新工科視域下高等工程實(shí)踐教學(xué)的理性反思與體系改造

居里鍇 ,徐建成 ,周成

(南京理工大學(xué)a.教務(wù)處;b.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院;c.工程訓(xùn)練中心,南京 210094)

一、新工科視域下現(xiàn)代工程實(shí)踐教學(xué)的理性反思

(一)傳統(tǒng)固化的工程實(shí)踐教學(xué)理念亟待革新

新工科作為一種新型工程教育,從育人的角度來(lái)看其本質(zhì)沒有變,但人才的培養(yǎng)結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成、目標(biāo)價(jià)值取向兩個(gè)方面發(fā)生了重大的變化。

1.工程人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成需多元化。當(dāng)前我國(guó)產(chǎn)業(yè)處于不均衡發(fā)展階段,電氣化、自動(dòng)化、數(shù)字化以及智能化的工業(yè)正處于并行發(fā)展的道路上,這就決定了產(chǎn)業(yè)對(duì)于工程人才的需求是復(fù)雜多樣的,必須完善面向全產(chǎn)業(yè)鏈從研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷售到管理服務(wù)的多元化人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu),因此工程實(shí)踐教育應(yīng)根據(jù)未來(lái)對(duì)工程人才的素質(zhì)能力要求,建立起工程教育轉(zhuǎn)型升級(jí)的供給機(jī)制。

2.工程人才培養(yǎng)目標(biāo)價(jià)值取向應(yīng)面向未來(lái)。美國(guó)工程院發(fā)布的《2020的工程師:新世紀(jì)工程的愿景》中指出,未來(lái)的工程師應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)秀的分析能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)造力、溝通能力、商務(wù)和管理能力、領(lǐng)導(dǎo)力、終身學(xué)習(xí)能力等素質(zhì)。鐘登華認(rèn)為未來(lái)的高素質(zhì)工程人才應(yīng)當(dāng)具備以下核心素養(yǎng):家國(guó)情懷、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、批判性思維、全球視野、自主終身學(xué)習(xí)、溝通與協(xié)商、工程領(lǐng)導(dǎo)力、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、數(shù)字素養(yǎng)等[1]。人才培養(yǎng)目標(biāo)的變化,決定了新工科視域下工程實(shí)踐教育中的“實(shí)踐”也已不再是傳統(tǒng)意義上的實(shí)踐,其內(nèi)涵也同樣發(fā)生了兩個(gè)方面的重要轉(zhuǎn)變。

第一,工程實(shí)踐由單一技術(shù)要素轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)要素、技術(shù)要素以及非技術(shù)要素相融合。就實(shí)質(zhì)而言,新型工程教育是一個(gè)科學(xué)、技術(shù)以及非技術(shù)要素有機(jī)耦合且具有整體性、綜合性、實(shí)踐性的系統(tǒng),是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造精神和創(chuàng)新思維、塑造行為方式和人生哲學(xué)、選擇自主終身提升與發(fā)展的新型教育理念與范式。因此,新型工程教育要求工程實(shí)踐教育從注重技術(shù)要素的教育轉(zhuǎn)化為注重科學(xué)要素、技術(shù)要素與人文社會(huì)價(jià)值理念等非技術(shù)要素深度融合的教育,并通過(guò)新型的工程實(shí)踐平臺(tái)與載體,構(gòu)建具有完整性、綜合性、創(chuàng)新性的工程實(shí)踐教育理念體系。這種體系從哲學(xué)角度來(lái)講是工程實(shí)踐教育發(fā)展的否定之否定,是在重新審視工程科學(xué)的基礎(chǔ)上全面增強(qiáng)工程實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程學(xué)科進(jìn)行創(chuàng)造性的整合與集成,是繼承與創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)系。

第二,工程實(shí)踐由單一的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭鐚W(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu)。工程活動(dòng)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性,通常包含工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、工程管理及工程運(yùn)維等內(nèi)容,其復(fù)雜性、綜合性和交叉性需要現(xiàn)代工程人才具備跨學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)解決復(fù)雜工程問題的能力與素養(yǎng)。這要求高校培養(yǎng)的工程人才在工程實(shí)踐中不僅要學(xué)會(huì)選擇和集成各類技術(shù),還要學(xué)會(huì)對(duì)各類資源的組織與協(xié)調(diào),形成系統(tǒng)性、集成性、優(yōu)化性的整體思維模式[2]。

