本文關(guān)鍵詞：繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學(xué)方法，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學(xué)方法

　　【作者簡介】
　　陸一平,聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學(xué)合作教席副研究員,北京交通大學(xué)機電學(xué)院副教授;查建中,聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學(xué)合作教席主持人,北京交通大學(xué)機電學(xué)院教授。

　　參考文獻
　　[1]查建中、何永汕:《工程教育改革的三大戰(zhàn)略》,北京理工大學(xué)出版社2009年版。
　　[2]融亦鳴:《基于項目的教育:美國伍斯特理工學(xué)院的“雙塔傳統(tǒng)”》,《中國高�？萍寂c產(chǎn)業(yè)化》2008年第11期。

　　工程教育的目標就是要培養(yǎng)符合經(jīng)濟社會發(fā)展要求的合格工程師,而國內(nèi)外的發(fā)展則要求我們改革現(xiàn)行的工程教育方法。正如筆者之一在《工程教育改革的三大戰(zhàn)略》一書中所提出的,改革的整體戰(zhàn)略包括三項內(nèi)容:做中學(xué)、產(chǎn)學(xué)合作、國際化[1]。
　　工程教育改革是當(dāng)前世界范圍內(nèi)被高度重視的領(lǐng)域。2000年,美國工程院院士、麻省理工學(xué)院航空航天系教授聯(lián)合幾所世界著名工科大學(xué),爭取到1600萬美元,經(jīng)過4年的探索,創(chuàng)立了構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運作為主線的CDIO工程教育模式。CDIO是“做中學(xué)”和“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn),它定義了工程教育所必不可少的“關(guān)聯(lián)”環(huán)境,包括12條標準[2]。這12條標準涵蓋了教學(xué)全過程,從引入工程職場環(huán)境作為工程教育的環(huán)境,到建立職場需求的人才能力大綱、課程體系、學(xué)科關(guān)聯(lián)、教學(xué)方法、師資培養(yǎng)、學(xué)生和專業(yè)評價,強調(diào)人才的通用能力和工程素質(zhì),而不是某一工程領(lǐng)域和具體項目所涉及的具體知識。
　　工程教育改革的三大戰(zhàn)略、CDIO標準和能力培養(yǎng)目標必須通過具體的教學(xué)活動才能實現(xiàn)。因此,就存在一個由戰(zhàn)略、標準和規(guī)劃向教學(xué)活動的映射(mapping)問題———從整體上看,必須完成向?qū)W生培養(yǎng)方案的映射,亦即培養(yǎng)方案層次上的改革;從局部上看,必須完成向各個教學(xué)環(huán)節(jié)的映射。
　　戰(zhàn)略、標準和目標是方向上的,是抽象層次上的哲理和規(guī)則,而在具象的課堂改革上則可以是多種多樣的。本文主要從課堂教學(xué)改革方面,介紹并評析筆者見到的三個有突出特色的國外名校教授的課堂教學(xué)方法創(chuàng)新。這些創(chuàng)新都是現(xiàn)代工程教育改革的戰(zhàn)略、方法、目標在微觀具象上的實現(xiàn)。
　　課堂教學(xué)是工程教育改革的第一線,希望本文能為辛勤工作在課堂教學(xué)戰(zhàn)線的工科教師的教學(xué)改革提供一些思路上的參考。
　　一、團隊合作、碰撞火花、“做中學(xué)”———Alexander Slocum的機械設(shè)計課堂教學(xué)
　　1.課堂背景。
