适变能力、工程认知与敏捷教改
摘要：高等工程教育的人才培养理念需要从“知识配置观”向“适变能力观”转变，以跟进快速变化的产业环境。在大学期间进行更为频繁的工程认知训练，借助开放开源的项目式学习和弹性的支撑保障，能够激发学生潜能，使学生找到自主探索的方向，帮助学生完成从中学学习模式到企业创新实战的学习方式调整。敏捷教改方法论是教师团队实践适变能力观教学模式探索的一种能力保障，有助于教师通过更为动态化的教学服务和教学资源建设来实现教学创新，从而支撑面向适变能力的工程认知教育改革。
关键词：新工科，敏捷教改，适变能力，工程认知
基金项目：教育部腾讯产学合作协同育人项目“面向新生的工程认知及创新素质培养虚拟仿真实验”；北京邮电大学教改项目“工程专业认知与创新素质培养优秀教学团队建设”
一、背景
高等工程教育正面临如何应对快速变化的产业环境对教育的挑战。最近十年移动互联网、云计算、大数据和人工智能的热点更替，都曾引发专业领域的“用人荒”，并触发关于高等工程教育改革的讨论。而在教育界内部，对于如何应对产业需求的快速变化这个问题，人们一直纠结于两类不同的观点。有些人认为应该积极跟进产业界的发展，设立新的专业，让学生能够学到最新技术以适应产业需求。另外一些人主张应该让学生学习原有的基础知识，跟进产业变化看似美好，实则蕴含风险。学生入学时热点在A，毕业时热点可能是B，学生的发展前途得不到保证。这两类观点都有一定道理，但论证逻辑不同，各执一词，很难辩清楚是非曲直。
这两类观点看似差别很大，但它们其实可以被归结为是同一类“知识配置型”思维，即如果我们给学生配置了相关的知识，学生就能够解决相关的问题；如果我们没有配置相关的知识，学生就无法解决与之相关的问题。在知识交融变化速度如此之快的时代，“知识配置”模式的教育理念，无论怎样去作，都会面临困境。
既然当前时代特征是产业演进速度快，创新程度高，需要学生在未来形成应对复杂工程问题的综合能力和创新能力，那么人才培养方式就需要根据这样的产业需求进行调整，以适应这种快速变化的环境。因此，我们实践了另外一种教育观念，即高等工程教育应培养学生的适变能力，而非拘泥于研究如何为学生进行知识配置。适应变化的能力是一种综合能力，包含观察探究能力、自学能力、分析判断能力、交流沟通能力和创新设计能力等等，这些能力的形成需要借助于一些“复杂学习任务”，经历一定程度的“学习尝试”或“学习探险”，在一种相对不确定、相对不清晰的环境中通过频繁的探索和尝试来习得。在大学阶段提升学生适应变化能力，对于他们将来面对多学科多角色的产业实际工程环境时能够有所突破将会有很大的帮助。
在尝试建立以培养学生适变能力为目标的教学模式过程中，我们对教育改革自身的方法论也进行了反思，提出了教改敏捷化。这使得快速跟进变化不仅仅是一个目标或理念，还包含具体的方法体系，从而成为一种可执行可操作的行动。这种“关于教改”的教改，已经在北京邮电大学和一些高校进行了初步的实践，并取得令人满意的教学效果。以下将对这种教改中涉及到的概念、方法和实践案例进行介绍。
二、适变能力与工程认知
“适变能力观”意味着一种新的价值判断标准。在这种新观念下，教师培养学生自学能力和协作能力有可能比讲解具体技术知识点更重要，跨学科协作解决复杂工程问题的创新能力变得比考试成绩更有说服力。显然，价值判断方式不同，教学设计也会很不一样。
大学之中传统的教学思路是让学生在大学一二年级打下学习基础，而在大学三年级或四年级接触产业界，接触企业实践。这种“知识配置观”下的教学模式有三个弊端：首先，过于高估了大学专业知识体系与企业实践的衔接能力。大学课程体系以理论为主，至于如何将理论与实践进行衔接，在学校里的训练很少。学生对于如何应用已有知识处理工程问题缺乏自信。其次，过于高估了学生的记忆力。对学生的访谈显示，很多学生在考试几个月后就会忘记自己上个学期学过的大部分课程内容。因此，当在大学后期接触企业实践的时候，学生会产生强烈的陌生感。最后，反馈周期过长。现在很多学生在大学的早期无法意识到问题，在接触到企业实践，发现自身能力不足或基础不足时，已经接近大学旅程的终点，学生已经无法在大学期间对自己的学习和发展进行必要的调整。据一些企业反映，很多学生需要进入企业后再花费1～2年时间学习才能逐步适应工程环境。对于企业而言，这是很高的成本。[1][2]
与此相反，“适变能力观”主张让学生尽早接触产业环境，建立工程感觉。这样，学生在学习基础知识或专业知识的时候，就会有意无意的思考如何将理论模型与产业实践关联起来。不同的观念将带来不同的教学设计。例如，让学生在大一阶段就接触一些产业实践内容，在“知识配置观”下是不合理的，因为学生很可能什么都不懂。而对于“适变能力观”的培养模式，这是可以考虑的，甚至是必要的。因为“产业环境是什么样的”“接触到不懂后怎么办”“刚刚学到的这些理论在工程实践中是怎么运用的”“下一波产业创新焦点应该在什么方向”“我应该如何面向未来趋势进行创新”等等，才是真正需要学习的事情。
面向适变能力的教育并非意味着全部让学生自学，教师完全不提供任何支持。恰恰相反，在学习模式转换的开始阶段，教师需要作更多的工作来帮助学生完成这种自主探索能力与习惯的养成，例如，营造学习氛围，激发学习兴趣，选择合适难度的探索目标，引导学生掌握梳理知识体系的方法等等。与传统教学方式相比，这种学习模式最大的差异性在于强调探索，而既然是探索就有可能超出预定的边界，遇到各种各样的新问题。所以，这种教学模式中，教师不仅仅需要关注学生如何消化理解知识，还需要关注学生如何应对未知或不确定性。显然，这也意味着教师将会遇到来自学生的各种新问题，其中某些问题也会超出教师所能应对的能力范围。
