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观点 | 荷兰特温特大学模块化工程教育模式及其启示
三亚学院教务处 | 2020-11-11 18:28:12 | 阅读:46

今日推荐天津大学潘海生教授等发表的一篇关于荷兰特温特大学模块化工程教育模式及其启示的研究文章,为相关高校开展应用型人才培养提供参考价值。

 

核心观点:

 

为提高高等工程教育整体发展,特温特大学2013年起依托模块化重构本科人才培养体系。在加强学科交叉融合、理论教学与工程实践有机融合的理念指导下,特温特大学设计了以工程项目主题为载体、将课程与工程项目进行整体设计、形成跨学科课程体系与系统化工程实践项目,保证了课程体系与工程项目的有机耦合,通过扩展校内外教学资源、建设专业化发展团队、完善教师评价机制有效保障该模式良好运行,开拓了理工科大学人才培养新路径。特温特大学模块化工程教育模式,对我国加快新工科建设、完善教育教学体系、实施可持续发展教育、加强组织机制变革创新具有重要启示。

 

荷兰特温特大学模块化工程教育模式及其启示

 

潘海生 杨慧

 

本文发表于高等工程教育研究.2020年03期


2018年美国麻省理工学院《全球一流工程教育发展现状》(TheGlobalStateoftheArtEngi-neeringEducation)报告指出,世界范围高等教育机构在内外因素驱动下,积极推进高等工程教育改革与发展。其中,既有传统工科院校的改革尝试,也有新兴工科院校的创新变革;既有小规模学科或项目计划,也有大规模院系转型。[1]涌现了许多新的工程教育改革模式,如MIT“新工程教育转型”计划(NEET)[2]、伦敦大学学院的集成工程项目计划(IEP)[3]、斯坦福大学的技术创业项目(STVP)[4]、康奈尔大学的Aguaclara项目[5]及新加坡科技设计大学(SUTD)的“4D”教学模式等。[6]整体看,这些改革主要围绕“以学生为中心、跨学科教育及回归工程实践”展开。特温特大学(UT)作为荷兰十三所研究型大学和荷兰四大顶尖理工大学之一,2013年大胆尝试工程教育系统性改革。与绝大部分高校小规模、精英化工程教育改革相比,特温特大学力图在全校范围进行以学生为中心、多学科交叉融合和理论实践深度耦合的改革与创新。通过构建模块化模式重构教学资源,以工程项目主题为核心,通过跨学科课程体系再造与系统化工程实践有机融合,培养不仅能深度掌握学科知识、获得扎实专业能力,同时更具综合素养以适应变化的“T型专业人才”。2013年改革以来,模块化模式有效提高了学生满意度[7],促进了工程教育教学质量提升[8],在培养学生综合创新能力方面取得了显著效果,2019年获得“夸美纽斯教育领导奖”。[9]深入剖析特温特大学模块化教育模式整体设计与结构,对推进我国新工科复合型工程科技人才培养具有重要意义。

 

一、特温特大学模块化工程教育模式整体设计

 

深厚的学科工程基础知识对工科学生培养至关重要,但真实工程活动不局限于学科边界,往往具有综合性和复杂性,需要运用跨学科知识与能力去解决。因此,回归工程实践和实施跨学科教育,成为当今工程教育改革发展的主要趋势,但如何有效使工程实践与跨学科知识有机整合,是工程教育面临的挑战。基于现实工程背景与原有教育模式学科分离、理论实践衔接不紧密等不足,特温特大学构建了模块化模式(如图1),将打破学科藩篱束缚、促进理论教学与工程实践有机融合作为改革基本理念。特温特大学对本科教育进行了大规模变革,将全校19个本科专业按统一教学组织框架设计模块化模式,即将三年本科人才培养分为6个学期、12个模块,每个模块10周、15个学分,模块大小等值[10]以加强专业兼容性。为有效实现学科交叉融合和理论实践有机统一,将课程与工程项目进行整体设计,保证课程体系与工程项目有机耦合,形成跨学科课程体系与系统化工程实践项目。依据学生学习水平和工程知识与技能要求,模块化模式被划分为体验模块(1、2)、核心模块(3-6)、专业化模块(7、8)、辅修模块(9、10)及整合模块(11、12)。[11]这些模块围绕学生的培养内容、学习要求与能力发展呈螺旋式上升趋势。体验模块引导学生进入学习状态,激发学生学习兴趣;核心模块是学生学习专业基础知识、掌握专业技能与培养专业素养的主要阶段;专业化模块向学生提供硕士课程或进一步加深专业难度,让学生在专业领域内开发和应用深度知识,深化专业能力;辅修模块供学生灵活自由选择多样化学习内容以扩大视野;整合模块要求学生综合运用所学知识、技能和方法完成学士学位要求的作业。通过五类模块有机结合、相互作用,促使学生掌握具有深度与广度的知识和能力,最终实现T型专业人才的培养目标。

