普渡大学本科工程教育改革实践及对新工科建设的启示

1、    普渡大学本科工程教育改革实践及对新工科建设的启示    摘要：如何迎接第四次工业革命对工程教育的挑战，是中国工程教育发展无法回避的问题，向欧美等发达国家学习和借鉴成功经验是一条有效途径。本研究选择美国传统工科名校普渡大学为案例，通过实地考察、深度访谈、资料查阅等方式，系统研究其在专业培养标准制定、培养方案制定与实施、新专业设置、课程体系建设、教学方式方法转变等方面的改革实践和成功经验，并结合我国实际情况提出相应思考和建议，以期对新工科建设有一定的启发作用。关键词：新生工科专业，新型工科专业，新工科，多学科，学科交叉，工程教育新工科建设正在全国范围

2、内如火如荼地展开并将引领我国高等教育的改革和发展。1新工科完整的学科专业结构是由新型工科专业、新生工科专业和新兴工科专业三大类新工科专业构成23，其中传统的工科专业转型、改造和升级即新型工科专业的建设4，以及由多个不同工程学科的交叉复合或由工程学科与其他学科的交叉融合而产生的新生工科专业的建设5，不仅是新工科建设的主体，更是新工科建设中富有开创性、挑战性、复杂性、系统性和全局性的工作。这两大类新工科专业建设无现成路径可循，但他山之石可以攻玉，学习和借鉴世界一流大学工科专业的改革经验对新工科建设有较高的参考价值。普渡大学（purdue university）建校于1869年，位于美国中西部印第安

3、纳州西拉法叶，是一所以卓越的工程教育著称的一流大学，也是美国历史悠久的研究型公立大学。自1878年开始授予工科学位以来，一直处于全美授工学学士学位人数最多的5所大学之列。在华尔街日报2010年评选的全美本科生职业能力排名中，普渡大学的本科教育名列全美第二。6普渡大学工学院以“接近真实世界”的新型工科和新生工科教育为特色，在2018年美国新闻与世界报道全美本科学院排名中，排名第7位7，该院有7个工程专业名列全美前十。8普渡大学也是全美第一个设立工程教育系（school of engineering education）的学校，工程教育系在普渡大学不仅承担着全校一年级工科学生的通识教育的任务，而且

4、在工程学科专业改造升级、构建以学科交叉融合为特色的工程教育体系中发挥着独特作用。工程学科是普渡大学（以下简称“普渡”）的传统优势学科，在全美享有很高的声誉。普渡之所以长期位列美国工程强校，与其在工程教育领域既能坚持优良传统，又能对现有工程教育不断改革与创新密不可分。本研究聚焦普渡新型工科专业（以下简称“新型专业”）和新生工科专业（以下简称“新生专业”）建设，通过实地考察、深度访谈、资料查阅等多种方式，系统研究其在专业培养标准制定、培养方案制定与实施、新专业设置、课程体系建设、教学方式方法转变等方面改革的经验，并结合我国实际情况提出相应思考和建议，以期对新工科建设有一定的启发作用。一、多方协同参

5、与专业培养标准的制定普渡在新型专业和新生专业人才培养标准的制定过程中充分体现了多方协同参与，一方面以院系为主体，另一方面重视行业协会、行业企业等外部代表的建议和意见，实现多方共同参与培养标准的制定和完善过程。在培养标准制定初期，专业所在院系通过网络会议、邮件等形式征求行业协会、工业企业代表在专业培养标准上的意见，一般会达成四点共识：考虑到abet认证标准在全美工程教育领域具有的认可度和影响力，应将abet认证标准作为院系人才培养标准制定的基础；灵活领会abet认证标准的最新思路和精神，注重学生学习过程，通过将重心放在教育教学过程来实现对学生培养的预期；将abet认证标准在院系层面进行分解和二次

6、组合，从而凸显学校和院系人才培养的定位和特色；为提高学生毕业后的竞争力和适应能力，标准中应充分体现专业协会和行业企业的意见。以上四点共识在制定专业培养标准过程中得到充分的落实。abet工程教育认证标准包括八项通用标准：1.“学生”，2.“专业教育目标”，3.“学生产出”，4.“持续改进”，5.“课程体系”，6.“教师队伍”，7.“教学设施”，8.“学校支持”。限于篇幅以下仅以工学院航天航空工程专业“学生产出”部分培养标准的（2）（4）（5）予以说明（详见图1）。首先，校内外各方都认识到工程设计能力是复杂的综合能力，也是工程能力培养的重中之重，培养标准应同时体现abet认证标准中的（c）（e）（