值得注意的是，如何培养学生使其适应未来复杂变化的情境，渐渐成为下一波高等工程教育转型的重要发展方向。近年来欧林工学院、MIT等一些在高等工程教育改革方面相对领先的院校都在试图让学生在早期就开始接触工程创新，接触探索型的学习模式。[3]
对比图1给出的两种产学实践模式，就会发现，在适配能力观引发的教学模式设计中，学生接触企业实践的机会提前了。这里的企业实践并非是指去企业实地考察的暑期实践活动等类项目，而是接触到当前产业界真正推进的研发活动，甚至参与进去。例如，在信息领域，现在有大量的开源项目、开放API、开放文档和开发者社群，学生通过搜索引擎就能够很容易找到一线工程师的所思所想和经验总结。[4]所以，教师在教学中进行一些课程设计就可以非常便捷的实现这种衔接，并且远比大多数走马观花浮于表面的企业参观要好。在课程之中让学生理解这些实践的目的，是为了让学生能够将基础知识、专业知识和企业实践在几个月的时间周期内进行反复迭代的综合，通过各种各样的探索活动，不断发现他们之间的丰富联系。由于这样的反馈可以在大学四年内进行多次，学生的自我塑造过程就容易进行得比较充分，实践能力会得到提升，而基础知识的掌握也会在不断的运用中变得更加灵活。
图1 “适变能力观”主张尽早接触产业环境
持“知识配置观”的人可能会认为，工程也是一类知识，这类知识与基础知识、专业知识是类似的，仍然需要被教师以某种方式“配置”给学生。但需要注意的是，工程认知还意味着大量创造力活动，以及为了解决复杂工程问题的跨学科自主学习活动和协作学习活动。正如体育运动能够帮助消化营养，促进新陈代谢，强健健康体魄，激发拼搏精神一样，工程认知活动也会使学习者真正将所学知识融到自身经验体系内部，对复杂情境的应对能力变得更强，思维方式也将变得更加机敏灵活，学生所获得的学习意义感也会更多，其社会接触面也会更为丰富多元。
由于教学理念的变化，“适变能力观”视野下的教学设计会有很大的不同。那么，这样的课程设计和实施该如何开展呢？其教学改革过程又有哪些特点呢？下面我们结合一个新生工程导论课教改案例来进行阐释与分析。
三、工程导论课设计案例及分析
1.基于实验的工程认知。
实际工程往往表现为一个个项目。在工程认知的教育情境中我们可以设计一些项目式实验，并使其成为衔接基础知识、专业知识和工程训练的媒介。根据教学目的不同，项目式实验可以有很多种功能类别，以下略作介绍：
有些项目式实验以启发工程概念为目的，其陈述风格为：在某种场景中，人们会遇到某个问题，此时需要利用手边一些有限的资源来设计并搭建一个系统，来解决这个问题。而在这个解决方案中一个系统包含了哪些模块，我们将可能涉及到某几类技术或某些需要了解的知识与概念，并在我们的系统还有可能形成哪些变化等等。这种实验陈述风格可以帮助学生将技术、知识与应用场景衔接在一起，有助于工程意识和系统思维的养成。尽管我们并不打算给学生进行工程、技术、科学之间的概念辨析，在经历十几个甚至几十个这样的实验之后，学生也能形成较为朦胧的认识。
有些项目式实验以发展团队协作和拓展视野为目的。在一些复杂度高的实验中，学生各自负责一个功能模块并需要多人协同工作。通过这类实验，学生对于项目如何运作会有更深刻的理解。例如，在端到端系统实验中，大一学生需要完成一个气象站实验，同时涉及到移动端业务呈现、云端数据分析与服务和硬件端的传感检测与控制，来理解一个完整信息与通信系统的组成，这就需要他们以团队的形态来完成这样的实验任务。[4]此外，由于这样一个系统已经可以触达到云计算、移动互联网、物联网、大数据、人工智能等等新兴技术领域，与当前产业发展能够接轨，所以我们非常好奇如何能够在教学上将零基础的学生尽快引导到新技术产业实践的门口，使其初窥门径。
在新生工程认知课程中还安排了大量以认知专业基础知识为主要目的的实验内容。例如在信息与通信工程学科的学生培养体系中，学生将学习计算机、电路、网络等方面的专业基础课程。通过实验，学生可以了解到这些后续专业课中的一些代表性技术或关键概念，如微机类将让学生接触到数码编码、中断与睡眠、串口、I2C接口等内容，而在电路类则让学生接触到三极管、运算放大器、传感器、电感、电容等相关器件和实验，在网络类，学生将触及到TCP/IP、HTTP等实验。这样的实验引导，能够让学生对本专业的课程建立感性认识，也能够在较短的时间内，在微观、中观和宏观层面对不同类型的技术体系及其能够解决的问题形成一定的认识，理解其差异和依存。此外，工程认知中的实验部分和创新部分都需要一定的计算机编程能力作为支撑，主要涉及到C语言和HTML、Javacript语言，而这些计算机语言需要学生在实验中逐步摸索并自学。
上述这种面向新生阶段工程专业认知的工程导论课，有以下两个鲜明的特点。首先，所涉及到的知识量是极为丰富的。其次，其学习路径看上去是非常规的，甚至是反常识的。然而这样一个课程设计并非是理念或构想，而是已经运行了三年多的教学实践。在每届850名学生的实际教学中被证明是可行的。这门逐步丰富完善出来的新生导论课给学生带来了很大的挑战，却也得到了学生们的推崇。在近些年还有2.方向引导与能力激发。