 

 

 

二、特温特大学模块化工程教育模式的结构

 

(一)跨学科的课程体系。

 

模块化模式突破以往学科导向课程设置的局限,以工程项目主题为导向,遵循知识整体性原则,根据具体工程项目顺序开设相关课程,使先修课程与后续课程相互渗透,打下良好基础,并将科学知识、技术知识和工程知识有效整合,形成系统融合的跨学科课程体系。根据模块化模式要求,每个专业12个模块均按模块工程项目设计。以机械工程专业第一模块为例。机械工程专业模块1(体验模块)的主题是设计与制造。其具体工程项目是机械工具雏形的设计与制造。学生首先通过机械工程导论课程的学习,深入了解机械工程领域基础知识;通过静力学、建模编程、材料科学、系统设计、制造系统、绘图技术课程的学习,掌握工具结构设计的平衡性,绘制工具数据与优化参数,从材料性能角度出发选择工具适用材料,从设计和生产角度为产品和部件选择正确的生产过程,最终运用绘图技术制作工具原型,对其进行制造、组装及测试;通过学术写作培训课程,完成最终项目报告的撰写。在此过程中,将力学、机械学、设计学、计算机技术、材料学及学术研究等相关学科课程交叉汇聚,让学生体验不同学科在解决问题过程中发挥的作用,加强对不同学科知识的理解(如图2)。

 

(二)系统化的工程实践项目。

 

每个模块的工程实践项目都以工程项目主题为主线,遵循问题导向原则,进行设计开发。涵盖本科人才培养全过程的系统化工程实践项目。每个工程项目以团队协作方式对学生进行系统工程训练,加强学生团队合作能力、帮助学生形成自主探索的习惯与态度。从类别看,系统化工程实践项目包含三类项目:一是专业项目,面向特定工程专业开设,以专业问题为导向强化学生专业知识、能力及素养;二是扩展性项目,以社会问题为导向涵盖跨文化项目、跨学科项目、团队竞赛项目等;三是顶点项目,可视为毕业设计,深度凝练和综合运用本科阶段所学知识,为系统复杂问题提出解决方案,以机械工程专业为例(如表1)。

 

1.循序渐进专业项目,培养学生专业能力。

 

专业项目主要开设于初始模块、核心模块及专业化模块,工程项目主题涵盖专业培养目标需求的知识深度与广度。其中,机械工程专业第一模块主题是设计与制造,工程项目是设计机械工具雏形,在此工程实践项目中,学生经历产品设计—组件制造—组件组装—生产测试等环节,引导

 

 

 

资料来源:根据特温特大学官网的内容整理。

 

步入大学初始阶段的学生可以了解产品设计原理、组件构造及生产系统和材料特性等知识与技能,唤醒其好奇心并激励他们解决机械工程问题。第二模块主题是能源与材料,学生需从材料和热力学角度分析现有能源系统,了解材料的构建方式及明确不同材料的使用条件,对整个能源系统有充分的认识。第三模块主题是能源与可持续发展,涉及技术、环境、系统问题,运用生命周期分析并通过先修课程知识重新设计能源系统以实现可持续发展。第四模块主题是设计与机械,学生需在几何形状、材料及其强度间找到适当平衡,将动力学、数学、系统分析等知识整合起来设计合理的机械结构。第五模块主题是动力系统,学生通过分析动力系统的基本原理,在掌握这些知识的基础上创造性设计其他动力系统。第六模块主题是产品设计,根据用户需求组建跨专业团队设计消费产品,体验以人为本设计理念。第七模块主题是流体力学与传热,要求学生解决飞机飞行过程中如何使机翼的冰融化或为航天器设计隔热罩等问题。第八模块主题是机电设计,在了解和掌握基本动力系统基础上,分析和设计复杂的多功能机械系统以深化专业能力,如燃油泵、巡航控制系统或风力涡轮机等。专业项目设计显示,每个项目涵盖工程项目设计全过程,给予学生全方位实践体验。学生不仅能通过工程项目将不同学科知识有机连接,加深专业知识的理解与掌握,还能锻炼学生如设计能力、实践能力、分析能力、解决问题能力等工程专业能力。

 

2.开放式的扩展性项目,拓宽学生学习广度。

 

