多学科交叉融合的工程人才培养模式探索与实践

2020-02-25宋亚男宋子寅徐荣华

实验技术与管理 2020年9期

宋亚男，宋子寅，徐荣华

（1. 广东工业大学自动化学院，广东广州 510006；2. 广东工业大学实验教学部，广东广州 510006）

2017 年4 月，教育部在天津大学召开“新工科”建设研讨会，60 余所高校共商“新工科”建设的愿景与行动。与会代表一致认为，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策。其中指出，促进学生的全面发展，把握“新工科”人才的核心素养，强化工科学生的家国情怀、全球视野、法治意识和生态意识，培养设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习、沟通协商能力和工程领导力[1]。其中关键问题之一是如何培养多学科交叉融合的工程人才。

美国大学教育在20 世纪90 年代兴起了“回归工程”的浪潮，提出建立工程教育的“大工程观”[2]。若想在大工程观的基础上实现创新，就需要突破原有的专业、学科的壁垒，进行多学科交叉融合。这与早期细化专业和学科的专门人才培养过程相逆。二者在不同的社会发展、知识发展过程中都是需要的。然而，当今时代下，知识飞速更新，对多学科交叉融合的工程人才的需求更为迫切。

目前，多学科交叉融合的工程人才培养已得到高校教育工作者的广泛关注[3-16]。有的研究者从多学科交叉融合人才培养方法上进行了探索[3-5]，有的从实验室平台建设方面进行了探讨[2]，有的针对某一专业、学科进行了深入探索[6-11]，有的从培养模式方面进行了有益探讨[12-14]，还有的从实践教学方面进行了探索[15-16]等。如李涛等[2]提出运用多学科交叉融合方法，依托学校优势学科，打通教学科研实验室壁垒，整合校内外实践教学资源，构建功能集约、资源优化、开放充分、运作高效的创新实践平台；张建[6]以华南理工大学陈皓勇教授的工作为例介绍了多学科交叉融合推进电力系统创新举措和方法；王冠凌等[7]介绍了安徽工程大学电子信息工程专业通过以项目为纽带，融合学科竞赛，构建了多学科交叉融合的创新人才培养模式。这些经验都值得借鉴，本文将介绍在课题组这方面所进行的一些探索和实践。

1 多学科交叉融合的工程人才培养模式设计

1.1 课程设计与组织

（1）需要针对培养目标，有意识、有针对性地设计与组织数理基础课和专业核心课程的教学安排。虽然不同学科的教学内容不同，但在研究方法和理论探索方面有一致性和相同之处，这有利于提高学生进行交叉学科的学习与探讨。

（2）灵活设计专业课模块，引入学科交叉案例分析，以应对不同社会需求出口，增加学生的学科交叉学习的兴趣及主动性。

（3）按照课程群建设的模式，让数理基础、专业核心课程内容接近实际工程问题的解决，让这些从工程问题中来的知识最终能成为解决工程问题的工具。同时使学生能够认识到学科之间没有完全的壁垒，通过跨学科教学内容的融合，培养学生具有跨过壁垒、解决问题的能力。

1.2 课程内容更新

（2）由于教材的改版一般比较慢，可充分利用讲义、PPT 更新教学内容，借助互联网教学资源丰富交叉学科的教学内容。

（3）引导不同专业的本科生、研究生进入教师科研团队协同工作，并将教师科研成果转化成实验教学项目，更新及丰富交叉学科的实践教学。

（4）以教师交叉科研项目为导向，依托信息社会资源开放的特点，引导学生根据所要解决的问题，自主学习慕课等资源，解决专业学时有限、交叉学科学习目标多等问题。

1.3 多学科交叉融合环境搭建

（1）依托教师科研，根据项目需要组建各专业背景的交流群组，建立交叉学科交流平台（微信群、远程实验系统等），便于学生及时交流和学习。

（2）建立开放实验室，依托教师的科研项目，有序组织各专业学生进入实验室开展项目研发，培养学生交叉学科的科研能力。

（3）依托教师的科研项目，有针对性地由不同专业背景的合作者进行专业内容的指导，让不同专业的学生能够合作得更为紧密。

（4）互相派遣不同专业的学生，依托科研项目，进行交叉学科的难题攻关，促进交叉学科微环境的良性理解和互动，实践证明这种方式很好地促进了项目攻关和多学科交叉人才培养。

2 多学科交叉融合的工程人才培养模式实践

课题组所在团队的主要研究方向是机器学习与机器视觉，其作为一种人工智能的工具和手段越来越广泛地服务于不同的行业和领域。由于机器学习是一种智能学习工具，而机器视觉是一种非接触性全息测量手段，只有与不同领域知识相结合才能解决课题组中遇到的问题。此外，由于各个领域对信息化、智能化的需求越来越迫切，机器学习及机器视觉的研究和工程应用必然向多学科交叉方向发展，其要解决的问题需要多学科之间的协同合作。所有这些需要团队成员具有良好的交叉学科的学习能力，也需要团队之间实现快速、高效无障碍交流。

（1）课题组针对不同专业建立了攻关项目，如与人工智能与模式识别专业的“识别算法设计与实现”项目、与机械工程专业的“进行采集装置制造”项目、与生物系昆虫学专业的“昆虫跟踪算法设计与实现”项目、与控制工程专业的“进行多摄像头采集装置的同步装置的设计与制造”项目等。

