苏 春

（东南大学 机械工程学院，江苏 南京211189）

近年来，“大类招生、专业分流”已经成为国内高校招生及人才培养的重要模式，面向一年级新生的工程导论课程也普遍开设。但是，目前在专业分流方法和新生工程导论课程教学组织等方面仍然不够完善，不仅影响了人才培养的质量，也不利于各学科的均衡发展。

如何让今天的毕业生能够有效地解决未来的工程问题，是工程教育工作者需要思考的问题与面对的挑战。它要求毕业生不仅要具有扎实的基础理论和宽广的专业知识，还要掌握科学的学习方法，具备出色的学习能力、分析与解决工程实际问题的能力以及良好的团队合作精神，能够洞察社会发展趋势，以实现终身学习和可持续发展的目标[1]。

近年来，学科之间交叉渗透现象日益明显，专业界限逐渐淡化，知识更新速度不断加快，社会对毕业生素质要求也呈现出多元化趋势。与多元的社会需求相比，高校传统的招生和人才培养方式的弊端日渐显现。为适应形势变化，国内高校积极进行教学改革与探索，大类招生、专业分流、开设新生专业导论课程等成为改革的重要方向。实际上，上述培养模式改革并非我国首创，美国、欧洲等地区高校已经积累了丰富经验，值得我们学习和借鉴[2-3]。

本文基于美国几所高校工程类专业案例，分析它们在工程导论课程建设和工科人才培养等方面的成功做法；结合自身实际，分析存在的不足并提出改善思路。

一、工程导论课程教学改革的必要性分析

高等教育是建立在中等教育基础上的专业（职业）教育，其目标是为社会培养各类高级专门技术和管理人才。因此，与中学阶段相比，大学教育在学习目标、教学方法等方面都存在很大差别。对于新入学的大学生而言，能否适应这种变化，不仅关系到大学阶段的学习成绩，还与后续的职业发展息息相关。工程导论课程在其中扮演着重要角色。

工业革命以来，人们在创造大量知识和财富的同时，也带来了资源短缺、环境污染和生态破坏等问题，严重威胁人类的可持续发展。近年来，国内水污染、雾霾、食品安全、极端天气等问题频发，水资源短缺、耕地面积减少，能源及矿产品进口逐年增加，都成为制约社会和谐发展的重要因素。社会发展、知识更新和技术进步，也提出许多新的研究课题。大学生是未来社会发展的中坚力量。因此，在校期间就应帮助他们从科学的角度去分析问题的根源，并积极思考和尝试解决问题的有效方法。

另一方面，科学技术集成的趋势越来越明显，现代产品开发往往建立在多学科基础之上，仅靠单一学科、专业的知识已经很难实现产品的创新开发。上述趋势反映到高等教育中就是课程的综合化，通过强化基础理论、专业知识与应用研究的渗透、交叉，培养学生适应社会需求和解决复杂工程问题的技能。工程导论和综合性课程应包括基础理论、设计、项目规划和问题解决技巧等方面训练；通过案例向学生展示工程问题的解决思路与方法，培养学生寻找资源和查阅文献的能力。另外还应培养学生完成报告、演讲、倾听和沟通能力，全面提升学生的专业素质。

美国高校在工程教育领域十分注重讲授工程科学对社会的服务功能，引导学生关注人类可持续发展，培养学生应用工程方法解决人类面临难题的能力。选题包括环境保护、污染水处理、可再生能源、传感网、碳排放、基因工程、未来交通系统、智慧城市等学科前沿，既能帮助学生认识工程学科与社会、自然之间的关系，也能促进边缘学科发展和综合性课程的创成[3]。

职业精神培养和工程伦理（engineeringethics）意识的建立是工程教育的核心问题之一。良好的职业精神和工程伦理是优秀工程师必备的素质，缺少职业道德的工程师不是合格的工程师。近年来，日本福岛核电站泄漏、丰田汽车刹车门事件、温州动车追尾脱轨事故、黄岛输油管道爆炸以及频发的矿难、交通事故都与工程伦理的缺失密切相关。美国高校的工程导论课程中，普遍强调学生工程伦理的养成和工程师责任的训练。目前，国内高校对此领域的关注程度还不够。