7、h）（j）与（k）等（见图1），因此，将这些认证标准整合为（2），要求学生“具备在复杂的现实环境中，通过应用工程设计能力来满足特定需求的工程解决方案，并在此过程中能综合考量公共健康、安全、福利等方面的需求，同时能考虑到全球、文化、社会、环境和经济发展各种要素的影响”。其次，工程道德和工程伦理也是行业协会和工业企业关注的一个重点，因此在制定院系工程专业培养标准过程中，将（f）（h）（j）和（k）等整合进（4）“具有在不同工程情景下识别工程道德问题，明确自身职业责任的能力；能在综合考量所参与的工程解决最终方案在全球、经济、环境和社会等领域的影响后，做出明智的职业判断和决策”。第三，领导力内涵的拓展

8、。领导力和服从能力是矛盾且统一的，院系往往倾向培养学生领导力，行业企业的需求既包括一般意义的领导力，也需要较强的服从能力。这方面abet标准中的（d）和（g）不够完善，因此在（d）（g）的基础上补充了领导力相关内容，最终修订为（5）“具备在团队中提供有效领导力或已具备领导力的条件下有效服从、高效工作的能力；能够创造协作和包容的团队工作环境；能够建立团队目标、建立和执行计划并最终实现目标”。这种多方参与的方式保证了专业培养标准制定的合理性、科学性和有效性，体现了行业发展和用人单位的需求，也充分调动了外部力量参与院系工程人才培养的积极性，有利于形成多方协同育人的长效机制。二、面向未来人才培养的专业

9、培养方案全球经济社会的迅速发展、国家之间核心竞争优势的形成和巩固、尤其是各国在全球经济、科技、产业发展中的引领和统治地位的争夺，促使各国、尤其是发达国家将面向未来培养卓越工程科技人才作为本国的国家战略。专业培养方案是实现人才培养目标和培养标准的平台，决定着人才培养的形式、类型和内涵。在面向未来培养工程科技人才方面，普渡从专业培养方案入手，主要做了三方面工作：大一实施基于大类专业的培养方案；大二开始采用柔性化的专业培养方案；企业与社区积极参与培养方案的实施过程。1.大一实施基于大类专业的培养方案。与中国多数理工类大学不同，普渡大学的工科都隶属于工学院，包括航空和航天工程、农业和生物工程、生物医学

10、工程、化学工程、土木工程、建筑工程与管理、电气和计算机工程、工程教育、环境与生态工程、工业工程、材料工程、机械工业与核工程13个下属院系及一个线上虚体系“工程专业教育”。11这种“大工学院”的结构为大类专业培养方案5的实施提供了组织基础，成为不同工程学科交叉融合的孵化器。学生被普渡工学院录取后由工程教育系统一管理，进入fye项目（first-year engineering program，fye），直译为“第一年工程（新生）项目”。在fye中所有学生不分专业，完成第一年通识教育，再进入不同院系开始主修专业的学习。根据fye主管教师介绍，fye设置的理念是：“工学院的学生首先应了解什么是工程师

11、，其次才是我可以成为什么样的工程师。因此，我们给学生预留一年缓冲期，让他们完成从高中生到一名（准）工程师的角色转换，做好这些准备后再开始在不同的工程领域中接受更为专业的训练，成长为各自领域出色的工程师”。在fye中学生最低须修满30个学分：一般秋季学期13到15学分（表1），重点学习数学、物理、化学等基础课和英语交流与写作等人文社科类课程；春季学期一般16-18学分（表2），除数学、物理、化学、英语等通识课程进入高阶学习阶段外，须学习编程、通讯类等相关课程，还允许学生根据兴趣选择潜在专业基础课程、关联专业基础课程等。由于普渡国际化程度较高，学生来自全球不同国家和地区，具有不同的学习经历、个人视

12、角和文化背景，加上fye的多数课程设置了大量的活动，为不同学生一起交流、合作提供了丰富的机会。此外，fye最有特色的课程是工程教育系开设的engr 131-132系列课程，在该系列课程中，学生将学习和讨论诸如数据可视化和分析，工程伦理、工程道德与规范，工程设计，专业通信基本知识和技能，并学会基于多学科和跨学科思维去开发解决工程问题的数学模型、应用基本编程解决工程问题等。从fye的实施效果来看，这种大类专业培养方案对学生产生以下重要影响：帮助学生打下宽阔的通识教育基础；促进了不同文化、学科背景学生之间的交流，为日后组建跨学科学习与合作团体建立关系；帮助学生培养和发现自己的专业兴趣和特长，有利于学

13、生的个性化培养；启发学生从不同的角度看待工程世界、发现和思考工程问题，为后续进入专业学习奠定较高的起点。2.大二开始采用柔性化的专业培养方案。柔性化专业培养方案的“柔性化”主要表现在一个培养方案具有三个方面的功能：能够培养出在跨学科产业链上不同类型的工程师后备人才；能够培养出引领不确定的未来产业发展的后备产业骨干和领军人物；能够实现对不同学生真正意义上的个性化培养。5以普渡工学院土木工程系为例，其培养方案的柔性化功能具体体现在以下几点。（1）“一个基础培养方案+多个出口”。该系为学生提供一个基础的培养方案，允许学生在这个培养方案的基础上，根据个人兴趣和职业发展志向在多个专业方向和领域上进行选择

