文章推荐·阅读经典 2022年 第16期

发布时间:2022-10-05

《专业建设》   

1.多场域情境化工程实践教学模式构建

2.工业生产智能化背景下工程实践教学模式创新

 

多场域情境化工程实践教学模式构建

摘要:当前高校工程实践教学存在着企业实践教学资源匮乏和教学效率低下、优势实践环境构建不充分、社会性协作交流建构薄弱等问题,在校企利益诉求和行为逻辑相悖的背景下,构建适应学生阶段性实践能力发展水平的工程实践多场域结构成为必然的选择。本文从工程实践情境意涵出发,构建了学习、实践、生产的多场域情境化工程实践教学模式,解决了实践共同体组织结构、实践教学活动设计、情境感知三个关键问题。通过真实案例的探索运行,表明该工程实践教学模式能充分利用企业有限实践教学资源、扩大实践教学覆盖面,极大提升校企协同育人效果。

关键词:工程实践教学模式,情境理论,情境感知,实践共同体

基金项目:浙江省教育科学规划课题“多场域情境化工程实践教学模式构建研究”(2022SCG112);浙江省高教学会高等教育研究课题“基于活动理论的泛在实践教学研究”(KT2021170);教育部产学合作协同育人项目“‘三园融合’视域下的地方高校双创实践教学平台建设”(202101152024)

一、引言

国务院颁布《加快推进教育现代化实施方案(2018—2022)》,提出了“健全产教融合的办学体制机制,提升工程教育办学质量,坚持面向市场、服务发展、促进就业的办学方向”[1],着力推动校企合作和产教融合提升工程教育质量。但由于企业行为逻辑与高校行为逻辑相冲突,校企合作整体存在“高校热、企业冷”的“两张皮”现象。[2]现有经济社会条件下,无法有效解决企业参与工程教育的深层次动力问题,企业在产教融合、校企协同育人、现代产业学院建设等工作中,存在较为明显的虚无主义现象。[3]在目前广泛采用的工程实践教学模式中,比如集中或分散实习、订单班培养、岗位实习以及学徒制等,普遍存在着企业实践教学资源匮乏和教学效率低下、实践环境的构建不充分、社会性协作交流建构薄弱等问题,学生没有成为合法边缘性参与者和实践共同体的核心角色,企业技术专家没能成为有优势的交流同伴,学生学习活动评价形式化倾向严重。[4]当前基于经典实践教学设计理论CDIO(即“构思—设计—实现—运作”模型)构建的实践教学模式,只是从学生与学习对象的主客体关系角度构建了单一活动链条,没有考虑校企合作工程实践中教学资源的有限性和教学情境的复杂性。

在此背景下,本文基于情境学习理论构建工程实践多场域情境,有机融合校企双主体的物理空间、资源空间和社会空间中的关键教学资源要素,打造分层协作的自适应实践支持环境,利用企业真实实践情境以点带面,提高企业实践教学资源的利用效率,扩大学生参与实践的深度和覆盖面。情境化实践教学模式将实践学习内嵌于真实的情境与任务之中,通过情境实践共同体的协作交互,帮助学习者将抽象的概念原理与技术方法和具体、复杂的实践情境结合起来,从而形成对知识的建构和实践能力的习得。[5]

二、多场域工程实践情境教学模式

情境学习理论是融合了社会建构主义与人类学视角的学习观点。[6]学习情境是人为优化的环境,是富有教育内涵的生活空间和多维互动的心理场,也是情境交融的教育场域和理喻其中的靶向意境。[7]工程实践情境是基于客观时空和社会资源构建的人为优化的能力训练和实践工作生活空间。在校企合作的背景下,工程实践情境构建需要协调实践教学输出的确定性、广泛性和企业实践教学资源的稀缺性、不稳定性之间的矛盾。

(一)多场域情境构建

工程实践知识运用的综合性、角色构成的复杂性、物理环境空间的多元化、社会空间的交叉重叠性以及实践活动的多阶段性决定了工程实践情境必须是多层次和结构化的多场域情境。工程实践情境基于情境化学习、情境化实践和情境化协作生产三个维度分别构建学习场域情境、实践场域情境和生产场域情境,三个场域按照一定的原则进行有规划的资源共享和信息交流(见图1)。

