普渡大學(xué)本科工程教育改革實(shí)踐及對新工科建設(shè)的啟示

1、    普渡大學(xué)本科工程教育改革實(shí)踐及對新工科建設(shè)的啟示    摘要：如何迎接第四次工業(yè)革命對工程教育的挑戰(zhàn)，是中國工程教育發(fā)展無法回避的問題，向歐美等發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)和借鑒成功經(jīng)驗(yàn)是一條有效途徑。本研究選擇美國傳統(tǒng)工科名校普渡大學(xué)為案例，通過實(shí)地考察、深度訪談、資料查閱等方式，系統(tǒng)研究其在專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定、培養(yǎng)方案制定與實(shí)施、新專業(yè)設(shè)置、課程體系建設(shè)、教學(xué)方式方法轉(zhuǎn)變等方面的改革實(shí)踐和成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國實(shí)際情況提出相應(yīng)思考和建議，以期對新工科建設(shè)有一定的啟發(fā)作用。關(guān)鍵詞：新生工科專業(yè)，新型工科專業(yè)，新工科，多學(xué)科，學(xué)科交叉，工程教育新工科建設(shè)正在全國范圍

2、內(nèi)如火如荼地展開并將引領(lǐng)我國高等教育的改革和發(fā)展。1新工科完整的學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)是由新型工科專業(yè)、新生工科專業(yè)和新興工科專業(yè)三大類新工科專業(yè)構(gòu)成23，其中傳統(tǒng)的工科專業(yè)轉(zhuǎn)型、改造和升級即新型工科專業(yè)的建設(shè)4，以及由多個不同工程學(xué)科的交叉復(fù)合或由工程學(xué)科與其他學(xué)科的交叉融合而產(chǎn)生的新生工科專業(yè)的建設(shè)5，不僅是新工科建設(shè)的主體，更是新工科建設(shè)中富有開創(chuàng)性、挑戰(zhàn)性、復(fù)雜性、系統(tǒng)性和全局性的工作。這兩大類新工科專業(yè)建設(shè)無現(xiàn)成路徑可循，但他山之石可以攻玉，學(xué)習(xí)和借鑒世界一流大學(xué)工科專業(yè)的改革經(jīng)驗(yàn)對新工科建設(shè)有較高的參考價值。普渡大學(xué)（purdue university）建校于1869年，位于美國中西部印第安

3、納州西拉法葉，是一所以卓越的工程教育著稱的一流大學(xué)，也是美國歷史悠久的研究型公立大學(xué)。自1878年開始授予工科學(xué)位以來，一直處于全美授工學(xué)學(xué)士學(xué)位人數(shù)最多的5所大學(xué)之列。在華爾街日報2010年評選的全美本科生職業(yè)能力排名中，普渡大學(xué)的本科教育名列全美第二。6普渡大學(xué)工學(xué)院以“接近真實(shí)世界”的新型工科和新生工科教育為特色，在2018年美國新聞與世界報道全美本科學(xué)院排名中，排名第7位7，該院有7個工程專業(yè)名列全美前十。8普渡大學(xué)也是全美第一個設(shè)立工程教育系（school of engineering education）的學(xué)校，工程教育系在普渡大學(xué)不僅承擔(dān)著全校一年級工科學(xué)生的通識教育的任務(wù)，而且

4、在工程學(xué)科專業(yè)改造升級、構(gòu)建以學(xué)科交叉融合為特色的工程教育體系中發(fā)揮著獨(dú)特作用。工程學(xué)科是普渡大學(xué)（以下簡稱“普渡”）的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，在全美享有很高的聲譽(yù)。普渡之所以長期位列美國工程強(qiáng)校，與其在工程教育領(lǐng)域既能堅(jiān)持優(yōu)良傳統(tǒng)，又能對現(xiàn)有工程教育不斷改革與創(chuàng)新密不可分。本研究聚焦普渡新型工科專業(yè)（以下簡稱“新型專業(yè)”）和新生工科專業(yè)（以下簡稱“新生專業(yè)”）建設(shè)，通過實(shí)地考察、深度訪談、資料查閱等多種方式，系統(tǒng)研究其在專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定、培養(yǎng)方案制定與實(shí)施、新專業(yè)設(shè)置、課程體系建設(shè)、教學(xué)方式方法轉(zhuǎn)變等方面改革的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國實(shí)際情況提出相應(yīng)思考和建議，以期對新工科建設(shè)有一定的啟發(fā)作用。一、多方協(xié)同參

