面向工程过程的工程教育课程体系探讨论文
原标题：面向工程过程的课程体系研究。
【摘要】培养适应和引领新工业革命人才的基本载体仍然是课程。工程教育改革的方向仍然是回归工程，回归工程的本质是课程体系要反映工程的真实过程。本研究建立了面向工程过程的课程体系，构建该课程体系的逻辑关系是工程生命周期、学生认知周期和在校学习周期的叠加。本研究发展了CDIO关于工程生命周期的划分，提出工程的生命周期应该划分为构思、设计、实现、运行、回收五个阶段。本研究提出培养新工程人才的课程体系应该包含科学文化、工程技术、信息技术、经济、管理、法律等六个领域。本研究提出了过程式课程体系的构建方法，按照简单工程、中等工程、复杂工程的顺序，围绕工程生命周期的每一个阶段，分别设计六个领域的课程，并均衡地分布到各个学期。
【关键词】新工业革命；新工程人才；工程教育回归工程；课程体系；过程式。
新工业革命初见端倪，世界各国都在为迎接新工业革命的到来做准备。首先要做的准备就是培养人才。培养什么样的人才，怎么培养人才就是我们必须超前思考的问题。我们必须培养适应和引领新工业革命的人才，但新工业革命尚未真正到来，我们只能预测新工业的形态，并据此来制定人才培养目标和设计新的课程体系。
无论新工业是什么形态，它也必然要遵循工程发展的规律；无论新工程人才是什么样子，培养他们也要遵循工程教育发展的规律。因此，我们依据专家对新工业革命的预测，依据对工程教育发展规律的研究，对如何培养新工程人才进行了思考。我们认为培养适应和引领新工业革命的人才的基本载体还是课程，但是传统的课程体系已经不能适应新工业革命的要求，培养新工程人才，必须要从建立新的课程体系开始。为此，我们对工程教育的课程体系进行了研究和分析，提出了面向工程过程的课程体系。
一、工程教育重要课程构建模式概述。
层级式课程构建模式（简称层级式模式）一般是按照公共课、基础课、专业基础课、专业课、专业选修课的序列构成课程体系。层级式模式的逻辑关系是学科知识体系。按照层级式模式构筑的课程体系因为与学科知识体系一致，反映了人类对科学规律的认知，有利于学生系统地学习本专业的知识体系。
模块式课程构建模式（简称模块式模式）是由若干知识单元组成一门课程，由若干门课程组成一个课程模块，再由若干课程模块组合成课程体系。模块式模式的逻辑关系具有多样性和灵活性，既可以是学科知识体系，也可以是培养目标体系，还可以是学习者的兴趣。按照模块式模式构建的课程体系因为反映了学习者多样化的认知过程，有利于促进学生的个性化发展。
过程式课程构建模式（简称过程式模式）是由若干课程构成课程组，由若干课程组构成一个课程体系。过程式模式的逻辑关系是工程的生命周期、学生对工程的认知周期、学生在校的学习周期。按照过程式模式构建的课程体系，由这三个周期叠加，形成一个螺旋上升的课程体系，既反映了人类对工程规律的认知，又反映了学习者对工程的认知过程，适应培养工程人才的需要。
二、过程式课程构建模式的逻辑关系分析。
1.按照工程生命周期构建课程体系。
在工程教育中，学习对象是工程，因此，过程式课程学习的是工程过程，即工程的生命周期，或技术的生命周期，或产品的生命周期。
CDIO工程教育模式把工程的生命周期划分为构思（Con-ceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）四个阶段。根据我们在工程管理专业教学改革的实践，我们认为随着绿色、环保、循环经济、再生技术等理念的兴起，应该再增加一个回收（Recycling）阶段，这样工程的生命周期就可以划分为 构 思、设 计、实 现、运 行、回 收 五 个 阶 段（CDIOR），这样的工程生命周期更加完整。因此，过程式课程就要以工程生命周期的五个阶段为主线来设置课程，每一个阶段都要设置一个课程组，这样就需要设立构思、设计、实现、运行、回收五个课程组，这五个课程组构成一个横向序列课程体系。
