美國國家科學研究院工程教育課程改革實踐

社會的不斷進步對工程教學的質量提出了更高的要求。高等工程教育者應不斷改進本科工程教育的培養(yǎng)方式,以培養(yǎng)滿足社會需求的工程師。系作為美國大學組織的最低一級標準單位在大學和學院里都占有牢固地位,是適應專業(yè)化需要、劃分更大結構的基本單位。在這一層次實施課程改革,在理論與實踐上對提升本科工程教育的質量都有重要意義。Edward等在總結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生從學習經(jīng)歷中得到收益。大學和資助資金通常援助那些基于實踐和新內容開發(fā)新教學法的教職人員,這些人常常獲得系級及校級教學獎勵并受到學生的尊敬,是新思想的重要源泉,是系統(tǒng)改革的早期適應者。工程教育改革至少應在系一級或者學位課程水平開展,這樣才能設定并維持對師生的共同期望。一、美國國家科學培養(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)、社會及經(jīng)濟系統(tǒng)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。為了保持社會的生機和活力,需要變革工程師教育,培養(yǎng)更具社會意識和環(huán)保意識的未來工程師,明晰工程師在服務社會中所扮演的角色和承擔的責任,使他們在用工程學方法解決問題時,能夠從社會、生態(tài)和經(jīng)濟三個方面綜合考慮短期和長期利益。二十一世紀頭十年,美國發(fā)布了大量報告和論文呼吁高等教育改革,尤其是在工程教育領域,工程師的培養(yǎng)方式需要變革。美國高等教育界許多人認為,當今工程課程出現(xiàn)了分散和脫節(jié)的問題,需要重新建構連貫內聚的工程學課程。應改革工程學教學法,用系統(tǒng)的方法解決工程學問題,鼓勵學生更多地參與實驗學習、社區(qū)服務學習、項目學習和調查學習,發(fā)展學生職業(yè)技能和思考技能,注重學生態(tài)度、性情及思維習慣的培養(yǎng),這些因素將影響工程師知識和技能的培養(yǎng),以及對工程師角色和責任的理解。美國國家科學基金會在2005年開始實施工程教育系級課程改革(DepartmentLevelReform,DLR)項目,資助六所學校進行工程教育改革,給每所學校撥款一百萬美元,為期三十六個月。另外征集二十個改革方案,每個改革方案資助十萬美元。這是美國國家科學基金會應對工程教育面臨日益嚴峻問題的主動改革,可以提高工程教育的質量,使未來的工程師能夠滿足社會不斷變化的需求。本科工程教育系級課程改革撥款項目改革的重點:一是希望獲得撥款的大學之間形成競爭。在系或更大單位范圍內,基于現(xiàn)有工程學科課程進行重組、簡化、更新,或為新興工程學科或跨學科開發(fā)全新課程,提高課程效率,使其課程更具吸引力,增強本科工程學課程與現(xiàn)代工程學實踐的相關度,吸引更多學生參與完成工程學學位課程,從而滿足美國新興工業(yè)對勞動力及教育的需求。二是系級課程改革必須建立在了解學生如何學習工程學,教師如何教授工程學及如何最好地評價學習結果這三項工作的堅實基礎上。系級改革需要教師積極的參與和系級領導的管理,需要教學科研一體化及教師持續(xù)性發(fā)展。三是強調將服務學習作為提高學生學習成果的重要途徑。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,大學改革方案中必須包含服務學習的詳細的實施計劃。美國國家科學基金會為本科工程教育系級課程改革提出了八條指導原則:(1)引入新興知識,涉及信息技術、生物工程、微電子、微電子機械系統(tǒng)、納米技術、產(chǎn)品設計與制造,先進材料和制造業(yè)等。(2)使用認知理論及最新教育學概念改善學習成果。(3)用改進的內容代替?zhèn)鹘y(tǒng)學習材料,強調其在自然和生態(tài)系統(tǒng)以及社會系統(tǒng)中的基礎應用。(4)讓學生體驗解決工程學問題所使用的計算方法和設計實踐,與企業(yè)領導者合作開發(fā)使用這些方法的工具。(5)重視培養(yǎng)學生批判思考的技能及人際交往溝通的能力。(6)保證課程及教學符合學生團體多樣性的需求。(7)充分利用現(xiàn)代教學方法,包括導師制、團隊學習、經(jīng)驗學習、計算機模擬及遠程學習。(8)將服務學習作為拓寬學生職業(yè)技能、提高學習成果及學術成果的方式之一,為社會服務組織提供持續(xù)支持。二、開發(fā)和實施程美國國家科學基金委員會發(fā)起本科工程教育系級改革主要是為了改進工程教育,使未來的工程師能夠滿足社會變化的需要。2005年國家科學基金會撥款給佛蒙特大學,用于土木與環(huán)境工程課程改革的開發(fā)和實施。系級課程改革的目標是讓學生采用系統(tǒng)的方法,識別、闡釋、解決工程問題并能全面考慮生態(tài)、社會、政治及經(jīng)濟之間短期和長期利益的對立統(tǒng)一。系級課程改革強調開發(fā)學生必要的技能及素質,如信息技術及人際交往的技能,即團隊參與、專業(yè)寫作、演講技能、慎思能力以及與利益相關者包括非專業(yè)人士交流的能力。