14、。学生可选择的方向和领域包括建筑工程、建设工程、环境工程、地理信息工程、岩土工程、水力学和水文工程、液压与水温工程、材料工程等910个专业方向，几乎涵盖了土木工程各学科专业，甚至覆盖了其他可能关联的学科专业。13（2）鼓励和帮助学生制定个性化的学习计划。学生在制定个人培养方案时，院系有专门的顾问与学生进行一对一的沟通，给予他们充分的建议和指导，并根据学生在fye中展现出的专业兴趣和潜在特长，结合他们未来的职业发展目标和志向，帮助学生制定个性化、柔性化的学习计划。（3）允许学生在整个培养过程中调整专业方向甚至专业。与中国高校专业方向和专业相对固化不同，学生在大二选定专业后，并非“一选定终身”，普

15、渡为学生本科在读期间始终给予调整的空间。因此，学生在大二进入不同院系后，还可在多个细分专业中探索、调整自己未来的专业方向，也可在不同院系之间调换专业。（4）注重不同类型课程的多样性和替代性。这主要得益于普渡全校范围内课程的模块化设置和学分跨院系互认。学生调整培养方案时，向院系提出申请并附拟修外院系课程名单和课程相关材料，院系会在课程顾问、相关教授认可后对拟修课程的学分予以认定。这样学生除可选本院系必修课程模块、选修模块外，还可选工学院全院甚至全校其他学院不同的课程模块，包括基于现实工程问题的高级设计项目、社区机构服务项目等；亦可选择相近专业中涵盖本领域基本知识、基本原理、基本规律和基本方法的核

16、心课程及问题导向的前沿性课题或实践项目。3.企业与社区组织积极参与培养方案的实施过程。与中国国内一个明显不同的是，美国企业参与高等教育的积极性非常高，这点在普渡大学尤为明显。2013年美国inc.杂志（inc. magazine）调查了5000名公司的ceo，结果显示即使每年有大量毕业生进入市场，76%的ceo认为公司招聘到合格的雇员仍然是首要问题。14提早介入人才培养过程非常有利于企业筛选和培养合格的雇员，这应该是企业愿意提早介入高等教育的重要原因。社区服务机构（community service agencies）包括博物馆、学校、动物园、图书馆、儿童护理中心、危机应急中心等，这些机构在运

17、行过程中有大量实际的工程需求，需要适应本机构实际需求的专门工程人才，因而也是高校工科人才培养重要而直接的合作伙伴。14普渡校方充分利用了企业和社区服务机构这方面的强烈需求，除邀请企业、社区服务机构代表参与人才培养标准和培养方案的制定过程外，还通过实施过程动态介入、社区服务项目、合作教育、实习等多种方式调动企业和社区机构参与专业培养方案实施过程的积极性，主要有以下几种方式。（1）直接参与院系专业培养方案的动态调整过程。在人才培养方案的实施过程中，院系通过定期拜访或直接邀请重要雇主参加专题会议等形式，提请雇主对毕业生、在岗合作教育学生工作中的表现进行评价，并据此对院系人才培养方案提出修改意见，院系

18、则根据这些意见对正在实施的人才培养方案进行及时调整和完善。以生物医学工程系为例，生物医学工程系每年都会安排教师对企业进行走访，了解毕业生、在岗的合作教育学生、实习学生在企业的表现，并通过座谈等方式与企业、校友进行沟通，进而对生物医学工程系的专业培养方案做了有效的调整：改进现有课程与当前医疗保健解决方案的相关性；增加建模、cad、工程加工和其他设计技能培养的内容；为学生提供更多跨学科、多学科团队合作的机会；增加生物医学工程专业学生与其他院系学生之间的交流等。（2）通过社区服务项目（engineering projects in community service，epics）等方式直接为教学实践

19、环节提供立项资金和实践场所。epics是普渡大学为促进校内不同学科交流、融合的垂直整合学术项目，是以工程为中心的多学科服务学习设计项目。其立项和实施是基于与社区服务机构的合作：社区服务机构为epics提供实际工程项目需求、资金和工作场所，并与院系epics指导教授团队共同为epics学生团队提供咨询和指导。学生加入不同的epics实践团队，在项目实施过程中完成相关课程并以团队合作的方式满足当地社区或全球社区的实际工程需求而获得相应学分。由于epics项目需求直接来自社会，一定程度上代表了市场的需求，加上项目实施跨多个学期、周期较长，类似于工程服务类创业项目，因此，有效锻炼了学生的工程创新创业能力和动态适应能力，受到学生的欢迎。目前每年有超过600名本科生参与，涉及70多个不同学科。15企业与社区参