張 琦 衡 琳 周驥平 孫王平 劉 澄 張瑞宏
1.揚州大學機械工程學院 江蘇揚州 225000 2.美國俄勒岡理工學院機械與制造工程系 美國俄勒岡 97403
工程教育國際化是當今世界教育發(fā)展的趨勢之一。全美州立院校聯(lián)合會在敦促美國政府加快教育國際化的報告中認為,教育界應改變“只掃門前雪”的封閉式觀念,積極研究全球性問題,通過國際教育交流項目、技術支持等方式加強同外部世界的聯(lián)系。所謂工程教育國際化,就是在國際意識、開放觀念的指導下加強國際工程教育的交流與合作,吸收、借鑒世界各國的工程教育辦學理念、辦學模式和教育資源,共同發(fā)展,在人才培養(yǎng)目標的確定、教育內(nèi)容的選擇以及教育手段和方法的采用等方面適應經(jīng)濟全球化的要求,培養(yǎng)具有國際視野、國際交往能力和國際競爭能力的工程人才。
在工程教育國際化的背景下,我們現(xiàn)有的工程碩士研究生課程教學應充分參考借鑒國際教學模式,打破專業(yè)壁壘,營造大工科培養(yǎng)環(huán)境,革新課程和教學體系,以滿足碩士研究生的個性化發(fā)展。筆者和俄勒岡理工學院合作,于2014年春天在我校進行了精益生產(chǎn)碩士研究生課程的試點。在此課程中,筆者參考學習美國工程教學方法,模擬美國課堂環(huán)境,改進現(xiàn)有的工程碩士研究生課程的教學模式,并進行了課程教學成果和學生反饋情況的研究,為加快我國工程教育國際化發(fā)展的進程進行嘗試與探索,以提高教學質(zhì)量,培養(yǎng)具有國際意識、通曉國際規(guī)則、適應國際環(huán)境的高層次工程人才。
中美的教學風格截然不同。美國教師以學生為中心,通常采用特定項目激發(fā)學生的興趣。課堂教學的結構更靈活,課堂氣氛十分活躍,教師采用開放式的問題與學生相互交流與討論,鼓勵學生隨時提問,并展示很多理論的實際應用案例,以刺激學生的求知欲。
在中國的課堂上,學生熱切渴望學習新技術,并具有較強的數(shù)學和邏輯推理能力,他們更習慣于技術細節(jié)的處理,例如計算機程序設計和數(shù)據(jù)分析。但另一方面相比美國學生,中國學生缺乏發(fā)散性思維,他們中許多人在處理書本之外的問題時會顯現(xiàn)巨大的阻力,他們最擅長解題,但缺乏獨立解決實際問題的能力。另外課堂學習主要以教師講解為主,教師是教學中心,這種教學手段造成學生自主學習能力差,不愛思考,不善于提問。此外,由于學生人數(shù)眾多,學生在課堂上很少參與互動或討論。
2014年春,我校機械工程學院首次與美國俄勒岡理工學院機械與制造工程系合作,采用美國工程教學模式設計和教授一門全英文碩士工程課程。在此次工程碩士課程的教學中,美國的教學模式對中國學生提出了語言溝通(包括書面和口頭)、科技術語、課堂積極性、教學試驗方法等方面的挑戰(zhàn)。
針對中國式教學弱點,教師對選擇所研究的課題提出了四個標準。首先,課題應該能拓展學生的思維,為他們提供一個展示他們創(chuàng)造力和智力潛能的機會。其次,課題要能代表時下制造業(yè)的最新技術。第三,課題應該是可以充分利用學生數(shù)學邏輯和分析能力的工程類題目。第四,所傳授的理念可以逾越文化障礙,可以被中國學生理解和接受。經(jīng)過篩選,筆者選擇了四個主題:(1)制造系統(tǒng)簡介;(2)典型制造工藝;(3)非傳統(tǒng)加工工藝;(4)精益生產(chǎn)。值得指出的是,精益生產(chǎn)(48學時)符合上述四個標準,它是一門以講座為基礎的學科交叉的課程,它整合了制造、材料加工、自動化、計算機編程和生產(chǎn)優(yōu)化等學科。教師認為學生理解和研究這一課題沒有困難,因為它起源于東方文化。
批判性思維和解決實際問題的能力可以通過以下四個方面的訓練獲得:(1)交流—知識和思想的表達、傳播和理解;(2)研究和規(guī)劃—搜索特定知識、認知未來需求、找到這些需求的解決方案;(3)人際關系—利用人際交往解決沖突、學會與人相處和幫助別人的能力;(4)組織、管理和領導能力—在完成任務和實現(xiàn)目標的過程中監(jiān)督、指導和引導個人和團體的能力。
為了達到教學效果制定了三個目標:(1)加強在上述四項技能方面的訓練;(2)引入最新的工程理念和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的技術方法;(3)充分發(fā)揮學生的天賦。完成課程后,學生應該能達到如下學習要求:(1)掌握不同制造工藝的基本知識,以及能夠使用的定性和定量的方法來評估和改進他們的操作;(2)可以經(jīng)常用英語與教師互動;(3)了解并體驗美國課堂環(huán)境;(4)知道如何閱讀文章和寫英文技術報告。