工程訓(xùn)練作為培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑,已得到國(guó)內(nèi)工科高校的普遍重視,也取得了一些積極成效。然而觀其全貌,國(guó)內(nèi)工程訓(xùn)練中心大多數(shù)都是從傳統(tǒng)實(shí)習(xí)工廠轉(zhuǎn)型而來(lái),缺乏理性認(rèn)識(shí)和主動(dòng)的建構(gòu)與變革。傳統(tǒng)固化的教學(xué)模式束縛著工程實(shí)踐的發(fā)展,在思想理念與發(fā)展方式上注重規(guī)模、數(shù)量增長(zhǎng)、局部體系構(gòu)建的外延式發(fā)展,忽視內(nèi)涵式的質(zhì)量建設(shè)和發(fā)展,從而造成同質(zhì)化發(fā)展、與專業(yè)教育分離、未貫穿人才培養(yǎng)的全過(guò)程等問題,阻礙工程實(shí)踐教育改革的有效推進(jìn)和可持續(xù)發(fā)展。顯而易見,這種無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代工程人才成長(zhǎng)需求的理念亟待革新。

(二)工程環(huán)境缺失的單一工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)亟待提升

現(xiàn)代工程是以工程鏈的形式呈現(xiàn),涉及眾多學(xué)科知識(shí)背景以及諸多人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理、倫理、道德、法律等非技術(shù)要素。工程的本質(zhì)決定了工程創(chuàng)新具有復(fù)雜、綜合、交叉的特征,這意味著以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為本的工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)必須具有復(fù)合性[3]。這種復(fù)合,從知識(shí)結(jié)構(gòu)上講是學(xué)科的綜合與交叉,在實(shí)踐中體現(xiàn)的是知識(shí)的整合與跨界。

工程訓(xùn)練中心作為我國(guó)高等工程實(shí)踐教學(xué)的平臺(tái)已是所有工科院校的共識(shí)。然而,其建設(shè)視野、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)規(guī)模都不同程度上囿于傳統(tǒng)的教育資源,普遍缺乏對(duì)復(fù)合式現(xiàn)代工程環(huán)境的營(yíng)造。因此,面對(duì)高素質(zhì)現(xiàn)代工程人才的迫切需求,這種單一的工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)亟待提升。解決這一問題,就需要在工程教育中打破學(xué)科壁壘,重新進(jìn)行能夠還原工程原貌的整合,通過(guò)建立跨學(xué)科工程實(shí)踐平臺(tái),形成多學(xué)科交叉融合的工程環(huán)境,提升大學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)質(zhì)量。

(三)學(xué)科割裂、滯后于需求的工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容亟待更新

我國(guó)高等工程教育普遍存在著學(xué)科割裂、多學(xué)科知識(shí)交叉、社會(huì)市場(chǎng)信息和專業(yè)前沿嵌入嚴(yán)重不足以及人才培養(yǎng)與企業(yè)需求相脫節(jié)的問題。究其原因,過(guò)去的人才培養(yǎng)需求往往通過(guò)市場(chǎng)來(lái)反饋,由于人才培養(yǎng)具有一定的周期性,如果完全依靠從市場(chǎng)接受信息,則缺乏前瞻性預(yù)期與研判,如此一來(lái),人才培養(yǎng)總是滯后于企業(yè)發(fā)展的需求,從而導(dǎo)致高等工程教育處于與經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展需求相脫節(jié)的狀態(tài)。