這個系統(tǒng)方法需要達到工程技術鑒定委員會工程學課程評定標準(a-k),尤其是要達到f,h和j三項標準,如分析涉及多個專業(yè)和道德利益的復雜情況,理解在全球化背景下工程解決方案的影響,對當代問題的基本認識。(一)系統(tǒng)方法的運用課程改革由本科工程教育系四名教師實施,旨在為本科生提供一體化、系統(tǒng)的和有意義的學習經(jīng)歷,激發(fā)學生的社會和環(huán)境意識,使其更有責任感且學習結果達到預期效果。他們采取了一種獨特的綜合方法,將系統(tǒng)思維融入到課程當中,不僅專注于教什么,而且注重如何教。其主要內容包括:將三門現(xiàn)有課程修改成三門必修系統(tǒng)課程,從第一學年開始,將系統(tǒng)思維貫穿融入到整個項目基礎課程;系統(tǒng)方法的實踐方式之一是與當?shù)孛乐薇鐓^(qū)合作,將服務學習編入核心課程(每年至少一門課程);教學方法的改進,包括采用分組教學、個案研究和服務學習組等方式。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)的課程實踐應解決社會問題,如目前普遍存在的環(huán)境退化問題。傳統(tǒng)的課程僅關注技術層面,而不考慮更廣泛的社會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,在技術變革的關鍵時刻,培養(yǎng)當前和未來的工程師用系統(tǒng)的方法解決工程問題,對社會,生態(tài)和經(jīng)濟造成的長短期影響都應當被納入工程解決方案,包括運用可持續(xù)發(fā)展的理念。土木與環(huán)境工程專業(yè)課程改革的目標是實施這樣一種教育框架,將孤立解決問題的方法轉變?yōu)橄到y(tǒng)的方法,跨越傳統(tǒng)的學科界限,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)濟學,交通工程學和環(huán)境工程學簡介,系統(tǒng)課程中保留多數(shù)專業(yè)基礎內容,但強調交通、環(huán)境和經(jīng)濟學之間的聯(lián)系,并整合思考、系統(tǒng)分析。三門相互關聯(lián)的系統(tǒng)課程的創(chuàng)建是此次改革的重要內容。這三門課程將工程經(jīng)濟學,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、基礎工程經(jīng)濟學和環(huán)境工程等內容。第二門課程在第一門課程的基礎上教授學習決策制定,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)方法有助于學生意識到人、經(jīng)濟力量、環(huán)境的交互作用中存在著可識別的系統(tǒng)關系,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-時間曲線圖,庫存流程圖,因果循環(huán)的使用)有助于工程應用開發(fā)中因果觀和可持續(xù)發(fā)展觀的形成。建模系統(tǒng)學習活動推動學生識別系統(tǒng)結構產(chǎn)生的行為,它可以讓學生(通過圖形界面)觀察系統(tǒng)隨時間變化的模式和趨勢。對系統(tǒng)模式(通常是意外出現(xiàn)的結果)更好的理解,能幫助學生更全面地考慮工程設計的相關問題,避免草率得出結論,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:大學二年級的課程環(huán)境與交通系統(tǒng),大學三年級的課程環(huán)境和交通決策分析,大學三年級的課程環(huán)境和交通系統(tǒng)建模。這些課程的目標是給學生呈現(xiàn)自然和人工系統(tǒng)相統(tǒng)一的觀點以及兩個系統(tǒng)之間的相互關系,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)境學課程中通常忽略的方面。通過整合環(huán)境、交通運輸系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng),可以向學生闡明上述系統(tǒng)之間的本質聯(lián)系。這三門課程的設計可以讓學生掌握系統(tǒng)思考和定量分析所需概念工具,并通過美洲豹社區(qū)服務學習項目中對實際問題解決來掌握這些工具的使用。2.有針對性地開發(fā)服務學習的項目服務學習項目是探究學習的實踐,能讓學生在他們最感興趣的領域進行研究學習。服務學習強調為地方社區(qū)服務和為學生的學習并重。服務學習項目在為社區(qū)合作方提供有意義的服務的同時,要求學生解決現(xiàn)實的開放式問題,強調學術和智力共同發(fā)展,公民參與意識及個人/人際交往能力的提高。土木與環(huán)境工程問題的項目側重于所有相互關聯(lián)的組成部分,如技術、社會、環(huán)境、監(jiān)管、政治、經(jīng)濟和歷史等,把系統(tǒng)思維應用到實踐,提高學生團隊協(xié)作、溝通和其他內部/人際關系技能。將服務學習整合進每學年的必修課程,實踐系統(tǒng)方法,進一步開發(fā)個人及人際交往技能,促進公民意識的提高。美洲豹服務學習項目從第一學年開始,很多課程被納入該計劃中。