多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式探索與實踐

宋亞男，宋子寅，徐榮華

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 廣州 510006）

2017 年4 月，教育部在天津大學(xué)召開“新工科”建設(shè)研討會，60 余所高校共商“新工科”建設(shè)的愿景與行動。與會代表一致認為，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠之策。其中指出，促進學(xué)生的全面發(fā)展，把握“新工科”人才的核心素養(yǎng)，強化工科學(xué)生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態(tài)意識，培養(yǎng)設(shè)計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)、溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導(dǎo)力[1]。其中關(guān)鍵問題之一是如何培養(yǎng)多學(xué)科交叉融合的工程人才。

美國大學(xué)教育在20 世紀90 年代興起了“回歸工程”的浪潮，提出建立工程教育的“大工程觀”[2]。若想在大工程觀的基礎(chǔ)上實現(xiàn)創(chuàng)新，就需要突破原有的專業(yè)、學(xué)科的壁壘，進行多學(xué)科交叉融合。這與早期細化專業(yè)和學(xué)科的專門人才培養(yǎng)過程相逆。二者在不同的社會發(fā)展、知識發(fā)展過程中都是需要的。然而，當(dāng)今時代下，知識飛速更新，對多學(xué)科交叉融合的工程人才的需求更為迫切。

目前，多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)已得到高校教育工作者的廣泛關(guān)注[3-16]。有的研究者從多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)方法上進行了探索[3-5]，有的從實驗室平臺建設(shè)方面進行了探討[2]，有的針對某一專業(yè)、學(xué)科進行了深入探索[6-11]，有的從培養(yǎng)模式方面進行了有益探討[12-14]，還有的從實踐教學(xué)方面進行了探索[15-16]等。如李濤等[2]提出運用多學(xué)科交叉融合方法，依托學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科，打通教學(xué)科研實驗室壁壘，整合校內(nèi)外實踐教學(xué)資源，構(gòu)建功能集約、資源優(yōu)化、開放充分、運作高效的創(chuàng)新實踐平臺；張建[6]以華南理工大學(xué)陳皓勇教授的工作為例介紹了多學(xué)科交叉融合推進電力系統(tǒng)創(chuàng)新舉措和方法；王冠凌等[7]介紹了安徽工程大學(xué)電子信息工程專業(yè)通過以項目為紐帶，融合學(xué)科競賽，構(gòu)建了多學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。這些經(jīng)驗都值得借鑒，本文將介紹在課題組這方面所進行的一些探索和實踐。

1 多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式設(shè)計

1.1 課程設(shè)計與組織

（1）需要針對培養(yǎng)目標，有意識、有針對性地設(shè)計與組織數(shù)理基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課程的教學(xué)安排。雖然不同學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容不同，但在研究方法和理論探索方面有一致性和相同之處，這有利于提高學(xué)生進行交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)與探討。

（2）靈活設(shè)計專業(yè)課模塊，引入學(xué)科交叉案例分析，以應(yīng)對不同社會需求出口，增加學(xué)生的學(xué)科交叉學(xué)習(xí)的興趣及主動性。

（3）按照課程群建設(shè)的模式，讓數(shù)理基礎(chǔ)、專業(yè)核心課程內(nèi)容接近實際工程問題的解決，讓這些從工程問題中來的知識最終能成為解決工程問題的工具。同時使學(xué)生能夠認識到學(xué)科之間沒有完全的壁壘，通過跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的融合，培養(yǎng)學(xué)生具有跨過壁壘、解決問題的能力。

1.2 課程內(nèi)容更新

（2）由于教材的改版一般比較慢，可充分利用講義、PPT 更新教學(xué)內(nèi)容，借助互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源豐富交叉學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容。

（3）引導(dǎo)不同專業(yè)的本科生、研究生進入教師科研團隊協(xié)同工作，并將教師科研成果轉(zhuǎn)化成實驗教學(xué)項目，更新及豐富交叉學(xué)科的實踐教學(xué)。

（4）以教師交叉科研項目為導(dǎo)向，依托信息社會資源開放的特點，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所要解決的問題，自主學(xué)習(xí)慕課等資源，解決專業(yè)學(xué)時有限、交叉學(xué)科學(xué)習(xí)目標多等問題。

1.3 多學(xué)科交叉融合環(huán)境搭建

（1）依托教師科研，根據(jù)項目需要組建各專業(yè)背景的交流群組，建立交叉學(xué)科交流平臺（微信群、遠程實驗系統(tǒng)等），便于學(xué)生及時交流和學(xué)習(xí)。

（2）建立開放實驗室，依托教師的科研項目，有序組織各專業(yè)學(xué)生進入實驗室開展項目研發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生交叉學(xué)科的科研能力。