近几十年来，以美国为代表的发达国家，在高校课程建设、人才培养等领域提出一系列改革举措，并取得显著成效。1991年，美国政府颁布《关于发展高等教育和提高专门人才质量方案》，提出“加强专门人才在生产和科技部门独立工作的能力，是当前高等教育向现代化方向发展的基本方针”，在课程改革方面强调“打破原有的课程界限及框架，实行跨学科综合研究，创设新型综合课程”。2003年起，美国国家自然科学基金委员会（NSF）资助成立工程教育促进中心（The Center for the Advancement of Engineering Education，CAEE），专门研究高等教育的教与学问题，其中包括工程教育、大学本科教育两个分支机构，普渡大学、斯坦福大学、华盛顿大学、明尼苏达大学等多所高校参与其中，并取得丰富成果[4]。CAEE的研究领域包括：工程类本科生的学习体验以及学校—工作的转换，工程教育工作者的教学方法，工程类毕业生的职业发展，工程教育研究组织的扩展活动与模型等。

美国高校多年的教学实践表明：科学地设计工程导论和相关综合性课程，可以激发学生学习的积极性，使他们对专业抱有持续的好奇心，变得博学和富有主见；可以使学生了解工程领域面临的挑战、毕业后的职业发展机会；能够增强学生的学习兴趣，最终帮助他们实现职业梦想。

自2010年起，东南大学提出“卓越化、国际化、研究型”本科教学工作新要求，在多个院系实施“大类招生、专业分流”的招生及培养模式改革，并多次组织全校通识课、新生研讨课、系列专业研讨课建设工作，在本科人才培养方面取得一定成绩。但是，应该看到由于相关政策的细节设计、课程内涵建设等方面尚不够完善，导致某些专业人才培养的质量不升反降，挫伤了相关专业教师和学生的积极性[5]。因此，有必要学习国内外高校的成功做法，切实提高人才培养质量。

二、美国工程教育理念浅析

工程与技术认证委员会（Accreditation Board for Engineering and Technology，ABET）是美国工程专业领域的权威认证机构。它的宗旨是促进工程教育质量的持续提升，鼓励工程教育创新，以培养具有出色学习能力、在当今全球化时代具有竞争力的毕业生。ABET认证的指标包括学生质量与表现、学生的学习成果、项目教育目标、专业的持续提升、课程设置、师资、设施、支持等方面内容，其中特别强调学生对科学、技 术、工 程、数 学（Science，Technology，Engineering and Mathematics，STEM）基本概念、工程设计流程以及相关专业技能的掌握，主要体现在以下几个方面：

（a）应用数学、科学和工程知识的能力；

（b）设计和开展实验的能力，以及数据的分析与解释；

（c）设计系统、零件或流程的能力，并满足特定的约束条件，包括经济、环境、社会、政治、伦理、健康、安全、可制造性、可持续性等；

（d）运行与管理跨学科团队的能力；

（e）识别、制定和解决工程问题的能力；

（f）理解专业和道德责任；

（g）有效的交流能力；

（h）接受必要的教育，以便从全球、经济、环境以及社会层面理解工程解决方案的影响；

（i）认识到终身学习的必要性并具备相应的能力；

（j）具备当代问题的相关知识；

（k）应用技术、技能和必要的现代工程工具以解决工程实际问题的能力。

2001—2002年，美国国家工程院（National Academy of Engineering）提出“2020的工程师：新世纪的工程视野（The Engineer of 2020：Visions of Engineering in the New Century）”报告，提出2020年工程领域的愿景，预测彼时工程师的工作环境，分析2020年前后工程师应具备的特质，如表1所示[6]。

表1 2020年工程师应具备的特质

为提高本科生职业素质、培养能符合未来需求的毕业生，美国各高校纷纷开展导论和综合课程的改革实践，并取得丰富经验。

三、美国部分高校工程导论课程建设的经验分析

1.Rutgers University面向一年级学生的Engineering Exploration课程[7]

一年级的工程经验对于激发、保持以及提升学生对工程专业的满意度至关重要。但是，对于工科一年级学生，数学、物理、化学、文科以及其它通识课程通常占用了大部分课时，他们很少有机会去探索工程领域及其发展动态。为增加学生的工程探索体验，并将一年级课程与工程实际有机连接，Rutgers大学工学院（RU-SOE）创建了一门交互式、基于项目的工程设计课程——工程探究（Engineering Exploration），以替代传统的一年级工程导论课程。