特温特大学认为,学生应学习专业以外的知识与技能,拓宽知识结构以灵活应对未来社会对多样化人才的需要。鉴于此,该模式在辅修模块提供开放式扩展项目,此类项目不受学科专业背景限制,学生根据自身需求或兴趣自由选择,以培养T型专业人才在横向上具备较为广泛的知识与能力。开放式扩展项目包括“跨越边界项目”“高新技术,人文关怀项目”“学生团队项目”,等等。(1)跨越边界项目。跨越边界是指跨越文化边界,与国外大学和公司保持广泛密切的联系,为学生在国外完成部分学习提供保障。学生可选取与学校合作的国外组织或企业,就某一问题进行实地考察,完成调研报告;或由学校学习协会组织学生访问一两个国家,经过国外短期交流完成小型研究报告;或在国内通过skype/电子邮件/电话与国外伙伴沟通,合作解决欧洲组织提出的如改善气候、降低环境污染、解决城市交通拥堵、创新政策及平衡空间分布(移民)等现实社会问题。[12]跨越边界项目实践均为学生提供获得国际经验、提升国际素养的机会。(2)高新技术,人文关怀项目。这是以特温荷兰特温特大学模块化工程教育模式及其启示特大学校训命名的,内涵体现在两方面:一是突出特定社会主题,以高质量研究成果解决社会复杂问题;二是实现以用户为中心,注重用户需求,以切实改善用户生活质量为宗旨。学校目前开展如航天航空工程、地理信息系统与地球观测、创新创业与业务发展、科学技术与治理、社会科学与哲学、可持续管理与创新、生物机器人、新材料、智慧城市、网络安全十个主题工程项目[13],属于大型跨学科项目。项目组尽可能安排多专业学生组成团队,培养学生跨学科思维、提升跨学科科研能力、收获更多跨学科工程实践经验。(3)学生团队项目。除开设上述丰富多样工程项目供选择外,学生还可根据自身兴趣注册加入譬如绿色团队、机器人团队、电车团队、太阳能船队等多样化学生团队。团队成员是来自不同专业和不同年级的学生,将科学教育和研究相结合,设计和研发可持续问题的解决方案和产品,或参加国际赛事与全球其他大学团队竞争,学校针对团队研究内容和团队参赛内容开设相关课程,传授研究或竞赛所需理论知识与技能。

 

3.综合性顶点项目,提升学生综合实践能力。

 

顶点项目是本科阶段需完成的最后一个工程实践项目,是学生综合运用所学知识、技能和方法完成毕业设计的活动,在整合模块中开展。此类工程实践项目对应的主题均经过慎重设计与筛选,难度与广度可对整体教育加以补充和检验。顶点项目给予学生在主题背景下自由选择具体项目的权利,学生可就未来发展方向或兴趣进行选择。如机械工程专业整合模块主题是生产系统,顶点项目是设计生产系统。近几年学生围绕生产系统涉及众多领域的问题开展研究,如生物医学、机械装置、可持续燃料、新材料、足球机器人、桥梁维护、航空航天等。

 

(三)多样化课程与工程项目有机融合的模块化模式。

 

模块化模式强调学生从做中学、在学中反思和认知工程,使学生在参与知识创造与应用过程中,获取理论与实践相结合的学习能力以及工程实践能力,主张将工程环境引入教学环境,将学科知识与工程实践项目融合编制,使学生接受学科教育的同时体验实践创造全过程,增加工程经验。因此,模块化模式特别强调课程与工程实践项目的有机融合,因而形成多样的课程与工程项目融合模块化模式,灵活应对学生不同阶段需求(如图3)。

 

 

 

1.“课程为主、工程项目为辅”模块化模式,强化理论知识理解。“课程为主、工程项目为辅”的模块化模式,强调二者同步进行,将理论知识及时应用于实践。通过实践动手为学生解惑专业认知困惑,把数理基础与专业结合,加强学生对理论知识的理解,解决浅层学习难理解、易遗忘、厌学、怠学及教学反馈周期长等问题。该模块化模式重视学生对知识的理解与掌握,通过激发学生学习兴趣,提高学习热情与学习效率。适用于初始模块与核心模块的学习。考核方式采取课程与工程实践项目分别进行单独测试,评估的是学生理论知识的掌握与应用情况。

 

