新工科背景下大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索

葛動元　李健　羅慧聰　王俊娜　羅海萍

[摘 要]高校基于經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展要求以及工程學(xué)科的發(fā)展規(guī)律，針對高校工程教育改革發(fā)展存在諸多掣肘因素，構(gòu)建面向新工科的創(chuàng)新思維的教學(xué)體系。教師可聯(lián)合中學(xué)階段的理綜、信息技術(shù)等課程的教學(xué)等，注重發(fā)散式思維的培養(yǎng)，經(jīng)過大學(xué)階段的專業(yè)學(xué)習(xí)，使其成為具有創(chuàng)新意識和跨界整合能力的“新工科”人才。

[關(guān)鍵詞]新工科；創(chuàng)新教育；高等工程教育

[中圖分類號] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0170-03

高等工程教育在我國高等教育中占有重要地位。以深化工程教育改革為契機(jī)，國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實施“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新 [1]。大學(xué)生的專業(yè)精神，即“工匠精神”，是指在相應(yīng)的領(lǐng)域具備豐富系統(tǒng)的理論知識，以及一定的創(chuàng)新能力，同時樹立孜孜不倦、精益求精、以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度[2]。2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，達(dá)成復(fù)旦共識；2017年4月，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，明確了新工科建設(shè)的行動路線；2017年6月教育部新工科研究與實踐專家組成立第一次工作召開，林蕙青副部長做重要報告，會議形成新工科建設(shè)的北京指南 [3-4]。從復(fù)旦共識、天津行動，到北京指南，明確了新工科建設(shè)的目標(biāo)，對新工科走向?qū)嵺`產(chǎn)生的廣泛影響與作用。本研究主要根據(jù)新工科發(fā)展的需要，結(jié)合高等工程教育發(fā)展的歷史與現(xiàn)實，開展大學(xué)生專業(yè)精神與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與探索，為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供智力支撐。

一、新工科建設(shè)下的創(chuàng)新教育

“新工科”對應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè)，首先是指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計算等，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。從新經(jīng)濟(jì)的角度來講，新工科之“新”在于對我國工程學(xué)科未來發(fā)展的新要求。2018年1月12日在哈爾濱舉辦的“新工科建設(shè)與工程教育改革發(fā)展研討會”上，教育部高教司理工處處長愛華在主旨報告“面向未來、主動謀劃 ，以新工科建設(shè)引領(lǐng)高等教育變革”中提到，新經(jīng)濟(jì)要求工程技術(shù)人員具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力，建立更多樣化和個性化的工程教育培養(yǎng)模式。新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要通過創(chuàng)新教育銜接新工科人才的培養(yǎng)，服務(wù)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。按照服務(wù)新經(jīng)濟(jì)的要求，面對大數(shù)據(jù)支持下的智能化機(jī)器，為提高人和機(jī)器合作協(xié)調(diào)的能力，本課題有關(guān)創(chuàng)新人才的技能矩陣如圖1所示。

（一）面向創(chuàng)新教育中的探究式教學(xué)與差異化教學(xué)

