工程概論與技術創(chuàng)新課程在新工科通識教育中的作用探索與實踐

段書用，陶友瑞，甄 冬，劉曉明

（1.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學 電氣工程學院，天津 300401）

2017年正式提出“新工科”概念[1]，同年，教育部先后在復旦大學、天津大學召開新工科研討會及“新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議”，標志著以新工科建設為主題的高等工程教育改革進入到一個新的階段。經(jīng)過多年的探索研究，對新工科的內(nèi)涵有了統(tǒng)一的認識，包括工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結構、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。在我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的大背景下，許多教育工作者圍繞高等工程教育的發(fā)展改革進行了廣泛的研究，如：在新工科工程教育理念方面，哈爾濱工業(yè)大學發(fā)展形成了“哈工大新工科‘Π 型’方案”，構建了新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的教育體系[2]；在新工科學科專業(yè)的新結構方面，南京理工大學開展了新工科背景下跨學科人才培養(yǎng)的探索與實踐[3]；天津大學提出了工程教育理念的融合創(chuàng)新、工程領導力的培養(yǎng)和通識教育基礎上的工科人才培養(yǎng)新模式[4]；在新工科教育教學的新質(zhì)量方面，廣東工業(yè)大學提出設法降低學生形成創(chuàng)新能力的信息和資源獲取成本，實現(xiàn)教師不同角色的激勵相容，塑造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的社會結構以及建立相應的教育生態(tài)系統(tǒng)等實現(xiàn)途徑[5]。以上研究成果促進了新工科人才培養(yǎng)及教育理念的轉(zhuǎn)變。

通識教育是高等教育的重要組成部分，重視內(nèi)在適切性，強調(diào)高等教育要切合學生的內(nèi)在需要，旨在培養(yǎng)積極參與社會生活的、有責任感的、全面發(fā)展的社會人和國家公民[6]。在新工科背景下，一些教育工作者對通識教育進行研究并取得了成果。王國強等[7]認為加強通識教育內(nèi)容，系統(tǒng)構建新工科通識教育課程體系，一方面可以在現(xiàn)有工程教育體系上與專業(yè)教育進行補充，也需要在對課程設置、師資隊伍建設、教學方式方法、理論研究等方面進行改革、融合和創(chuàng)新。蔡映輝等[8]提出了全面發(fā)展教育、結果導向教育和證據(jù)導向教育理念，認為新工科通識課程是連接傳統(tǒng)通識課程與工科專業(yè)課程的橋梁，是促進工程教育課程融合的抓手。新工科強調(diào)工程教育，不僅僅是指科技上的教育，必須以廣闊的知識面為基礎，同時整合社會實踐的需要和科學基礎的影響，其目的培養(yǎng)工程師需要具備的專門技術、社會意識和創(chuàng)新精神。作為對通識教育的發(fā)展探索，工程教育融入通識教育已成為必然趨勢。在工程通識教育改革方面，浙江大學做了有意義的探索，引入工程通識課程平臺，并重點強化工程通識課程平臺建設，完善原有的通識教育體系[9]。在新的工程教育課程設計中，將工程導論、工程倫理學等10 門工程通識課程整合納入教學課程庫。

基于上述分析可知：在工科背景下，將工程教育包含在通識教育中是對通識教育認識的一種拓展，符合人才培養(yǎng)和社會發(fā)展需求。然而，如何構造合理的工程通識課程體系和優(yōu)化課程設置仍然是一個新問題。同時，由于工程通識教育目標不明確等諸多因素，還存在通識教育與專業(yè)教育脫節(jié)的現(xiàn)象。因此，在新工科背景下，如何搭建通識教育與專業(yè)教育之間的橋梁，如何開展工程通識課程建設，值得繼續(xù)探索與實踐。