2.“课程与工程项目相互补充”模块化模式,注重知识与能力协调发展。模块化模式中,课程与工程项目其实都服务于工程人才培养。因此,不仅要考虑学生理论知识的学习与应用,更要注意工程项目的综合性、复杂性以帮助学生形成系统知识体系和思维,提高复杂问题的解决能力。课程与工程项目相互补充,是指通过两者融合,使学生不仅能应用所学知识与技能,还能通过工程实践项目完善理论知识并获得新知识和新技能。在此过程中,课程采取学科交叉融合讲授,进一步加强学科间联系。此类模块化模式更适用于深化专业学习的专业化模块,课程与工程项目均进行单独测试,评估的是学生知识掌握程度与解决问题的系统能力。

 

3.“工程项目为主、课程为辅”模块化模式,关注工程能力提升。“工程项目为主,课程为辅”是以工程项目为中心开发课程,将学生所学理论知识内容与工程项目任务紧密衔接、深度嵌入,实现理论实践完全集成。通过过程导向教学,使学生关注事情发展完整过程,体验真实工程环境。工程项目为中心的教育遵循建构主义理论,让学生在具体工程实践项目中主动探索、主动发现,掌握专业技能、构建相关理论知识、发展多元能力、养成自主学习态度并为可持续发展奠定良好基础,适用于后期辅修模块与整合模块。考核方式采取对部分课程学习进行测试而不评分,对工程项目设计、开展过程中所学知识、能力、素质及态度等进行综合评估。据学生反映,整个专业计划中选用后两类模块化模式的比例接近50%。[15]

 

以上三类课程与工程实践项目有机融合的模块化模式设计,调动了学生学习的热情与积极性,最大限度利用自身所学知识解决工程问题,实现跨学科知识与思维的交叉整合。无论在工程实践、技术应用、综合创新方面,还是团队合作、理解认知及自主学习态度方面,都得到了充分的训练,为学生应对未来工作奠定了坚实基础。三、特温特大学模块化工程教育模式保障机制模块化工程教育模式之所以能有效运行,与特温特大学大力扩展校内外教学资源、建设专业化发展团队及完善教师评价机制等运行保障密不可分。

 

(四)扩展校内外教学资源,支撑模块化工程教育模式顶层设计。

 

支撑一项全新教育计划,配备配套教学资源是必要的,也是重要的。校外资源方面:特温特大学致力于加强与各界的密切联系,除与世界各地大学、科研机构及跨国公司紧密合作外,还与许多领先的国际公司合作。这些丰富的产学研合作平台的搭建,为学生体验真实工程项目、参与实习、出国留学提供了大量可选择的机会。校内资源方面,特温特大学要求大学第一年学习中,每周对学生的指导不低于20小时,教师、导师及学生助理配合有力,支撑学生适应新模式。其次,开发大量在线课程,为学生自主学习和顺利完成工程实践项目提供机会。特温特大学新建了设计实验室(Design-lab)和科技中心(Tech-Med),为学生顺利执行工程项目、实现跨学科学习提供了大量设备与交流场所。(二)建设专业化发展团队,推动模块化工程教育模式创新发展。特温特大学模块化模式改革运行离不开学习与教学专业中心专业化发展团队。首先,面对与原有教育模式截然不同的新模式,该中心为教师开设关于如何设计模块课程、协调模块、掌握工程项目教学技巧、制定课程评估指标、学习教学技术应用等理论课程和实践课程培训,促进师资团队建设与教师个人发展。其次,专业化发展团队为教师提供课程设计、实施、指导、评估支持。针对教师课堂遇到的问题进行研讨,并给出指导和建议,同时根据教师需求提供量身定制的课程,大大提升模块化模式的有效性。最后,对学习与教学效果展开评估。通过问卷数据,分析判断模块化教学情况,对不足做出调整与完善,有效保证了模块化模式发展。

 

(五)完善教师评价机制,使教师成为模块化工程教育模式改革的主要力量。

 

工程教育改革是学生、教师和学校管理者共同作用的,教师在其中处主导地位,他们身处工程教育教学第一线。开发能激发所有教师奉献精神和提高其自我价值认同的奖励和激励系统,对教师积极投入工程教育改革起决定作用。特温特大学本科工程教育改革后,对教学学术奖励、认可和支持系统进行了变革,通过使用大学教学职业框架①指导和组织这些机制改革(如图4)。首先,要求所有学者须获得基本大学教学资格(UTQ)以保证初入者的基本教学能力;其次,为与大学教学职业框架保持一致,引入高级大学教学资格(SUTQ),通过参与教学项目训练来获得,学者可根据自身兴趣与抱负,自愿申请参与项目训练,对