RU-SOE传统的课程名为“专业方向介绍系列讲座（Introduction to Orientation Lectures）”。该课程是工程专业的必修课，包括八个80分钟的讲座，分别由学院每个系的一位教授向学生介绍各自的工程专业，同一班级的学生人数在100人以上。成绩分为“合格（pass）”和“不合格（nocredit）”，成绩评定的主要依据是出勤率。这种以被动听讲座的授课方式、纯粹以考勤来评定成绩的教学模式，导致学生注意力不够集中、厌倦以及考勤带来的课堂消耗，教学效果差。

开设“工程探究”课程的目标包括：向学生介绍工程专业，提高教与学的效果，帮助学生在工程领域成功。为实现上述目标，课程设计了组合式的主动学习策略（active learning strategies），包括基于项目的学习（project-based learning）、探究式学习（inquiry-based learning）、合作式学习（collaborative learning），从而构成一门综合性课程。工程设计流程是该课程教学的另一条主线，并通过基于专业的设计项目来介绍相关专业。另外，该课程提出了“半结构化—基于项目—合作式学习方法（semi-structured project-based collaborative learning approaches）”，允许学生提出方法，在做相关概念性研究和团队合作的基础上完成项目。工程项目选题包括：桥梁建造、建筑建造、电路设计、咖啡机的逆向工程、赛车设计、太阳能仪表板电路设计、应力/应变分析、血压分析等。上述改革措施均符合ABET认证的指标与要求。

工程是科学原理和数学方法的实际应用，最终要实现结构件、机器、流程或系统的设计、制造以及有效运作。为有效地解决工程项目研究中的相关问题，需要用到STEM中多门课程知识。为此，学院开设一门综合课程（integrated curriculum），以集成的方式讲授数学、科学、技术、工程以及英语等学科知识。此外，在设计工程项目时，除考虑培养学生主动学习的方法之外，还重视学生工程设计流程的训练，将科学知识和数学概念用于解决实际问题也是工程设计流程的一个部分（如图1）。

面向专业的工程设计项目取材于实际工程问题，并适用于多专业学生，旨在帮助学生认识职业的重要性并乐意从事相应的职业。通过参与相关项目，学生可以深入理解自己未来需要学习的科学及数学问题。项目成果以技术报告及口头演讲的形式提交，其中技术报告是在做科学研究之后所撰写的论文。“工程探究”课程不支持纯粹的模型而是强调多课程的集成，以便将科学概念、工程设计流程、科技写作融合到项目中。此外，科技写作也工程师的基本素质要求，在完成项目的过程中要求学生以口头或文字方式阐述相关概念，并论述如何将相关知识应用于工程问题的解决方案之中，以便反映对问题的理解程度。

RU-SOE的教学实践表明，“工程探究”选修课程，尤其是通过采用主动式学习方法，不仅向学生介绍了多个工程学科，也向学生展示要在工程领域成功所需的学术和专业技能。几年来，选修该课程的学生对专业的认可率明显提高，对该课程也给予很高评价。统计表明：开设该课程使得三年内学生的专业保留率提高19%。目前，RU-SOE正计划将该课程推广到一年级所有新生中。此外，该学院还计划加强课程建设，并通过开发工程选题视频资料库等形式，以便使尽可能多的学生受益。

2. T exas A&M U niversity 面向一年级学生的“F o u ndation Coalition Program”[8]

1994年秋季起，德州农工大学（Texas A&MUniversity）启动基础联盟计划（Foundation Coalition Program，FCP）课程。该课程面向770多名一年级新生，包括4学时化学、3学时英语、5学时工程、8学时数学和7学时物理，课程跨度为两个学期，3-4 个学生组成一个团队， 在主动—协作（active-collaborative）的环境下完成教学活动。FCP教学以一种集成的“问题—解决方案（problem-solving）”方式展开，以跨专业系列课堂练习和综合性设计项目替代传统单一的讲座，向一年级工程专业学生讲授设计方法、工程问题的解决方案以及图形化分析工具。