（3）依托教師的科研項目，有針對性地由不同專業(yè)背景的合作者進行專業(yè)內(nèi)容的指導(dǎo)，讓不同專業(yè)的學(xué)生能夠合作得更為緊密。

（4）互相派遣不同專業(yè)的學(xué)生，依托科研項目，進行交叉學(xué)科的難題攻關(guān)，促進交叉學(xué)科微環(huán)境的良性理解和互動，實踐證明這種方式很好地促進了項目攻關(guān)和多學(xué)科交叉人才培養(yǎng)。

2 多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式實踐

課題組所在團隊的主要研究方向是機器學(xué)習(xí)與機器視覺，其作為一種人工智能的工具和手段越來越廣泛地服務(wù)于不同的行業(yè)和領(lǐng)域。由于機器學(xué)習(xí)是一種智能學(xué)習(xí)工具，而機器視覺是一種非接觸性全息測量手段，只有與不同領(lǐng)域知識相結(jié)合才能解決課題組中遇到的問題。此外，由于各個領(lǐng)域?qū)π畔⒒⒅悄芑男枨笤絹碓狡惹?，機器學(xué)習(xí)及機器視覺的研究和工程應(yīng)用必然向多學(xué)科交叉方向發(fā)展，其要解決的問題需要多學(xué)科之間的協(xié)同合作。所有這些需要團隊成員具有良好的交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)能力，也需要團隊之間實現(xiàn)快速、高效無障礙交流。

（1）課題組針對不同專業(yè)建立了攻關(guān)項目，如與人工智能與模式識別專業(yè)的“識別算法設(shè)計與實現(xiàn)”項目、與機械工程專業(yè)的“進行采集裝置制造”項目、與生物系昆蟲學(xué)專業(yè)的“昆蟲跟蹤算法設(shè)計與實現(xiàn)”項目、與控制工程專業(yè)的“進行多攝像頭采集裝置的同步裝置的設(shè)計與制造”項目等。

再者，學(xué)校應(yīng)積極舉辦體育比賽、體育項目表演、校園體育文化節(jié)等活動，增強校園體育文化氛圍，豐富學(xué)生的課外活動，使學(xué)生勞逸結(jié)合，在學(xué)習(xí)的同時釋放壓力、振奮精神。

（2）為了讓不同專業(yè)學(xué)生之間能夠充分交流，搭建了項目微信群，并基于開放實驗室建立依托項目的團組，實現(xiàn)項目思路和問題的有效交流。各專業(yè)教師從不同專業(yè)視角開展學(xué)科交叉融合，促進多學(xué)科人才培養(yǎng)的有效進行?；谶h程實驗平臺，讓采集端與學(xué)習(xí)服務(wù)器互聯(lián)，實現(xiàn)多方協(xié)同工作機制。利用學(xué)院開放實驗室，引導(dǎo)部分專業(yè)本科生進入實驗室開展多學(xué)科交叉融合項目研發(fā)。

（3）為了讓不同專業(yè)學(xué)生互相理解各自的工作目標及所需要的協(xié)作，定期進行各專業(yè)團隊內(nèi)容匯報和對不同專業(yè)的問題匯總、咨詢與答復(fù)。此外，專業(yè)團隊成員提供不同專業(yè)知識輔導(dǎo)；需要的話，互相選派專業(yè)團隊成員進行短期項目跟蹤與支持。實踐證明，這種方法非常有效，縮短了溝通成本，提高了項目攻關(guān)的效率，提高了學(xué)生的合作能力。

（4）本科生是科學(xué)研究和開發(fā)的后備軍，可以讓大一、大二的本科生在課余時間進入教師的科研課題，先做一些輔助性工作，如挖掘數(shù)據(jù)、搭建基本實驗平臺、數(shù)據(jù)標注、數(shù)據(jù)整理分析等。通過參與項目的全程研發(fā)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的學(xué)習(xí)能力、溝通交流能力和實踐動手能力，也提高了學(xué)生的科學(xué)研究興趣。

（5）將多學(xué)科交叉研究項目裁剪成教學(xué)素材和實驗項目，更新教材、豐富課堂教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容。如課題組正在編寫《機器學(xué)習(xí)》教材，將結(jié)合課題組多學(xué)科交叉融合的工程實際和研究組織編寫，這些內(nèi)容將提供給學(xué)習(xí)者有益的參考；多學(xué)科交叉研究的項目也被裁剪成小的實踐項目供學(xué)生在創(chuàng)新實踐、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)中進行探索。

3 多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式的滾動評估和完善

為了不斷完善多學(xué)科工程人才培養(yǎng)模式，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，課題組設(shè)計了調(diào)查反饋表，以促進和指導(dǎo)多學(xué)科交叉融合工程人才培養(yǎng)模式的滾動優(yōu)化。調(diào)查表分為三種，分別提供給教師、學(xué)生和用人單位。這部分工作剛剛開展，只進行了一部分教師、學(xué)生和用人單位的調(diào)研，但已經(jīng)獲得很好的啟示。