5、與專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定普渡在新型專業(yè)和新生專業(yè)人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中充分體現(xiàn)了多方協(xié)同參與，一方面以院系為主體，另一方面重視行業(yè)協(xié)會、行業(yè)企業(yè)等外部代表的建議和意見，實(shí)現(xiàn)多方共同參與培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善過程。在培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定初期，專業(yè)所在院系通過網(wǎng)絡(luò)會議、郵件等形式征求行業(yè)協(xié)會、工業(yè)企業(yè)代表在專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)上的意見，一般會達(dá)成四點(diǎn)共識：考慮到abet認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)在全美工程教育領(lǐng)域具有的認(rèn)可度和影響力，應(yīng)將abet認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)作為院系人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)；靈活領(lǐng)會abet認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的最新思路和精神，注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程，通過將重心放在教育教學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)對學(xué)生培養(yǎng)的預(yù)期；將abet認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)在院系層面進(jìn)行分解和二次

6、組合，從而凸顯學(xué)校和院系人才培養(yǎng)的定位和特色；為提高學(xué)生畢業(yè)后的競爭力和適應(yīng)能力，標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)充分體現(xiàn)專業(yè)協(xié)會和行業(yè)企業(yè)的意見。以上四點(diǎn)共識在制定專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)過程中得到充分的落實(shí)。abet工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)包括八項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)：1.“學(xué)生”，2.“專業(yè)教育目標(biāo)”，3.“學(xué)生產(chǎn)出”，4.“持續(xù)改進(jìn)”，5.“課程體系”，6.“教師隊(duì)伍”，7.“教學(xué)設(shè)施”，8.“學(xué)校支持”。限于篇幅以下僅以工學(xué)院航天航空工程專業(yè)“學(xué)生產(chǎn)出”部分培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的（2）（4）（5）予以說明（詳見圖1）。首先，校內(nèi)外各方都認(rèn)識到工程設(shè)計(jì)能力是復(fù)雜的綜合能力，也是工程能力培養(yǎng)的重中之重，培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)同時體現(xiàn)abet認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的（c）（e）（

7、h）（j）與（k）等（見圖1），因此，將這些認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)整合為（2），要求學(xué)生“具備在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過應(yīng)用工程設(shè)計(jì)能力來滿足特定需求的工程解決方案，并在此過程中能綜合考量公共健康、安全、福利等方面的需求，同時能考慮到全球、文化、社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展各種要素的影響”。其次，工程道德和工程倫理也是行業(yè)協(xié)會和工業(yè)企業(yè)關(guān)注的一個重點(diǎn)，因此在制定院系工程專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)過程中，將（f）（h）（j）和（k）等整合進(jìn)（4）“具有在不同工程情景下識別工程道德問題，明確自身職業(yè)責(zé)任的能力；能在綜合考量所參與的工程解決最終方案在全球、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會等領(lǐng)域的影響后，做出明智的職業(yè)判斷和決策”。第三，領(lǐng)導(dǎo)力內(nèi)涵的拓展

8、。領(lǐng)導(dǎo)力和服從能力是矛盾且統(tǒng)一的，院系往往傾向培養(yǎng)學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)力，行業(yè)企業(yè)的需求既包括一般意義的領(lǐng)導(dǎo)力，也需要較強(qiáng)的服從能力。這方面abet標(biāo)準(zhǔn)中的（d）和（g）不夠完善，因此在（d）（g）的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了領(lǐng)導(dǎo)力相關(guān)內(nèi)容，最終修訂為（5）“具備在團(tuán)隊(duì)中提供有效領(lǐng)導(dǎo)力或已具備領(lǐng)導(dǎo)力的條件下有效服從、高效工作的能力；能夠創(chuàng)造協(xié)作和包容的團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境；能夠建立團(tuán)隊(duì)目標(biāo)、建立和執(zhí)行計(jì)劃并最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”。這種多方參與的方式保證了專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的合理性、科學(xué)性和有效性，體現(xiàn)了行業(yè)發(fā)展和用人單位的需求，也充分調(diào)動了外部力量參與院系工程人才培養(yǎng)的積極性，有利于形成多方協(xié)同育人的長效機(jī)制。二、面向未來人才培養(yǎng)的專業(yè)

