系統工程觀視域下項目化深度教學模式研究

錢 夔，路 紅，陳 桂，溫秀蘭，劉義亭

(南京工程學院自動化學院,江蘇 南京,211167)

“國勢之強由于人,人才之成出于學?！迸囵B什么人是教育的首要問題。工程教育承擔著培養工程人才的使命,當前新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構新變局,高等學校對于未來工程師專業技能、勝任素質和創新能力培養也提出更高的要求。

縱觀世界工程教育史,美國工程教育一直處在世界前列,20世紀90年代初,美國掀起“回歸工程運動”,其核心內容就是要改革美國“過度工程科學化”的工程教育體系,轉為重視工程教育本身的系統性和完整性[1]。之后,Moses J提出“大工程觀”概念[2],并指出這是未來工程教育發展的新方向,獲得廣泛認同?！按蠊こ逃^”理論在實踐中逐步豐富與完善,逐漸從概念演變為一門系統學科——工程系統學,至今仍深刻影響著整個世界工程教育[3]。

錢學森院士早在20世紀80年代就提出“物—事—人”系統思考方法論[4],為我國工程教育系統工程思維的培養奠定了堅實的理論基礎并逐步建立以系統思維為理念,從系統視角來分析、設計和管理復雜工程問題的系統工程觀。長期以來我國高等工程教育也緊緊圍繞系統工程觀進行教育實踐,注重培養學生創新設計能力和解決復雜工程問題能力,促進創新實踐能力持續、遞進提升。

面對百年未有之大變局下的人才戰略重大需求,我國迫切需要加快工程教育改革創新。為此,教育部提出新的教育改革方向,面對國內、國際發展新形勢,以培養多元化、國際化、創新型人才為目標,以立德樹人為發展內涵,面向工程教育發展“新工科”,以工程教育專業認證引領專業建設與國際接軌[5]。

當前,中國工程教育認證通用標準規定12項基本要求[5]:(1)工程知識;(2)問題分析;(3)設計/開發解決方案;(4)研究;(5)使用現代工具;(6)工程與社會;(7)環境和可持續發展;(8)職業規范;(9)個人和團隊;(10)溝通;(11)項目管理;(12)終身學習。這些能力要求既包括解決復雜工程問題的知識技能要求,還包括個人和團隊、溝通、終身學習、職業規范、工程與社會、環境和可持續發展等非技術性指標體現的能力,而這正是“新工科”學生核心能力的范疇。高等工程教育正從注重技術應用的“技術范式”向注重實踐、能力、綜合素質的“工程范式”轉變,學生培養路徑正從解決“復雜技術問題”向解決“復雜工程問題”轉變。

國內各高校也紛紛進行了眾多有益探索[6-7]。尤其應用型高校教學體系越來越注重學生實踐能力的培養,設立各類實驗課以及實踐課程,并引入工程化教學模式,將知識獲取和工程實踐能力提升結合,有效提高學生創新能力以及對理論知識運用的工程實踐能力,這也十分契合新工科建設中提出的人才培養目標。然而,12條通用標準是畢業最低要求,未來工程師的知識、技能、素養在程度上需要高于通用標準。

以ChatGPT[8]為代表的新一代人工智能新形態,正加速教育的革命性重塑。新工科復合型人才培養[9]正是應對當前教育難題與未來教育變革的重要路徑。因此,面對文理整合、理工并重的復合型人才培養要求,高等學校工程培養教學模式如何引入新信息革命賦能下的系統工程觀,對滿足未來新型工程技術人才培養意義重大。

一、項目化教學模式發展現狀

工程化教學作為一種系統的教學模式,在國內外已得到大量教學實踐[10],并被認為是工業4.0時代實現教育可持續發展目標的重要手段[11]。Musa[12]強調工程化教學對學生知識構建和能力培養的作用,讓學生圍繞來自項目中的現實任務來學習知識和技能;Almulla[13]以學生為中心,利用知識、信息共享與討論等手段來提高學生的參與度。此外,研究者已發現工程化教學模式可促進深度學習產生[14-15],有助于實現可用知識的復雜實踐,同樣以高階認知能力培養為目標的深度學習教學理念在建構式教學過程中也起著重要作用。

