美國國家科學(xué)研究院工程教育課程改革實(shí)踐

美國國家科學(xué)研究院工程教育課程改革實(shí)踐

社會(huì)的不斷進(jìn)步對(duì)工程教學(xué)的質(zhì)量提出了更高的要求。高等工程教育者應(yīng)不斷改進(jìn)本科工程教育的培養(yǎng)方式,以培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的工程師。系作為美國大學(xué)組織的最低一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)單位在大學(xué)和學(xué)院里都占有牢固地位,是適應(yīng)專業(yè)化需要、劃分更大結(jié)構(gòu)的基本單位。在這一層次實(shí)施課程改革,在理論與實(shí)踐上對(duì)提升本科工程教育的質(zhì)量都有重要意義。Edward等在總結(jié)工程教育改革取得成功的著作中指出:任何成功的工程教育改革嘗試,要使大部分或全部學(xué)生從學(xué)習(xí)經(jīng)歷中得到收益。大學(xué)和資助資金通常援助那些基于實(shí)踐和新內(nèi)容開發(fā)新教學(xué)法的教職人員,這些人常常獲得系級(jí)及校級(jí)教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)并受到學(xué)生的尊敬,是新思想的重要源泉,是系統(tǒng)改革的早期適應(yīng)者。工程教育改革至少應(yīng)在系一級(jí)或者學(xué)位課程水平開展,這樣才能設(shè)定并維持對(duì)師生的共同期望。一、美國國家科學(xué)培養(yǎng)工程人才的戰(zhàn)略措施全球變暖、自然資源的損耗、農(nóng)田水利的不可持續(xù)性開發(fā)和人口增長等這些世界難題給人類的生態(tài)、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了保持社會(huì)的生機(jī)和活力,需要變革工程師教育,培養(yǎng)更具社會(huì)意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的未來工程師,明晰工程師在服務(wù)社會(huì)中所扮演的角色和承擔(dān)的責(zé)任,使他們?cè)谟霉こ虒W(xué)方法解決問題時(shí),能夠從社會(huì)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面綜合考慮短期和長期利益。二十一世紀(jì)頭十年,美國發(fā)布了大量報(bào)告和論文呼吁高等教育改革,尤其是在工程教育領(lǐng)域,工程師的培養(yǎng)方式需要變革。美國高等教育界許多人認(rèn)為,當(dāng)今工程課程出現(xiàn)了分散和脫節(jié)的問題,需要重新建構(gòu)連貫內(nèi)聚的工程學(xué)課程。應(yīng)改革工程學(xué)教學(xué)法,用系統(tǒng)的方法解決工程學(xué)問題,鼓勵(lì)學(xué)生更多地參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、社區(qū)服務(wù)學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)和調(diào)查學(xué)習(xí),發(fā)展學(xué)生職業(yè)技能和思考技能,注重學(xué)生態(tài)度、性情及思維習(xí)慣的培養(yǎng),這些因素將影響工程師知識(shí)和技能的培養(yǎng),以及對(duì)工程師角色和責(zé)任的理解。美國國家科學(xué)基金會(huì)在2005年開始實(shí)施工程教育系級(jí)課程改革(DepartmentLevelReform,DLR)項(xiàng)目,資助六所學(xué)校進(jìn)行工程教育改革,給每所學(xué)校撥款一百萬美元,為期三十六個(gè)月。另外征集二十個(gè)改革方案,每個(gè)改革方案資助十萬美元。這是美國國家科學(xué)基金會(huì)應(yīng)對(duì)工程教育面臨日益嚴(yán)峻問題的主動(dòng)改革,可以提高工程教育的質(zhì)量,使未來的工程師能夠滿足社會(huì)不斷變化的需求。本科工程教育系級(jí)課程改革撥款項(xiàng)目改革的重點(diǎn):一是希望獲得撥款的大學(xué)之間形成競爭。在系或更大單位范圍內(nèi),基于現(xiàn)有工程學(xué)科課程進(jìn)行重組、簡化、更新,或?yàn)樾屡d工程學(xué)科或跨學(xué)科開發(fā)全新課程,提高課程效率,使其課程更具吸引力,增強(qiáng)本科工程學(xué)課程與現(xiàn)代工程學(xué)實(shí)踐的相關(guān)度,吸引更多學(xué)生參與完成工程學(xué)學(xué)位課程,從而滿足美國新興工業(yè)對(duì)勞動(dòng)力及教育的需求。二是系級(jí)課程改革必須建立在了解學(xué)生如何學(xué)習(xí)工程學(xué),教師如何教授工程學(xué)及如何最好地評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果這三項(xiàng)工作的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上。