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基于工程范式的工程教育理论与实践刍议
发布时间:2022年07月20日 08:11 点击: 99 发布:

 

基于工程范式的工程教育理论与实践刍议

 

             王胜春1,林松柏2  , 王晓伟1  ,靳同红

1 山东建筑大学机电工程学院 山东济南 250101    2 齐鲁师范学院 山东章丘250200)

[摘  要]工程教育越来越强调对学生实践与创新等应用能力的培养。工程范式是有效解决工程教育中重知识传授向能力培养转换的一种教育理论。基于这一范式,工程教育需变革传统的教育理念,按照新的技术路线重构毕业要求、课程体系和课程目标。在教学实施过程中,教学内容要根据课程目标进行重构,将知识与能力、经典与前沿有机整合,实现新旧知识的衔接;同时,还要改革传统的教学方法,采用体现应用和探究特点的新的教学方法,实现知识向能力转化。

[关键词]  工程范式  工程教育  重构

[基金项目]2020.01-2022.12年度 山东省教育厅,山东省研究生教育质量提升计划项目:机械优化设计优质课程(SDYKC19114)资助。

[作者简介]王胜春(1968-),女,山东省邹平市,博士,山东建筑大学机电工程学院教授、研究方向为机械设计及理论、工程教育;

[中图分类号] G642. 4   [文献标识码] A   

随着高等教育的转型,高校人才培养的类型也从强调知识型人才向强调实践与创新型人才进行转变,特别是在工程教育领域,传统的教育理论是建立在知识核心基础上的——可以称为知识范式的教育理论,这种范式指导下的人才培养过程中主要以知识为主线,教师教知识、学生学知识、考试考知识,容易导致学生的理论学习与实践创新脱节,实践能力和创新能力比较薄弱。为了解决这一问题,从根本上提高高等工程教育的质量,一种新的教育范式——工程范式的工程教育理论被提出[1,2]。这种工程范式的基本内容:按照工程属性也就是实践性、综合性、创新性和社会性确定培养目标,然后根据培养目标确定毕业要求,再根据毕业要求反推课程体系、重构教学内容,并采用相应的教学方法实施教学,进而改革课程的考核评价方式,保障人才培养质量的提高。

一、传统的知识范式教育理论指导下的课程教学中存在的问题

传统的知识范式是以知识为主线,根据学科知识的系统性、完整性和理论性来构建课程体系,课程的教学目标聚焦在学生对知识的系统理解和掌握,对应的教学方法是以课堂讲授为主,强调教师的主导地位和作用,学生以被动学习、知识记忆为主。在这种理论指导下,课程教学过程中存在很多问题,已经严重影响对学生实践与创新能力的培养,特别是在高等工程教育领域,问题更为突出。

以工程机械类专业中的《机械优化设计》课程为例,课程开设的目的是为培养工程师提供技术和方法,养成解决工程实际问题的能力。但在教学实践中,笔者发现《机械优化设计》课程仍存在以下一些问题:

1 教材内容多而陈旧

机械优化设计的教材内容十多年来几乎都是按照第一章优化设计概述,第二章优化设计的数学基础,第三章一维搜索方法,第四章无约束优化方法,第五章约束优化方法,第六章线性规划,第七章多目标优化方法简介,第八章机械优化设计实例。而其中最重要的两部分无约束优化又包括最速下降法、牛顿类方法、坐标轮换法、鲍威尔方法,约束优化又包括:随机方向法、复合型法、内点惩罚函数法、外点惩罚函数法、混合惩罚函数法。这些方法确实是经典的优化方法,但总计32学时的一门课程,却涵盖了十余种优化设计方法,在教学过程中确实让教师和学生顾此失彼。特别是随着计算机软硬件和现代优化理论与方法的快速发展,教材内容的优化和新理论新方法增加已成为时代之需。

2 教材结构导致知识割裂

机械优化设计理想的教学目标,是在理论学习的基础上,将优化思想变成设计程序,通过程序运行得到最后结果,进而验证设计结果的最优化。但现有教材的结构中,优化基本理论及程序框图讲授分析结束后,缺少编程的知识与方法,学生很难将机械优化的知识与计算机编程的知识相结合,因而也难培养出学生的创新与设计能力。

3 案例库缺乏

教学过程中,教师主要是根据教材内容组织教学活动,而教材中的机械设计案例部分都是给出数学模型,给定约束后,通过前述的某种方法一笔带过,直接给出最优结果,学生代入感不强,中间程序实现过程对他们来说更是难点,但教材中全是极简化的内容,不利于应用型人才的培养。