為了達到理想效果,制定了6項教學方法:(1)交流/人際關系:每一個學生都需要一個團隊性質(zhì)的實際項目,通過團隊合作增強團隊意識。學生每節(jié)課都需要用英文更新項目進展,教師對積極互動的學生給予口頭上的獎勵或者巧克力。(2)研究/策劃:鼓勵學生在課堂上與同齡人分享研究課題,如果學生對改善他們目前的研究提出了任何好的、有創(chuàng)意的建議,他們將得到巧克力作為獎勵。(3)組織、管理和領導:要求學生在課程結束后組織團隊用英語提交一份完整的項目建議書并與全班同學分享。(4)數(shù)學和計算機編程方面的天賦:學生可以選擇任何語言(C,Java,VB或MATLAB)來完成數(shù)據(jù)處理。兩個典型的任務是:旅行商問題和直接聚類算法。(5)語言障礙:因為此類全英文工程碩士課程第一次在我校講授,教師預計學生可能會有語言方面的障礙。結合筆者對中美學生多年的教學經(jīng)驗,教師在介紹生產(chǎn)工藝、流程圖、圖表、方程式或算法時應該完全用英語表達。當涉及生產(chǎn)概念時(例如為何pull system用于生產(chǎn)中),教師在白板上寫下這一概念的關鍵字并用幾個現(xiàn)實中的例子給予解釋。此外,對于難懂的專業(yè)概念(如Jidoka,Poke-Yoke,Kanban等),教師將使用漢語闡明其中最含糊的部分。(6)成果鑒定:課程結束以后,教師將根據(jù)表現(xiàn)(課堂上的互動、創(chuàng)造性的項目、研究領域的創(chuàng)新成果)提名四位杰出的學生,授予這些學生美國大學的T恤,以表彰他們的努力和創(chuàng)意。
圖1 工程碩士課程教學模型
精益生產(chǎn)教學占據(jù)總課程量的70%,教科書采用Michael D.Regan的The Kaizen Revolution(ISBN-13:978-0966354973)。引進的概念包括:Muda、增值分析、WIP、5S、降低設置時間、預防性維護、單元制造、單件流、看板、持續(xù)改善、節(jié)拍時間、JIT、拉/推系統(tǒng)、Jidoka、Poke-Yoke等。圖1為本工程碩士課程的教學模型。教師把每課堂分為三個部分:課堂討論、案例分析、項目進展匯報或項目展示(如圖1所示)。學生每次上課前要閱讀教材(3章節(jié),大約25頁)并對他們閱讀過的各個章節(jié)寫5個感想。學生可以對令他們驚訝、高興、懷疑的任何事情發(fā)表感想,并努力尋找真實案例支持他們的觀點。根據(jù)學生英文水平的不同,學習時間2~10個小時不等。表1是一個學生的作業(yè)樣本。每堂課的第二部分是案例研究。學生觀看由美國制造工程師協(xié)會發(fā)布的關于精益生產(chǎn)在美國工業(yè)界運用的視頻。當學生們看完視頻后,需要回答至少6個關于視頻的問題。學生通過討論、說明和解答思考和完成問題。然后,學生再次觀看視頻,以加深和強化他們的認知。表2是案例研究的幾道樣題,學生可以通過簡單的回答理清本堂課的重點。
表1 學生趙斌的作業(yè)
表2 Poke-yoke(防錯)概念研究
課堂的第三部分是項目的更新和展示。每個學生都要參與一個與精益生產(chǎn)概念相關的項目,項目應側重于制造工藝、服務、工程設計等方面的實際應用。學生需在課堂上向全班同學匯報項目進展(2次)。第一次是中期報告,主要進行課題、目的、目標和項目進度的陳述。第二次,學生必須對他們項目的最終成果做出全面的報告。據(jù)觀察,做自己感興趣的項目是學生感到最快樂的事,他們花大量的時間去考察項目點、與同伴討論、讀學術文獻、思考并找出創(chuàng)新點與制定解決方案。
工程碩士課程的教學策略得到了全面的實施。在第一次上課結束后,課堂出席率略有下降。學生反饋放棄這門課的原因是其被新的教學風格和不同的學習環(huán)境所嚇倒。盡管面臨此種挑戰(zhàn),仍然有25名左右的學生留下參加此門課程的學習。隨著課程的繼續(xù)深入,學生對此門課的興趣和積極性迅速增長。他們開始積極用英語與教師互動、陳述意見、提出他們的感想并踴躍分享他們的項目進展。他們開始對自己應該如何更有效地參與研究產(chǎn)生了想法。學生甚至邀請其他學院的一些朋友(5人)旁聽此門課程。
學生的項目涉及了廣泛的制造業(yè)領域,以下是學生項目的兩個例子。
圖2是運用有限元法設計的一個創(chuàng)新型伸縮衣架。這是poke-yoke概念的一個運用,靈感來源于學生的宿舍生活。他們發(fā)現(xiàn)宿舍里的一些衣架在某些位置很容易變形或者折斷,這可能是由于不同重量的衣服導致衣架受力不均所致。學生認為運用應力分析能夠改善這個問題,于是通過有限元法來分析部分位置加厚后的衣架的受力分布,設計了一個適用于不同尺寸衣服的防誤裝置,學生正在考慮把它申請專利。
圖2 創(chuàng)新衣架