河北工業(yè)大學的前身是1903 年建立的北洋工藝學堂，堅持“公學并舉”的辦學思想。河北工業(yè)大學以新工科為契機，強化大學生的工程實踐能力，不僅為“工學并舉”的老特色注入了新的時代內(nèi)涵，也為工程教育打造了一種具有良好示范輻射作用的“新樣板”[10]。本文結合河北工業(yè)大學的辦學歷史和辦學思想，討論新工科背景下工程通識教育課程改革與實踐，為新工科通識教育體系的完善提供借鑒和參考。

一 新工科背景下工程通識教育課程

在全面育人理念的指導下，構建新工科工程通識教育課程體系，實現(xiàn)在新工科教育體系中起到基礎的支撐作用，有利于實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的深度、廣度與厚度的目標。雖然目前新工科工程通識教育課程的范疇沒有明確界定，但是可以從新工科背景和通識教育的作用對其輪廓進行描述。新工科工程通識教育應該結合新經(jīng)濟的特征，明晰培養(yǎng)出來的學生應該擁有什么樣的工程能力，具備什么樣的工程素養(yǎng)。一般而言，工程活動包含了從構思、設計到加工制造、服務應用的整個過程。因此，新工科工程通識教育需圍繞工程活動過程進行統(tǒng)籌規(guī)劃，最重要的是能將工程范式始終貫穿于通識課程中。同時，培養(yǎng)學生的工程系統(tǒng)全局觀和關聯(lián)力。另外，新工科背景下，工程問題越來越復雜，新工科工程通識課程應該有助于培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的基本能力。因此，在新工科工程通識教育中，應該注重針對現(xiàn)實的復雜工程問題背景，培養(yǎng)學生通過跨學科學習的能力，包括各知識點的作用、知識點間關聯(lián)性。更重要的是，要理解所學專業(yè)在我國工業(yè)體系中的作用與優(yōu)勢，有利于加強對其他學科的了解，培養(yǎng)用另外學科知識語言進行溝通。

具體而言，工程通識課程應該重點支撐工程能力包括：工科思維能力、工科推理能力、工程領導能力、工程倫理能力和工程創(chuàng)業(yè)能力[8]。然而，目前在新工科的通識教育課程體系中，基本沒有包括工程通識教育課程。因此，從工程能力培養(yǎng)的角度定義新工科工程通識教育的課程內(nèi)容，應該引導學生樹立大工程、復雜工程的觀念，讓學生了解科學、技術與工程和工程可靠性、工程標準化、工程倫理、技術創(chuàng)新方法和工程復雜性等基本理論知識，能夠理解工程對社會、健康、安全、法律及文化的影響，對未來工程師的職業(yè)倫理責任和規(guī)范具有初步的認識，能培養(yǎng)學生養(yǎng)成嚴謹務實的科學精神、開拓創(chuàng)新的思維品質(zhì)和高度的社會責任感。本文作者認為：在新工科背景下，需要在傳統(tǒng)通識教育與專業(yè)教育之間開設新工科工程通識課程，如圖1 所示，以利于引導學生學習專業(yè)知識，拓展學生對專業(yè)的認知。與此同時，通過對新工科工程通識教育課程的學習，提升學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、溝通能力和協(xié)作能力，也是新工科工程通識教育的重要目標?？傊?，新工科工程通識教育一方面要貼合新工科的動態(tài)要求，另一方面要注重通識教育的本質(zhì)特征，有機地將兩者融合，實現(xiàn)對新工科人才培養(yǎng)目標的強力支撐。

圖1 新工科工程通識課程在傳統(tǒng)通識課程與專業(yè)類課程之間的橋梁作用

二 工程概論與技術創(chuàng)新課程建設

近幾年來，河北工業(yè)大學以新工科建設為契機，圍繞區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求布局學科專業(yè)、破解學科壁壘、推進工程教育教學改革，不僅為“工學并舉”的老特色注入了新的時代內(nèi)涵，也為工程教育打造了一種具有良好示范輻射作用的“新樣板”[10]。河北工業(yè)大學面向全校的工科專業(yè)開設了工科通識教育核心課程科學探索與技術創(chuàng)新系列課程，以提升新工科專業(yè)學生的工程能力。工程概論與技術創(chuàng)新是該系列課程中的一門課程，面向大學二年級學生開設。