从“适变能力观”的角度看，所谓变化就意味着存在不确定不了解和不熟悉的情形，只有超常规的发展获取知识、理解知识、加工知识、创造知识的一系列能力，积极主动的迎接变化，才能应对较为复杂的挑战，从而快速适应变化。
从大学四年的整体视角看，新生工程认知引导相当于对大学四年的学习活动进行一次大型预习。在入学初始阶段进行这样的引导，侧重点并非在知识的掌握，而在于激发兴趣、推进协作、引导方向、培养能力、促进反思，从而改变中学阶段由于长期应试教育而形成的被动学习模式，转变为大学所提倡的探究式学习和自主学习，在专业领域树立志向，并建立学习共同体。
工程认知导论课，一方面更接近于实际工程，另外一方面它也提供了一种大学其他课程很难单独提供出来的全局视野和总分关联视野。这些设计的目的是为了促进学生建立系统思维。系统思维的形成有助于学生在面对各类知识的时候形成条理，也有助于他们找到创新和探索的方向。导论课侧重宏观，因此在知识方面的介绍并不深入，如果学生深入掌握了某一个技术门类的知识，那通常是学生由于兴趣激发或创新需求而自主学习的结果，并非是教师进行“知识配置”的结果。
持“适变能力观”的教师会更关注激发学生兴趣、勇气和想象力的教学活动设计，例如在导论课中安排了30分钟的小组实验测试，以检验学生是否能对示例实验举一反三。这种测评允许上网查阅资料，鼓励组内合作讨论交流，但却让学生感觉新颖刺激。导论课还会举行一些创客马拉松，对接企业和实际需求，让学生在课程中就思考如何利用所学知识解决实际问题，在为期一天的时间内拿出解决方案和简单的原型实现。导论课作品展是一个新生创新嘉年华，很多学生说这是他们一生中第一次展示自己的作品，因此非常投入。这类教学活动为学生提供了足够强的冲击力和足够大的探索空间。感兴趣接受冒险和挑战的学习者，会激发出全部的学习潜能来应对这种面向未知的探索。这是在大学开始阶段最为期待的一种认知学习状态。所以尽管“适变能力观”导向的教育并没有刻意给学生介绍某些知识，学生在知识获取方面却总是有令人惊喜的各种突破。
3.弹性支撑与开放开源。
如果将工程认知导论课类比为一次探索知识丛林奥秘的探险之旅，学生类比为旅行者，那么教师其实就是当地的引路者。引路者所提供的服务，就是我们所要讨论的支撑。如果没有支撑，仅靠自己，大量零基础大一新生基本上无法完成这样复杂的学习任务。如果全部依赖于外部支撑力量，没有培养自己的探索能力，也必然无法到达探险之旅中的各个奇美景点。自由探索的过程之中，也完全有可能遇到人迹罕至的岔路，超越引路者的能力范围，无法充分满足探索者的好奇心或无法解决他们遇到的困难。
面对各种各样的问题，教师的回答模式是多样的，我们观察到有以下多种情况：秒回、必回、不回、直接回答、启发式回答、反问式回答、研讨式回答、请其他人回答、总结常见问题并发布等许多种回答问题的方式。不同回答方式的支撑力度是不一样的。所以从学生一侧能够感受到支撑，但这种支撑是弹性的，有时候可以依赖，有时候仅能借力，学生必须发展出自身的力量才能实现自己的探索目标。举例来说，新生进入到新领域的最初阶段，面对的是大量的“拦路羊”问题，连安装软件配置环境都有可能需要人指导。如果遇到问题，是连如何提问题的能力都没有的。新生彼此陌生，也没有形成相互讨论交流的习惯和氛围。容易遇到完全没有思路的迷惘而停滞几十分钟，如果不能及时解决问题，学生就容易产生沮丧的心理。这就需要答疑团队拥有高度的同理心和耐心，来帮助他们建立最初的基本概念和集体氛围。随着实验学习的深入，学生遇到的问题也日益复杂。如果没有掌握一些调试分析方法，并对系统形成一定程度的理解，就根本无法解决遇到的问题。这个时候，就需要一步步探讨调试策略，分析阶段性的反馈信息，表现为一种研讨式的回答。
导论课的基本理念是“开心开放开源开创”。一些大型的开放开源系统自成生态，既是丛林，又有大量的引路人和旅行者，这些人也乐于将自己的探索分享在互联网上。例如互联网系统本身就是最大的开放开源技术平台。由于开放开源，所以初学者很容易根据自己的设想修改代码来形成一些探索尝试。由于尝试，很可能会出错或遇到某些新问题。而大量的错误都能够通过搜索引擎找到解决问题的方法来作为参考，非常方便自学者的探索。从这个意义上讲，互联网平台是最好的产学合作对接平台，类似于有数以万计的工程师在线提供支撑，辅助老师和助教的引导工作，帮助学生建立起工程认知最初也最为关键的几步。
4.敏捷教改与路径探索。
快速适应变化并非仅仅在学生这一端。事实上，组织实施这种创新性很强的教学项目，教师一直在进行着探索尝试与持续改进。在教学改革过程之中借鉴软件工程中敏捷开发的方法，可以使得教改推进变得更具效率。
参见图2，敏捷教改方法包括以下四个基本工具：
图2 教改敏捷化
（1）组件化。即将大的教学内容分解为多个相互联系，也可以独立实施的小型内容单元。
（2）关键难点评估。组织学生、助教和教师对一个课程中相对较难的教学单元进行评估，对关键难点进行重点优化，而对相对容易的教学单元投入较少的时间资源。
（3）短训化。组织灵活的短训，邀请学生进行教改体验，并对实施结果进行评估。
（4）迭代式开发。采用迭代、循序渐进的方法进行教学单元的设计、实施、评估与调优。
在这四个基本工具中，组件化、短训化和关键难点评估的联合使用可以显著缩短教改周期，而组件化、迭代式开发则是提升教改质量的有力手段。如果我们可以将小型教学单元的颗粒度分解到比较小的时间段，例如15分钟，那么在一天的时间内可以组织多次的内部测试和调优。而当优化了足够多的教学单元之后，就可以开展一些学生自愿报名参加的短训项目来对课程进行接近真实课程的测试与调优。而在真实课程期间，借助于敏捷教改手段，也可以快速对问题进行分解与快速响应，并将课程进行迭代完善。