圖3是學生設計的一種新型馬克筆。靈感來源于學生的課堂生活。他們發(fā)現(xiàn)馬克筆通常是一次性的,用完就被丟棄非常可惜。而教師在課堂上常常為了找筆帽而浪費時間,因為如果沒有筆帽,筆的墨水很快就干了。為解決這個問題,學生設計了一個沒有筆帽并可以反復利用的環(huán)保型馬克筆。此設計靈感來源于可再充填的打火機和番茄醬瓶。學生在筆的底部設計可以注入墨水的裝置,在筆的中部設計按鈕控制是否使用筆,如果需要用筆寫字,按下按鈕,墨水開關打開,否則就關閉。筆頭磨損后可以重新被替換,筆桿可以用環(huán)保塑料制成。
圖3 無蓋馬克筆
筆者對30名學生進行了課程滿意度調(diào)查(15題)并統(tǒng)計了部分結果。表3是學生課程反饋的統(tǒng)計結果。
表3 學生課程反饋的統(tǒng)計結果
學生的評論部分如下:
(1)您讓我們學會觀察周圍的事物、發(fā)現(xiàn)問題、并嘗試解決這些問題,我喜歡這種教學風格。
(2)您從生活中的例子開始,引導我們從精益生產(chǎn)的角度思考這些例子,使課堂變得更加有趣。
(3)您用我們感興趣的話題吸引我們,然后從精益生產(chǎn)的角度逐步地系統(tǒng)地論述這些話題,這很難讓我們厭倦。
(4)我很感激你欣賞我們在課堂上分享的創(chuàng)新理念。
(5)我將繼續(xù)學習精益生產(chǎn),因為我對此門課程十分感興趣。
(6)您給予了我們很多的鼓勵和啟發(fā),我統(tǒng)計了你在課堂上的一些用語,見表4。
表4 用語統(tǒng)計
學生對本課程還提出了一些建議:
(1)應該將兩個不同的精益概念之間的聯(lián)系解釋清楚,以讓我們明白它們是如何相互作用的。
(2)請為我們介紹更多解決實際問題的項目。
(3)應該延長課堂時間,我們希望和您進行更多的互動,也希望您給我們提供更多的真實案例!
(4)我們希望學習更多的精益生產(chǎn)模型。
(5)應介紹更多的關于精益生產(chǎn)模式的失敗案例,我們可以從這些案例中學到很多有價值的東西。
筆者在本課程中利用美國教學模式改進我校工程碩士課程的教學,創(chuàng)造了一個以學生為中心的課堂環(huán)境,從教學方式、課程試點、教學目標、教學策略等方面對工程碩士課程的教學模式進行了探討和改進,并研究了教學成果和學生反饋情況。通過此課程的學習,學生不僅提升了精益生產(chǎn)的理念,也提高了批判性思維和解決實際問題的能力。鑒于本次課程良好的課堂反饋情況,筆者將會在其他研究生課程中(例如數(shù)據(jù)結構或微機原理及應用)繼續(xù)利用和改進此種教學模式。此外,筆者將邀請一些來自德國或美國的學生同我校學生一起學習,并讓中外學生合作共同完成某些課題,以開拓學生的國際視野和國際交流能力。
[1]Zeng,F.,Liu,C.and Zhang,X.,2009,“A collaborative curriculum development to improve Chinese student learning outcomes,”Proceedings of the 2009 Annual Conference of American Society of Engineering Education.
[2]August 22nd,2006,UF study:Contrasting teaching styles in U.S.-China classrooms may influence students’ learning preferences http://news.uf l.edu/2006/08/22/chinese-learn/
[3]Raper,S.and Murray,S.,2007,“Encouraging lifelong learning for engineering management undergraduates”,Proceedings of the 2007 Annual Conference of American Society of Engineering Education.
[4]Zeng,F.,2008,“A collaborative curriculum enhancement with recognition of characteristics of Chinese college students,”Proceedings of 2008 Annual Conference of American Society of Engineering Education.
[5]Widdig,B.and Lohmann,J.,2007,“Educating engineers for the global workplace,”Proceedings of the 2007 Annual Conference of American Society of Engineering Education.