2.按照学生的认知周期构建课程体系。
人类对事物的认知总是从简单到复杂、从表面到内部、从现象到本质、从特殊到一般。学生在学习工程的过程中，也应该遵循一般的认知规律。
理想状态是先学习简单工程，再学习中等工程，最后学习复杂工程。当然这里的简单、中等、复杂都是相对概念。每次学习不同复杂程度的工程，都要包括工程的构思、设计、实现、运行、回收五个阶段。因此，每次学习至少要包括构思、设计、实现、运行、回收五个课程组。如果要学习简单、中等、复杂三个工程，那么工程生命周期的每一个阶段就要学习三次，例如，简单工程设计、中等工程设计、复杂工程设计，这三个课程组也构成一个纵向序列课程体系。
3.按照学生在校学习周期构建课程体系。
学生在校学习的周期是指各个学期，如四年制的八个学期。在八个学期内要从简单到复杂的学习三个完整的工程生命周期，因此，工程生命周期的每一个阶段都要多次学习，但是，每一次都不是简单的重复性学习，而是内容更加复杂和更加深入，体现了循序渐进、螺旋式上升的教学要求。
因此，每一次学习的学时学分都是不一样的。学生在校学习周期内学习的负荷应该保持均衡，使学时学分尽可能均匀地分布到八个学期当中去，这样才能构成一个完整的过程式课程体系。
三、过程式课程模式的科学性分析。
（一）工程教育改革的历史回顾。
美国工程教育自19世纪60年代创立，至今已有250余年的历史，其教育理念最初是注重实际的（技术范式），后来出现了强调实践与强调理论的分歧，工程教育模式发生了从强调工业实用向强调科学原理（科学范式）的转变，工程教育变得过于强调工程科学和理论的分析，而忽视了工程实践和工程设计。
到了20世纪80年代，工科毕业生的工程素质屡屡遭到行业企业的质疑，工程教育偏离工程实践带来的严重性渐渐地为教育界所重视。美国工程教育界开始对科学范式进行检讨和反思，提出了要“回归工程”的改革口号。在1994年，时任MIT校长的Charles Vest率先提出“工程教育必须更密切地回到工程实践的根本上来”.目前看来，美国“回归工程”并不是单纯的线性回归，而是在原有基础上的螺旋式回归，是同时注重工程与科学协调发展的回归，是为了迎接新工业革命所带来的系统、复杂、综合、全球化和绿色工程等新观念的回归。
相对于美国工程教育的发展历程，我国的工程教育发展历程更加曲折。我国在1952年进行了全国性的院系调整，成立了一批专科性的工科院校，这些院校注重工程技术和工程实际，培养了一大批工程技术人才，建立起了新中国完善的工业体系。改革开放以后，为了克服工科院校专业口径过于狭窄的问题，我国工程教育一边倒地向美国工程教育学习，不断加强科学教育。
1998年教育体制改革后，工科院校划归教育部门管理，大多数工科院校都向综合性大学转型，工程教育全面进入了科学范式的时代。这次改革虽然解决了高等学校条块分割的问题，促进了行业背景高校的发展，但同时也造成了工程教育与行业企业的脱节，更加剧了工程教育科学化的程度。
工程教育科学化造成的严重后果早已被我国工程界所重视，同样提出了工程教育要“回归工程”的呼吁。然而时至今日，我国的工程教育尚未回归工程。
2013年2月发表的一项对工业界企业雇主的问卷调查再次证实了我国本科工程教育严重偏离工程实践的现实。调查表明，高达93%的雇主认为课程偏离了工程实践，其中选择严重偏离的占19%;同时，有65%的企业雇主认为我国的本科工程教育课程改革的方向应当是“回归工程实践”.