再者，学校应积极举办体育比赛、体育项目表演、校园体育文化节等活动，增强校园体育文化氛围，丰富学生的课外活动，使学生劳逸结合，在学习的同时释放压力、振奋精神。

（2）为了让不同专业学生之间能够充分交流，搭建了项目微信群，并基于开放实验室建立依托项目的团组，实现项目思路和问题的有效交流。各专业教师从不同专业视角开展学科交叉融合，促进多学科人才培养的有效进行。基于远程实验平台，让采集端与学习服务器互联，实现多方协同工作机制。利用学院开放实验室，引导部分专业本科生进入实验室开展多学科交叉融合项目研发。

（3）为了让不同专业学生互相理解各自的工作目标及所需要的协作，定期进行各专业团队内容汇报和对不同专业的问题汇总、咨询与答复。此外，专业团队成员提供不同专业知识辅导；需要的话，互相选派专业团队成员进行短期项目跟踪与支持。实践证明，这种方法非常有效，缩短了沟通成本，提高了项目攻关的效率，提高了学生的合作能力。

（4）本科生是科学研究和开发的后备军，可以让大一、大二的本科生在课余时间进入教师的科研课题，先做一些辅助性工作，如挖掘数据、搭建基本实验平台、数据标注、数据整理分析等。通过参与项目的全程研发，逐渐培养学生多学科交叉融合的学习能力、沟通交流能力和实践动手能力，也提高了学生的科学研究兴趣。

（5）将多学科交叉研究项目裁剪成教学素材和实验项目，更新教材、丰富课堂教学内容和实践教学内容。如课题组正在编写《机器学习》教材，将结合课题组多学科交叉融合的工程实际和研究组织编写，这些内容将提供给学习者有益的参考；多学科交叉研究的项目也被裁剪成小的实践项目供学生在创新实践、毕业设计等环节中进行探索。

3 多学科交叉融合的工程人才培养模式的滚动评估和完善

为了不断完善多学科工程人才培养模式，发现培养过程中的薄弱环节，课题组设计了调查反馈表，以促进和指导多学科交叉融合工程人才培养模式的滚动优化。调查表分为三种，分别提供给教师、学生和用人单位。这部分工作刚刚开展，只进行了一部分教师、学生和用人单位的调研，但已经获得很好的启示。

（1）交叉学科人才培养的资源还比较有限，能够参与教师科研、科技竞赛、大学生创新项目的学生人数还不到15%。虽然相对于以前而言，这方面有了很大进步，但还有进一步扩大的潜能。实践发现，上述资源在一定程度上受学校发展和资源的限制，大幅度提高有一定的困难，而将交叉学科项目引入实践环节（如实验室综合性设计性实验、实验室自制设备、毕业设计等）是扩大学生参与交叉学科人才培养的一个有效方式，值得尝试和推广。

（2）交叉学科人才培养要求学生有更多的自主学习时间。近年来专业课程进行了学分压缩，可以释放出更多的时间给学生进行交叉学科的学习。此外，学校在理顺核心课程，进一步夯实专业基础的同时，也释放出更多自主学习的时间。但如何组织学生积极有效地利用好释放出来的时间，进行有的放矢的交叉学科的学习，这是需要认真研究解决的一个实际问题。另外，局部打通一些学分壁垒，实现大学科部分学分共享，也是促进学科交叉融合的一种有效方式，但这需要在学校大学科层面进行总体设计与实施。

（3）交叉学科人才培养对教师业务能力提出了新的要求，除了个体教师及所在科研团队通过研究项目的实施能够提高这方面能力外，教师在交叉学科人才培养共性方面需要进一步的学习和交流。为此，学校成立了教师发展中心，进行教师能力可持续发展的培训，让很多教师受益良多。依托教师发展中心的教师培训项目，组织教师对交叉学科人才培养的一些共性问题进行探讨，这有利于教师业务能力的提升。

（4）交叉学科人才培养的要求是和社会需求密切相关的，教师和用人单位，通过教师项目进行联接，企业导师也提供了这种联接渠道，但在本科生培养阶段，这种渠道还非常有限。比较有效的做法是企业在学校设置实验室，让企业的一线需求快速进入学校，学生能够及时了解企业的实际需求。目前，人工智能技术发展迅速，有很多的企业寻求新的合作方式，如软件项目合作，并不需要很大的空间。本课题组所接触的企业就有这种需求，希望通过这种方式培养企业的后备人才，对学校而言也是一种好的社会资源，可以让一线的实际问题进入校园，促进多学科交叉融合的工程人才的培养。

（5）学校的各种学术交流比较丰富，而企业界进校交流则比较少或是在小范围内进行，应该增加与企业界交流的方式，建立相关机制，如建立信息网站，进行需求对接等，让校企交流的方式更灵活、更常态化，使学校和社会的需求联接等更加紧密。

（6）在课题组的实践探索中发现，多学科交叉融合的推进剂和关键点是项目引导，即专业教师的科研合作项目。合作项目的开展有利于多学科交叉融合的工程技术人员培养所须具备的两个最重要的能力，即自主学习能力和沟通交流能力。不同学科专业人员的知识背景是不同的，尊重对方专业性、重视相互合作，以顺畅的交流方式进行表述、沟通，才能让多学科交叉融合真正有效实施。上述两种能力在交叉学科融合项目的实践中得到加强和培养。