敏捷不仅仅是一种流程，也是教改实施团队的一种“适变能力”。以敏捷教改能力为支撑，教改团队可以进行更为丰富的教学路径探索，主动应对来自学生、课程、学校和产业环境等多种教学的变化和挑战，形成对教学的持续改进。
专业工程导论课这样一种课程模式，需要将散落在大学四年许多门课程的知识体系整合在一起，在刚刚开始的第一学期让学生进行体验、学习和了解。这门课内容跨越度大，学习方式多样，学生基础薄弱，因此一直以来被认为是教学设计领域的难点课程。但从创新角度看，这门课允许作的教学尝试空间大，优化方向多，非常适合进行“教改的教改”。在过去三年，我们依托敏捷教改方法，在自主学习、多校协作、创客活动、端到端系统、社团活动、慕课建设等方面开展了许多种教学改革，这些改革有些是优化教学支撑服务体系，有些是优化课程内容体系，有些是优化教学评估方法，有些是为了激发学生兴趣，通过有针对性的试探和调优，使得课程本身保持着持续进化的状态。我们认为，在能够保证课程顺利实施的基础上，“适变能力观”视野下的教学改革中应当有鼓励冒险和求新的部分。例如，在2018年9月针对850名零基础的大一学生，我们尝试了在新生导论课的第一堂课中引入一个新的教学挑战，即尝试带领学生完成一个最小端到端系统实验，这个实验包含物联信息采集终端（用Arduino实现）、微信小程序前端、服务器（采用Node. js+Express）、数据库（采用MongoDB），并需要把这些系统打通。这种反常规的教学设计有其背后的设计出发点，本文并不打算作深入讨论。从教学实施的结果上看，这样一个“学习探险”，同时也是一次“教改探险”。在挑战了学生的学习能力边界的同时，也挑战了教学团队的支撑能力边界。学生阅读教学wiki的次数为人均40次，在QQ群提问的次数为人均30次，达到了历史最高值。而助教回答问题的频次在人均1500次，也达到了历史的最高值。正是这样的近似于“压力测试”状态的教改尝试，使得教改团队能够观察到常规教学中所无法发现的可优化空间，为下一轮的教改路径优化提供了方向和参照。
四、进一步讨论
未来十年，高等工程教育将是一个不断变化的十年。以下一些因素将使得“适变能力观”的教育变得越来越重要。首先，社会需求在变化。来自国际格局、经济发展、技术进步、产业调整、人口分布等方面的变化因素越来越多。其次，学生情况在变化。中小学教学的变革步伐加速，中小学的STEAM教育日益普及，学生能力发展的个性化程度日益扩大。最后，大学也在变化。全球工程教育领域也在积极探索、尝试和变革，国内“以本为本”“新工科建设”“工程专业认证”等政策的推进也将使得大学的教学模式和课程思路发生变化。如何在变化的环境中调优，形成教学方面的逐步改进就变得极为重要。
工程认知是一种帮助学生逐步形成“适变能力”的高等工程教育基本组件。学生在进入大学之前，所面对的是大量标准化的课程内容与测试考试。学生进入工业界以后，需要大量的协同配合，并独立完成各种陌生的、颇具创新挑战工程任务。因此，从这个维度上看，大学意味着学生的学习模式转型。学生将从被动的知识消费者转型为主动的知识生产者。这个过程不可能一蹴而就，学生会遇到方方面面的问题，这就需要设计一个“脚手架”来帮助完成这样的转型。工程认知类型的课程能够帮助激发学生的主动性，为学生提供一些探索的方向，并进行弹性的支撑，因此可以提升学生探索“能力转型”的成功率和效率。这样的教育更看重学习行为表现以及行为背后的思维意识养成。工程认知中的大量实验和创新活动，可以帮助学生建立起系统思维、计算思维、分析思维、批判式思维和创客思维；自学的过程能训练提升学生的个人能力，如判断力、自信心、自控力、抗压能力、灵活性等等；集体合作完成实验、完成创新有助于同学们发展人际能力，同一宿舍组队使得学生们关于学习方面的人际交互更为频繁，表达、倾听、交流的机会也更多；开源开放的协作方式能够进一步感受到集体协作在创新过程中的意义。
从某种角度看，教师具备敏捷教改的能力是上述教育理念的基础。相对于传统模式的教育，“适变能力观”触及到的教育问题更深刻也更全面，可以开拓探索的未知空间更广，冲击力也更强，更能调动起教师的好奇心和探索兴趣。作为专业技术背景的教师可以共同协作来讨论如何促进学生多角度多元化的发展，在这个过程之中自然而然需要学习许多关于心理学、教育学、认知科学方面的观点，并对信息服务等相关体系进行自主设计与调优，有许多跨界创新工作要作。与学生一样，教师也需要聚焦于当前的情境，培养自身的设计思维、系统思维和创意思维来解决所遇到的新问题。学生在成长过程或创新探索过程中的喜悦也能够极大的激发起教师发自内心的喜悦，而乐于投入其中。因此，这种教学模式的创新过程是自发的，教师的敏捷化探索也是自发组织的。这种内在的活力，能够帮助敏捷教改团队自然而然的成长和发展。
作者： 北京邮电大学 纪阳 吴振宇 尹长川
来源： 《高等工程教育研究》2018年第06期
新生工程教育问题与引导方式创新
摘要：新生工程教育问题是指如何从大一阶段就开始引入工程教育，发展学生的自主学习能力、实践能力和创新能力，并使学生能够对工程与专业形成概貌认识。专业导论课是高校工程教育的开始，也是新生工程教育的重要切入点。需要根据大一阶段的学生特点，在导论课的引导方式方面进行创新，为学生提供包括成长引导、知识引导、实验引导和创新引导在内的综合化的引导。这种创新型导论课为学生提供一种体验式、项目式的学习方式，能够发展自主学习、合作学习、交流沟通、设计创新、动手实践等多方面的能力。