針對缺乏創(chuàng)造性的和機(jī)械訓(xùn)練的教育方法，美國哥倫比亞大學(xué)的教育家、哲學(xué)家杜威提出在教學(xué)中使用探究方法。探究式學(xué)習(xí)是一種積極的學(xué)習(xí)過程，不僅要求學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的知識，更重要的是要學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過程或方法。從20世紀(jì)50年代到60年代，探究式學(xué)習(xí)作為一種教學(xué)方法的合理性得到普遍認(rèn)同。該教學(xué)方法通過在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)類似于學(xué)術(shù)研究的情境，倡導(dǎo)學(xué)生的主動參與，通過獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)、思索、實驗、收集與處理信息、表達(dá)與交流等一系列的活動，獲取專業(yè)知識，激發(fā)探索精神，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在創(chuàng)新教學(xué)過程中，教師要把學(xué)生被動接受知識的過程轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^自主學(xué)習(xí)掌握知識與培養(yǎng)能力的過程，還原學(xué)生在教學(xué)體系中的主體地位。同時，教師將各種間接經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為學(xué)生生活情景中的直接經(jīng)驗，讓學(xué)生積極進(jìn)行交流與探索，開發(fā)創(chuàng)造性思維強(qiáng)烈的發(fā)散性、靈活的變通性，激勵原型啟發(fā)的突然性等，在各相關(guān)學(xué)科與知識之間建立新的聯(lián)系，并有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明。美國的教育家本杰明·布盧姆認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)并不一定呈正態(tài)分布。我們在多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)過程中，教師通過差異化的教學(xué)，通過探索不同學(xué)生的思維方式和他們各自解決問題的思維習(xí)慣，努力尋找教育對象與教育內(nèi)容之間最佳的結(jié)合點，充分發(fā)揮每一個學(xué)生的最大潛能，使教學(xué)活動滿足所有個體的專業(yè)學(xué)習(xí)與成長的需要，完全可以實現(xiàn)整個教學(xué)班級齊頭并進(jìn)的理想局面。同時，具有跨行業(yè)、跨領(lǐng)域特性的新經(jīng)濟(jì)，需要工程技術(shù)人才具有交叉復(fù)合特性，以及跨學(xué)科、跨產(chǎn)業(yè)的跨界整合能力。這也決定了工程教育培養(yǎng)模式的多樣性與個性化。而隨著翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等新型在線開放課程和學(xué)習(xí)平臺的興起，也為個性化、差異化的培養(yǎng)模式提供了有力支撐，使得學(xué)生接受更多可能性的多元化教學(xué)模式成為可能。這也是創(chuàng)新教育的發(fā)展方式之一。

（二）面向創(chuàng)新教育的人文關(guān)懷與引喻啟導(dǎo)

創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)是一個長期的過程，創(chuàng)新意識的培養(yǎng)要從小抓起；在從事專業(yè)學(xué)習(xí)之前，樹立學(xué)生對專業(yè)的信心與對科研的憧憬是至關(guān)重要的。教高[2017]8號文件指出，教學(xué)改革需要探索基于統(tǒng)一高考和高中學(xué)業(yè)水平考試成績、參考綜合素質(zhì)評價的多元錄取機(jī)制；以實施高考綜合改革，增強(qiáng)高考與高中學(xué)習(xí)、高校專業(yè)培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)性[5]。高中階段，在注重高考成績以及不影響高考科目學(xué)習(xí)的前提下，教師應(yīng)注重對學(xué)生發(fā)散式思維的培養(yǎng)。如湖南省隆回縣第二中學(xué)采取密切關(guān)注學(xué)生成長、潤物細(xì)無聲的放養(yǎng)式。該校的學(xué)生在升入大學(xué)的學(xué)習(xí)階段或者大學(xué)畢業(yè)后的表現(xiàn)，普遍具備適應(yīng)能力強(qiáng)，以及能夠保持持續(xù)努力的特性。該校經(jīng)過近二、三十年的努力，形成學(xué)生在校園內(nèi)碰到老師都能主動問好，而老師也平和、慈愛地應(yīng)答的融洽的校園環(huán)境。同時根據(jù)學(xué)校地處郊區(qū)，校園面積廣闊的優(yōu)勢，采取自己進(jìn)行種植、養(yǎng)殖的方式，以改善、保障學(xué)生的生活品質(zhì)，據(jù)此給學(xué)生以耳目一新的體念感受。通過學(xué)校教工無形的關(guān)愛，適當(dāng)屏蔽學(xué)生成長時期外界紛擾雜音的干擾，有助于學(xué)生專注力的形成、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。另外學(xué)校還依據(jù)地處魏源故鄉(xiāng)的文化底蘊(yùn)，建設(shè)魏源文化墻，喚起學(xué)生樸素的自豪感。在素質(zhì)教育方面，重視信息技術(shù)等反映前沿研究的課程教學(xué)，以提高學(xué)生的信息素養(yǎng)；對于物理、化學(xué)和生物等理綜科目的教學(xué)，注意理綜相關(guān)課程教學(xué)與生產(chǎn)、生活實際的關(guān)聯(lián)。比如在講解單擺等周期的教學(xué)內(nèi)容時，布置學(xué)生課前自制兩根長度為2米與0.2米的擺桿，然后用手指在空中拖住，并根據(jù)擺桿的傾斜方向移動手臂讓擺桿不倒，通過實踐，看看哪一個擺桿的控制容易實現(xiàn)。通過類比實驗的現(xiàn)象，在課堂中與學(xué)生一起分析：擺桿越長，周期越大，越易于控制；得到單擺的周期與擺桿的長度的算術(shù)平方根成正比的感性認(rèn)識。這樣通過實踐，不但使學(xué)生容易掌握單擺周期的公式，也容易激起學(xué)生對科學(xué)的原始興趣以及立志投身科學(xué)研究的情懷。