（1）交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的資源還比較有限，能夠參與教師科研、科技競賽、大學(xué)生創(chuàng)新項目的學(xué)生人數(shù)還不到15%。雖然相對于以前而言，這方面有了很大進步，但還有進一步擴大的潛能。實踐發(fā)現(xiàn)，上述資源在一定程度上受學(xué)校發(fā)展和資源的限制，大幅度提高有一定的困難，而將交叉學(xué)科項目引入實踐環(huán)節(jié)（如實驗室綜合性設(shè)計性實驗、實驗室自制設(shè)備、畢業(yè)設(shè)計等）是擴大學(xué)生參與交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的一個有效方式，值得嘗試和推廣。

（2）交叉學(xué)科人才培養(yǎng)要求學(xué)生有更多的自主學(xué)習(xí)時間。近年來專業(yè)課程進行了學(xué)分壓縮，可以釋放出更多的時間給學(xué)生進行交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)。此外，學(xué)校在理順核心課程，進一步夯實專業(yè)基礎(chǔ)的同時，也釋放出更多自主學(xué)習(xí)的時間。但如何組織學(xué)生積極有效地利用好釋放出來的時間，進行有的放矢的交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)，這是需要認真研究解決的一個實際問題。另外，局部打通一些學(xué)分壁壘，實現(xiàn)大學(xué)科部分學(xué)分共享，也是促進學(xué)科交叉融合的一種有效方式，但這需要在學(xué)校大學(xué)科層面進行總體設(shè)計與實施。

（3）交叉學(xué)科人才培養(yǎng)對教師業(yè)務(wù)能力提出了新的要求，除了個體教師及所在科研團隊通過研究項目的實施能夠提高這方面能力外，教師在交叉學(xué)科人才培養(yǎng)共性方面需要進一步的學(xué)習(xí)和交流。為此，學(xué)校成立了教師發(fā)展中心，進行教師能力可持續(xù)發(fā)展的培訓(xùn)，讓很多教師受益良多。依托教師發(fā)展中心的教師培訓(xùn)項目，組織教師對交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的一些共性問題進行探討，這有利于教師業(yè)務(wù)能力的提升。

（4）交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的要求是和社會需求密切相關(guān)的，教師和用人單位，通過教師項目進行聯(lián)接，企業(yè)導(dǎo)師也提供了這種聯(lián)接渠道，但在本科生培養(yǎng)階段，這種渠道還非常有限。比較有效的做法是企業(yè)在學(xué)校設(shè)置實驗室，讓企業(yè)的一線需求快速進入學(xué)校，學(xué)生能夠及時了解企業(yè)的實際需求。目前，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，有很多的企業(yè)尋求新的合作方式，如軟件項目合作，并不需要很大的空間。本課題組所接觸的企業(yè)就有這種需求，希望通過這種方式培養(yǎng)企業(yè)的后備人才，對學(xué)校而言也是一種好的社會資源，可以讓一線的實際問題進入校園，促進多學(xué)科交叉融合的工程人才的培養(yǎng)。

（5）學(xué)校的各種學(xué)術(shù)交流比較豐富，而企業(yè)界進校交流則比較少或是在小范圍內(nèi)進行，應(yīng)該增加與企業(yè)界交流的方式，建立相關(guān)機制，如建立信息網(wǎng)站，進行需求對接等，讓校企交流的方式更靈活、更常態(tài)化，使學(xué)校和社會的需求聯(lián)接等更加緊密。

（6）在課題組的實踐探索中發(fā)現(xiàn)，多學(xué)科交叉融合的推進劑和關(guān)鍵點是項目引導(dǎo)，即專業(yè)教師的科研合作項目。合作項目的開展有利于多學(xué)科交叉融合的工程技術(shù)人員培養(yǎng)所須具備的兩個最重要的能力，即自主學(xué)習(xí)能力和溝通交流能力。不同學(xué)科專業(yè)人員的知識背景是不同的，尊重對方專業(yè)性、重視相互合作，以順暢的交流方式進行表述、溝通，才能讓多學(xué)科交叉融合真正有效實施。上述兩種能力在交叉學(xué)科融合項目的實踐中得到加強和培養(yǎng)。

4 結(jié)語

在知識飛速更新，只有不斷創(chuàng)新才能具有競爭力的今天，多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)顯得尤為重要。課題組實踐表明，在高等教育中，以工程項目為導(dǎo)向，創(chuàng)造良好的多學(xué)科交叉融合學(xué)習(xí)的環(huán)境，重點培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和溝通交流能力，將積極有效地推進多學(xué)科交叉融合的工程人才培養(yǎng)。