　　AlexanderSlocum教授是MIT機械工程專業(yè)的教授,主講機械設(shè)計學(xué)。Slocum 1992年編寫的《精密機械設(shè)計》[3]一書不但是美國流行的工科教材,而且是工業(yè)界公認為較有價值的參考手冊之一。2005年他出版了一本名為《設(shè)計基礎(chǔ)》[4]的教材,主要采用基于項目的教學(xué)方式編排內(nèi)容。他主講的設(shè)計制造課程中的遠程機器人競賽經(jīng)常被美國電視臺轉(zhuǎn)播,2008年獲得美國機械工程師學(xué)會(ASME)“機械設(shè)計成就獎”[5]。
　　2006年5月13日,中國開放教育資源協(xié)會(CORE)為推動中美教師的合作,承辦了一屆“中美工程設(shè)計教學(xué)交流研討會”。會議上Slocum教授介紹了MIT在工程設(shè)計基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究進展,并主要展示了他以“團隊協(xié)作設(shè)計”為主題的教學(xué)方法。筆者組織并主持了這次研討會。
　　2.教材。
　　這里將MIT工程設(shè)計課程教材(即Slocum教材)與國內(nèi)教材做一個對比(見表1)。比較的結(jié)果顯示:國內(nèi)的教材明顯是學(xué)科導(dǎo)向的,而MIT教材則明顯體現(xiàn)出CDIO的集成思想;國內(nèi)教材的內(nèi)容分散在多門課程之中,而MIT則把所有與設(shè)計過程相關(guān)的內(nèi)容都集中在一個教材里。顯而易見,MIT教材容易做到基于項目的設(shè)計過程的全面訓(xùn)練。
　　在Slocum教材中,對知識點的教學(xué)都與案例相聯(lián)系。圖1是其中幾個知識點的案例教學(xué)內(nèi)容。圖1(a)是二桿機構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容,通過觸發(fā)器案例進行教學(xué);圖1(b)是車輪懸掛及轉(zhuǎn)向機構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容,通過自行車和卡車的案例進行教學(xué)。
　　這些案例教學(xué)非常強調(diào)概念的產(chǎn)生和概念草圖工具的使用(見圖1(c),(b)),這在國內(nèi)教材中還是一個空白。概念草圖是工程師產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計的重要工具,缺乏這方面的教學(xué)訓(xùn)練會妨礙工程師的創(chuàng)新能力的形成。
　　3.教學(xué)過程及效果。
　　Slocum教授舉例展示了設(shè)計概念在應(yīng)用中產(chǎn)生方法的教學(xué)過程。教學(xué)采用的是“做中學(xué)”和基于項目的學(xué)習(xí)方法。整個過程歷時約2~3個小時,過程如下:
　　(1)講解:首先,Slocum教授講解了概念草圖工具及使用方法,團隊協(xié)作方法。
　　(2)布置項目題目:為一個虛擬大學(xué)設(shè)計一個�；諛俗R(Logo)。
　　(3)分組:將學(xué)生分成5組,每組4-5名學(xué)生,并強調(diào)不設(shè)組長(no team leader)。
　　(4)獨立設(shè)計:要求學(xué)生用5-8分鐘時間各自使用草圖工具獨立設(shè)計自己的Logo。
　　(5)同級評價(peer review):每個學(xué)生把自己設(shè)計好的Logo交給組內(nèi)右邊的同學(xué)填寫評語。
　　(6)組內(nèi)競爭:學(xué)生們在組內(nèi)把所有的Logo及評語展示出來,選出組內(nèi)最佳方案。
　　(7)組內(nèi)協(xié)作:學(xué)生在組內(nèi)綜合各自意見共同協(xié)作完成代表小組參加組間競爭的方案。
　　(8)組間競爭:各組把自己的方案通過投影演講方式展示給所有學(xué)生。