关键词：新生，新工科，自主学习，以学生为中心，导论
一、问题的提出
我国工科本科生的课程体系一般是：大一公共基础课、大二专业基础课，大三专业课，大四专业课与毕业设计。[1]这种课程体系延续了几十年，为国内高等院校广泛接受，但也存在一定的问题：学生在大学后半段才能够建立起较为系统的工程认知和专业认知，动手实践能力的发展较晚。很多学生到大四的时候对自己的工程能力和专业水平缺乏信心。从学生角度，对其就业选择会产生不利的影响；从国家角度，这样的人才培养结果不能高效支撑新兴产业的发展。
学生的工程实践能力养成与专业方向认知需要一定时间的训练作保证，这是工程教育的基本规律。然而上面谈到的工程教育问题实际上是一个结构性问题。如果这个结构不改变，意味着即便进行双创教育、新工科等各种教学改革，大量与实际工程能力有关的新内容还是会安排到大学三、四年级。各种优秀专业内容对学习时间的竞争将变得更加激烈，而学生的能力提升程度则仍然值得存疑。考虑到学生在大三大四阶段，还有诸如考研、出国、实习等需要应对，因此在这个时间段，学生一方面希望接触工程实践知识，一方面又无法真正投入时间。这是当前工程教育的一个困局，必须引起足够的重视。
显然，如果在大学一年级就能够开始工程训练，使学生对工程和专业建立认知，那么学生在毕业时的实践能力水平就会大不相同。但是为什么长期以来工科大学不进行这样的教学安排呢？前述课程体系的背后是一个普遍持有的常识性逻辑，即公共基础理论、专业基础理论、专业课构成了一层层的基础依托关系。学生只有认知了学科的理论基础，才能在上面建设专业的上层建筑。
然而，这样一个“常识”却并非无懈可击。首先，有大量的专业课程并不符合上述这种“层层依托”的逻辑。专业课往往针对于实际工程问题，其中有很多必要的知识并不需要以公共基础课作为支撑。例如在电子信息学科中，TCP/IP、HTTP等一些网络协议相关内容，是非常核心的技术，但不一定需要高等数学等理论作为其理论支撑。计算机相关如操作系统、软件编程等也类似。这些内容如果能够早一点提供给学生，将更有利于他们理解系统和专业。其次，这种课程体系也并不利于培养工程思维。从工程认识论角度，工程师往往是从真实工程问题之中找到科学或技术的发挥空间，继而完成在工程之中的创新。这其实也是更值得在工程教育中引入的教育思想。[2]目前，国外一些大学的工程教育改革，已经开始直接从实际的工程问题入手。例如英国UCL的集成工程计划IEP[3]，在新生一入学就设置了工程课程，持续五周，学生要花四周的时间来获取一系列知识和技能，并将其应用于为期一周的密集型设计项目中。其目的就是为了引导学生从工程实践中体会到工程应当处理哪些问题，继而合理安排自己未来的学习。这就使得工程教育与科学教育形成显著的区别，也意味着工程教育从科学范式向工程范式回归，代表了工程教育发展的一种新的方向。再次，这样一种课程体系从前后衔接角度看比较低效。学生在中学就已经建立起对数学、物理等基础理论的认知，但对于工程是什么，学生是缺乏了解的。当前工科教育从理论学习过渡到工程实践的时间过长。学生在大三大四阶段才有机会接触一定规模的工程训练。由于时间太短，学生如果找到兴趣方向，来不及深入；学生如果意识到自身能力或知识方面的不足之时，也来不及补救。这样就错过了在大学黄金时期发展自我的机会。最后，这样一种教学安排忽视了学生的自主学习能力。如果访谈那些工程能力比较强的毕业生就会发现，他们并没有按照学校的课程安排亦步亦趋。出于兴趣，他们往往在大一的时候就开始了自学与摸索。对于这些同学，动手实践如果遇到了问题，就围绕解决问题来进行学习。如果学习过程中遇到障碍，就通过社群的力量寻找帮助。这样的学生会逐步形成更为广阔的视野和灵活应对问题的能力，在未来的工程创新实践中会更加具有优势。
这样看来，在大学一年级进行工程与专业教育还是存在着可能性的。那么应该如何去设计大学一年级工程教育的课程体系与培养目标呢？当前情况下应该如何组织新生工程教育方面的教学呢？在新工科教育的大背景下，新生的工科教育能够有哪些创新呢？在大一开展工程教育，是怎样一种利弊得失呢？这些就是新生工程教育问题。
北京邮电大学信息与通信工程学院从2015年开始探索新生导论课的升级改造问题。2016年，学院以必修课形态面向全院约840名新生，推进面向提升学生自主学习能力、团队合作能力、实践动手能力、创新创意能力、展示交流能力的新型导论课，并组织新生创新作品展，初步形成了一种创新型导论课的教学范式。2017年，北邮与中国移动、华为、海信、亚信等公司进行对接，组织了多次新生创客马拉松，新生在学习潜力和创新方面的优异表现得到了业界的认可。2017年，北京高校电子信息类专业群的相关学院和教师成立了导论课虚拟教研室，共同推动院校在新生课程方面的共享与开放。2018年1月，信息技术新工科产学研联盟成立了“工程专业认知与创新素质培养工作委员会”，有百余家大学参与到这个工委会，表现出对新生教育改革迫切的参与愿望。2018年4月，北京六所高校对接腾讯云，在新生中进行了校际协作学习的“燎原计划”，基于实验和实践创新，对“云、移、物、大、智”等新兴产业方向进行体验与了解。陆续的，全国一些院校也将展开这方面的尝试。在这样的背景下，对于新生工程教育的理论、实践、理念与方法的研究与分享，变得更为迫切。