二、基于工程范式的工程教育理论内容与教学实践探索

范式理论是美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》中提出并论述的,是指一个科学共同体在某一专业或学科中所具有的,由共同的基本观点、基本理论和基本方法构成的,能够提供共同理论模式和解决问题方向的信念系统[3]。库恩证明了范式是一种有关价值、信念和方法论的共识,其实质就是一种世界观和方法论。从工程教育的现状而言,以知识范式为特征的教育理论已经不能适应时代对工程教育人才培养的要求,客观上需要转变教育理念,从知识范式向工程范式转换,按照工程范式的教育理论推动教育理念和教学方法的变革[4]

基于工程范式的教育理论是对传统的知识范式教育理论的一种颠覆。在知识观上,要求由传统的学科单一知识向学科交叉整合的跨域知识转变[5];在课程论上,要求从学科课程论转向活动课程论,即从由理论到实践的知识获取方式向实践到理论的知识获取方式转变 [6,7]。从根本上看,范式转换是革命性的,表征着世界观的改变:“接受一个新范式的科学家会以与以前不一样的方式来看这个世界” [3] 。 

基于工程范式的教学改革,重点要从以下几个方面入手:

1 细化课程目标

一门课程之所以要开设,理论上必须是达成专业培养目标和毕业要求的有机组成部分。也就是说,课程的教学目标要向上钩准专业的培养要求,并通过细化的课程目标来支撑。但现有课程教学目标更多的是从教材出发,是基于教材内容进行重点难点和教学目标的设计,甚至与专业培养目标和毕业要求脱节[8]。因此,非常有必要对课程目标进行分解细化。

传统的课程目标是以知识为主线进行分解设计的,对能力要求的描述比较宽泛,如有的课程目标确定为“能够灵活运用现代机械设计技术、计算机技术等方面的理论知识解决本学科领域中出现的实际问题并具备独立从事本专业科学研究的能力” [9]。而基于工程范式制订的课程目标,需要具有可教、可学、可测评的特点。以《机械优化设计》为例,课程目标分解为:

目标1:理解优化设计的基本思想,掌握优化设计的基本概念、基本术语及相关的数学基础知识,熟悉机械优化设计的一般过程。

目标2:掌握求解各种常见数学模型的基本方法、基本思路并实现程序编写。

目标3:具有根据工程实际建立数学模型的能力,能够分析选择合适的优化算法、编写优化算法程序,并了解优化设计软件的基础操作。

2 重构教学内容、变革教学方法

工程范式要求打破原有教材的内容及顺序重构教学内容,增强案例式教学、项目驱动式教学的比重,以项目或案例的解决过程为主线,通过项目贯穿教学来实现知识点的串联与掌握。如《机械优化设计》在原有经典优化理论与方法的基础上,追踪现代优化方法,例如遗传算法、神经网络算法、支持向量机械优化方法、粒子群优化算法等,结合学生情况,选择易于理解的部分现代优化方法,拓宽学生知识面,同时通过前沿内容的追踪来增强学生学习兴趣。

3 改革课程考核评价方法

考试命题要以教学大纲中课程目标的权重、课程目标对毕业要求指标点的支撑度为依据设计考试内容,在考查学生对知识的理解和掌握的基础上,重点考核学生分析问题、解决问题的能力。考试要注重学生的课堂表现和过程成长,通过多元评价方式将课堂表现成绩、过程成绩和期末成绩有机结合起来,多元评价中各部分成绩所占权重,由任课教师根据教学大纲和课程目标自主确定。考试试卷可以是结构性的,也可以是半结构性或非结构性的,其中结构性试卷,主要由单项选择、多项选择、计算、论述、材料分析等题型构成,尽量减少以考查学生知识记忆为目标的题型和题目;非结构性试卷是指考试目的明确、考点清明,没有统一规范的题型、标准答案和给分点的试卷,重点是考查学生运用知识解决问题的能力。

4 强化知识纵向及横向的连接

本课程的难点之一是数学模型的抽取与建立,而针对具体的机械设计的问题,基本都与机械原理、机械设计、材料力学等前期知识有重要关系,因此牢固的纵向前期知识是解决本门课程的前提之一。难点之二是优化理论及方法的实现,将思路与方法用具体的程序进行实现,进而才能求出最终结果。而程序实现过程就要加强学生运用编程语言的能力,因此在教学过程中必须将学生这一薄弱环节进行强化弥补。

5工程案例库补强

工程案例库的建设,是培养学生实践与创新能力的重要条件,是工程范式教育的核心内容之一。学生在掌握基本理论与方法后,需要利用完整工程案例来串接知识点、增加实践体验、进而形成工程应用能力。在教学过程中,教师从问题的提出开始,引导学生如何抽取数学模型,应该考虑的诸多问题,进而选择何种优化方法进行分析,如何进行程序的编写,最终结果是否合理的分析与判断。譬如,作为工科学生,经常会从实验中得到系列数据,如何对数据进行分析,数据按照某种公式拟合时其中的参数如何选择确定,以表1数据为例:

1中是不同力矩和不同刚度时某起重机上部一点的位移,位移与刚度、力矩可能存在下面的函数关系:

 

式中是未知的参数

代表不同的刚度值

代表不同的力矩

b为已知参数,如何根据所获得的离散数据拟合出位移关系,用所学知识解决该实际问题,我们就可以从该实际问题出发,首先解决数学模型问题,建立优化的目标函数:

 

式中DXij代表表格中离散位移值,进一步分析用哪种方法进行优化,什么方法适用于连续函数,哪种方法适用于离散取值,由此引入粒子群优化方法,进而在明晰原理的基础上,学生自行编写程序,最终实现参数最优值的获得。

1 不同力矩和刚度时获取的位移值

   力矩(knm)

Ki/k0

0

100

150

200

250

300

350

400

1

0.0400

-0.0133

-0.0400

-0.0662

-0.0928

-0.1190

-0.1456

-0.1723

0.9

0.0692

0.0164

-0.0103

-0.0369

-0.0631

-0.0897

-0.1164

-0.1426

0.8

0.1062

0.0533

0.0267

0.0008

-0.0262

-0.0528

-0.0795

-0.1056

0.7

0.1538

0.1005

0.0744

0.0477

0.0215

-0.0056

-0.0318

-0.0585

0.6

0.2169

0.1641

0.1374

0.1113

0.0846

0.0579

0.0318

0.0051

0.5

0.3056

0.2528

0.2262

0.1995

0.1733

0.1467

0.1205

0.0938

0.4

0.4379

0.3851

0.3590

0.3323

0.3062

0.2795

0.2528

0.2267

0.3

0.6600

0.6072

0.5805

0.5538

0.5277

0.5010

0.4749

0.4482

0.2

1.1026

1.0497

1.0231

0.9969

0.9703

0.9441

0.9174

0.8913

 

诸如此类,通过多个案例的分析与建立,强化学生研究与解决实际问题的能力,案例库应该保证多样化,如包含连续问题及离散问题、单目标问题与多目标问题、设计问题以及实验数据的处理等等,尽可能保证学生能力培养的多样性及全面性。

 结语

工程范式是有效解决工程教育中重知识传授向能力培养转换的一种教育理念。在这一范式的指导下,课程目标的指向是能力的培养而非知识的传授,并且这一能力目标既要基于专业培养要求来制定,还要遵从认知规律。在教学实施过程中,教材只是教学实施的主要参考,不应该成为课堂教学的主要内容;教学内容应该根据课程目标进行重构,将知识与能力、经典与前沿有机整合,实现新旧知识的衔接;同时,还要改革传统的教学方法,采用体现应用和探究特点的新的教学方法,实现知识向能力转化。

 

[参考文献]

[1] 林松柏. 基本工程范式的高等教育人才培养体系研究[J]. 山东建筑大学学报,2017,(02).

 

[5]吴婧姗. 基于集成的工程教育模式研究[D]. 杭州:浙江大学,2014.

[6] 丁良喜,曹莉. 应用型大学科研反哺教学可行性探索与优化建议[J].教育与职业,2018,(9)

[7] 施梅超,于婷婷. 基于能力导向的西部地方本科院校应用型人才培养教学范式转换路径探索[J].高教论坛,2016,(11)

[8] 蒿丽萍.《机械优化设计》课程研究性教学模式的研究[J]. 河北广播电视大学学报.2014,(6)

[9] 周枫林,廖海洋,余江鸿,孙晓. 面向应用能力培养的《机械优化设计》教学探讨 [J]. 机电产品开发与创新,2018,(6)

 

 

A Discussion of Theoretical and Applied Aspects of Engineering Education based on Engineering Paradigm

Wang Shengchun1  Lin Songbai2   Wang Xiaowei  Jin Tonghong1   

          (1  School of Mechanical Engineering, Shandong Jianzhu University  250101     2 QILU Normal University  250200 )

 

Abstract: Engineering education is putting more emphasis on the applied aspects, such as practical and innovational skills. Engineering paradigm is an educational model which effectively facilitates the conversion from knowledge to application. Based on this paradigm, engineering education should change its objectives by redesigning the degree requirements, the program structure and the course objectives. Specifically, for course instruction, the content should be redesigned based on the course objective to fill that gap between theoretical foundation and applied skills, and to integrate the classical and modern scopes of engineering. Meanwhile, the traditional pedagogical methods need to be replaced by the ones which encourage application and exploration, thereby helping students build up applied skills based on knowledge.

 

Keywords: Engineering paradigm, engineering education, redesign

 

 

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