1.学习场域情境

学习场域情境注重构建学生基础理论、基础技术、实验技能方面的学习情境,是一个偏向学生个人主体学习和实践的场域情境,同时该场域情境还应该接纳实践场域和生产场域情境中涉及的项目管理、企业管理、产品设计等相关工作场景的情境要素。实验和虚拟情境是工程实践基本技术技能培训的重要情境基础,像针对性的实验设施、实验工具、仿真环境,以及良好的技术技能交流协助环境。推理和想象情境要求教师不拘泥于工程实践能力培养的具体内容,通过学科拓展、行业推广、知识迭代等方式构建创新发展的学习情境。而自身情境主要指学生学习方法、学习态度等元认知能力培育情境,打造具有不同认知负荷适应性和泛认知结构的学习支持服务。

学习场域情境应重点围绕来自实践场域情境总结概括的不仅限于工程技术知识的相关要素,在实验、虚拟和自身情境构建中,深度匹配在实践场域情境和生产场域情境需要的基础工程知识技术、实践心理模态、企业管理中的产品设计方法和项目管理理念等内容。

2.实践场域情境

实践场域情境注重构建服务于对标合作企业的工程技术能力和工程工作任务的实践情境,是一个偏向学生团队主体的工程实践场域情境。资源情境包括工程实践中以项目和团队为核心完成项目任务所需要的所有物理环境、虚拟环境和工具等要素。团队情境主要包括团队成员构成、组织框架以及奖惩机制。项目情境主要包括项目内容、项目执行情境、项目进度跟踪以及实施评估情境等内容。通过与生产场域情境的提炼优化和协调,以及学习场域情境的匹配结果,评估学生能力和技术范围,构建相对应的团队情境、项目情境。协作和社交情境包括团队内部、团队之间以及团队与校内导师和企业导师相互沟通协作的环境和模式,包括技术和项目会议情境、图文情境、文本情境及项目阶段性评估和团队能力评价等重要内容。

该场域情境是学生实践能力培养的最重要的环节,不仅接纳生产场域情境中的工程知识技术、产品、管理、商业等方面的规律总结和情境转承,同时也完成生产场域情境的项目任务需求、进度、技术方法及实现效果等方面的协调服务。

3.生产场域情境

生产场域情境主要依托合作企业提供的物理环境、生产场景,注重构建学生在工程生产一线的产品服务和工程业务的工作情境,是一个偏向学生团队与企业生产一线工程融合的场域情境。企业商业情境、业务销售情境、企业管理情境、人力资源情境主要为企业基本现实面貌,不依赖于教师和学生共构,但教师应该帮助学生提炼总结,给出在这些企业现实情境中活动的基本原则和方法。根据学生和团队在实践场域情境的绩效,与企业协商共建技术和岗位职务情境,包括提供项目需求调研、团队项目运行测试等环境条件,或为学生设定协助性岗位工作。

企业生产场景的真实性可以通过比如带领学生访问交流、技术观摩、举办讲座或者技术交流会等远程投射的方式,完成对学习场域学生和实践场域团队的实践心理场构建。

(二)教学模式及其运作机制

上述基于多场域的工程实践情境构建明确界定了各场域中学生、教师和企业导师的工作职责和工作范围,明确了各场域教学目标和工作重点,相当于给出了三个不同实践教学环节的概念划分。为了保证基于多场域情境工程实践教学模式的落地运作,还应该在每个场域情境构建的基础上,着重进行各自场域的实践共同体建设、情境感知设计以及教学活动设计工作,才能形成一个完整自洽的工程实践教学系统,使得学生从实践场域的边缘参与,真正实现生产场域的身份建构。

人类学情境教学理论强调情境学习的社会性交互作用,视学习实践共同体的构建是其核心环节,共同体的构建包涵了共同体成员的建构和协作交互的内容及方法设计。情境感知是局部场域范围内教学效果和学生学习实践过程阶段性评估的关键手段,虽然实践教学为线下教学,也应该尽可能采取各种教学管理办法提取学生的学习实践动态生成性数据,进行分析总结之后指导场域内的教学活动设计。

整个工程实践教学系统中,双向的项目或实践教学协作及服务是各自场域之间的排他性社会交互通道,着力提高各自场域资源的利用率和协作交互效率。而技术或教学资源及反馈是单向的由实践场域给出优化提炼了的技术指导和教学资源,在整个教学模式起关键的正向反馈作用。