二、新工科建設(shè)下的教學(xué)設(shè)計

北京師范大學(xué)何克抗教授等認(rèn)為，教學(xué)設(shè)計主要是以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)為根本目的，運(yùn)用系統(tǒng)方法，將學(xué)習(xí)理論與教學(xué)理論等的原理轉(zhuǎn)換成對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)策略、教學(xué)評價等環(huán)節(jié)進(jìn)行具體計劃、創(chuàng)設(shè)有效的教與學(xué)系統(tǒng)的“過程”或“程序”。借鑒蘇州科技學(xué)院院長何若全教授的研究報告，按照Spady等提出的成果導(dǎo)向教育OBE（Outcome-based education）理念，為確保學(xué)生有效地取得教學(xué)成果，根據(jù)作者多年的教學(xué)實踐與經(jīng)驗積累，在新工科的視域下，本研究設(shè)計的教學(xué)設(shè)計如圖2所示。

（一）基于問題意識與創(chuàng)新思維的教學(xué)設(shè)計

大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是國家創(chuàng)新體系中的重要組成部分，關(guān)系到國家創(chuàng)新教育的實現(xiàn)，是新工科建設(shè)的核心。愛因斯坦認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)問題和系統(tǒng)闡述問題可能比解決問題更為重要；因為解決問題是數(shù)學(xué)上或者實驗上的技巧，而從新的角度看舊問題、發(fā)現(xiàn)問題、提出新的問題與提出新的可能性，需要創(chuàng)造性的想象力，是科學(xué)的真正進(jìn)步。在新工科的建設(shè)中，為促進(jìn)個性思維的深刻性與創(chuàng)造性，創(chuàng)新教育需激發(fā)大學(xué)生的“問題意識”。發(fā)現(xiàn)問題是解決問題的關(guān)鍵，是思維的內(nèi)動力；一切創(chuàng)新都始于問題的發(fā)現(xiàn)，是今后學(xué)術(shù)創(chuàng)新的突破口。發(fā)現(xiàn)問題源于敏銳的“問題意識”，而“問題意識”不是自發(fā)的，其蘊(yùn)含在學(xué)生內(nèi)心深處且紛繁復(fù)雜，在教學(xué)設(shè)計中，需要教師認(rèn)真研究與分析，悉心培養(yǎng)和觸發(fā)。根據(jù)調(diào)查，我國大學(xué)生由于受多種因素的影響，學(xué)習(xí)主動性較差，多數(shù)學(xué)生不善于或者不能提出問題。在大學(xué)生的專業(yè)教學(xué)中，教師是引導(dǎo)者，要將學(xué)生潛在的、靜態(tài)的問題意識轉(zhuǎn)化為顯在的、動態(tài)的問題意識[6]。作為探究者，學(xué)生應(yīng)通過自己的探究去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，直至形成新的發(fā)現(xiàn)。在新工科建設(shè)的教學(xué)設(shè)計中，需要平衡教師的“引”和學(xué)生的“探”的關(guān)系，做到既不放任自流，讓學(xué)生漫無邊際去探究，又不能過多牽引，而是主要由大學(xué)生嘗試從各種現(xiàn)象中認(rèn)識相應(yīng)的本質(zhì)，形成流暢、嚴(yán)密的創(chuàng)新性思維。同時培養(yǎng)學(xué)生具備若干“新素養(yǎng)”，如對“超世界存在”的關(guān)注、空間感、關(guān)聯(lián)力等的自覺[7]。使得大學(xué)生既有前瞻性的視野，又能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)新問題與新方法，成為教學(xué)過程中的主角。同時由于新工科建設(shè)的開放性，以及技術(shù)路線的多樣性和復(fù)雜性，專業(yè)教師往往并沒有現(xiàn)成的答案。我們發(fā)現(xiàn)，一般而言，整個教學(xué)過程呈現(xiàn)出類似于IPDI的特性，即教師的指導(dǎo)作用隨著教學(xué)進(jìn)程的展開逐步降低，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)逐步處于主導(dǎo)地位的態(tài)勢[8]。遵循這一特性，也是新工科建設(shè)的教學(xué)設(shè)計中應(yīng)有的態(tài)度與認(rèn)識。