系級(jí)改革需要教師積極的參與和系級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的管理,需要教學(xué)科研一體化及教師持續(xù)性發(fā)展。三是強(qiáng)調(diào)將服務(wù)學(xué)習(xí)作為提高學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要途徑。企業(yè)和社區(qū)作為合作方,為課程改革方案提供大力支持,大學(xué)改革方案中必須包含服務(wù)學(xué)習(xí)的詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃。美國國家科學(xué)基金會(huì)為本科工程教育系級(jí)課程改革提出了八條指導(dǎo)原則:(1)引入新興知識(shí),涉及信息技術(shù)、生物工程、微電子、微電子機(jī)械系統(tǒng)、納米技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造,先進(jìn)材料和制造業(yè)等。(2)使用認(rèn)知理論及最新教育學(xué)概念改善學(xué)習(xí)成果。(3)用改進(jìn)的內(nèi)容代替?zhèn)鹘y(tǒng)學(xué)習(xí)材料,強(qiáng)調(diào)其在自然和生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)應(yīng)用。(4)讓學(xué)生體驗(yàn)解決工程學(xué)問題所使用的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)實(shí)踐,與企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作開發(fā)使用這些方法的工具。(5)重視培養(yǎng)學(xué)生批判思考的技能及人際交往溝通的能力。(6)保證課程及教學(xué)符合學(xué)生團(tuán)體多樣性的需求。(7)充分利用現(xiàn)代教學(xué)方法,包括導(dǎo)師制、團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)模擬及遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。(8)將服務(wù)學(xué)習(xí)作為拓寬學(xué)生職業(yè)技能、提高學(xué)習(xí)成果及學(xué)術(shù)成果的方式之一,為社會(huì)服務(wù)組織提供持續(xù)支持。二、開發(fā)和實(shí)施程美國國家科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)起本科工程教育系級(jí)改革主要是為了改進(jìn)工程教育,使未來的工程師能夠滿足社會(huì)變化的需要。2005年國家科學(xué)基金會(huì)撥款給佛蒙特大學(xué),用于土木與環(huán)境工程課程改革的開發(fā)和實(shí)施。系級(jí)課程改革的目標(biāo)是讓學(xué)生采用系統(tǒng)的方法,識(shí)別、闡釋、解決工程問題并能全面考慮生態(tài)、社會(huì)、政治及經(jīng)濟(jì)之間短期和長期利益的對(duì)立統(tǒng)一。系級(jí)課程改革強(qiáng)調(diào)開發(fā)學(xué)生必要的技能及素質(zhì),如信息技術(shù)及人際交往的技能,即團(tuán)隊(duì)參與、專業(yè)寫作、演講技能、慎思能力以及與利益相關(guān)者包括非專業(yè)人士交流的能力。這個(gè)系統(tǒng)方法需要達(dá)到工程技術(shù)鑒定委員會(huì)工程學(xué)課程評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(a-k),尤其是要達(dá)到f,h和j三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),如分析涉及多個(gè)專業(yè)和道德利益的復(fù)雜情況,理解在全球化背景下工程解決方案的影響,對(duì)當(dāng)代問題的基本認(rèn)識(shí)。(一)系統(tǒng)方法的運(yùn)用課程改革由本科工程教育系四名教師實(shí)施,旨在為本科生提供一體化、系統(tǒng)的和有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷,激發(fā)學(xué)生的社會(huì)和環(huán)境意識(shí),使其更有責(zé)任感且學(xué)習(xí)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。他們采取了一種獨(dú)特的綜合方法,將系統(tǒng)思維融入到課程當(dāng)中,不僅專注于教什么,而且注重如何教。