二、大一新生的特点分析
大学第一年是大学本科四年学习生涯最为关键的一年，对学生的影响至深至远。大一阶段学生是独立生活与自主学习的开始，也是建立新的人生目标、形成人生观价值观的关键时期。
首先，这段时间的生活与高中大不一样：很多同学会面临环境气候迥然不同、生活各方面都需要自理所带来的不适应以及面对宿舍生活中人际关系方面的不适应。
其次，这段时间的学习与高中相比，也有很大变化：高中学习目标明确，对老师和书本依赖性很强。而在大学，教师与学生接触时间少、学习节奏快、涉猎内容多。很多新生依旧保持着高中的学习状态，勤奋认真，对成绩与排名也比较重视。但从成长角度看，多数学生基本上围绕老师的指挥棒来学习，出于自我塑造的目的进行自主学习的学生比较少。
随着对大学最初生活的逐步适应，属于自己支配的空闲时间开始多了起来。如何更有意义地利用好这些空闲的时间呢？学生对意义的拷问自然会催生另外几个关键问题：自己未来的目标是什么？大学期间应该怎么做才能趋近那个人生目标？寻找这类问题答案的过程，可以看作是学生建构自身人生观与价值观的一次重要的尝试。目标对于大一学生的生活状态和学习状态都会产生影响。有些同学在高中之前学习目标很单纯，就是考上一所好大学。考上大学以后，家人和老师的管束从身边消失，旧的目标已经实现，新的目标并没有建立起来，自控自制能力也没有形成，就开始在宿舍里打游戏或看连续剧消磨时间。严重的还会导致退学。还有一些学生虽然并不会玩物丧志，但却不知道如何树立一个比较合适自己的未来目标，从而陷入迷惘，学习也不在状态。
从脑发育角度看，大学一年级新生大多数的年龄在17—19岁，尚处于青春期大脑发育期，人在这个时候，大脑各个区域和回路的连通增强，使得学习能力迅速提高，思维敏捷、记忆力好、想象力丰富，具有强大的适应能力。另外，也更容易冲动，感性思维活动更多。这个时候最为重要的教育活动是帮助学生树立志向。如果学生找到目标和切入点，就会极为投入。这段时间也适合以学习共同体或工程共同体的方式，提供促进学生协作发展与交流沟通相关的社会情绪能力，对于其一生的幸福感都会很有帮助。[4][5]
三、大一的工科教育现状
学生在报志愿的时候，对本专业充满期待与想象。进入大学后，大一新生对专业前沿有关的内容充满好奇心，对创新活动往往也跃跃欲试。但大一的课程却并没有与之呼应的安排，涉及到工程或专业技术并引导学生进行动手实践创新的主干课程非常少。
也有学校为新生安排了工程导论课，并邀请资深教授进行教学，希望能帮助学生了解整个学科的体系，了解学校在科研领域的成就。也有学校会在大学一年级带着学生进行企业参观，了解工业界。这些课程在很大程度上调动了学生对于专业方面的好奇心，激发了他们对专业的自豪感。但由于许多专业名词听不懂，后期跟进的专业课在大学三年级才进行，所以经历过导论课之后，大一学生对于专业知识或工程实践的认知仍然模糊不清，无法马上产生行动，对多数学生的实际影响比较有限。
四、专业导论课的引导方式升级
当今世界，技术革新的周期越来越短，产品创新的活动也越来越频繁，人类的知识总量在快速增长，这种现象在电子信息领域尤为突出。这意味着如果大学生希望在产业格局的前沿领域有所作为，就必须成为一个善于应对各种变化的终身学习者，一个善于摸索探究的自主学习者。在前沿创新领域，需要面对更为复杂的产业环境、大量的不确定因素，建构出新产品、新技术去进行实验来求证自己提出的假设。这种情况下不可能依赖老师和教材，良好的自主学习能力将是面向复杂工程问题进行创新的前提和基础。既然学生将要面临的是这样的一个未来，那就需要从大学的起点开始就提供与之相关的教育，帮助学生逐步建构起专业方面的自主学习能力。从这个角度审视当下的新生工程教育，就会看到，无论从教学方法、教育理念、教学环境，甚至还有教学内容，都需要进行系统的改革，才能适应人才培养的需求。专业导论课是高校工程教育的起点。此前，专业导论课作为引导性课程，主要功能是在专业学习进入正式内容之前，概述其核心思想、结构、主要方法、来龙去脉，以及该专业社会功能和意义。导论课的综合交叉性很强，其内容涉及到学科的各个领域，也涉及到专业方向的前沿。导论课需要授课者有广博的专业知识，并能够引发学生的学习兴趣。在新的人才培养观下，需要对导论课进行升级改造。仅仅实现知识引导是不够的，更需要综合考虑学生的成长需求，以及实践能力、创新能力的培养。这就需要导论课在引导方式上有所创新，升级改进，形成包括成长引导、知识引导、实验引导和创新引导在内的综合性的引导，帮助学生逐步建构起新的能力体系。
1.成长引导。
尽管新生对专业或未来的认知几乎为零，但在思考成长与未来等相关问题时，专业是一个不可能忽略掉的参量。
专业导论课在新生成长过程之中能够预期的作用包括：转变学习方式、激发专业兴趣、学会团队合作。
目标与方向的寻找对于大一学生来讲非常重要，只能靠自己来完成，别人无法代劳。如果学生不能很快找到适合自己的目标，就容易陷入迷惘而怠惰不前。这种情况下可以建议大学生将“成为一个专业领域的自主学习者”作为备选目标。
提出这样一个建议的理由是，在大学期间提升自主学习能力，学生将终身受益。而且围绕专业领域进行一些尝试，有助于逐步找到自己更感兴趣的研究方向或更适合自己能力发挥的职业方向。此外，有了新目标和切实的行动计划会帮助大多数同学缩短迷惘期，就能够在新环境中逐步发展出自驱力来。