9、培養(yǎng)方案全球經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展、國家之間核心競爭優(yōu)勢的形成和鞏固、尤其是各國在全球經(jīng)濟(jì)、科技、產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)和統(tǒng)治地位的爭奪，促使各國、尤其是發(fā)達(dá)國家將面向未來培養(yǎng)卓越工程科技人才作為本國的國家戰(zhàn)略。專業(yè)培養(yǎng)方案是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的平臺，決定著人才培養(yǎng)的形式、類型和內(nèi)涵。在面向未來培養(yǎng)工程科技人才方面，普渡從專業(yè)培養(yǎng)方案入手，主要做了三方面工作：大一實(shí)施基于大類專業(yè)的培養(yǎng)方案；大二開始采用柔性化的專業(yè)培養(yǎng)方案；企業(yè)與社區(qū)積極參與培養(yǎng)方案的實(shí)施過程。1.大一實(shí)施基于大類專業(yè)的培養(yǎng)方案。與中國多數(shù)理工類大學(xué)不同，普渡大學(xué)的工科都隸屬于工學(xué)院，包括航空和航天工程、農(nóng)業(yè)和生物工程、生物醫(yī)學(xué)

10、工程、化學(xué)工程、土木工程、建筑工程與管理、電氣和計(jì)算機(jī)工程、工程教育、環(huán)境與生態(tài)工程、工業(yè)工程、材料工程、機(jī)械工業(yè)與核工程13個下屬院系及一個線上虛體系“工程專業(yè)教育”。11這種“大工學(xué)院”的結(jié)構(gòu)為大類專業(yè)培養(yǎng)方案5的實(shí)施提供了組織基礎(chǔ)，成為不同工程學(xué)科交叉融合的孵化器。學(xué)生被普渡工學(xué)院錄取后由工程教育系統(tǒng)一管理，進(jìn)入fye項(xiàng)目（first-year engineering program，fye），直譯為“第一年工程（新生）項(xiàng)目”。在fye中所有學(xué)生不分專業(yè)，完成第一年通識教育，再進(jìn)入不同院系開始主修專業(yè)的學(xué)習(xí)。根據(jù)fye主管教師介紹，fye設(shè)置的理念是：“工學(xué)院的學(xué)生首先應(yīng)了解什么是工程師

11、，其次才是我可以成為什么樣的工程師。因此，我們給學(xué)生預(yù)留一年緩沖期，讓他們完成從高中生到一名（準(zhǔn)）工程師的角色轉(zhuǎn)換，做好這些準(zhǔn)備后再開始在不同的工程領(lǐng)域中接受更為專業(yè)的訓(xùn)練，成長為各自領(lǐng)域出色的工程師”。在fye中學(xué)生最低須修滿30個學(xué)分：一般秋季學(xué)期13到15學(xué)分（表1），重點(diǎn)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)課和英語交流與寫作等人文社科類課程；春季學(xué)期一般16-18學(xué)分（表2），除數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、英語等通識課程進(jìn)入高階學(xué)習(xí)階段外，須學(xué)習(xí)編程、通訊類等相關(guān)課程，還允許學(xué)生根據(jù)興趣選擇潛在專業(yè)基礎(chǔ)課程、關(guān)聯(lián)專業(yè)基礎(chǔ)課程等。由于普渡國際化程度較高，學(xué)生來自全球不同國家和地區(qū)，具有不同的學(xué)習(xí)經(jīng)歷、個人視

12、角和文化背景，加上fye的多數(shù)課程設(shè)置了大量的活動，為不同學(xué)生一起交流、合作提供了豐富的機(jī)會。此外，fye最有特色的課程是工程教育系開設(shè)的engr 131-132系列課程，在該系列課程中，學(xué)生將學(xué)習(xí)和討論諸如數(shù)據(jù)可視化和分析，工程倫理、工程道德與規(guī)范，工程設(shè)計(jì)，專業(yè)通信基本知識和技能，并學(xué)會基于多學(xué)科和跨學(xué)科思維去開發(fā)解決工程問題的數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用基本編程解決工程問題等。從fye的實(shí)施效果來看，這種大類專業(yè)培養(yǎng)方案對學(xué)生產(chǎn)生以下重要影響：幫助學(xué)生打下寬闊的通識教育基礎(chǔ)；促進(jìn)了不同文化、學(xué)科背景學(xué)生之間的交流，為日后組建跨學(xué)科學(xué)習(xí)與合作團(tuán)體建立關(guān)系；幫助學(xué)生培養(yǎng)和發(fā)現(xiàn)自己的專業(yè)興趣和特長，有利于學(xué)

