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第14章 工程教育改革与实践(1)

日本Kanazawa 工学院(KIT)的工程设计教育

KIT 开设了两门关于工程设计的基础课程——工程设计Ⅰ (ED Ⅰ)和工程设计Ⅱ (ED Ⅱ)。讲授工程设计课程的教师中不仅有日本教授,而且包括具有美国大学工作经历的外国教授,学校还为他们安排了助教。在日本,工程设计教育是在一个全新的理念之下建立起来的,因此对于日本教授来说也是第一次讲授此类课程。

KIT 工程设计教育的目标是通过在课堂上完成实际工程项目的设计来让学生获得真正的工程设计经验。KIT 认为有必要训练学生发现和解决那些其未来职业生涯将要面临的实际问题。

训练的关键是培养学生独立解决这些问题的技巧和能力。这些设计课程的目标不仅仅使学生具备高超的专业技能,而且使他们能够发现和解决非常规的或无固定答案的问题,设计出一套与众不同的创新性方案,加强工程设计专业知识和能力,以便能够独立自主以及通过合作解决问题,并获得与人沟通和领导他人等重要的基本技能。

在KIT 工程设计教育中,工程设计过程(EDP)的定义中包括:①具体的研究课题说明(包括设计主题和项目主题);②收集与课题有关的信息并对这些信息进行分析;③在相关的约束条件下,对课题解决方案进行选型和评价;④完成具备最终结论的设计方案的书面报告;⑤结果展示,用第三方能理解的方式对期望目标进行有效的交流。这些内容只是工程设计中的最基本内容,目的是让学生能理解工程设计方法在解决开放性问题时的必要性和重要性。

ED Ⅰ、ED Ⅱ的学习,按“队”进行,每队由5~7个学生组成。强调发展独立思考和领导能力,每位成员被分配一个职责如队长、主持人、报告书写人等。

工程教育课程由2个连续的阶段组成,每个阶段75分钟,并采用互动式教学方法。任何一个阶段都可进行讲解、课堂练习或讨论等活动。教授的主要工作是给学生提供必要的工具和指导,以帮助他们更有效地分析和利用收集到的信息。

所有团队每周都要与其教授见一次面,讨论活动进展、设计结果和存在的问题,并需要每周提交一个周报,详尽记述其工作、任务和进展。他们也需要定期作口头报告。最后,在学期末,所有的团队都需要提交一份最终的报告并进行口头陈述。ED Ⅱ 的团队口头陈述时要求使用投影仪,根据从第一周到学期末的学习和研究来进行陈述。

学校鼓励教授和学生在课程和报告期间尽可能使用电脑、打印机等设备。学生可随时进入加工车间,加工制造出他们最终设计的样品或模型。

工程设计教育收到了明显的成果。经过ED Ⅰ 和ED Ⅱ 的学习,大多数学生利用不同资源的能力得到很大提高,可以熟练利用如互联网、科技杂志和自然科学出版物等来搜集其项目所需信息。

更明显的是,通常性情孤僻和胆小的日本学生现在也愿意通过接触和采访潜在的顾客、KIT 的其他教授、工业和政府职员等来收集与其项目有关的数据和信息。除了工程教育教授,其他教授已经注意到凡是修过工程设计的学生在课堂上会提出更多问题,而且善于沟通交流。

在讲授工程设计过程中,遇到的主要问题是尚未建立这门课程的标准化讲授方式。但从另一个角度来说,也有好处,就是可以让学生接触不同的思维方法和不同的设计步骤。

作为这一教育的附带成果,配有助教的外国教授和日本教授也正在研究学习如何使课程更适应日本文化的差异并且使日本学生获得最大的收益。反过来,日本教授通过与助教和外国教授合作授课,在工程设计过程中也学到了关于实施工程设计的新工具和新方法。

KIT 正逐渐规范这一课程,已组织了相关工作小组,编写了两个标准化手册:教师手册和学生手册。

CDIO:工程教育改革的理念和工具

CDIO是Conceive -Design -Implement -Operate(构思-设计-实现-运行)的简称。它原本是现代工业产品生命周期的表征,现在作为一种理念和工具用于工程教育系统、课程计划和培养过程的改革,其目的是造就适应21世纪需要的有工程专业能力、有社会意识和创业创新精神的工程师。