另外，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與特性，從整體和全局的高度用系統(tǒng)的觀念有意識地逐級推進(jìn)，系統(tǒng)安排；做到部分探究與全部探究相適應(yīng)。作為教學(xué)的組織者和協(xié)調(diào)者，教師應(yīng)采取提問式、討論式、啟發(fā)式、引導(dǎo)式等教學(xué)方式，調(diào)動大學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中來，使得教師和學(xué)生形成課程教學(xué)的共同體[9-10]。

（二）基于前沿研究與循序漸進(jìn)的教學(xué)設(shè)計

李培根院士認(rèn)為，“新工科”需要重新審視專業(yè)邊界，如傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計與制造自動化，也應(yīng)該使該專業(yè)的學(xué)生有物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等方面的專業(yè)概念?；凇耙粠б宦贰背h的工程教育國際化背景，在大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面，由于一些新理念、新技術(shù)的出現(xiàn)，在專業(yè)知識學(xué)習(xí)的過程中，教師可結(jié)合課題研究、專業(yè)優(yōu)勢，將本學(xué)科領(lǐng)域最新的研究動態(tài)與前沿知識適當(dāng)?shù)厝谌胝n程教學(xué)中；通過積極向上的心理啟示，激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新的主動性、發(fā)散性以及對跨學(xué)科知識的敏感性[11-12]。如上海工程技術(shù)大學(xué)以國家級科研項目為依托，聯(lián)合華盛頓大學(xué)和浙江捷尚視覺有限公司等建成機(jī)器視覺創(chuàng)新科研團(tuán)隊，構(gòu)建跨界體系，破解學(xué)科壁壘，促進(jìn)工科協(xié)同、藝工交融和文理滲透[4]。同時，設(shè)計探究式教學(xué)時，教師需要依據(jù)大學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與該學(xué)科的科學(xué)探究與發(fā)展歷程基本一致。如依據(jù)人工智能發(fā)展的歷程，組織大學(xué)生參加一些以機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等課外活動等實踐時，首先學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)典的有監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，逐步進(jìn)階到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、限制玻爾茲曼機(jī)、對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，形成學(xué)生學(xué)習(xí)的螺旋式上升、波浪式前進(jìn)的教學(xué)模式；并結(jié)合相應(yīng)的語言如Python或Matlab，以及機(jī)器學(xué)習(xí)開源庫TensorFlow等，將基本原理與典型應(yīng)用，以及相應(yīng)的原程序交叉結(jié)合。通過研究型的課程學(xué)習(xí)與充分的訓(xùn)練，實現(xiàn)從零基礎(chǔ)開始，讓學(xué)生逐步掌握人工智能的基本原理。解決部分大學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識與前沿研究的發(fā)展不相適應(yīng)的問題，并鍛煉大學(xué)生對技術(shù)的領(lǐng)悟能力和創(chuàng)造能力，以及相應(yīng)知識領(lǐng)域的遷移能力。

三、結(jié)論

新工科概念的提出，對我國高等工程教育改革發(fā)展提出了新的要求、也提供了新的機(jī)遇與平臺。高校應(yīng)通過面向新工科建設(shè)的創(chuàng)新教育的探索與實踐，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)造性思維，使其具有積極的求異性，強(qiáng)烈的發(fā)散性以及靈活的變通性。同時，其還能使大學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)或者畢業(yè)后的工程實踐與科學(xué)研究中，通過持久、專注的冥思苦想，由原型啟發(fā)的頓悟而發(fā)現(xiàn)新問題、新方法。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]