其主要內(nèi)容包括:將三門現(xiàn)有課程修改成三門必修系統(tǒng)課程,從第一學(xué)年開始,將系統(tǒng)思維貫穿融入到整個(gè)項(xiàng)目基礎(chǔ)課程;系統(tǒng)方法的實(shí)踐方式之一是與當(dāng)?shù)孛乐薇鐓^(qū)合作,將服務(wù)學(xué)習(xí)編入核心課程(每年至少一門課程);教學(xué)方法的改進(jìn),包括采用分組教學(xué)、個(gè)案研究和服務(wù)學(xué)習(xí)組等方式。1.采用系統(tǒng)、系統(tǒng)方法的方法土木與環(huán)境工程專業(yè)的課程實(shí)踐應(yīng)解決社會(huì)問題,如目前普遍存在的環(huán)境退化問題。傳統(tǒng)的課程僅關(guān)注技術(shù)層面,而不考慮更廣泛的社會(huì)影響的做法正受到批判。必須采用一種新方法,在解決問題的同時(shí)考慮地球及其所有居民的需要。隨著世界資源的迅速枯竭和世界人口的爆炸性增長,在技術(shù)變革的關(guān)鍵時(shí)刻,培養(yǎng)當(dāng)前和未來的工程師用系統(tǒng)的方法解決工程問題,對(duì)社會(huì),生態(tài)和經(jīng)濟(jì)造成的長短期影響都應(yīng)當(dāng)被納入工程解決方案,包括運(yùn)用可持續(xù)發(fā)展的理念。土木與環(huán)境工程專業(yè)課程改革的目標(biāo)是實(shí)施這樣一種教育框架,將孤立解決問題的方法轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的方法,跨越傳統(tǒng)的學(xué)科界限,培養(yǎng)綜合的方法,不僅要發(fā)現(xiàn)問題,而且要解決問題。土木與環(huán)境工程開發(fā)三門系統(tǒng)課程,取代三門現(xiàn)有的課程,即工程經(jīng)濟(jì)學(xué),交通工程學(xué)和環(huán)境工程學(xué)簡介,系統(tǒng)課程中保留多數(shù)專業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容,但強(qiáng)調(diào)交通、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)學(xué)之間的聯(lián)系,并整合思考、系統(tǒng)分析。三門相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)課程的創(chuàng)建是此次改革的重要內(nèi)容。這三門課程將工程經(jīng)濟(jì)學(xué),環(huán)境工程和交通工程的基本原理納入系統(tǒng)思維框架,如表1所示。第一門是介紹性課程,介紹了系統(tǒng)思維、反饋循環(huán)、限制增長、基礎(chǔ)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)和環(huán)境工程等內(nèi)容。第二門課程在第一門課程的基礎(chǔ)上教授學(xué)習(xí)決策制定,介紹交通工程系統(tǒng)以及交通系統(tǒng)的環(huán)境和社會(huì)影響。第三門課程基于基本原理,嘗試以系統(tǒng)建模方法整合各種問題。系統(tǒng)方法有助于學(xué)生意識(shí)到人、經(jīng)濟(jì)力量、環(huán)境的交互作用中存在著可識(shí)別的系統(tǒng)關(guān)系,由此整合了現(xiàn)有的分散的工程課程。在第三門系統(tǒng)課程中,建模技巧(行為-時(shí)間曲線圖,庫存流程圖,因果循環(huán)的使用)有助于工程應(yīng)用開發(fā)中因果觀和可持續(xù)發(fā)展觀的形成。建模系統(tǒng)學(xué)習(xí)活動(dòng)推動(dòng)學(xué)生識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的行為,它可以讓學(xué)生(通過圖形界面)觀察系統(tǒng)隨時(shí)間變化的模式和趨勢(shì)。對(duì)系統(tǒng)模式(通常是意外出現(xiàn)的結(jié)果)更好的理解,能幫助學(xué)生更全面地考慮工程設(shè)計(jì)的相關(guān)問題,避免草率得出結(jié)論,從而制定出長期的可持續(xù)發(fā)展的方案。2—3三門系統(tǒng)課程次序是:大學(xué)二年級(jí)的課程環(huán)境與交通系統(tǒng),大學(xué)三年級(jí)的課程環(huán)境和交通決策分析,大學(xué)三年級(jí)的課程環(huán)境和交通系統(tǒng)建模。這些課程的目標(biāo)是給學(xué)生呈現(xiàn)自然和人工系統(tǒng)相統(tǒng)一的觀點(diǎn)以及兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,并清晰地概述工程師急需考慮上述系統(tǒng)之間的相互作用。這是土木與環(huán)境學(xué)課程中通常忽略的方面。通過整合環(huán)境、交通運(yùn)輸系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),可以向?qū)W生闡明上述系統(tǒng)之間的本質(zhì)聯(lián)系。