　　(9)全體學(xué)生在老師的指導(dǎo)下選出勝出的方案。
　　(10)勝出方案將送往贊助公司制造出模型。
　　以上基于項目的教學(xué)過程有如下特點:
　　①可以讓學(xué)生體驗創(chuàng)新設(shè)計概念的產(chǎn)生過程,練習(xí)概念草圖的使用方法;
　�、趯W(xué)生置身于兩級團隊合作的環(huán)境中,體驗協(xié)作與競爭的對立統(tǒng)一。
　　Slocum指出,不設(shè)組長是重要的細節(jié),這樣可以使組內(nèi)競爭更加激烈,激發(fā)頭腦風(fēng)暴,產(chǎn)生更強的創(chuàng)新。如果組內(nèi)只有一個比較強的學(xué)生,則小組運轉(zhuǎn)會很平穩(wěn),很容易產(chǎn)生出小組方案。如果組內(nèi)有兩個或以上比較強的學(xué)生,則組內(nèi)沖突會比較大,頭腦風(fēng)暴會更激烈,有時候會產(chǎn)生兩個甚至以上的小組方案。組內(nèi)頭腦風(fēng)暴是協(xié)作產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計的一種方法。學(xué)生的設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生出極佳的方案,某些方案融入了機械傳動的技巧,可實現(xiàn)組合匹配。
　　4.評論。
　　Slocum課堂教學(xué)方法體現(xiàn)“做中學(xué)”和關(guān)聯(lián)教學(xué)的理念,其特色在于培養(yǎng)學(xué)生的團隊工作意識,并且在技術(shù)上使學(xué)生理解團隊在創(chuàng)新設(shè)計中的作用,以及如何組織團隊工作才能更有效地產(chǎn)生創(chuàng)新。經(jīng)常在這種競爭與合作的項目環(huán)境下學(xué)習(xí),能使學(xué)生在將來的工作中非常自然地適應(yīng)團隊工作。Slocum的課堂還給出了一種特殊的適合創(chuàng)新涌現(xiàn)的合作方式,顯然這種環(huán)境在一定條件下是會出現(xiàn)在未來的工程師工作職場中的,并且當(dāng)工程師具有足夠的組織資格后可利用這種環(huán)境的特色促進工作效果的提升。
　　二、全職場環(huán)境關(guān)聯(lián)———David C. Wisler的設(shè)計學(xué)課堂教學(xué)方法
　　1.課堂背景。
　　David C. Wisler博士是渦輪機械空氣動力學(xué)的國際專家,美國工程院院士,美國通用電氣公司大學(xué)戰(zhàn)略聯(lián)盟負責(zé)人。他同時也是MIT兼職顧問,從事MIT的CDIO教學(xué)方法推廣工作[6]。
　　2009年16日清華大學(xué)航天航空學(xué)院、清華大學(xué)工程教育研究中心聯(lián)合召開工程教育研討會,邀請David C. Wisler博士講解關(guān)于CDIO教學(xué)模式探索,并進行CDIO教學(xué)活動的演示。其教學(xué)活動的內(nèi)容是一個濃縮了的互動課堂。
　　2. David C. Wisler關(guān)于工程師教育的觀點。
　　Wisler博士從歷史角度分析了美國現(xiàn)行工程教育遠離實踐教學(xué)的原因:最初美國的工程院校中的教師來自企業(yè),教師成分以工程師為主;隨著冷戰(zhàn)時期太空技術(shù)競爭的加劇,美國開始重視科學(xué)教育,使得工程院校的年輕教師的成分變成了以科學(xué)家為主;隨著老年教師的退休,美國的工程教育就被科學(xué)化了。他認為,科學(xué)教育讓學(xué)生掌握堅實的知識無疑是有益的,其缺點在于工程實踐教育的削弱。CDIO的任務(wù)是在保持系統(tǒng)的科學(xué)理論教育的前提下增強工程實踐教育。
　　3.教學(xué)過程及效果。
　　Wisler博士的教學(xué)演示被命名為TheSkyscraper Exercise(摩天樓練習(xí)),課堂歷時約4個小時。過程如下:
　　(1)主講教師指示學(xué)生自由組合分成若干組,每組3~5人。
　　(2)宣布工作任務(wù)如下:
　　a)使用土地(即正方形木板)、建造塊(即泡沫塑料塊)、連接件(竹簽)設(shè)計并搭建摩天大樓模型;
　　b)模型的目標有兩個:最高———可獲得最高建筑獎,最藝術(shù)———可獲得最藝術(shù)建筑獎;
　　c)要求控制建筑的造價。建筑不可超過給定的造價上限,土地、建造塊因大小而單價不同,連接件也有單價;
　　d)要求建筑穩(wěn)定,其上部要承擔(dān)一個裝有一定重量水的瓶子,整個建筑應(yīng)該能在底部“土地”傾斜5度角情況下不至于倒塌。
　　(3)學(xué)生在組內(nèi)進行角色分工,包括總設(shè)計師、設(shè)計師、預(yù)算師等。
　　(4)要求學(xué)生首先構(gòu)思,給出設(shè)計草圖,擺出理由說服“審查部門”(即教師)批準后購買材料開始建造;如果中途更改設(shè)計,需要得到審查部門的再批準。
　　對比Slocum的課堂,Wisler的教學(xué)過程添加了職業(yè)角色和社會環(huán)境角色(即審查部門,造價約束),讓學(xué)生在另一種團隊狀態(tài)(即有總設(shè)計師的團隊狀態(tài))下感受職場的氛圍。與Slocum課堂相同,組間競爭是不可或缺的,也是模擬職場環(huán)境的最核心內(nèi)容。競爭的結(jié)果劃分出優(yōu)、劣設(shè)計,促使學(xué)生反思自己在組里的作用(自己的理念是否被小組接納和實現(xiàn),是否起到好的或者壞的效果,體會領(lǐng)導(dǎo)能力和團隊協(xié)作能力)。
　　圖2是作者根據(jù)當(dāng)時的記錄畫出的學(xué)生作出的三種建筑設(shè)計。
　　圖2(a)圖是以高度勝出的冠、亞軍結(jié)構(gòu)形式,其特點是經(jīng)濟簡單,缺點是穩(wěn)定性差,必須冒技術(shù)風(fēng)險;
　　圖2(b)是以藝術(shù)性勝出的冠軍結(jié)構(gòu),其特點是結(jié)構(gòu)獨特,比較穩(wěn)定;
　　圖2(c)是一類失敗的設(shè)計,主要是過分強調(diào)了穩(wěn)定性,致使其因受材料造價的影響而在高度上失去優(yōu)勢。
　　4.類似課程設(shè)計的要求。
　　“摩天樓練習(xí)”能在團隊協(xié)作、CDIO動手能力、關(guān)聯(lián)教學(xué)等方面綜合地訓(xùn)練學(xué)生的能力,是一種濃縮的CDIO課堂。作者對這種教學(xué)方式進行了總結(jié),認為在課程的設(shè)計上要注意以下幾個方面:
　　(1)教具———必須有教具支持,做課程的設(shè)計時需要規(guī)劃并準備好教具,教具最好有可重復(fù)使用的性能。
　　(2)保持任務(wù)工作結(jié)果的不確定性———如果是連續(xù)開設(shè)的課程,需要設(shè)計出靈活的設(shè)計任務(wù),使學(xué)生工作任務(wù)的結(jié)果有足夠的不確定性,以形成沖突決策問題,增強競爭的效果。例如,如果重復(fù)使用“摩天樓練習(xí)”教學(xué)模式,會使得圖(b)的設(shè)計喪失新穎性,而圖(a)的方案會被學(xué)生知悉而大量重復(fù),從而導(dǎo)致決策風(fēng)險因素缺失。
　　(3)專業(yè)知識的融入———“摩天樓練習(xí)”中的專業(yè)知識的融入相對欠缺,需要構(gòu)思一種更能融入專業(yè)知識的課程組織模式。例如,把“摩天樓練習(xí)”的課程周期拉長,鼓勵學(xué)生使用力學(xué)和有限元仿真技術(shù)優(yōu)化建筑的設(shè)計結(jié)構(gòu),則可更加深入地訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)知識。或者根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計更能融入專業(yè)知識點的教學(xué)方案。