为此，该校专门成立了由不同专业背景教员组成的课程教学团队，以完成该课程的协调与管理，负责从全局上把握课程材料及条件的准备，并及时响应学生需求、向学生提供各种锻炼机会。每位教师专注于自己的领域和特长，并从课程总目标出发准备教学素材，包括典型的工程案例。相关教员通过周会形式交流，并保持常规的通信联系，以保证教学工作的开展及课程主线。

该课程强调学生解决基本工程问题能力的培养、掌握可视化工具以及沟通技巧的训练。课程建设和学生培养的目标包括：（1）对工程科学基础理论的良好掌握；（2）为学生提供解决工程问题的必需技能；（3）向学生介绍一些基本的工程工具；（4）帮助学生发展逻辑思维能力；（5）帮助学生发展草图绘制技能；（6）培养学生阅读和解释技术成果的能力；（7）对团队合作的透彻理解；（8）对终身学习的好奇与渴望；（9）良好的沟通技巧；（10）批判性、创造性思维能力的培养。

FCP课程的主线和特色体现在集成、团队、主动学习和技术等方面。下面逐一作简要解释：

（1）集成（Integration） 集成是该课程的首要目标，将化学、英语、工程、数学以及物理集成，以促使工程问题的解决与设计。为此，学生要接受大量与课程相关的材料、信息。

（2）团队（Teaming） 培养学生以科技团队中一名成员的方式去学习和工作。在一年的学习过程中，每名学生会成为三个不同团队的成员。在每学期开始时会提供培训，以帮助学生学会建立和维护团队，培训时间不在课时之内。

（3）主动学习（Active Learning） 课程的第三个目标是变“被动的课堂讲座”为“合作式的学习体验”。教员和学生都需要适应这种转变，教员要在课前布置学习目标，通过阅读评估测验（Readiness Assessment Tests）考核学生课前准备情况、鼓励学生阅读材料并做好上课准备。授课时间主要用来讲授学生在阅读过程中较难理解的概念，以实现课堂效果的最大化。每节课会有10—15分钟用来解释学生作业。

（4）技术（Technology）在课堂内外通过技术的使用，强化学生设计能力的培养和对问题解决工具的掌握。教学中应用到 的 软 件 包 括AutoCAD、Maple、Microsoft Word、PowerPoint、Excel以及互联网与其它软件。

该项目的建设得到美国国家自然科学基金的资助和学校的支持。教学实践和统计数据表明，选修FCP课程后学生对专业的满意度明显提高。

3.L o u isiana T ech U niversity 的新生工程课程“L iving with the L a b”[9]

1998年起，在美国国家自然基金委员会工程教育联盟（Engineering Education Coalitions） 等项目资助下，Louisiana Tech University面向一年级新生开设基于项目的工程课程。在传统的实验室中，教师或实验人员通常要事先准备好所有设备及实验用原材料等，以确保实验的正常进行并获得想要的数据。对于能力强的教员，可以通过创造性的设计项目及工作经验，引导学生完成实验。但是，随着学生数量的增加，这样做将会花费大量时间，因此这种模式也不可持续。

为此，该校工程及科学学院（College of Engineering and Science，CES）开设了一门新生工程课程——生活在实验室（Living with the Lab）。该课程将学生变成实验室的主人并负责实验室的维护，大量增加学生体验式学习（Experiential Learning）的机会。这种实验室能促进学生亲自动手获得创新所需的知识、技巧及精神。

这门面向一年级新生的集成课程涵盖微积分、化学及化学实验、物理以及其它一些非技术性课程等内容。课程采用模块化，在每学期40位学生可以组成一个班级，以完成其中某些模块的学习。在数学和科学课程中会结合一些工程问题，以激发发生的学习兴趣。另外，CES还开设了3门面向一年级学生的工程课程，教学形式为讲座及实验课程，两周一次、每次110分钟。1998—2007年间，面向新生开设过的工程课程包括工程基础（电路，物料平衡，静力学）、计算机应用（Excel，Mathcad，Solid work）、统计学、工程经济学、团队合作、交流技巧以及设计项目等。学生主要以团队方式完成课程学习，包括解决作业中的问题、实验室管理以及演讲等。2008—2009学年，有近800名学生参与Living with the Lab课程的学习。