這三門課程的設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生掌握系統(tǒng)思考和定量分析所需概念工具,并通過美洲豹社區(qū)服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目中對(duì)實(shí)際問題解決來掌握這些工具的使用。2.有針對(duì)性地開發(fā)服務(wù)學(xué)習(xí)的項(xiàng)目服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目是探究學(xué)習(xí)的實(shí)踐,能讓學(xué)生在他們最感興趣的領(lǐng)域進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。服務(wù)學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)為地方社區(qū)服務(wù)和為學(xué)生的學(xué)習(xí)并重。服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目在為社區(qū)合作方提供有意義的服務(wù)的同時(shí),要求學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)的開放式問題,強(qiáng)調(diào)學(xué)術(shù)和智力共同發(fā)展,公民參與意識(shí)及個(gè)人/人際交往能力的提高。土木與環(huán)境工程問題的項(xiàng)目側(cè)重于所有相互關(guān)聯(lián)的組成部分,如技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境、監(jiān)管、政治、經(jīng)濟(jì)和歷史等,把系統(tǒng)思維應(yīng)用到實(shí)踐,提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通和其他內(nèi)部/人際關(guān)系技能。將服務(wù)學(xué)習(xí)整合進(jìn)每學(xué)年的必修課程,實(shí)踐系統(tǒng)方法,進(jìn)一步開發(fā)個(gè)人及人際交往技能,促進(jìn)公民意識(shí)的提高。美洲豹服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目從第一學(xué)年開始,很多課程被納入該計(jì)劃中。在四年時(shí)間中,學(xué)生與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)保持著良好關(guān)系,參與民用或環(huán)境的計(jì)劃,這保證了工程教育和社區(qū)之間長期的關(guān)系。社區(qū)合作伙伴是服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的一個(gè)組成部分。佛蒙特大學(xué)的一些社區(qū)合作伙伴和學(xué)生已往的項(xiàng)目如表2所示。表2中顯示了改革中的全部課程,不同層次必修課程內(nèi)有關(guān)服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的可持續(xù)性的案例:(1)科學(xué)中心原型展示和演示。一年級(jí)學(xué)生研究、設(shè)計(jì)和建造展覽原型,并在當(dāng)?shù)乜萍拣^,就與湖泊有關(guān)的工程和可持續(xù)發(fā)展問題演示其項(xiàng)目。(2)暴雨生物截留設(shè)施。大二學(xué)生學(xué)習(xí)了環(huán)保設(shè)計(jì)、開發(fā)信息技術(shù),并運(yùn)用到佛蒙特大學(xué)停車場附近的“雨園”的決策制定過程中,在決策中考慮了經(jīng)濟(jì)學(xué)因素。(3)引導(dǎo)兒童利用仿生學(xué)的項(xiàng)目。大三學(xué)生團(tuán)隊(duì)與當(dāng)?shù)卦诩医逃?K-12)兒童一同,利用仿生學(xué)帶來的樂趣和靈感,設(shè)計(jì)遷移問題的創(chuàng)新解決方案。(4)采用新露頂板和多孔滲水公路的環(huán)保設(shè)計(jì)。大四學(xué)生團(tuán)隊(duì)在高級(jí)設(shè)計(jì)課程中為伯靈頓制定雨水徑流的解決方案,他們分析了伯靈頓部分地區(qū)的雨水徑流,確定了污水處理廠處理能力的影響,分析了建筑物結(jié)構(gòu),確定了增加額外重量的新露頂板的可行性以及城市中多孔滲水路面的環(huán)保設(shè)計(jì)。2—3(二)菲蒙特大學(xué)工程系的課程改革效果1.系統(tǒng)思考及服務(wù)學(xué)習(xí)理念通過對(duì)指導(dǎo)土木與環(huán)境工程系級(jí)課程改革的幾位關(guān)鍵的教師(男性兩位,女性兩位)進(jìn)行訪談來了解教師是否一貫理解、支持改革。訪談分兩次進(jìn)行,第一次是2005年系級(jí)課程改革開始時(shí),第二次是改革進(jìn)行兩年后,再次對(duì)上述四位教師進(jìn)行回訪。與課程改革密切相關(guān)的教師,在工程學(xué)教育中,專心致力于系統(tǒng)思考及服務(wù)學(xué)習(xí)理念。