在智能制造背景下,工業(yè)生產(chǎn)正朝著流程自動(dòng)化、生產(chǎn)智能化和系統(tǒng)集成化方向邁進(jìn)[4]。工業(yè)生產(chǎn)的智能化帶來(lái)了設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維以及管理、服務(wù)方式的根本性變化,這對(duì)工程人才的綜合能力提出了很高的要求。以當(dāng)今現(xiàn)代工程人才應(yīng)當(dāng)具備的數(shù)字化能力為例。工程人才需要具備數(shù)字化研發(fā)能力,這要求工程人才能夠掌握對(duì)應(yīng)的算法、軟件、系統(tǒng)等的研發(fā);工程人才需要具備數(shù)字化制造能力,這要求工程人才能夠掌握如何與機(jī)器和AI交互,如何根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變化運(yùn)用工具軟件對(duì)工業(yè)制造過(guò)程進(jìn)行有效的分析、判斷和預(yù)測(cè),做到高效的人機(jī)協(xié)同;工程人才需要具備數(shù)字化管理能力,這要求工程人才能夠?qū)⑵髽I(yè)的經(jīng)營(yíng)管理體系與數(shù)字化結(jié)合,形成新的管理模式,構(gòu)建涉及各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的全新管理平臺(tái)。這種對(duì)工程人才的數(shù)字化能力的需求必然要引發(fā)工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的變革。但實(shí)際上,我國(guó)工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容長(zhǎng)期以來(lái)是基于單一學(xué)科模式來(lái)確定的,注重相關(guān)學(xué)科專業(yè)的實(shí)踐操作技能、工藝流程、專業(yè)技術(shù)發(fā)展等內(nèi)容。面向智能制造等新興領(lǐng)域,傳統(tǒng)的工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容存在內(nèi)容老化、學(xué)科交叉性不強(qiáng)、與人文社會(huì)學(xué)科融合度低等問題[5],這不符合當(dāng)今行業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)工程人才的迫切需求。因此,工程實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容上需要打破傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容體系的藩籬,關(guān)注國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向,緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì),主動(dòng)融入現(xiàn)代新興技術(shù),設(shè)置跨學(xué)科的綜合性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

二、新工科視域下工程實(shí)踐教學(xué)體系的探索與踐行

新工科視域下改善后的工程實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)有效適應(yīng)未來(lái)科技發(fā)展變化,助力提升未來(lái)工程師的創(chuàng)造能力、實(shí)踐能力、綜合素養(yǎng)等,同時(shí)還必須有利于探尋繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享的正確途徑,以期培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[6]。這是高等工程實(shí)踐教育發(fā)展的必然選擇,是對(duì)未來(lái)人才培養(yǎng)工程實(shí)踐走勢(shì)的科學(xué)預(yù)判,也是對(duì)未來(lái)人才需求的有效回應(yīng),已然成為新工科視域下人才培養(yǎng)提質(zhì)增效的基本向度與根本遵循。

(一)科學(xué)把握新工業(yè)模式特征,創(chuàng)建智能制造工程實(shí)踐教學(xué)體系

以智能制造為突破口,改造工程實(shí)踐教學(xué)體系。曾任中國(guó)工程院院長(zhǎng)的周濟(jì)對(duì)此有深刻而全面的闡述:“智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)的深度融合,貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及制造系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平,推進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展?！盵7]選擇以智能制造為突破口改造工程實(shí)踐教學(xué)體系,不僅符合我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式以達(dá)到高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求,而且也滿足現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)要素多元化的渴望,有助于從學(xué)科角度切實(shí)形成交叉融合的知識(shí)體系,實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與人文情懷的培養(yǎng)。

近幾年國(guó)內(nèi)一些高校在面向智能制造積極改造工程實(shí)踐教學(xué)體系方面做了許多積極而有益的探索。山東大學(xué)工程訓(xùn)練中心以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為使能技術(shù),以實(shí)踐產(chǎn)品群為主線,以實(shí)踐項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)載體,重構(gòu)了課程體系,構(gòu)建新工科工程訓(xùn)練實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)模式[8]。華中科技大學(xué)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為指導(dǎo)思想,基于智能制造工廠產(chǎn)品生產(chǎn)全流程,突出產(chǎn)品智能制造中質(zhì)量控制、資源管理、生產(chǎn)過(guò)程控制的關(guān)鍵問題,依托智能裝備、智能感知儀器與技術(shù)、虛擬仿真智能制造系統(tǒng)與管控等基礎(chǔ)裝備條件,構(gòu)建新的工程實(shí)踐教學(xué)體系[9]。

