创新与融合——麻省理工学院新工程教育改革概况及启示_丁潇颖.pdf

高等建筑教育 2023 年第 32 卷第 2 期JOURNAL OF ARCHITECTURAL EDUCATION IN INSTITUTIONS OF HIGHER LEARNING Vol.32 No.2 2023 doi:10.11835/j.issn.1005-2909.2023.02.004欢迎按以下格式引用:丁潇颖,李玮轲,赵致远,等.创新与融合 麻省理工学院新工程教育改革概况及启示J.高等建筑教育,2023,32(2):28-35.修回日期:2022-06-07基金项目:2021 年度河北省社会科学发展研究课题“城市代谢视角下河北省城镇生态住区建设模式研究”(20210301194);教育部产学合作协同育人项目“基于 BIM 的协同创新实践基地和社会服务平台建设”(202102234019);河北工业大学 2021 年度本科教育教学改革研究与实践项目“面向新工程的建筑学专业四年级设计课程教学模式研究”(202101011)作者简介:丁潇颖(1992),女,河北工业大学建筑与艺术设计学院讲师,博士,主要从事工程教育研究,(E-mail)568334000 。创新与融合 麻省理工学院新工程教育改革概况及启示丁潇颖a,b,c,李玮轲a,赵致远a,刘 磊a,b,c(河北工业大学 a.建筑与艺术设计学院;b.城乡更新与建筑遗产保护中心;c.河北省健康人居环境重点实验室,天津 300401)摘要:新一轮科技革命和产业变革向工程教育提出了新要求。面对产业发展需求,如何建立前瞻性的新知识、新技术体系,培养学生解决实际工程问题的能力,成为当前我国工程教育改革的当务之急。以全球新工程教育改革的领跑者麻省理工学院为例,对其“新工程教育改革”计划进行系统梳理,研究新工程教育改革原则,解析以“项目为中心”的串编课程体系,从教师、学生、社会力量的视角探讨工程教育的治理模式,并重点分析工程教育思维模式、工程教育实践、师生角色转变与校企融合等方面的创新举措,提出适合我国工程教育发展的建议,以期为新时代工程教育改革提供借鉴与启示。关键词:新工程教育改革;麻省理工学院;人才培养中图分类号:TU-4;G642.0 文献标志码:A 文章编号:1005-2909(2023)02-0028-08传统工程教育已不能完全适应以人工智能、大数据、物联网等为特征的新技术、新产业、新业态的快速发展。从工程人才培养方式来看,工程教育以理科教育思维方式为主;从工程人才课程体系来看,教学科研与实际生产脱节;从工程人才治理模式来看,行业企业对人才培养过程参与不足,工科学生缺乏真实实践环境1。因此,文章以全球新工程教育改革的领跑者麻省理工学院为例,系统梳理新工程教育改革计划的原则、课程体系和治理模式,并总结分析其在培养方式、教学体系、治理模式方面的创新举措,以期为新时代中国工程教育改革提供借鉴与启示。一、麻省理工学院新工程教育改革的原则新工程教育改革(new engineering education transformation,NEET)是麻省理工学院于 2017 年发丁潇颖,等 创新与融合 麻省理工学院新工程教育改革概况及启示起的一项教育改革计划。新工程教育改革最突出的特点是以项目为中心,通过跨学科、跨部门的合作,向学生传播和灌输新工程人才应具备的思维方式,培养学生成为未来的创造者和发现者,以缩短工程教育理论与实践之间日益扩大的差距,使教学内容能适应时代的发展需求。(一)面向新机器和新系统这里的“机器”和“系统”指的是工程师建造的所有内容,包括基础设施类、信息类、分子类、机械类和生物结构等。这些新机器和新系统与机器学习、物联网、机器人和自主系统、新型材料设计制造系统、智能电网、城市和城市基础设施、可持续材料和能源系统、人工智能驱动的医疗诊断和治疗等直接影响城市未来发展的工业产品密切相关。(二)创造者和发现者麻省理工学院指出,学生应准备好扮演创造者和发现者的角色,将基础知识作为未来从事实践类或研究类工作的基础。