他們將這些理念融入新課程的設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和活動(dòng)中,從而逐漸影響學(xué)生的經(jīng)歷和意識(shí)。這些教師始終如一地支持和認(rèn)可系級(jí)課程改革的目標(biāo),運(yùn)用系統(tǒng)思考,服務(wù)學(xué)習(xí),培養(yǎng)具有更強(qiáng)社會(huì)和環(huán)境責(zé)任感的學(xué)生團(tuán)隊(duì)。教師們認(rèn)識(shí)到有必要改革工程學(xué)的教學(xué)方式,避免狹隘的關(guān)注點(diǎn),為學(xué)生提供更廣泛的教育和更寬廣的視野。教師認(rèn)可系統(tǒng)思維理念,將其視為環(huán)境系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。采用城鎮(zhèn)或社區(qū)服務(wù)學(xué)習(xí)項(xiàng)目,顯示工程學(xué)的相關(guān)性,工程學(xué)并不只是方程式和模型,而是與真實(shí)世界密切相關(guān)。教師們希望學(xué)生認(rèn)識(shí)到他們?cè)谡嬲貫樯鐣?huì)和人類服務(wù)。2.個(gè)人層面:學(xué)生傾向使用新語言,增加了學(xué)生的生活背景參與改革的學(xué)生涉及四個(gè)年級(jí),從2006級(jí)到2009級(jí)?？偟膩碚f,課程改革取得了很好的效果,但也存在一些需要改進(jìn)的地方。其一是土木與環(huán)境工程系級(jí)課程改革影響了學(xué)生對(duì)工程師解決全球環(huán)境問題中的角色和責(zé)任的理解。課程改革影響了學(xué)生對(duì)環(huán)境工程學(xué)以及濕地保護(hù)、暴雨和廢物處理等問題的理解。從2009級(jí)學(xué)生書面反饋中發(fā)現(xiàn),學(xué)生明顯傾向于使用新語言,即系統(tǒng)思考、服務(wù)學(xué)習(xí)和可持續(xù)等詞,這表明學(xué)生逐漸吸收了這些概念。系統(tǒng)思維與服務(wù)學(xué)習(xí)概念意識(shí)的增強(qiáng),促進(jìn)了工程師的發(fā)展,在決策時(shí)更多地考慮到社會(huì)的、倫理的、道德的影響。其二是個(gè)人訪談與中心小組討論會(huì)反映了學(xué)生的積極態(tài)度?？傮w上說,剛進(jìn)入畢業(yè)班的學(xué)生對(duì)工程師的角色和責(zé)任定位都與公共安全和環(huán)境問題有關(guān),如廢水、廢物。2006級(jí)和2007級(jí)學(xué)生比2008級(jí)學(xué)生較少意識(shí)到宏觀的社會(huì)問題及其可能的影響。2008級(jí)學(xué)生表達(dá)了對(duì)專業(yè)技能和成為工程師必須的專業(yè)知識(shí)的渴望,但沒有顯示出教學(xué)中系統(tǒng)方法或服務(wù)學(xué)習(xí)的價(jià)值。三、新課程序的改革方向佛蒙特大學(xué)土木與環(huán)境工程系的課程改革持續(xù)了五到六年的時(shí)間,從這次課程改革可以看出美國工程教育發(fā)展的兩個(gè)重要方向,即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化思維和服務(wù)學(xué)習(xí)的理念。(一)支持工程系統(tǒng)的知識(shí)綜合能力系統(tǒng)方法是把事物的發(fā)展變化作為一個(gè)整體思考的框架,著眼于部分之間的相互關(guān)系,而不是單個(gè)部分。它包含了一系列的一般原則、具體的工具和技術(shù),以幫助確定基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),解決紛繁復(fù)雜的問題。用系統(tǒng)的方法來解決工程問題需要一個(gè)整體觀,即認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)各部分之間潛在的相互作用,用更開闊的視野,提出的工程解決方案要在環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面達(dá)到長短期利益的統(tǒng)一。工程師面臨的工程問題,往往被嵌入到復(fù)雜的社會(huì)和環(huán)境系統(tǒng)中,工程專業(yè)的學(xué)生必須熟悉這些類型的問題和關(guān)系。當(dāng)前中國國內(nèi)的工科教育強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)知識(shí)的學(xué)科交叉和綜合,增加學(xué)生知識(shí)面。學(xué)科知識(shí)的交叉和綜合不是現(xiàn)有課程的隨意拼接,而是圍繞一個(gè)工程問題相關(guān)知識(shí)的整合。支持工程系統(tǒng)思考三個(gè)維度:知識(shí)、工程技術(shù)和行為(即人際交往和個(gè)人)的能力。一個(gè)支持系統(tǒng)思考的工程課程也包含了學(xué)生的探究式學(xué)習(xí),學(xué)生在現(xiàn)實(shí)世界積極的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。(二)美國