宏观来看，创新型导论课是一种体验式的学习，即在正式学习之前，先让新生对后续学习进行一次浓缩的体验。这种体验很像孩子们在认知科学体系之前，先在科技馆里玩耍，与各种展品进行自由互动。这种教学模式对过程中涉及到的知识可以不求甚解，重点在于引发学生产生继续探究的兴趣。与之有所不同的是，学生在创新型导论课中，不仅仅体验技术与知识，还在体验自主学习、团队合作、创新过程、展示交流、学以致用等过程以及自我意识在过程中的发展变化，形成新的元认知体系，并因此能从能力塑造角度认识自己的学习需求与努力方向，意识到“学会学习”的内涵，从而转变学习方式。
面向新生的创新型导论课的应当是形式丰富、轻松活泼的，容易让学生感受到亲和力。其难度的设计应当是能为学生带来一些挑战，也能让学生产生征服困难以后的成就感。
因此，在专业导论课的学习环节中，通过专业领域的研讨、实验、创新与分享，能够让学生体验到一种亲历感，并能够共同完成任务，建立起合作学习的氛围。
“独学而无友，则孤陋而寡闻”。自主学习并不是自我封闭的学习，与同学的切磋与讨论，才会有思想火花的碰撞，才会相得益彰。导论课中应当尝试为学生建立小组学习探究的氛围。借助大量趣味化的实验项目、创客马拉松与创客嘉年华，可以使合作学习的氛围在一入学就得到自然的培育。新生以团队为单位来完成实验、讨论、构思、创新、制作、调试、展示、交流、考评等各种任务，有助于合作意识的培养，而这是“听讲—看书—做题考试”类型的课程无法提供的。
此外，还需要通过榜样的力量来引导成长。有成就的学长、教师、工程师或企业家在学生早期成长过程中往往会起到榜样作用。在平时的在线答疑过程中，高年级学长对低年级新生形成了示范，同时也有兄弟姐妹般的友谊得以建立，对于个性发展颇有助益。在组织开放化的创新活动中，他们与大一学生进行面对面肩并肩的交流与协作，可以实现潜移默化的影响与熏陶。
2.知识引导。
导论课为学生在专业知识的海洋中漫游提供了启航点。尽管只是选取部分知识点进行体验，但需要考虑很多因素。例如知识点是否有代表性，对知识类别的覆盖程度如何，是否有利于学生自学，是否有利于后续创新，是否有利于学生建立起端到端系统的概念等等。
教师需要考虑将各种类别的课程与知识体系置于一个系统之中进行阐述，这样容易让学生产生宏观的图景，甚至也能对复杂的知识点进行归类，这一点非常重要。否则，学生将面对的是大量的、碎片化的知识，也看不出彼此的关联。
知识引导实际上还包含了对大学期间多种学习方式的体验，这将有利于促进学生转变学习模式。在面向自主学习的导论课中，需要引导学生阅读学习资料、动手实验、小组交流讨论、调研相关领域进展、构思设计创新作品、技术实现、测试验证、分享展示与交流等学习活动来进行学习与探究，对未来四年所要学习的技术体系形成一个初步的、感性的认知。面对大量从未接触过的知识，学生一时不懂也很正常，但在实验中试错、生惑与交流的过程，是一种更有意义的知识建构过程，将有利于学生后续的学习。由于导论课涉及到的学科概念很多，部分学生单纯依靠听课或维基上的概念介绍还不能完全消化。此时，慕课将是一种比较好的方式，学生在进行实验或创新的时候，如果遇到不懂的概念，可以通过反复观看慕课来加深理解。此外，还可以通过概念图或思维导图来引导学生整理知识体系，鼓励想象、发散与关联，让新的知识能够与已有的认知形成关联。
教师主要的工作将迁移到设计学习内容、设计实验、组织教学答疑支持、规划创新方向、组织创新活动等方面，但课堂的教学仍然非常必要。通过老师结合案例进行深入浅出的讲授，学生可以对本专业的知识体系有一个宏观的把握。一方面，听课仍然是学生最为习惯的学习方式；另一方面，此时学生的自学能力并未建立起来，还很难独立从一门门侧重于原理的课程里窥探到完整的系统，需要老师通过讲解来进行引导。
维基（wiki）是一种采用Web2.0模式对知识点进行组织的互联网内容形态，可以引入教学资源建设的过程之中。例如，在北邮所作的新生导论课中，利用火花空间上的维基版块，教师可以将分散在十几本教科书中的知识点形成知识库，还可以与外部的知识库形成关联，并建立知识图谱。[6]在实验或项目的描述文字中，嵌入相关知识点的链接，就可以让知识点与应用关联在一起，让学生可以清楚的感受到一个概念或知识点如何在具体的应用项目中被使用。如果学生对某个领域的知识感兴趣，也可以深入拓展，自己查阅更多的相关知识，丰富自己的认知。
课程维基中，大量的概念在文章中通过内链或外链彼此关联，可以为学生提供更为清晰的知识与知识之间相互关联的引导。维基的协同编辑功能也是其重要特征，这使得其知识承载动态可演化。学生也可以参与丰富知识库的工作，从知识的消费者变为知识的贡献者。例如，修改或完善课程维基，使之更加适合于初学者的需求，这本身也是一次很好的建构知识体系的体验。
3.实验引导。
实现“做中学”，实现团队学习与自主学习，培养动手能力，建立对实际电子信息系统的深入理解，需要借助于实验来完成。通过触摸实际的电路板与元器件、在实际的云平台上进行开发、通过自己开发的手机程序访问真实的数据、通过程序测试真实的网络协议交互过程等等，会让学生感受到成就感，也会极大的激发他们的自学兴趣和对专业相关领域的探索欲望。
在实践中遇到困难求助求教的时候，学生会感受到来自老师、同学、学长的关心与指导，也会感受到创客社群文化的魅力。而克服困难通过自学完成实验的过程，会让学生感受到前所未有的成就感。