國內研究者也提出一系列工程化教學模式與實踐創新,在培養思路、培養途徑等方面進行改革嘗試,如梁海英[16]利用信息化將工程化教學與在線課程設計結合,提高學生綜合能力;李軍[17]則提出三維聯動的教學模式,將項目化教學融入課堂與競賽,以項目促能力;張蕾[18]在新工科背景下將工程化教學用于翻轉課堂,進行能力培養方面的實踐探索。在工程化教學實踐研究中,也有不少學者發現深度學習教學策略可與項目化教學模式相結合[19-20],以加深學生對知識的理解與運用。

然而目前工程化教學研究仍偏重培養學生專業知識實踐運用能力,存在學生工程思維缺失、專業知識邊界過重等問題,而深度學習理論仍處于淺層階段,兩者結合過程中易出現教學策略偏差導致的重視知識難度忽視廣度、過于強調學生主動性與弱化教師引導作用而導致的學習低效等問題。

在深度學習理論與項目化教學實踐指導下,面向新工科學生綜合素養培養目標,通過跨學科整合與重構,改變傳統知識簡單組合拼接的淺層融合,擴展深度學習寬度、延伸項目化教學深度,是新工科新理念下以人才培養為核心的教學模式變革與創新研究的重要內容。

二、項目化深度教學模式頂層設計

本文圍繞新工科復合型人才培養目標,提出項目化深度教學模式。該模式以項目化教學為抓手,通過對項目的深入實踐和探究,加強系統工程觀視域下核心素養培養,在反思和評估中促進深度學習和終身學習。項目化深度教學模式旨在發展學生高階思維能力,提高綜合素養水平,在教學框架、人才培養、教學實踐等方面提出新理論、新路徑、新策略,從而實現目標、內容與方法的系統教學體系整合統一,促進學生跨學科知識的融合建構,培養體系化系統工程思維。項目化深度教學框架如圖1所示。

圖1 項目化深度教學頂層設計框架

項目化深度教學模式主要包括一體化深度教學框架,跨學科綜合素養路徑構建以及深度學習教學邏輯策略,通過探究項目化深度教學理論基礎與構成要素,建立統一融合教學理論架構,以指導新工科綜合性、交叉性、跨學科等人才培養實踐。

(一)一體化深度教學框架

一體化深度教學框架結合深度學習理論與項目化教學設計,在項目化驅動的教學模式中,提出多層次深度干預模型,將宏觀教學階段與微觀知識內容連接起來,在教學流程、協同機制、即時反饋等多方面迭代優化,實現從淺層學習到深度學習的不斷進階,并建立基于核心視角的多元智能評價,建構耦合共生的“教、學、習、評”共同體。

在具體實踐中,教師根據多元化、高階性和過程導向的深度學習能力發展趨勢,及時干預、引導教學過程中的深度學習路線。首先,淺層學習可視為深度學習的基礎,教師應在課堂教學中傳授學生對知識進行淺層加工和簡單記憶的方法;其次,在淺層學習的基礎上,教師將學生淺層加工和簡單記憶的專業知識轉化為能力,進而引導學生掌握程序性知識以及解決問題的方法;最后,教師運用學習策略和問題解決策略對學習內容進行深度理解和創作性運用,進而幫助學生形成和掌握新的綜合知識學習策略和復雜工程問題解決策略,同時發展出更為高階的思維能力。

(二)跨學科綜合素養路徑構建

跨學科綜合素養路徑構建以項目化工程全生命周期為重點,在教學過程中基于CMMI(能力成熟度模型集成)進行項目過程域分解,面向哲學元素、知識元素、道德元素以及行動元素等跨學科工程思維要素解構,建立工程過程域下的人才差異化培養路徑,實現傳統工程教育由單一維度向多維度模式的轉變,這也是構建新工科復合型人才培養路徑的核心所在。

CMMI模型在每個成熟度等級規定了不同的關鍵過程域。若要達到某一成熟度,就必須滿足關鍵過程域所規定的不同要求。由于該模型涵蓋了整個工程實踐周期,基于項目過程域分解實施跨學科工程培養,與中國工程教育認證通用標準規定12項基本要求也十分契合,二者對應關系如表1所示。

(三)深度學習教學邏輯策略

深度學習教學邏輯策略通過構建深度學習環境產生有益條件,確立學習活動邏輯順序和規則設計,在教學實踐中整合綜合素養關鍵思維能力,重塑知識結構體系,并有效進行師生共同體下的多維教學反思重構,加強學生知識群之間的關聯性、系統性、邏輯性,以項目化形式提高深度學習模式下學習效果,逐步提升不同學科的整體認識。