1.CDIO的提出

以往的工程教育计划也在为学生提供一些动手(hands-on)的机会,早先的工科课程部分由具有实践经验的工程师来教,并关注问题的切实解决。但是,随着科学和技术知识的快速扩展,到20世纪后半期,工程教育演变成注重工程科学的教学而降低了对工程实践的强调。最近,产业界发现即将毕业的学生尽管理论知识比较强,但缺乏在现实世界工程领域中工作所需的许多技能。

面对工程科学与工程实践之间的这一差距,美国麻省理工学院(MIT)航空航天系率先将CDIO用于自己的改革发展,并在2000年10月与瑞典的Chalmers University of Technology,RoyalInstitute of Technology,Link迸ping University 创建了国际性的合作组织(即CDIO组织)。

2.CDIO的主题

(1)课程改革,保证学生有机会增加自己的知识和技能,以及发展用来构思和设计复杂的系统和产品的态度。课程改革措施包括定义和确认一个工程项目的成果、早期工程经历、学科链接、综合的设计构造经历,以及CDIO技能教育。

(2)提高教学的水平,让学生对技术的信息和技能有更深的理解。教学任务指的是具体的(动手)学习、问题陈述、主动性学习、反馈和教学方法的研究。

(3)实验室,为学生提供实践的学习环境。实验室关注于建构和装备车间和实验室所需的模型,同时也关注于研究实验室怎样为工程教育提供最好的实践。

(4)有效的评估方法,以确定质量和改进学习过程。评估改革包括清晰目标和结果的鉴定、CDIO技能评估、创新性技能评估和项目评估。

3.CDIO教学大纲

在当代工程教育的目标中,有一个非常明显的冲突:随着技术领域的不断扩大,既要教学生更多的知识(技术知识),同时又要发展学生个人的、人际关系的以及系统构造的技能。当前,即将毕业的工程师也被期盼为既能在工程组织中了解工程过程、开发工程产品,又能发展成一个完整的、成熟的、有思想的个人。因此,CDIO教学大纲的目标是培养未来工程师具备技术知识和推理的能力、个人职业技能和职业道德、人际交往技能,应能在现代的基于团队的环境中去构思、设计、实现并运行复杂的、具有附加值的工程系统。

新的CDIO教学大纲对教师、学生以及研究院所都有好处:教学大纲能使得教师对课程的内容和目标有更好的了解,便于把这些技能纳入平时备课和课程评估的计划中;采用CDIO教学大纲将有助于对教育主题进行更加全面而严格的教育,以利于即将进入工程实践的学生,也利于那些想成为研究者的学生;广泛采用新的教学大纲也将利于分享最佳的课程和教学方法,促进标准化评估工具的发展,从而更好更容易地达到基于评估的结果。

4.CDIO的标准

2004年1月,CDIO组织制定了12条标准来描述CDIO计划:①CDIO理念;②CDIO能力大纲;③综合性课程计划;④工程导论;⑤设计制造经验;⑥CDIO学生实践场所;⑦综合性学习经验;⑧主动学习;⑨教师CDIO技能的提高;⑩增强教师的教学技能;?CDIO技能评估;?CDIO计划评估。

这12个标准分别说明了改革计划的哲学(标准1)、课程发展(标准2,3,4)、设计-实现的经验和实践场所(标准5,6)、教学的新方法(标准7,8)、教师发展(标准9,10)、评估(标准11,12)。其中有7个标准是CDIO与其他教育改革的区别之处(用表示),剩下的5个标准丰富了CDIO计划,并且反映了工程教育的实践。

5.CDIO的发展

目前,全世界已有来自美国、欧洲、加拿大、非洲、亚洲和新西兰等国家和地区的27个学校加入了CDIO组织。它每年都会举办一些成员交流会,以分享实施CDIO的思想和经验,评估各成员学校CDIO的进展,以及讨论CDIO组织的未来发展方向。从2002年开始,CDIO组织每年不定期举办两到三次成员交流研讨会,2007年11月在中国汕头大学举办了第21次交流研讨会。2005年开始,CDIO组织每年举办一次年会,前三届分别在加拿大皇后大学、瑞典林克平大学和美国MIT举行,2008年的年会将在比利时根特大学举行。