基于能力培養(yǎng)目標，首先明確工程概論與技術創(chuàng)新的課程目標，主要包括以下內(nèi)容。

1）通過科學技術發(fā)展歷史、國際工程教育發(fā)展，中外工程技術對比，再現(xiàn)“大工程”背景，開闊學生國際視野。認識科學是第一生產(chǎn)力，了解工程、技術的概念，認識技術對科學的促進作用，以及工程在科學變?yōu)楝F(xiàn)實中的作用，培養(yǎng)學生實現(xiàn)民族偉大復興的社會責任感。

2）了解標準化的發(fā)展史、標準化概念、基本方法和我國標準化管理體系，理解標準化的作用和我國標準化的發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)學生嚴謹務實的科學精神和工程思維。了解可靠性工程的現(xiàn)狀、前沿及發(fā)展趨勢，充分認識可靠性工程在國防、社會主義建設中發(fā)揮的基礎性作用，能夠考慮工程實踐與環(huán)境保護的沖突問題。了解可靠性工程的發(fā)展與意義，引導學生形成工程中的風險、安全與責任，價值、利益與公正等觀念。

3）了解工程可持續(xù)化發(fā)展準則，培養(yǎng)學生的工程環(huán)境倫理觀念。了解應對工程倫理問題的基本思路，培養(yǎng)學生作為未來工程師的職業(yè)倫理責任和規(guī)范。了解技術創(chuàng)新的概念，認識創(chuàng)新的規(guī)律性，認識技術創(chuàng)新對國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的支持作用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維。通過對復雜工程問題概念與內(nèi)涵的分析與評價，使學生了解復雜工程問題涉及科學領域，和解決問題的思考方法。

4）進行典型工程體驗，提升對工程問題的認識和理解，通過小組協(xié)同合作組裝、調(diào)試和運行蜘蛛機器人，初步體驗簡單工程問題，加深對工程理論知識的理解，強化對工程師職業(yè)的責任和規(guī)范意識，培養(yǎng)學生的動手操作能力、團隊協(xié)作能力和精益嚴謹?shù)慕承乃刭|(zhì)。

在目標驅(qū)動下，設計了工程概論與技術創(chuàng)新全鏈條模塊化課程內(nèi)容體系，如圖2 所示，分為8 個教學模塊，分別為：導論、工程與技術、工程可靠性、工程標準化、工程倫理、工程技術創(chuàng)新、復雜工程問題分析及工程實踐。

圖2 工程概論與技術創(chuàng)新課程的能力要求、課程目標與內(nèi)容

下面對課程各模塊的主要內(nèi)容進行分析討論。導論模塊：了解5G 技術與中美博弈的基本知識，了解工業(yè)4.0 和中國制造2025 的基本知識，了解我國工程教育專業(yè)認證現(xiàn)狀以及我校所采取的一系列教學改革對策；工程與技術模塊：了解科學、技術與工程定義、內(nèi)涵、發(fā)展歷史及科學技術與工程的關系，了解工業(yè)革命從1.0 到4.0 的發(fā)展過程及各時期的代表科技成果，了解現(xiàn)代科技的發(fā)展方向、核心技術和我國的地位，介紹現(xiàn)代工程、前沿科技與應用工程典型案例；工程可靠性模塊：講授包括可靠性基本概念、產(chǎn)品的壽命特征、產(chǎn)品的廣義可靠性指標、產(chǎn)品的失效分布及可靠性的典型工程應用；工程標準化模塊：講授標準化發(fā)展歷史，標準化的概念，標準化的作用，標準化的基本方法，標準化的經(jīng)濟效果，標準化管理體系，標準化發(fā)展戰(zhàn)略；工程倫理模塊：包含工程實踐中的倫理問題，處理工程實踐中的倫理問題的基本原則與思路，工程風險的倫理評估，工程風險中的倫理責任，工程活動中的環(huán)境價值與倫理原則，工程師的環(huán)境倫理；工程技術創(chuàng)新模塊：主要是創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略對技術創(chuàng)新的要求，技術創(chuàng)新含義，創(chuàng)新的規(guī)律性，技術創(chuàng)新方法和TRIZ 理論，工程技術問題分析、工具及問題解決過程；復雜工程問題分析模塊：重點講述復雜工程問題的概念與內(nèi)涵，復雜工程問題的分析與評價，復雜工程問題的設計與實踐，復雜工程問題的解決方法；工程問題綜合實踐模塊：進行機器人組裝和操作，以小組合作方式在規(guī)定時間內(nèi)完成設定的綜合實踐項目。