那么，我国的工程教育要如何回归工程？是回归到过去的工程，还是回归到现在的工程，还是积极迎接新工业革命的挑战，回归到未来的工程？成为我国工程教育界必须面对和解决的迫切问题。
（二）过程式课程模式符合“回归工程”的本质。
从历史的进程看，世界工程教育大体经历了面向工程实践、偏离工程实践和回归工程实践三个阶段。从20世纪90年代以来，工程教育回归工程实践便成为国际工程教育界的主流趋势。然而，工程教育回归工程不是复原式的回归，而是螺旋式上升到新的工程观的回归。
Joel Moues1994年在“Engineering with a Big E”中指出“回归工程”这一理念的核心内容就是要“扭转工程教育过度强调科学主导、偏离工程实践的局面，使建立在科学与技术基础上的工程教育回归到工程实践之本来要义”.工程教育是由不同类型的课程来实施的，工程教育回归工程的本质就是课程体系要更加接近工程的真实过程，并符合新的工程观念。过程式课程模式是按照工程生命周期的逻辑关系来构建课程体系，反映了工程过程的真实过程，是完全符合“回归工程”的本质属性的。
从2000年起，MIT便联合瑞典的三所大学（Royal Technical University,Chalmers Universi-ty of Technology和Linkoping University）组成跨国研究小组，获得近2000万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念。
应该说，CDIO首次将工程过程的理念引入课程体系的构建，是对传统基于学科课程体系的一次颠覆性变革。这一变革的优越性，瑞典国家高教署2005年便加以了印证。他们采用CDIO的12条标准对本国100个工程学位计划进行评估，结果表明，新标准比他们以前的标准适应面更宽，更利于提高质量，尤为重要的.是新标准为工程教育的系统化发展提供了基础。
（三）过程式课程模式符合学生的认知规律。
按照不同的逻辑关系来构建课程体系，将会对学生认知工程造成不同的影响。为此，我们对按照学科知识体系和工程生命周期来构建课程体系进行比较分析。
学科是知识的集合，学科是自然科学的下位概念。基于学科知识体系的逻辑关系来构建课程体系，是世界各国高校长期以来一直沿用的课程体系构建逻辑。学科的基本结构反映了学科的逻辑关系，学科的逻辑关系实质是科学知识的内在逻辑关系。从自然科学类专业的课程体系构成来看，其课程名称可以就是一级学科或二级学科的名称。对自然科学类专业而言，按照学科的逻辑关系构建课程体系，基本上是反映了人类对科学知识的认知规律的。
但是，在今天的工程领域，单一的学科已经不能反映复杂工程的实际过程。这是因为工程学科是人们对工程进行认知后再加工形成的知识体系，已经对工程的实际过程进行了人为的切割。
如果仍然按照学科体系的逻辑关系来构建课程体系，就不能反映工程的真实过程，在学习了课程体系之后，如何将课程知识转换为工程实际过程，许多学生无法完成这个转换，给学生应用工程知识解决工程问题造成了困难。这是因为按照学科体系构建出来的课程体系并不符合学生对工程的认知规律。一般而言，学生对工程的认知是从简单到复杂，从现象到本质的过程，是一个综合的过程。而分学科来认知工程则是一个分析的过程，是工程师应用工程知识解决工程问题的过程。过程式课程模式按照工程生命周期的构思、设计、实现、运行、回收五个阶段，按照简单工程、中等工程、复杂工程的学习顺序，更加符合学生学习工程的认知规律。
（四）过程式课程模式的教育理论意义。
1.过程式课程模式是对教育重演理论的再现。
Kieran Egan在1979年出版的《EducationalDevelopment》中提出了教育重演理论（Recapitu-lation theory of education），该理论认为：“一个人的教育发展是一个过程；学生的学习过程其实就是对整个人类文化（而非只是欧洲文化）发展过程一种认知意义上的重演，也就是说现代人的认知发展是对他们祖先的认知水平长期演化过程的浓缩”.
大学生在校期间对工程的学习是否是重演了人类对工程的认知过程呢？从前面的分析可以看出，按照学科体系的逻辑关系构建的课程体系，并没有反映人类认知工程的过程，而只是反映了人类认知工程的结果。过程式课程模式则是从两个角度重演了人类对工程的认知过程，一是对认知工程生命周期的重演，二是对认知工程复杂程度的重演。
2.过程式课程模式对学科与课程的关系做了再思考。
约翰·S·布鲁贝克1978年出版了《高等教育哲学》，他指出了高等教育科学化的倾向，即由于强调高深学术中的理性因素，高等教育中存在着这样一种极为明显的倾向，即把所有学科都当作理论性学科来对待。因此，“学院和大学常常要么忽视实际学科，把它们当作理论性学科来对待，要么只对它们的理论成分加以考虑”.过程式课程模式重新认识了工程学科的属性，工程学科尽管也属于大学的高深学术，但不能过分强调工程学科的科学化，必须在科学化与工程实际之间找到平衡点。
另外，由于学校的“课程常常只是各门独立的学科的选集，各门学科之间的关系也不过是学院概览中的并列关系”,进而造成“学生有时对所有这些孤立的学科的总和意味着什么模糊不清”.