　　(4)競爭—協(xié)作環(huán)境模擬———“摩天樓練習(xí)”
　　的競爭—協(xié)作環(huán)境模擬可考慮與Slocum的方式互換或相結(jié)合。
　　(5)商業(yè)環(huán)境模擬———“摩天樓練習(xí)”中的造價約束較好地模擬了商業(yè)環(huán)境,在類似課程設(shè)計中應(yīng)該采用。
　　5.評論。
　　Wisler博士的教學(xué)過程是濃縮的CDIO課堂,充分強調(diào)了“做中學(xué)”和學(xué)習(xí)的環(huán)境關(guān)聯(lián)原則。
　　三、跨國課堂、文化交融———融亦鳴的國際合作項目課堂教學(xué)方法
　　1.課堂背景。
　　融亦鳴是美國伍斯特理工大學(xué)(WPI)機械工程系的講座教授。WPI的課程體系中要求本科生:在三年級時做一個針對社會需求但非本專業(yè)的項目,名為IQP(interactive qualify project);在四年級做一個本專業(yè)的項目,名為MQP(major qualifyproject)。這兩個項目時間各為7周,一般要求與工業(yè)界密切合作,最好是企業(yè)真刀真槍的實際問題。WPI的學(xué)生可以在設(shè)于全世界的20幾個項目中心做MQP和IQP。MQP和IQP反映了伍斯特理工學(xué)院“基于項目的教育”的工程教育理念[7]。
　　2005年,融教授開始與華中科技大學(xué)(HUST)機械工程學(xué)院開始了聯(lián)合本科生項目訓(xùn)練的教學(xué)。2009年融教授與北京交通大學(xué)合作進行IQP項目,7月底與華中科技大學(xué)的MQP組一起進行了項目答辯。
　　2.教學(xué)方法及效果。
　　融教授的課堂是一個國際化的項目訓(xùn)練課堂。方式是融教授把WPI的本科學(xué)生帶到中國,與國內(nèi)大學(xué)的本科學(xué)生混合編隊成小組,每個小組做一個項目。項目都由工業(yè)界資助或者具有較強工業(yè)背景。項目的工作語言為英語。以與北京交通大學(xué)合作(BJTU)的IPQ訓(xùn)練項目為例,項目總周期為10周左右,其中學(xué)生在中國的工作時間為7周,其教學(xué)過程如下。
　　(1)題目確定階段:由WPI和BJTU的教師聯(lián)合確定IPQ題目及任務(wù)書。
　　(2)雙方確認參加的學(xué)生:WPI和BJTU通過報名和面試分別確認參加項目的學(xué)生,并確認項目組。
　　(3)中美學(xué)生通信交流:學(xué)生通過電子郵件和其他網(wǎng)絡(luò)交流工具進行交流,內(nèi)容包括:學(xué)生相互自我介紹;介紹對項目的了解;初步確認項目內(nèi)容和分工;確認工作目標、工作計劃,聯(lián)合完成開題報告撰寫。
　　(4)美方學(xué)生到中方學(xué)校與中方學(xué)生一起工作,日常工作內(nèi)容包括:比照工作目標和計劃,控制工作進程;每周由老師組織報告會形式的例行檢查。
　　(5)小組作集體參加答辯:多個小組在一起做競爭答辯,答辯評審委員主要來自工業(yè)界。
　　由于在項目中,學(xué)生工作小組是混合編隊的,因此文化交流的氣氛非常濃重,雙方學(xué)生都能感受和學(xué)習(xí)怎樣與不同文化背景的學(xué)生進行合作。
　　WPI在項目目標中非常重視表達能力的訓(xùn)練,學(xué)生在每周和最后訓(xùn)練中充分鍛煉了正式的英文表達能力。同時項目非常強調(diào)與工業(yè)界的結(jié)合,一般都是與跟WPI有人脈關(guān)系的跨國公司結(jié)合,充分訓(xùn)練了學(xué)生在國際水準公司工作的能力。
　　大部分題目最終能切實地為企業(yè)解決一些實際問題,得到公司的欣賞,同時公司也能利用這一活動從項目中選拔人才。Cartpillar公司工程經(jīng)理表示:招募的新員工必須經(jīng)過磨合和培訓(xùn),這樣的項目能夠較好地促進新人和公司文化的銜接。這種公司和學(xué)校的雙贏特征為連續(xù)爭取公司的贊助和支持創(chuàng)造了條件。