13、生的個性化培養(yǎng)；啟發(fā)學(xué)生從不同的角度看待工程世界、發(fā)現(xiàn)和思考工程問題，為后續(xù)進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)奠定較高的起點(diǎn)。2.大二開始采用柔性化的專業(yè)培養(yǎng)方案。柔性化專業(yè)培養(yǎng)方案的“柔性化”主要表現(xiàn)在一個培養(yǎng)方案具有三個方面的功能：能夠培養(yǎng)出在跨學(xué)科產(chǎn)業(yè)鏈上不同類型的工程師后備人才；能夠培養(yǎng)出引領(lǐng)不確定的未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的后備產(chǎn)業(yè)骨干和領(lǐng)軍人物；能夠?qū)崿F(xiàn)對不同學(xué)生真正意義上的個性化培養(yǎng)。5以普渡工學(xué)院土木工程系為例，其培養(yǎng)方案的柔性化功能具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。（1）“一個基礎(chǔ)培養(yǎng)方案+多個出口”。該系為學(xué)生提供一個基礎(chǔ)的培養(yǎng)方案，允許學(xué)生在這個培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)個人興趣和職業(yè)發(fā)展志向在多個專業(yè)方向和領(lǐng)域上進(jìn)行選擇

14、。學(xué)生可選擇的方向和領(lǐng)域包括建筑工程、建設(shè)工程、環(huán)境工程、地理信息工程、巖土工程、水力學(xué)和水文工程、液壓與水溫工程、材料工程等910個專業(yè)方向，幾乎涵蓋了土木工程各學(xué)科專業(yè)，甚至覆蓋了其他可能關(guān)聯(lián)的學(xué)科專業(yè)。13（2）鼓勵和幫助學(xué)生制定個性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃。學(xué)生在制定個人培養(yǎng)方案時，院系有專門的顧問與學(xué)生進(jìn)行一對一的溝通，給予他們充分的建議和指導(dǎo)，并根據(jù)學(xué)生在fye中展現(xiàn)出的專業(yè)興趣和潛在特長，結(jié)合他們未來的職業(yè)發(fā)展目標(biāo)和志向，幫助學(xué)生制定個性化、柔性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃。（3）允許學(xué)生在整個培養(yǎng)過程中調(diào)整專業(yè)方向甚至專業(yè)。與中國高校專業(yè)方向和專業(yè)相對固化不同，學(xué)生在大二選定專業(yè)后，并非“一選定終身”，普

15、渡為學(xué)生本科在讀期間始終給予調(diào)整的空間。因此，學(xué)生在大二進(jìn)入不同院系后，還可在多個細(xì)分專業(yè)中探索、調(diào)整自己未來的專業(yè)方向，也可在不同院系之間調(diào)換專業(yè)。（4）注重不同類型課程的多樣性和替代性。這主要得益于普渡全校范圍內(nèi)課程的模塊化設(shè)置和學(xué)分跨院系互認(rèn)。學(xué)生調(diào)整培養(yǎng)方案時，向院系提出申請并附擬修外院系課程名單和課程相關(guān)材料，院系會在課程顧問、相關(guān)教授認(rèn)可后對擬修課程的學(xué)分予以認(rèn)定。這樣學(xué)生除可選本院系必修課程模塊、選修模塊外，還可選工學(xué)院全院甚至全校其他學(xué)院不同的課程模塊，包括基于現(xiàn)實(shí)工程問題的高級設(shè)計(jì)項(xiàng)目、社區(qū)機(jī)構(gòu)服務(wù)項(xiàng)目等；亦可選擇相近專業(yè)中涵蓋本領(lǐng)域基本知識、基本原理、基本規(guī)律和基本方法的核

16、心課程及問題導(dǎo)向的前沿性課題或?qū)嵺`項(xiàng)目。3.企業(yè)與社區(qū)組織積極參與培養(yǎng)方案的實(shí)施過程。與中國國內(nèi)一個明顯不同的是，美國企業(yè)參與高等教育的積極性非常高，這點(diǎn)在普渡大學(xué)尤為明顯。2013年美國inc.雜志（inc. magazine）調(diào)查了5000名公司的ceo，結(jié)果顯示即使每年有大量畢業(yè)生進(jìn)入市場，76%的ceo認(rèn)為公司招聘到合格的雇員仍然是首要問題。14提早介入人才培養(yǎng)過程非常有利于企業(yè)篩選和培養(yǎng)合格的雇員，這應(yīng)該是企業(yè)愿意提早介入高等教育的重要原因。社區(qū)服務(wù)機(jī)構(gòu)（community service agencies）包括博物館、學(xué)校、動物園、圖書館、兒童護(hù)理中心、危機(jī)應(yīng)急中心等，這些機(jī)構(gòu)在運(yùn)