创造者指的是企业中的革新者 他们实际构思、设计、实施和操作,创造出具有价值的系统和产品。发现者是指未来从事研究和研发工作的人群 他们将创造新知识,增加我们对生活现象的理解。(三)最适宜学生的学习方式麻省理工学院推出的新工程教育改革主要围绕学生最适宜的学习方式建立,让学生更积极地参与课堂,更多地参与项目,创造性地发挥数字学习和专业经验的作用。(四)思维模式新工程教育改革的 12 种思维模式是专门为帮助学生适应科技快速发展而构思的,其具体内容如图 1 所示。为更好地将思维模式整合应用到新工程教育改革项目中,麻省理工学院的多位专家为特定的思维模式开发了独立模块,将其设定为项目课程。已开发的模块包括人文、艺术和社会科学学院、工程学院负责的道德模块、批判性思维模块,建筑学院与规划学院负责的创造性思维模块,图书馆负责的自学模块等。图 1 麻省理工学院新工程教育改革项目思维模式二、以项目为中心的串编课程体系麻省理工学院新工程教育改革的一个主要特征是以项目为中心的课程体系构建。具体的课程92 高等建筑教育 2023 年第 32 卷第 2 期 组织形式又被称为“串编”2,通过一系列与新机器、新系统相关的跨学科项目组织而成(图 2)。串编课程涵盖物联网、自主车辆和系统、智能城市和城市基础设施、大型数据分析系统、可持续材料、低碳能源系统等多个领域。2022 年的 3 个串编课程为:(1)自动化机器(autonomous machines),即机器设计、建造和机电系统、电子器件、软件、自主算法;(2)气候和可持续系统的 3 个类别。整合计算机科学和城市规划的新兴交叉领域的数字城市(digital cities),通过设计和建造绿色能源生产、转换、储存和传输系统来应对气候变化的能源转型(energy transition),研究适用于未来制造业的材料机器(materials machines);(3)生命机器(living machines),通过生物技术和医疗设备的广泛应用,发现、构建和设计生命系统。图 2 跨院系以项目为中心的串编课程体系新工程教育改革项目包括实验课程、传统讲座和客座演讲,向学生传授 STEM 知识和技能。学生在大二即可选择这些跨院系项目,并根据所在院系开设的课程继续学习基础知识。按照年级不同,项目的学习方式有所变化。在大二阶段主要以个人项目为主,到大三组成 35 人的小团队做项目,到大四加入更大的项目团队。在项目中,学生构思、设计、开发、实施和测试机器和系统,以解决实际工程难题。目前已有建筑学院、城市研究与规划学院、航空航天学院、化学工程学院在内的十个学院形成合作平台,各学院在不同项目中分别承担着主持、参与、协作或开发部分模块的任务。值得注意的是,以项目为中心的学习方法不同于丹麦奥尔堡大学倡导的基于项目的学习方法(project-based learning,PBL)。PBL 是一种教学方法,学生在上课的同时,通过参与一个项目来获得知识和技能。根据不同的培养目标,新工程教育改革项目主要分为综合项目(synthesis projects)和发现项目(discovery projects)两类3。在综合项目中,学生可根据自身对知识的理解来分析、计算、设计、创建和实验,以开发一个物理设备或机器,解决一个特定的问题(或一组问题)。一个综合项目通常有一个明确定义的范围、目标、终点或结论。在发现项目中,学生被教导识别新的研究领域、定义研究问题、设计实验,并思考他们需要遵循的道德准则。虽然“发现项目”可能有明确的范围或目标,但通常没有定义明确的终点或结论。通过综合项目或发现项目,使理论知识更接近现实,而不再是抽象的概念。同时,综合项目和发现项目在课程任务、课程组织形式、成果要求等方面存在差异(表 1)。从表 1 可以看出,综合项目更强调实践能力的培养,组织者设置的编程、竞赛等内容能充分激发学生兴趣和动力,与行业领袖的互动则让学生更多了解未来的工作角色和行业需求。