。
　　(5)中美学生生活习惯的差异等———美方学生在饮食、卫生等方面与中方学生存在差异,需要注意;美方比较重视学生健康和意外事件的安全问题,需要签订免责法律文件。
　　(6)主导型国际合作的开拓———条件成熟中方可派学生到美方做项目。
　　4.评论。
　　融教授的课堂采用的是一种“基于项目的学习”的教学方式。该课堂同时包括了“做中学”、校企合作、国际化三方面的元素。文化交融、取长补短,训练学生在不同文化背景、不同母语、不同思维方式和做事方式的团队中工作能力是该教学方式最大的特点。
　　四、结论本文介绍了国外著名教授带来的三个一线本科生教学方式案例。三个案例的共同特点都强调了“基于项目的学习”、“做中学”和团队工作训练。
　　其中, Slocum教授的设计课程从教材内容编排到教学方法都与国内所对应课程的传统教学方式有很大区别;Wisler博士的课堂则更强调职场环境的关联;融亦鸣教授的项目教学则是一种设置在企业和不同文化背景下的校外课堂,同时体现出“做中学”、校企合作、国际化三方面的元素。
　　三个教学案例都与我国较多采用的传统的灌输式教学方式有很大的不同,对国内工科一线课堂教学改革有一定的参考意义。
　　【摘　　要】　回归实践、面向产业现状及发展需求是当前国内外工程教育改革的主要目标。标准和目标是方向上的,在抽象层次的哲理和规则上是需要统一认识的;为实现上层的改革哲理,在具象上的课堂教学改革则可以多种多样。本文总结了三个有突出特色的国外实践教学改革方式,其都在相当程度上支持工程教育回归实践和面向产业需求的目标,不但印证了工程教育改革理论的可实现性,而且对改革在我国高等本科工程教育中普遍采用的“听中学”课堂教学方法具有较大借鉴意义。
　　【关键词】　课堂教学　实践教学　工程教育改革

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