以上不同模塊之間既相互關聯(lián)又相互獨立，相互關聯(lián)是因為不同模塊之間存在先后繼承關系，環(huán)環(huán)相扣。相互獨立則是不同模塊之間的內(nèi)容可進行分割，每個模塊完成一個特定的子功能，且有機地結合起來，成為一個完整的工程概論與技術創(chuàng)新課程體系。

三 探索和實踐

考慮到工程通識課程在傳統(tǒng)通識課程與專業(yè)課程之間的橋梁關系，在課程開設時間上，安排在傳統(tǒng)通識課程結束以及專業(yè)課程開始之前。因此，工程概論與技術創(chuàng)新課程開設學期為2 年級第1 期或者第2 期。主要以2021 年春季學期為例，全校所有的新工科專業(yè)都開設了工程概論與技術創(chuàng)新課程，專業(yè)包括計算機、軟件、數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、成型、過程、機制及機電等16 個新工科專業(yè)，涉及62 個自然班，一學期上課人數(shù)規(guī)模超過2 200人。面對如此大規(guī)模的學生人數(shù)，如何確保教學效果，合理安排教學人員和教學運行管理是一個巨大的挑戰(zhàn)，探索和實踐的具體舉措包括以下方面。

（一）組建以專家學者牽頭的跨學院教學團隊

團隊教學模式的運行要點包括：首先，應精心打造教學團隊，由于每一個模塊為一個專題，團隊化教師隊伍是以課程模塊為單位來組建。根據(jù)對專題的把握程度、責任心、影響力等方面的情況，由學校教學管理部門推選出各模塊負責人，由一名本校該領域的知名學者牽頭，組建8～10 人的教學團隊。由負責人作為該團隊的核心人物負責團隊的組建與運行，主要包括組織教學人員，制定模塊的教學目標，安排模塊的教學內(nèi)容以及課件集體制作。其次，為了打破跨團隊建設時的各種壁壘，以專題招聘團隊教師，團隊教師可以來自不同的學科領域。例如，工程可靠性教學團隊就由來自于機械工程學院和電氣工程學院的共九名老師組成，教學團隊的負責人由可靠性設計領域的知名專家擔任。

（二）采用開放式團隊教學模式進行教學

團隊教學模式能夠有效地激發(fā)教師的教育潛能，有利于形成育人合力。在組建教學團隊的基礎上，進行集體備課，采用開放式團隊教學模式進行上課。該模式有利于教師教學與科研相互促進。例如，在進行工程可靠性模塊集體備課時，涉及到如何在2 個學時之內(nèi)將可靠性領域的基礎理論和工程應用成果凝練出來，構成一個完善的課程內(nèi)容，團隊的老師進行充分討論和交流，各抒己見，碰撞出了新的研究切入點，這一方面解決了教學的系統(tǒng)性和適用性問題，另一方面促進了團隊教師的科研。更重要的是團隊老師將自己的專長運用于教學中，克服了長期以來教學過程中存在的內(nèi)容不深刻，實效性、針對性不強等弊端，使課程改革有了突破性進展。其次，團隊的每名教師都有自己的講授風格，這樣，一個學生可以接觸不同模塊的老師，避免了因一個教師承擔一門課，教學方法和內(nèi)容單一性給學生帶來的厭倦、審美疲勞等問題，有助于激發(fā)學生學習興趣，促進學生積極思維，對綜合素質(zhì)提高和學生個性成長起到很好的推動作用，充分調(diào)動學生學習的積極性。