教师教学发展起鼓励作用;第三,在教学成果基础上为教师提供职业发展机会,如教师职业生涯的75%聚焦于教育、25%集中于研究,他们只要展示出相当于副教授的科研水平和符合框架第4级的教学成果,就能被提升为教授。这样的机制有效激励教师教学的积极性,提高模块化模式质量。四、总结与启示工程教育改革与创新是一项系统复杂的长期

 

 

 

工作,涉及学校、教师、学生、社会及政府的全力支持与参与。特温特大学模块化模式仍面临许多挑战需探索完善。但总体而言,此次系统性改革是面向未来、注重跨学科、工程实践并实施可持续发展教育、更关注学生需求、强调以学生为中心的大胆创新,对新工科建设具有重要指导意义。

 

(六)以工程主题为依托,构建教育教学新体系。

 

新工科建设是顺应国际工程教育改革提出的工程教育改革新方向,旨在培养适应甚至引领工程需求的复合型工程科技人才。[17]传统纯粹单一学科与专业深化、分解培养工程人才已收效甚微且难以为继,多学科交叉与融合成为工程教育改革与发展的趋势。[18]可借鉴特温特大学的经验,尝试大范围、系统性改革,构建以工程项目主题为依托的模块化课程体系,加强文理、理工、文工学科间的交叉融合。教学上回归工程实践,建设系统化工程项目实践教学体系,为学生提供系统化工程训练,锻炼其适应变化的综合能力。同时,在学生不同学习阶段提出不同能力要求,阶段之间的工程项目主题与学习任务环环相扣,确保理论教学与工程实践有机融合。

 

(七)以学生为中心,实施可持续发展教育。

 

依据社会发展趋势,复合型工程科技人才的重要性不言而喻。而现实是复合型工程科技人才培养质量不佳,主要影响因素是教学方式和教学内容。因此,新工科建设首先应以学生学习为中心,鼓励学生自主学习、团队合作、体验学习、项目学习,使学生积极主动参与学习过程,培养学生内在驱动力,实现从“跟随者”到“专业人才”学习方式转变。其次,应以学生发展为中心,基于学生个性化需求,提供专业进阶、跨学科发展、创新创业、国际化等多元发展路径,为学生创造相互贯通的多元发展空间、创设内涵丰富多样、选择自由灵活的学习发展机会,为学生未来应对不可预测性挑战做好准备。

 

(八)以组织机制变革为支撑,推动新工科建设。

 

新工科建设是一项系统性工程,课程内容、专业设置、教学方式变革需要与之匹配的组织、机制变革为支撑。通过成立新工科专业化发展团队,发挥教师培训、教学设计、教学问题研究、评估反馈等作用,促进新工科教育教学持续稳定发展。新工科建设的核心任务是提高教育质量,教学前线的教师队伍能否积极参与至关重要。与荷兰类似,中国大学需变革教师考核评价及激励机制,加强对教学成果的关注,为教师职业发展提供可选择的机会,以鼓励教师积极投身教学事业。

 

注释

①大学教学职业框架是皇家工程学院委托并资助,根据高等教育界、教育研究、全球最佳实践反馈,与世界各地教学专业与合作伙伴大学合作开发,旨在提高高等教育质量。框架既提供了学术职业发展的结构化途径,又为证明和评估教学成果提供了依据,大学可根据其职业结构和发展特点进行调整,可用于学术职业中促进教学成果,包括任命,专业发展,评估和晋升。详见官网:https:∥teachingframework.com。

 

参考文献

 

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[8]UniversityofTwente.Jaarverslag2016[R/OL].[2019-08-02].https:∥www.utwente.nl/.uc/ea7251e89010253cc1800ac4a0803f22b7484be480b6b00/Jaarverslag2016.pdf.

[9]4TU.News[EB/OL].[2019-10-19].https:∥www.4tu.nl/cee/en/news/comenius-leadership-grant-for-university-of-twente/.

[10]UniversityofTwente.TOM[EB/OL].[2019-10-20].https:∥www.utwente.nl/en/tom/whatistom/#1-modules-and-project-based-work.

[11][15]JIAVISSCHER-VOERMAN,AMULLER.Curricu-lumDevelopmentinEngineeringEducation:EvaluationandResultsoftheTwenteEducationModel(TOM)[C/OL].[2019-11-02].https:∥ris.utwente.nl/ws/portalfiles/por-tal/19806823/sefi_curriculum_development_in_engineering_education.pdf.

[12]UniversityofTwente.CrossingBorders&EducationMinor[EB/OL].[2019-11-02].https:∥www.utwente.nl/en/ed-ucation/electives/minor/offer/crossing-borders-educative-

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