　　與本文之前介紹的Slocum教授的課堂類似,融教授的MQP和IQP小組都不設(shè)團隊領(lǐng)袖(組長),以使學(xué)生在平等團隊合作中體驗團隊合作的沖突解決過程。
　　3.需要注意的問題。
　　在實施這樣一種聯(lián)合項目訓(xùn)練過程中,有以下問題需要解決:
　　(1)教學(xué)環(huán)節(jié)的對接———需要把此項目訓(xùn)練納入學(xué)校的教學(xué)計劃中,以保證學(xué)時和學(xué)分的要求。
　　(2)教師的國際化水平———國內(nèi)教師必須有一定的國際化水平才能聯(lián)合指導(dǎo)學(xué)生。
　　(3)校企合作問題———需要找到較高水平的企業(yè)進行合作,并贊助解決國內(nèi)交通、住宿等費用;解決此問題的關(guān)鍵是要做到校企雙贏。
　　(4)國際旅行及費用———美方學(xué)生到中方的費用一般由美方學(xué)生以學(xué)費的形式解決。
　　(5)中美學(xué)生生活習(xí)慣的差異等———美方學(xué)生在飲食、衛(wèi)生等方面與中方學(xué)生存在差異,需要注意;美方比較重視學(xué)生健康和意外事件的安全問題,需要簽訂免責(zé)法律文件。
　　(6)主導(dǎo)型國際合作的開拓———條件成熟中方可派學(xué)生到美方做項目。
　　4.評論。
　　融教授的課堂采用的是一種“基于項目的學(xué)習(xí)”的教學(xué)方式。該課堂同時包括了“做中學(xué)”、校企合作、國際化三方面的元素。文化交融、取長補短,訓(xùn)練學(xué)生在不同文化背景、不同母語、不同思維方式和做事方式的團隊中工作能力是該教學(xué)方式最大的特點。
　　四、結(jié)論本文介紹了國外著名教授帶來的三個一線本科生教學(xué)方式案例。三個案例的共同特點都強調(diào)了“基于項目的學(xué)習(xí)”、“做中學(xué)”和團隊工作訓(xùn)練。
　　其中, Slocum教授的設(shè)計課程從教材內(nèi)容編排到教學(xué)方法都與國內(nèi)所對應(yīng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式有很大區(qū)別;Wisler博士的課堂則更強調(diào)職場環(huán)境的關(guān)聯(lián);融亦鳴教授的項目教學(xué)則是一種設(shè)置在企業(yè)和不同文化背景下的校外課堂,同時體現(xiàn)出“做中學(xué)”、校企合作、國際化三方面的元素。
　　三個教學(xué)案例都與我國較多采用的傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式有很大的不同,對國內(nèi)工科一線課堂教學(xué)改革有一定的參考意義。
　　【摘　　要】　回歸實踐、面向產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展需求是當(dāng)前國內(nèi)外工程教育改革的主要目標。標準和目標是方向上的,在抽象層次的哲理和規(guī)則上是需要統(tǒng)一認識的;為實現(xiàn)上層的改革哲理,在具象上的課堂教學(xué)改革則可以多種多樣。本文總結(jié)了三個有突出特色的國外實踐教學(xué)改革方式,其都在相當(dāng)程度上支持工程教育回歸實踐和面向產(chǎn)業(yè)需求的目標,不但印證了工程教育改革理論的可實現(xiàn)性,而且對改革在我國高等本科工程教育中普遍采用的“聽中學(xué)”課堂教學(xué)方法具有較大借鑒意義。
　　【關(guān)鍵詞】　課堂教學(xué)　實踐教學(xué)　工程教育改革

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