相比综合项目,03丁潇颖,等 创新与融合 麻省理工学院新工程教育改革概况及启示发现项目注重培养学生跨领域跨专业的技术技能,如,计算机科学专业的学生进行细胞培养,而生物工程专业的学生帮助设计微流体装置。除此之外,学生还要掌握项目、团队、资源和时间管理技巧以及演讲、跨领域交流等技巧。表 1 综合项目和发现项目的区别对比表项目名称项目类型课程任务课程组织形式成果要求自动化机器项目AutonomousMachines(AM)Projects综合项目课程主要在大二、大三、大四的春季学期进行,在秋季学期开设了研讨会系列活动,保证项目的连续性大二:设计与制造:自主机器设计和制造一个半自主移动机器人,学会导航和操纵游戏板上的对象大三:机器人科学与系统学生在复杂机器人平台上设计和实施高级算法,使之灵活自主导航并与现实世界实时交互。最终要求学生集体研发功能齐全的自主系统大四:高级自主机器人系统学生设计一个自主操作的设备,满足既定的性能和可靠性目标,形成的产品能通过创业公司或现有的自主机器人企业向终端消费者出售大二课程设置智能汽车组装、智能汽车编程等内容,在项目末期安排一项实时比赛,要求学生控制汽车通过一个迷宫。同时,邀请行业领军人物参与一些课程和决赛,让学生与潜在雇主进行非正式的互动大三课程要求学生对四轴飞行器进行编程,使无人机在一个照明轨道上自动飞行大二课程主要通过周指标、周课堂作业和周物理作业的完成情况进行评估。周指标、课堂作业和物理作业与学生机器人设计的实践情况和编程等学习内容相关大三课程安排每周的实验练习(共 9 次),包括组装和编程一辆完全自主的汽车、机器人手臂或其他自主机器。这些单独的实验练习构成最终成果的基础架构。最终交付成果包括团队挑战提案、团队实施计划、团队 演 示 和 团 队 最 终报告所有学分项目和实践研讨都遵循麻省理工学院的评分系统生命机器项目Living Machines(LM)Projects发现项目课程包含多个短期项目,共需3 年完成大二:团队合作建立一个肠道微生态系统(体外肠道模型)通过文献阅读提出研究的改进建议。例如,改进设计或材料,添加额外的生物成分,或者提出创新性实验大三:开展两个学期研究,内容涵盖微流体到机器学习到干细胞生物学等一系列学科课程,目的是让学生掌握用于LM 高级项目的知识。除沉浸式研究之外,学生还需以小组形式开展小项目。如子宫内膜微生物组、饮食干预研究、肠道-淋巴微生态系统等大四:学生将结合前两年所学的全部知识,集成传感器、驱动器和精心设计的实验共同建立一个复杂的肠道微生态系统组织者在课程中设置了用于学校内部流通的 LM 货币,学生在参与项目过程中,可以用自己的想法换取 LM 货币,用于购置材料和必需品。为保护知识产权,学生可以为自己的想法申请内部专利。同时,他们还可以通过付费咨询(以 LM 货币支付)的形式联系志愿顾问获取帮助,这些顾问一般是研究所的教职员工、行业科学家、生物伦理学研究人员等与综合项目相比,发现项目没有严格的阶段成果评估。但学生需准备10 min 的课堂汇报展示研究进展。同时,组织者鼓励学生记录他们所有的计划、实验、故障排除程序、结果和结论,并对涵盖上述内容的课堂笔记进行评分所有学分项目和实践研讨都遵循麻省理工学院的评分系统三、麻省理工学院新工程教育改革的治理模式新工程教育改革是一项复杂的治理工程,包含的主体多元,涉及方方面面不同的治理职责。笔者对其中关键主体“教师、学生、社会力量”的关系和各自的定位与角色进行分析,以系统了解麻省理工学院新工程教育改革的治理模式。(一)教师在新工程教育改革治理模式中的主导地位教师是麻省理工学院新工程教育改革的实施主体。新工程教育改革涉及教学理念研发、课程体系构建与组织、教学评价、学生社群建设、服务保障等多方面教育教学要素,而教师在新工程教育改革中的主体地位主要通过上述要素体现。13 高等建筑教育 2023 年第 32 卷第 2 期 1.教学理念研发新工程教育改革教师委员会包含各个院系教师,其核心成员由工程学院领导构成。委员会