跨学科选修课程和GLOBETECH 模拟项目

在过去几年里,库珀联盟一直致力于研究如何丰富学生们的工程教育,为其开发将来取得成功所必备的专业和非专业的各方面技能。库珀联盟于1994年的秋天引进了一个新的跨学科选修课程——“全球性视角下的技术管理”。该课程向大三、大四的学生和研究生开放。授课素材尽可能多地结合当前国际事务和技术管理发展等问题。包括:①从美国工程师的视角看世界范围内政治、社会、经济和技术的发展:了解世界各地经济和技术的发展状况;各个工业化和发展中国家当前的技术优势或劣势;风俗和文化传统在商业中起到的积极作用。②工业领域国际合作与竞争框架:了解关税及贸易总协定、北美自由贸易协定、东南亚国家联盟、欧盟等国际经济组织及其在经济发展中的角色;对美国重点大型工业部门进行国际工业合作或竞争的分析,其中涉及飞机、汽车、电子、电信设备等领域;全球技术相关贸易中的知识产权问题;国际货源、标准、质量管理;国际型公司的员工培训及福利问题;全球环境和可持续发展以及国际“良好公民”问题。③关于职业发展的问题:研究在美国的海外跨国公司的多元文化、总公司的调控、管理期望、发展之道等问题;研究海外跨国公司对地方文化的适应度、管理的期望、成功的方法等问题;企业精神及其重要性,还有如何成为企业家。④未来全球发展趋势:21世纪初期的主要政治、社会和经济趋势;介绍在不久的将来,已有的和新兴的技术将会如何同时实现经济的巨幅增长和环境的改善。⑤国际商务谈判问题:谈判的目的及其重要性;谈判策略及主要特点;国际谈判与国内谈判的区别;国际谈判的主要原则和策略;“宏观”事件如何影响“微观”决定。

这门课程除教师授课和案例研究之外,另一个重要的部分就是以实验为基础的GLOBETECH模拟项目。GLOBETECH 模拟项目是特别为工程学学生设计的。它也增加了一个重要的新维度,即模拟国际谈判。自1995年起,每年秋季学期的10月到12月,都会免费提供GLOBETECH 模拟实验,每次持续8~10周。

GLOBETECH 的主要目标是通过模拟来提供一些实际的方法,使学生增强全球化工程管理及其他重要技能和领导力。GLOBETECH 是这么运行的:学生组拟定提案要求,并在给定的背景下为国际合资企业项目做出提案。具体工作包括:①研究一个或多个国家的政治、经济、技术等现状;②与各种设备和工程服务商取得联系,获知价格和技术信息;③确定所需的步骤、设备以及项目的费用;④写出完整专业的提案要求和提案。通过互联网,各个小组之间进行彻底的讨论和谈判,而我们将会与综合评比出的最佳提案小组签约。在项目的反馈进程中,学生和教师都有机会通过互联网参与讨论每个组的优缺点。

在过去的四年中,GLOBETECH 的项目已经成功地吸引了来自国内外以及联盟中的大批学生队伍。并显示出以下特点:①在具体的工程领域学习全球化技术管理问题,这是一种实际的、激励的、互动的学习方式。②促进学生和教职人员在处理每个项目时积极创新和大胆改革。③鉴于学生和教职人员专业纷繁,水平参差,兴趣不同,GLOBETECH 创造了一个跨学科的学习氛围。④鼓励通过互联网开展国际性的合作学习。各个小组代表了不同的公司和政府,他们通过E-mail、网上聊天、电话会议来互相交流。⑤用新的远程学习技术进行研究和交流。⑥提高了学生口头和书面交流的能力、团队合作精神和领导水平,为他们在全球化经济背景下开展管理工作做了更充分的准备。⑦对于所有参与者都是免费的。

虽然课程和模拟实验对学生提出了严格要求,如大量的阅读、研究、团队联络以及每周专题研究等等,但是大多数学生对这个课程都很满意。通过这个课程以及我们和学生的讨论,很多参与模拟的库珀联盟的学生已经决定要继续攻读工程管理硕士或者工商管理硕士学位,并被知名的工学院授予了奖学金。

“全球性视角下的技术管理”教程计划通过网络公布,并在教程中提供GLOBETECH 模拟链接。

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