基于工程范式的工程教育理論與實(shí)踐芻議

王勝春 林松柏 王曉偉 靳同紅

[摘 要] 工程教育越來越強(qiáng)調(diào)對學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新等應(yīng)用能力的培養(yǎng)。工程范式是有效解決工程教育中重知識傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)換的一種教育理論?；谶@一范式，工程教育須變革傳統(tǒng)的教育理念，按照新的技術(shù)路線重構(gòu)畢業(yè)要求、課程體系和課程目標(biāo)。在教學(xué)實(shí)施過程中，教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行重構(gòu)，將知識與能力、經(jīng)典與前沿有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)新舊知識的銜接;同時，還要改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，采用體現(xiàn)應(yīng)用和探究特點(diǎn)的新的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。

[關(guān)鍵詞] 工程范式;工程教育;重構(gòu)

[基金項(xiàng)目] 2020—2022年山東省教育廳研究生教育質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)課程”（SDYKC19114）

[作者簡介] 王勝春（1968—），女，山東鄒平人，博士，山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、工程教育研究。

[中圖分類號] G642.41? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? [文章編號] 1674-9324（2021）38-0026-04? ?[收稿日期] 2021-01-16

隨著高等教育的轉(zhuǎn)型，高校人才培養(yǎng)也從強(qiáng)調(diào)知識型人才向強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與創(chuàng)新型人才轉(zhuǎn)變在工程教育領(lǐng)域，傳統(tǒng)的教育理論是建立在知識核心基礎(chǔ)上的，可以稱為知識范式的教育理論。這種范式指導(dǎo)下的人才培養(yǎng)過程中以知識為主線，教師教知識、學(xué)生學(xué)知識、考試考知識，容易導(dǎo)致學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)新的脫節(jié)，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力比較薄弱。為了解決這一問題，從根本上提高高等工程教育質(zhì)量，一種新的教育范式——工程范式的工程教育理論被提出[1，2]。這種工程范式的基本內(nèi)容是：按照工程屬性即實(shí)踐性、綜合性、創(chuàng)新性和社會性確定培養(yǎng)目標(biāo)，然后根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)確定畢業(yè)要求，再根據(jù)畢業(yè)要求反推課程體系、重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，采用相應(yīng)的教學(xué)方法實(shí)施教學(xué)，進(jìn)而改革課程的考核評價方式，保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

一、傳統(tǒng)知識范式教育理論指導(dǎo)下的課程教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的知識范式是以知識為主線，根據(jù)學(xué)科知識的系統(tǒng)性、完整性和理論性來構(gòu)建課程體系，課程的教學(xué)目標(biāo)聚焦學(xué)生對知識的系統(tǒng)理解和掌握，對應(yīng)的教學(xué)方法是以課堂講授為主，強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)地位和作用，學(xué)生以被動學(xué)習(xí)、知識記憶為主。在這種理論指導(dǎo)下，課程教學(xué)過程中存在很多問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響對學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，特別是在高等工程教育領(lǐng)域，問題更為突出。

以工程機(jī)械類專業(yè)中的“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程為例，課程開設(shè)的目的是為培養(yǎng)工程師提供技術(shù)和方法，形成解決工程實(shí)際問題的能力。但在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程仍存在一些問題。

（一）教材內(nèi)容多而陳舊

《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》的內(nèi)容十多年來幾乎都是按照第一章優(yōu)化設(shè)計(jì)概述、第二章優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、第三章一維搜索方法、第四章無約束優(yōu)化方法、第五章約束優(yōu)化方法、第六章線性規(guī)劃、第七章多目標(biāo)優(yōu)化方法簡介、第八章機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例順序來安排。其中最重要的無約束優(yōu)化又包括最速下降法、牛頓類方法、坐標(biāo)輪換法、鮑威爾方法，約束優(yōu)化又包括隨機(jī)方向法、復(fù)合型法、內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法、外點(diǎn)懲罰函數(shù)法、混合懲罰函數(shù)法。這些方法是經(jīng)典的優(yōu)化方法，但總計(jì)32學(xué)時的課程卻涵蓋十余種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在教學(xué)過程中確實(shí)使教師和學(xué)生顧此失彼。特別是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和現(xiàn)代優(yōu)化理論與方法的快速發(fā)展，教材內(nèi)容的優(yōu)化和新理論新方法的增加已成為時代之需。