(二)持續(xù)推進(jìn)內(nèi)合外聯(lián)、產(chǎn)教科教融合,提升組合平臺(tái)建設(shè)水平

組合實(shí)踐平臺(tái)是培養(yǎng)工程人才的主場(chǎng)地。它云集眾多智能軟件、匯聚多樣前沿技術(shù),其建設(shè)資金與資源籌措僅依靠學(xué)校這單一主體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須聯(lián)合政產(chǎn)學(xué)研用多方資源協(xié)同打造工程實(shí)踐平臺(tái)的新模式、新思路和新方法。幾年來(lái)南京理工大學(xué)依據(jù)改造后工程實(shí)踐教學(xué)體系的頂層設(shè)計(jì),通過(guò)自主開發(fā)、科研成果轉(zhuǎn)化、校企合作共建等多種方式,全方位地提升了組合實(shí)踐平臺(tái)內(nèi)涵與硬軟件水平,獨(dú)具一格地創(chuàng)造了共建平臺(tái)、共建團(tuán)隊(duì)、共同開發(fā)的新理念與新局面。

第一,共建智能制造教學(xué)平臺(tái)?；趪?guó)際視野,以校企深度合作方式建設(shè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中心、產(chǎn)學(xué)研示范基地等模式,共同推動(dòng)智能制造平臺(tái)建設(shè)。以南京理工大學(xué)為例,其與世界領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)/PLM/CAD 軟件供應(yīng)商PTC 公司建立國(guó)內(nèi)首家以智能制造為主題的“PTC-南京理工大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中心”。以國(guó)家智能制造裝備安全標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)新基地建設(shè)為契機(jī),聯(lián)合美國(guó)PTC、日本歐姆龍與愛德克、德國(guó)皮爾磁、瑞士ABB以及上海拜睿、北京精雕等國(guó)內(nèi)外在智能制造領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的企業(yè)共建智能制造生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。與全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、日本歐姆龍、德國(guó)皮爾磁、英國(guó)福帝斯積極開展合作,共建智能安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外高等教育安全實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)“零”突破。與上海曼恒數(shù)字技術(shù)有限公司共建虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室,通過(guò)虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),提升學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與優(yōu)化能力。

第二,共建校企聯(lián)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)質(zhì)量與有效組合是工程實(shí)踐教育提質(zhì)增效的關(guān)鍵因素,必須組建一批專兼結(jié)合的多元化、高素質(zhì)、專業(yè)化的工程實(shí)踐教學(xué)師資隊(duì)伍。為此,高校必須主動(dòng)對(duì)外聘請(qǐng)一批具有多學(xué)科結(jié)構(gòu)的專家、優(yōu)秀企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)者、行業(yè)領(lǐng)袖為兼職教授;嚴(yán)格篩選青年骨干教師到國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)培訓(xùn)學(xué)習(xí),形成面向智能制造的多學(xué)科交叉、校企聯(lián)合工程實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

第三,共同開展相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究并轉(zhuǎn)化科研成果。案例與項(xiàng)目是工程實(shí)踐教學(xué)改造的特別抓手。高校要與國(guó)內(nèi)頂尖科研院所及企業(yè)合作開展國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用等項(xiàng)目的科學(xué)研究,并將部分科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化,設(shè)計(jì)智能制造生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、智能安全實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等案例,為提升卓越工程師綜合實(shí)踐課程提供可見、可學(xué)、可用的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。

(三)依托并圍繞組合式實(shí)踐平臺(tái),優(yōu)化工程實(shí)踐課程體系建設(shè)

組合式工程實(shí)踐平臺(tái)是新工科視域下的工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的創(chuàng)新升級(jí),并不是以獨(dú)立形態(tài)脫離于現(xiàn)有學(xué)科專業(yè)教學(xué)體系,而是將一種新型工程實(shí)踐教學(xué)理念有機(jī)融合于現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。高校應(yīng)依托并圍繞組合式實(shí)踐平臺(tái),主動(dòng)響應(yīng)智能制造領(lǐng)域?qū)?chuàng)新人才的需求,突破傳統(tǒng)課程體系框架,通過(guò)重構(gòu)課程體系結(jié)構(gòu),逐步建設(shè)、優(yōu)化與完善工程實(shí)踐課程新體系,以此適應(yīng)新工科視域下工程實(shí)踐教學(xué)的需求,進(jìn)一步提升學(xué)生綜合工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力,致力于形成以智能制造技術(shù)內(nèi)涵為主的通識(shí)教育課程、基礎(chǔ)實(shí)習(xí)課程、綜合實(shí)習(xí)課程、跨學(xué)科合作項(xiàng)目、科研訓(xùn)練、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等工程實(shí)踐教學(xué)課程新體系。