在四年時間中,學生與當?shù)厣鐓^(qū)保持著良好關系,參與民用或環(huán)境的計劃,這保證了工程教育和社區(qū)之間長期的關系。社區(qū)合作伙伴是服務學習項目的一個組成部分。佛蒙特大學的一些社區(qū)合作伙伴和學生已往的項目如表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有關服務學習項目的可持續(xù)性的案例:(1)科學中心原型展示和演示。一年級學生研究、設計和建造展覽原型,并在當?shù)乜萍拣^,就與湖泊有關的工程和可持續(xù)發(fā)展問題演示其項目。(2)暴雨生物截留設施。大二學生學習了環(huán)保設計、開發(fā)信息技術,并運用到佛蒙特大學停車場附近的“雨園”的決策制定過程中,在決策中考慮了經(jīng)濟學因素。(3)引導兒童利用仿生學的項目。大三學生團隊與當?shù)卦诩医逃?K-12)兒童一同,利用仿生學帶來的樂趣和靈感,設計遷移問題的創(chuàng)新解決方案。(4)采用新露頂板和多孔滲水公路的環(huán)保設計。大四學生團隊在高級設計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,分析了建筑物結構,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)保設計。2—3(二)菲蒙特大學工程系的課程改革效果1.系統(tǒng)思考及服務學習理念通過對指導土木與環(huán)境工程系級課程改革的幾位關鍵的教師(男性兩位,女性兩位)進行訪談來了解教師是否一貫理解、支持改革。訪談分兩次進行,第一次是2005年系級課程改革開始時,第二次是改革進行兩年后,再次對上述四位教師進行回訪。與課程改革密切相關的教師,在工程學教育中,專心致力于系統(tǒng)思考及服務學習理念。他們將這些理念融入新課程的設計、培訓和活動中,從而逐漸影響學生的經(jīng)歷和意識。這些教師始終如一地支持和認可系級課程改革的目標,運用系統(tǒng)思考,服務學習,培養(yǎng)具有更強社會和環(huán)境責任感的學生團隊。教師們認識到有必要改革工程學的教學方式,避免狹隘的關注點,為學生提供更廣泛的教育和更寬廣的視野。教師認可系統(tǒng)思維理念,將其視為環(huán)境系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的基礎。采用城鎮(zhèn)或社區(qū)服務學習項目,顯示工程學的相關性,工程學并不只是方程式和模型,而是與真實世界密切相關。教師們希望學生認識到他們在真正地為社會和人類服務。2.個人層面:學生傾向使用新語言,增加了學生的生活背景參與改革的學生涉及四個年級,從2006級到2009級。總的來說,課程改革取得了很好的效果,但也存在一些需要改進的地方。其一是土木與環(huán)境工程系級課程改革影響了學生對工程師解決全球環(huán)境問題中的角色和責任的理解。課程改革影響了學生對環(huán)境工程學以及濕地保護、暴雨和廢物處理等問題的理解。從2009級學生書面反饋中發(fā)現(xiàn),學生明顯傾向于使用新語言,即系統(tǒng)思考、服務學習和可持續(xù)等詞,這表明學生逐漸吸收了這些概念。系統(tǒng)思維與服務學習概念意識的增強,促進了工程師的發(fā)展,在決策時更多地考慮到社會的、倫理的、道德的影響。其二是個人訪談與中心小組討論會反映了學生的積極態(tài)度?？傮w上說,剛進入畢業(yè)班的學生對工程師的角色和責任定位都與公共安全和環(huán)境問題有關,如廢水、廢物。2006級和2007級學生比2008級學生較少意識到宏觀的社會問題及其可能的影響。2008級學生表達了對專業(yè)技能和成為工程師必須的專業(yè)知識的渴望,但沒有顯示出教學中系統(tǒng)方法或服務學習的價值。三、新課程序的改革方向佛蒙特大學土木與環(huán)境工程系的課程改革持續(xù)了五到六年的時間,從這次課程改革可以看出美國工程教育發(fā)展的兩個重要方向,即實現(xiàn)系統(tǒng)化思維和服務學習的理念。(一)支持工程系統(tǒng)的知識綜合能力系統(tǒng)方法是把事物的發(fā)展變化作為一個整體思考的框架,著眼于部分之間的相互關系,而不是單個部分。它包含了一系列的一般原則、具體的工具和技術,以幫助確定基礎的結構,解決紛繁復雜的問題。用系統(tǒng)的方法來解決工程問題需要一個整體觀,即認識到系統(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、社會和經(jīng)濟三個方面達到長短期利益的統(tǒng)一。工程師面臨的工程問題,往往被嵌入到復雜的社會和環(huán)境系統(tǒng)中,工程專業(yè)的學生必須熟悉這些類型的問題和關系。當前中國國內的工科教育強調系統(tǒng)知識的學科交叉和綜合,增加學生知識面。學科知識的交叉和綜合不是現(xiàn)有課程的隨意拼接,而是圍繞一個工程問題相關知識的整合。支持工程系統(tǒng)思考三個維度:知識、工程技術和行為(即人際交往和個人)的能力。一個支持系統(tǒng)思考的工程課程也包含了學生的探究式學習,學生在現(xiàn)實世界積極的學習經(jīng)驗。(二)美國