深度教學環境構建是進行深度學習的首要任務。教師一方面要為學生創建出心流體驗,在學習過程中真實地投入注意力、思維、情感、意志、價值觀,從而發揮學生的主觀能動性;另一方面,要改變知識傳授型教學模式,將項目化教學內容中零散繁雜的知識點體系化重建,構建具有一定挑戰性、反映學科本質的教學主題,既要考慮該教學內容是否為跨學科內容的聯結點,還要考慮國家課程標準的相關要求以及當前社會性的熱點。

表1 關鍵過程域分解與能力要求培養

多維教學反思重構為思維拓展的關鍵路徑。教師為學生提供真實的學習情景和問題遷移,引導其提升邏輯思維和應用知識的系統性,為處理分析現實生活中的各類工程問題奠定基礎;同時激發學生的內在動機,強化學生的邏輯抽象能力,提供更多從學科融合視角發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的機會。這個過程需要學生在批判的基礎上對問題解決方案進行重構,教師需根據學生學習效果不斷調整深度學習教學策略,在相互反饋交織過程中,持續培養學生的高階思維能力。

三、項目化深度教學過程細化設計

項目化深度教學模式頂層設計確立了系統工程觀視域下教學總體目標與框架結構。本文針對具體的教學活動和環節,以深度學習路線圖為指導,結合項目化教學基本流程,給出項目化深度教學過程細化設計,如圖2所示。從宏觀層面看,教學過程分為導學啟動階段、深度學習階段、強化深度學習階段及教學反思階段。從微觀層面看,項目化深度教學根據教學內容分為課前自主學習、課中深度教學及課后全面反思三個環節。

圍繞新工科人才培養目標,工程人才素質急需由單一維度向多維度模式轉變。本文提出的系統工程觀培養視域下的素養包括問題分析能力、實踐才能、創新意識和創新能力、較高的倫理道德標準以及職業素養、知識應用與遷移能力、良好的溝通能力、管理技能、領導才能等,涉及需求開發、技術方案、產品集成、產品驗證、項目計劃、配置管理、風險管理、組織培訓、決策分析、質量管理等工程過程域,涵蓋工程、過程管理、項目管理等過程類型。

圖2 項目化深度教學過程

項目化深度教學以項目化驅動教學方式,融合了學習知識的批判理解、學習內容的有機整合、學習過程的建構與專業知識的遷移運用等深度學習關鍵特征,重構傳統項目化教學過程。

在啟動導學階段,教師根據課程目標和具體的教學內容,將設定的教學項目融入教學設計當中,學生提前在線上資源平臺完成任務預習,并通過線上測試以發現問題,感受重難點。

在深度學習階段,教師與學生應明確各自在項目教學活動中的地位和角色。項目活動主體為學生,他們經過身臨其境的學習鍛煉,體驗工程項目全生命周期過程域;教師針對發放擬定的教學任務進行重難點精講,明確項目目標、任務內容、成果要求等事項,隨后在項目實施中負責過程監督和指導,保證教學活動順利開展。學生根據項目任務開展團隊協作、任務分工,并匯報完成情況或階段性成果,教師進行相應的總結與點評。

在強化深度學習階段,教師以高階性學習活動為主,將“分析、評價和創造”作為教學目標,整合跨學科教學內容,通過打破課本內容結構,靈活整合學科知識并根據課程內容特征設計案例分析、同伴互評和協作問題解決等教學形式,促進學生深度學習的高階思維強化訓練。

在教學反思階段,學生要形成信息關聯思維與連接保持能力,能夠多視角發現問題、提出問題、分析問題、解決問題,面對新問題還能夠對解決方案進行再構,持續鍛煉高階反思思維能力。教師則需針對教學目標與內容進行思維導圖制作,幫助學生及時復習、整理學習內容,深入思考所學知識的內部結構和相互聯系,形成完善的知識結構,讓學生更好經歷有意義的學習過程,把握學習內容的本質特征,體驗學習內容的思維方法,促進學生關鍵能力與核心素養的發展。

四、結語

本文面向新工科復合型人才培養需求,將深度學習理論與現有項目化教學模式結合,構建系統工程觀視域下的項目化深度教學模式;圍繞培養綜合素養能力所包容的工程思維深刻內涵,將項目化教學目標、教學內容、教學模式與培養要求有機統一,融合學習知識的批判理解、學習內容的有機整合、學習過程的建構與專業知識的遷移運用等深度學習關鍵特征,完善跨學科綜合素養人才培養路徑體系,建立多維度、多視角、深層次教學邏輯策略,為一體化教學體系下加強新工科人才工程思維培養提供新思路。