（三）將課程中的思政元素與教學內(nèi)容結合

工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和價值塑造不是空中樓閣，是建立在知識傳授與能力培養(yǎng)的基礎上。由于工程概論與技術創(chuàng)新課程屬于通識課程，各模塊都涉及到我國當前領域的技術發(fā)展成果。因此，課程思政教育能夠潤物細無聲地融入教學過程中，增強了思政教育的親和力。在制定教學目標和安排教學內(nèi)容時，團隊教師從教學內(nèi)容中凝練思政元素，在豐富的教學實踐中有效落實“三位一體”育人理念，并將其潛移默化融入教學。例如，在導論模塊中介紹5G 技術與中美博弈的基本知識，讓學生了解我國5G 技術的現(xiàn)狀和面臨的“卡脖子”問題，激發(fā)學生學習科學知識和愛國熱情。

（四）將科技發(fā)展前沿成果與知識傳授相結合

打造一流新工科工程通識課程必須站在學術前沿挖掘知識點本身與科技發(fā)展前沿成果的結合點，基于工程領域面臨的關鍵技術問題激發(fā)學生的求知欲望，點燃學生的學術理想。例如，講授工程可靠性時，以我國載人航天裝備的可靠性為切入點，重點講述我國如何運用可靠性的思想和方法進行載人航天裝備安全性分析和設計，提高系統(tǒng)安全性工作水平。再結合中國載人航天工程實踐經(jīng)驗的基礎，對各種可靠性設計方法在工程應用中的優(yōu)缺點進行分析討論。這樣可以很好地將科技發(fā)展前沿成果與知識傳授相結合，提升教學效果。

四 教學效果評價

截至2023 年，工程概論與技術創(chuàng)新課程已經(jīng)在河北工業(yè)大學的所有新工科專業(yè)中開設了6 學期，通過對120 名學生的問卷調(diào)查和面談，學生對課程的教學模式和教學效果非常滿意。同時，學生認為通過對工程概論與技術創(chuàng)新的學習，對后續(xù)專業(yè)課程的學習起到了很好的橋梁作用。另外，對于引導學生樹立大工程、復雜工程的觀念，培養(yǎng)學生在技術與工程、工程可靠性、工程標準化、技術創(chuàng)新方法及工程復雜性等方面的基本工程素養(yǎng)，樹立職業(yè)倫理責任和規(guī)范等方面都有很好的效果。學生對工程和科研項目的參與度顯著提高，同時，在全國大學生數(shù)學建模大賽、“挑戰(zhàn)杯”等比賽中學生參與度及獲獎率也顯著提升，達成了新工科工程通識教育的目標。

五 結束語

在河北工業(yè)大學的所有工科專業(yè)中開設了新工科工程通識課程工程概論與技術創(chuàng)新，該課程以培養(yǎng)工程思維能力、工程推理和工程倫理能力為目標，組建了專家學者牽頭的跨學院教學團隊并采用開放式團隊的教學模式授課。三年的教學實踐表明：該課程在傳統(tǒng)的通識課程和專業(yè)課程之間起到橋梁作用，培養(yǎng)學生在技術與工程、工程可靠性、工程標準化及技術創(chuàng)新方法等方面的基本工程素養(yǎng)，達成了新工科工程通識教育的目標。該探索也為新工科通識教育體系的完善提供借鑒和參考。