三、教学模式设计运作的几个关键问题

(一)多场域共同体构建及其组织结构

工程实践教学共同体是情境化教学活动的组织方式和成员之间的协同交互机制。图2绘制了各个场域中共同体成员分组以及相互之间的协作交互范围和主要内容。

在实践场域情境构建基础上,实践场域以项目团队为共同体的主要组织单元,围绕项目开发和设计开展协作交互。其中项目管理团队负责与各个企业进行工程实践项目对接和统筹管控,这些来自于不同企业的项目由不同的学生项目团队进行开发设计,由实践技术研究组和实践专题研究组的校企导师,抽取各项目团队的共性技术难题、实践专题问题进行独立的技术培训或研究。每个学生项目团队至少有一名项目管理员,负责本团队项目的管理工作,同时其也作为项目管理团队的核心成员,有利于项目组之间的资源调配和与企业的协作交流。这是一个专业分工、各司其职、以工程实践项目驱动为核心和集中项目协调管控的实践工作组织架构,具有优秀的开放性、灵活性和组织张力。

当实践场域项目设计成熟,步入生产场域进行项目实施时,由企业项目管理员和校企导师,带领该项目团队学生成员进行生产情境的实践工作,期间产生的项目实施反馈意见与实践场域项目管理团队进行双向协作交流。这样的组织架构设计有效地保证了学校教学资源、人员和企业实践资源及人员在各自场域的高效协作,企业有限的实践资源获得最大限度的利用,保护了企业的利益,提升了企业投入实践教学的积极性。

(二)能力镶嵌的实践教学活动

根据活动理论分析实践教学,学生主体对实验客体的生产交互活动是整个教学活动机制的骨干框架[8],在多场域的情境实践教学模式中,对于项目客体的生产交互便是整个教学活动的载体,也是学生能力提高的依赖路径。因此各场域的情境教学活动均围绕项目开展,依据项目立项、项目开发、项目实施三个步骤逐步开展教学活动,在各个阶段进行学生技术实践、组织协调、团队合作、项目管控、系统规划、文案撰写、沟通表达等各方面能力的镶嵌,是教学活动设计的主要思路。

企业实践项目依托企业真实项目背景,在项目立项过程中有发生于生产场域的需求调研、市场调研、产品调研、可行性分析、项目评估等教学实践活动;在项目开发过程中有发生于实践场域的开发及测试方案、进度和人员安排、功能设计和关键技术研究、功能详细开发、功能测试和迭代、系统测试和效果评估等教学实践活动;在项目实施过程中有发生于生产场域的项目部署、项目具体实施、效果测试评估、总结反馈等教学实践活动。具体内容和能力镶嵌点以项目立项过程为例说明如表1。

(三)情境感知内容和方法

情境化学习实践共同体构建中,主要以团队为单位、以项目为核心开展实践教学,以企业真实项目为背景的实践项目,相比传统教学实践项目,具有跨知识体系综合运用、技术难度大、工作量大、实践完成度要求高等特点,学生在多场域的情境中进行工程实践,简单以实践结果审视会丧失宝贵的过程指导机会,基于上述能力镶嵌的教学活动设计,规划图3的感知内容和感知流程,从个人、团队、任务、项目的状态感知,到个人在任务、个人在团队、个人在项目及团队在项目的行为感知,进而产生认知结构、实践能力、团队协作、项目管控四方面的综合效能评价。

工程实践中,项目碎片化分割为任务,对个人和团队、任务和项目同时进行状态感知,体现了宏观化和过程化的情境感知理念。状态感知获取个人和团队实践者的状态,包括个人身份、团队成员构成、团队内部关系等基本信息,个人情绪状态、实践主观动力、团队内聚力等主观信息,周工作时长、工作量等统计信息,上述信息描绘了个人和团队实践学习的特征画像。状态感知中依托阶段性的文档、图纸、视频、程序、设计方案、调查报告等多模态资源信息,获取项目和任务的运行状态。

行为感知从实践行为、内容交互行为、与情境互动行为三个方面感知个人和团队分别在任务和项目中的动态活动和协作,形成个人实践行为序列和团队实践行为序列,细微地观察个人在任务中、团队中和项目中的行为习惯和行为效果,能显性表现团队工作失效或项目遇阻的深层次原因。

综上两项,可以清晰给出对认知结构、实践能力、团队协作、项目管控等实际综合效能评价,为进一步教学实践活动的调整、项目任务的再分工、学生个人心理建设和团队建设方面,给出清晰的判断依据。