（二）教材結(jié)構(gòu)導(dǎo)致知識割裂

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理想的教學(xué)目標(biāo)，是在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將優(yōu)化思想變成設(shè)計(jì)程序，通過程序運(yùn)行得到最后結(jié)果，進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)化。但現(xiàn)有教材的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化基本理論及程序框圖講授分析結(jié)束后，缺少編程的知識與方法，學(xué)生很難將機(jī)械優(yōu)化的知識與計(jì)算機(jī)編程的知識相結(jié)合，因而也難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)能力。

（三）案例庫缺乏

教學(xué)過程中，教師主要根據(jù)教材內(nèi)容組織教學(xué)活動，而教材中的機(jī)械設(shè)計(jì)案例部分是給出數(shù)學(xué)模型、給定約束后，通過前述的某種方法一筆帶過，直接給出最優(yōu)結(jié)果，學(xué)生代入感不強(qiáng)。中間程序?qū)崿F(xiàn)過程對他們來說更是難點(diǎn)，但教材中全是極簡化的內(nèi)容，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

二、基于工程范式的工程教育理論內(nèi)容與教學(xué)實(shí)踐探索

范式理論是美國科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中提出并論述的，指一個科學(xué)共同體在某一專業(yè)或?qū)W科中所具有的，由共同的基本觀點(diǎn)、基本理論和基本方法構(gòu)成的，能夠提供共同理論模式和解決問題方向的信念系統(tǒng)[3]。庫恩證明了范式是一種有關(guān)價值、信念和方法論的共識，其實(shí)質(zhì)就是一種世界觀和方法論。就工程教育現(xiàn)狀而言，以知識范式為特征的教育理論已經(jīng)不能適應(yīng)時代對工程教育人才培養(yǎng)的要求，客觀上需要轉(zhuǎn)變教育理念，從知識范式向工程范式轉(zhuǎn)換，按照工程范式的教育理論推動教育理念和教學(xué)方法的變革[4]。

基于工程范式的教育理論是對傳統(tǒng)知識范式教育理論的一種顛覆。在知識觀上，要求由傳統(tǒng)的學(xué)科單一知識向?qū)W科交叉整合的跨域知識轉(zhuǎn)變[5];在課程論上，要求從學(xué)科課程論轉(zhuǎn)向活動課程論，即從由理論到實(shí)踐的知識獲取方式向?qū)嵺`到理論的知識獲取方式轉(zhuǎn)變[6，7]。從根本上看，范式轉(zhuǎn)換是革命性的，表征著世界觀的改變，“接受一個新范式的科學(xué)家會以與以前不一樣的方式來看這個世界。”[3]基于工程范式的教學(xué)改革，重點(diǎn)要從以下幾個方面入手。

（一）細(xì)化課程目標(biāo)

一門課程之所以要開設(shè)，理論上必須是達(dá)成專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的有機(jī)組成部分。也就是說，課程的教學(xué)目標(biāo)要向上對準(zhǔn)專業(yè)的培養(yǎng)要求，并通過細(xì)化的課程目標(biāo)來支撐。但現(xiàn)有課程教學(xué)目標(biāo)更多的是從教材出發(fā)，基于教材內(nèi)容進(jìn)行重難點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)，甚至與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求脫節(jié)[8]。因此，非常有必要對課程目標(biāo)進(jìn)行分解、細(xì)化。

傳統(tǒng)的課程目標(biāo)是以知識為主線進(jìn)行分解設(shè)計(jì)，對能力要求的描述比較寬泛，如有的課程目標(biāo)確定為“能夠靈活運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的理論知識解決本學(xué)科領(lǐng)域中出現(xiàn)的實(shí)際問題并具備獨(dú)立從事本專業(yè)科學(xué)研究的能力?！盵9]基于工程范式制定的課程目標(biāo)，需要具有可教、可學(xué)、可測評的特點(diǎn)。以“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”為例，課程目標(biāo)分解如下。