“工欲善其事，必先利其器”。在信息化时代，学生获取信息的手段已经不再局限于课堂和书本。大学新生对于网络上专业领域的技术资源和学习资源通常也并不了解，在导论课中，可以通过实验内容适度引导学生利用互联网来学习一些技术或学科相关的理论知识。
实际上许多的理论发现都是来自于实验过程中的灵感。通过实验试错来驱动学习和创新，本身就是一种很好的学习方法。这种训练在高中时候是很少进行的，但在大学以后将越来越多。
4.创新引导。
引导学生进行创新，学生自然会考虑如何对所学知识进行灵活的运用，而对创新目标的渴望也将引发他们进一步的学习动机。
以往，限于技术与学识，新生往往是校园创新竞赛与展示活动的旁观者或局外人。然而，得益于开源文化和开放系统互联的理念，新人可以得到大量的学习资源，并在其基础上进行微创新。开源本身就是一种重要的创新方法。在北邮大一新生导论课的教学中，教师引导学生将自己的创新作品在课程教学平台上进行展示，并将代码在Github上开源，建立回馈开源社区的意识。此外，学院单独为新生提供一个专属于他们的展示交流平台，即导论课创新作品展，类似于专属于新生的创客嘉年华，让他们能够有机会“玩起来”，欣赏同学们的智慧，展示他们的创新乐趣与热情，也促进他们与外界进行交流。在这些活动中，虽然也安排了一些竞争性的评奖，但更加侧重强调热情、乐趣、学习、自由、互助、分享这样的文化内涵。
新生所展示出来的学习热忱或创新成就对老师也会很有启发。通过学生作品，老师可以对学生各方面的成长状况有所了解。由于大一学生的创新能力尚未被整个社会系统所开发，所以当专业领域的参观者回忆起自己大一时的懵懂状态时，都对新生取得的成就感到惊讶。
老师可以引导学生关注身边真实存在的需求与问题，培养学生的设计思维，做生活化创新。学生从自己擅长或熟悉的事物入手，首先是没有陌生感；应用刚刚学到的专业知识，通过技术或产品的创新进行改良，容易产生很多创新点，增强学生继续创新的信心。
目前限于导论课的课时，不可能非常系统的介绍创新方法论，但也正因为如此，新生的创新活动是一种非常自然的状态，呈现出原生态的自由奔放，富有想象力。
随着创新交流活动的增多，新生们也会意识到自己对于创意方法、设计思维、商业模式、精益迭代等方面能力的欠缺，并且会从多种角度思考问题。这也为学生将来逐步养成“大工程观”埋下伏笔，即能够意识到实际工程问题的复杂性，从社会、环境、经济、管理等多个角度考量工程中的各种问题。
5.学习反思与自主学习。
综上，在成长引导、知识引导、实验引导和创新引导的综合引导之下，教师和学校可以从专业知识与实践创新两个角度对新生的成长提供较为全面的支撑。学生的自主学习能力、团队合作能力、交流沟通能力、项目管理能力、工程知识的应用能力、设计创新能力都将得到锻炼。这些引导的目的，如果归结到一点，就是为了在新生阶段，通过多种与工程与专业相关的学习实践活动，引发学生对自我成长与发展的探索与反思，激发学习兴趣，找到学习方向，熟悉学习方法，形成学习的自驱力，从而实现自主学习甚至是终身学习的习惯。大学一年级是人生的一个关键期，这个阶段的自驱力方向有时候甚至决定了此后人生的方向。工科大学应该尽力为学生提供更多更好的引导服务，来帮助学生渡过这一关键期。
新的教学方式里，学生的学习路径已经有了很大的不同。学生除了听讲学习以外，还会向同伴学习、根据兴趣或好奇心自学、在实践中学、因为需要解决问题而学习。学生如果意识到自己作为工程师的一种使命或是社群中积极主动的一个贡献者，那么这种学习还将体现出一种为实现自我价值而学习的特点。对比来看，大一阶段的传统教学方式是“老师讲授，学生听讲学习考试”，和高中的学习方式没有特别大的本质不同，并不能够引发学生产生更为深刻的工程认知，或形成更为活跃的创新思维。
由此看来，自主学习既是实现上述工程认知教育教学的一个前提，也是这种学习模式的一种目标。麦考姆斯认为，自主学习能力是自我系统发展的结果。[7]自我系统包含了自我概念、自我意象、自我价值等结构成分，决定了个体在学习动机的强弱。在导论课的学习过程中，自主学习表现为一种学习者应对不同学习任务的自学，和其他的自学没有什么不同；在导论课之后，学生体验了专业知识、实验、创新、协作等等工程相关的各种要素，就会将自我意向引向工程师或创新者的身份，从而形成了新的自我系统。这是一种认识上的飞跃，也将决定学生在后续的学习中以何种视角看待科学、技术、工程与创新，并进行有目的自我建构，因此其意义是有显著不同的。
国际工程教育界也非常重视自主学习。国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》明确要求毕业生“具备自主学习、终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力”。[8]我国工程教育的“新工科”提出，未来教育将“以学生为中心”、提高学生适应变化的能力和工程创新能力，推动校企协同育人，引入多样化的教学模式，并将探索多学科交叉融合型的工程人才培养。[9]显然，新工科教育时代，学生将成为积极的学习者。自主学习能力的提升，将变得更加迫切。本文所提出的工程专业认知及其引导方式创新，从新生一入学就开始从工程专业认知的过程中培养学生的综合素养，对学生形成自主学习能力有重要的价值，也有利于形成面向工程创新的终身学习能力。
作者： 北京邮电大学 纪阳 吴振宇 尹长川
来源： 《高等工程教育研究》2018年第04