17、行過程中有大量實(shí)際的工程需求，需要適應(yīng)本機(jī)構(gòu)實(shí)際需求的專門工程人才，因而也是高校工科人才培養(yǎng)重要而直接的合作伙伴。14普渡校方充分利用了企業(yè)和社區(qū)服務(wù)機(jī)構(gòu)這方面的強(qiáng)烈需求，除邀請企業(yè)、社區(qū)服務(wù)機(jī)構(gòu)代表參與人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)方案的制定過程外，還通過實(shí)施過程動態(tài)介入、社區(qū)服務(wù)項(xiàng)目、合作教育、實(shí)習(xí)等多種方式調(diào)動企業(yè)和社區(qū)機(jī)構(gòu)參與專業(yè)培養(yǎng)方案實(shí)施過程的積極性，主要有以下幾種方式。（1）直接參與院系專業(yè)培養(yǎng)方案的動態(tài)調(diào)整過程。在人才培養(yǎng)方案的實(shí)施過程中，院系通過定期拜訪或直接邀請重要雇主參加專題會議等形式，提請雇主對畢業(yè)生、在崗合作教育學(xué)生工作中的表現(xiàn)進(jìn)行評價，并據(jù)此對院系人才培養(yǎng)方案提出修改意見，院系

18、則根據(jù)這些意見對正在實(shí)施的人才培養(yǎng)方案進(jìn)行及時調(diào)整和完善。以生物醫(yī)學(xué)工程系為例，生物醫(yī)學(xué)工程系每年都會安排教師對企業(yè)進(jìn)行走訪，了解畢業(yè)生、在崗的合作教育學(xué)生、實(shí)習(xí)學(xué)生在企業(yè)的表現(xiàn)，并通過座談等方式與企業(yè)、校友進(jìn)行溝通，進(jìn)而對生物醫(yī)學(xué)工程系的專業(yè)培養(yǎng)方案做了有效的調(diào)整：改進(jìn)現(xiàn)有課程與當(dāng)前醫(yī)療保健解決方案的相關(guān)性；增加建模、cad、工程加工和其他設(shè)計(jì)技能培養(yǎng)的內(nèi)容；為學(xué)生提供更多跨學(xué)科、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)會；增加生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生與其他院系學(xué)生之間的交流等。（2）通過社區(qū)服務(wù)項(xiàng)目（engineering projects in community service，epics）等方式直接為教學(xué)實(shí)踐

19、環(huán)節(jié)提供立項(xiàng)資金和實(shí)踐場所。epics是普渡大學(xué)為促進(jìn)校內(nèi)不同學(xué)科交流、融合的垂直整合學(xué)術(shù)項(xiàng)目，是以工程為中心的多學(xué)科服務(wù)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。其立項(xiàng)和實(shí)施是基于與社區(qū)服務(wù)機(jī)構(gòu)的合作：社區(qū)服務(wù)機(jī)構(gòu)為epics提供實(shí)際工程項(xiàng)目需求、資金和工作場所，并與院系epics指導(dǎo)教授團(tuán)隊(duì)共同為epics學(xué)生團(tuán)隊(duì)提供咨詢和指導(dǎo)。學(xué)生加入不同的epics實(shí)踐團(tuán)隊(duì)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中完成相關(guān)課程并以團(tuán)隊(duì)合作的方式滿足當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)或全球社區(qū)的實(shí)際工程需求而獲得相應(yīng)學(xué)分。由于epics項(xiàng)目需求直接來自社會，一定程度上代表了市場的需求，加上項(xiàng)目實(shí)施跨多個學(xué)期、周期較長，類似于工程服務(wù)類創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，因此，有效鍛煉了學(xué)生的工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和動態(tài)適應(yīng)能力，受到學(xué)生的歡迎。目前每年有超過600名本科生參與，涉及70多個不同學(xué)科。15企業(yè)與社區(qū)參