而过程式课程模式则是重新认识了学科与课程的逻辑关系，重新定义了课程之间的逻辑关系，使学生对课程体系整体意义有了清晰的认识。
四、过程式课程模式构建方法。
（一）构建过程式课程体系的流程。
传统 的 课 程 体 系 （ConventionalCurriculumSystem）构建流程首先是确定专业的培养目标，再确定其培养规格，即学生应具备的知识、技能、能力和素质，再配置若干门课程和若干个教学环节来实现这个培养规格，进而实现培养目标。
过程式课程模式对传统课程体系构建流程进行了改进，如图1示。
（二）构建课程体系的方法。
1.培养目标类型。
工程教育的培养目标（Cultivation Aims）主要是培养工程师。根据行业企业的需求，可将工程师的培养目标分为研究型（Research）、设计型（Design）、生产型（Production）、服务型（Service）等四类。研究型是指主要从事工程、产品的科学问题研究与探索，其工作场地以实验室为主。设计型是指主要从事工程、产品开发与设计，其工作场地以设计室为主。生产型是指主要从事工程、产品的一线生产，其工作场地主要在现场、车间等生产一线。服务型是指主要从事工程、产品销售及其相关领域工作，其服务的对象主要是工程、产品本身，以及工程、产品所面向或所服务的环境、人群，其工作场地相对其他三种类型工程师而言不那么固定。
2.培养目标矩阵。
培养目标是指学生在毕业后一定年限内，在能力、素质等方面应达到的要求。根据行业标准、执业资格等的要求，可将每种类型工程师的培养目标分解成知识（Knowledge）、技能（Skills）、能力（Competences）、素质 （Quality）等四个部分。
对于不同类型的工程师，培养目标这4个部分的要求是不一样的。由此构成新的培养目标矩阵，如表1示。
3.知识能力体系。
新工业革命的产业形态必然是工程技术、互联网、商业模式的融合，面向新工业革命的工程人才，必须构建与之相适应的知识体系。对于传统的工程人才来说这无疑是一个巨大的挑战，对传统的工程教育来说这是一场革命。新工业时代的工程人才，应该具备的知识能力体系包含6大领域：工程技术领域、信息技术领域、经济领域、管理领域、法律领域、科学文化领域。每一个领域可以由若干个知识点、技能单元、能力单元和素质单元构成。由此构成新的知识能力体系矩阵，如表2示。
4.课程组建设。
对于一种类型的工程人才而言，首先要分析一个简单工程，它的构思、设计、实现、运行、回收五个阶段，各自都需要用到哪些知识、技能、能力、素质，并检查是否是知识能力体系矩阵中所列出的，分别构建构思、设计、实现、运行、回收五个课程组，每个课程组可能由一门或若干门课程组成。
按照从简单、中等、复杂的顺序，依次构建课程组，形成三个课程序列。
课程组的形态可以是理论课程加上实践课程，最好是融理论学习和实践学习为一体的基于问题的教学模式PBL或基于项目的学习模式PjBL.PBL是以解决真实的开放性的问题为学习载体，注重思维方法和实际能力的训练，强调学生自主学习与问题解决，教师的角色是“教练员”.
PjBL是以完成项目为学习载体，要求学生以团队或小组合作的方式完成一个任务或产品，强调以学生为中心，进行学科交叉、协作学习、自主探究。
不难看出，无论是PBL模式还是PjBL模式，实际上都是一种基于过程的学习模式。在实施过程中，低年级的学生做初级层次问题和项目，高年级的学生做综合层次问题和项目，体现从简单到中等再到复杂的过程。
5.过程式课程体系。
把课程组的若干门课程均衡的分配到第1~8学期，例如，简单工程的5个课程组排在1~3学期，中等工程的5个课程组排在3~7学期，复杂工程的课程组排在7~8学期。这样就把按照工程生命周期和认知周期构建的课程比较均衡的分布到学生四年的学习周期内，形成了过程式课程体系结构见表3所示。
在过程式课程体系中，一些课程会在不同学期重复开出，课程名称虽然相同或相似，但由于处于认知周期的不同阶段，其课程的内容实际上是螺旋式上升的，学分和学时也不一样了。
由于把原来按照学科逻辑构建的课程拆分为若干个课程，可能出现知识的重复、或者知识的碎片化。知识的重复问题比较好处理，已经在上次学习过的内容学生自己复习就可以了。至于知识的碎片化问题，可以通过教材的系统性和完整性来解决，学生通过三次课程学习，并借助教材，可以逐步形成并完善自己的知识体系。至于一些不能纳入工程生命周期的课程，可以穿插安排在四年的学习周期内进行。
参考文献：
[1]NAE.The Engineer of 2020:Visions of Engineering in NewCentury,National Academies Press,May 2004.
[2]崔军、汪霞：《社会对高等工程教育课程改革的诉求研究》，《高等工程教育研究》2013年第2期。
[3][美]约翰.S.布鲁贝克着；王承绪等译：《高等教育哲学》，浙江教育出版社2001年版第107~109页。
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