该课程涵盖7个教学目标，在一年的教学活动中并行推进，它们是：系统、机电装置、制造与采购、软件、基本工程概念、交流以及拓展活动。与以往课程采用教材所不同的是，学生需要购买以下物品：机器人开发组件工具包（含可编程控制器、传感器、伺服及其软件）、机电项目开发所需工具（包括安全眼镜、万用表、游标卡尺、胶带、混合工具及零件等）、工程领域3D建模及分析软件、笔记本计算机以及Mathcad、SolidWorks、Microsoft Excel等软件。学校为该课程专门提供了一间面积为1800平方英尺（约167.23平方米）教室，其中包括11张4人桌、一台笔记本、投影仪、2台简易车床、1台砂带磨光机、10台钻铣床以及用来存储工具的橱柜等。

为改善教学效果，该院开展为期两周的师资培训研讨课，对参与课程教学的教师进行培训。每位教师按照设想中学生应采用的学习方式，完成课堂学习和相关作业，并完成离心泵、热电阻、电导传感器等制造。上述都是该课程必需的环节。通过两周的研讨，教学团队成员之间建立了紧密联系，形成了强大的团队。此外，课程团队成员要每周见面，交流课程进展。

为评估新课程的教学效果，该学院将学生分为两组（选修传统导论课程组、选修该课程组），分别测评两组学生课程学习之后的基本素质与技能。结果表明，新的工程导论课程为学生提供了更多发展技能的机会，学生的基本技能和测试成绩普遍高于另一组学生。在一年级期间，学生掌握了工程和科学的基本概念、常用软件、制造、交流、团队合作以及系统层面的思考技能，实现了课程设定的培养目标，为学生后续的职业发展打下了坚实基础。

四、结 语

“大类招生、专业分流”是一项复杂的系统工程，其出发点是激发学生学习兴趣、拓宽学生知识面，以提升学生综合素质与能力，增强学生的岗位适应性。但是，能否取得预期的效果，则取决于实施过程中的细节设计和配套举措。

本文以美国几所高校一年级工程导论课程为例，从提升专业认可度和学生工程素质的角度出发，分析其中具有共性的成功做法。它们共同的经验包括：从工科大类学科的角度出发考虑专业分流问题，而不仅限于两个或少数专业；良好的顶层设计，集中全院相关资源建设相关课程，并组建相应的教学团队；从新生工程导论课程建设入手，配置必要的教学条件和资源，强调各专业力量的平衡；不以传授知识为重点，而是侧重于学生专业技能、动手能力和综合素质的养成；以满足未来职业需求和终身学习为目标。在上述层面，我们还任重而道远。

［1］ 苏春．平衡于传授知识与培养能力之间［J］．东南大学学报：哲学社会科学版，2004（2）：64-66．

［2］ Lawrence E Carlson，Jacquelyn F Sullivan.Hands-on engineering：Learning by doing in the integrated teaching and learning program［J］.International Journal of Engineering Education，1999，15（1）：20-31．

［3］ 苏春，张继文．美国里海大学“工程实践导论”新生研讨课的组织与实施［J］． 东南大学学报：哲学社会科学版，2011（S）：131-133．

［4］ Cynthia J.Atman，Sheri D.Sheppard，Jennifer Turns，et al.Enabling engineering Student success：The Final Report for the Center for the Advancement of Engineering Education［R］.San Rafael，CA：Morgan&Claypool Publishers，2010：1-224.

［5］ 苏春.基于案例的大类招生政策对新小专业办学负面影响研究［J］.东南大学学报：哲学社会科学版，2014，16（增）：201-205．

［6］ National Academy of Engineering.The Engineer of 2020：Visions of Engineering in the New Century［R］.The National Academies Press，Washington DCUSA，2004.

［7］ Lydia Prendergast，Eugenia Etkina.Review of a first-year engineer ingdesign course［C］.Proceedings of the 121st American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition，Indianapolis，Indiana，USA，2014：1-29.

［8］ Morgan JR.A freshman engineeringexperience［C］.Proceedingsof 1997 ASEE Annual Conference & Exposition， Milwaukee，Wisconsin USA，1997：15-18.

［9］ Stan Cronk，David Hall，James Nelson.Living with the Lab：A project-based curriculum for first-year engineering students［C］.Proceedings of the 2009 ASEE Gulf-Southwest Annual Conference，Baylor University，USA，2009：1-12.