四、应用案例

基于上述多场域情境化工程实践教学模式,A高校契合与区域性智能制造上市企业某C公司合作建设C产业学院的战略机遇,践行校企合作工程实践教学模式探索,协助地方经济智能制造产业升级,以智能制造为行业聚焦点,构建以工程实践专业群为核心的情境化学习场域、以企业实践项目驱动为核心的情境化工程实践场域和以创新服务为核心的生产实践场域,多个场域协同联动,形成了良性共赢的校企协同育人框架,充分利用有限的企业资源,扩大了工程实践教学的覆盖面和教学效果,值得大力推广。

(一)贯穿“企业—产业园—实训基地”的多场域实践情境

杜威认为“思想起源于直接经验的情境”,提出“从做中学”和“教育即生长和生活”的情境性教育思想[9],如图4所示,C产业学院多场域情境化工程实践教学模式紧扣真实性这一核心情境要素构建。学习场域以信息工程学院全体学生为主体建设智能制造“端—管—云”应用开发综合实训基地,融合电子信息工程、软件工程和计算机科学与技术各专业进行多专业课程群建设。实践场域以C产业学院为建设核心,该产业学院选址于具有30多家智能制造企业的H智能产业园,从信息工程学院高年级学生选拔大致200名学生参加,并将学生的住宿、生活、学习都安排在该智能产业园,产业学院装修布置参考一般科技企业的布置格局,每个学生拥有一个工作工位,办公区位分为云端开发技术部、移动端技术部和嵌入式开发技术部,配置多个会议室、项目交流室和专业技术实验室,产业园项目合作企业派驻工程师长期入驻。生产场域以企业实际生产环境为物理依托,是学生团队开展企业项目的最终目标场所。

学习场域各教学团队将产业学院和产业园企业合作项目中的典型案例作为重点技术范例,总结提炼分解后对校内全部专业群学生进行实践教学,完善了“企业—产业园—实训基地”的多场域实践情境构建,使得全体信息工程学院学生的学习实践全方位接驳企业生产相关的商业管理、企业管理、部门规划和新技术发展等资源要素,打造了极具张力和灵活性的个人实践学习空间。

教学实践表明,由于场地的统一和沟通的便利,产业园企业表现出极大的意愿提供真实技术项目需求和项目实施环境,C产业学院学生团队和企业团队既保持相对独立、又能够随时沟通交流,相互之间形成了一个便于知识生产和技术再生的良好实践环境。上述实践情境配置方式确保了知识被综合运用的真实物理情境,学习主体和共同体成员能够从不同视角基于客观资源进行反馈检查,同时教学活动与真实世界发生关系,在真实世界的调查研究基础上进行复杂任务开发实施,学生和团队有大量的知识交叉和协作交互机会。

(二)聚焦智能制造平台开发的实践共同体构建和协作交互

经与智能产业园30多家智能制造企业多次协商,根据多家企业的产品技术特点和项目需求,确定了工业物联网、智能仓储和数字工厂等企业实际开发项目及研究方向,由企业工程师和校内双师型教师联合指导,建立各自的开发团队。产业学院校企联合指导团队根据软硬件系统工程项目开发的一般规律,提炼工业物联网、智能仓储和数字工厂三类技术项目中公共技术内容,成立了嵌入式系统开发技术组、移动端技术组和云平台技术组,并分别进行技术专题化教学和实践指导。三个技术组和三个项目开发团队组成成员交叉重叠,各项目中的嵌入式系统技术、移动端技术和云端开发技术的任务分工对照一般高新科技企业嵌入式工程师、后台工程师和前端工程师的岗位职责,结合学生的个人职业规划进行任务分配。

另一方面,项目管理组开展项目管理和上述三个技术组指导的技术开发工作密切配合、相互交叉,并适时与生产场域的企业项目团队进行沟通,与学习场域相关专业学生进行技术示范和观摩交流活动。表2以某一云端数字工厂项目为例展示两条指导线的交互协作内容和过程。

C产业学院的实践场域项目实践教学经验表明,上述项目团队和专业技术组的复合分层架构,以及项目管理组的加入,极大提高了学生工程实践中的项目完成度,提升了学生工程实践效果。

(三)企业应用效果导向的实践情境感知和评价

工程实践情境感知针对实践过程中资源情境、设备情境、环境情境、任务情境各要素进行感知,将学生实践过程和导师指导过程中的各种相关要素进行感知。表2中以节点评审和技术内容输出规范为项目管理和技术管理的主要手段,同时表明C产业学院多场域情境化教学模式将生产场域的项目效果评价作为引导实践过程情境感知和评价的价值取向,依赖企业工程师的评估判断,以项目执行过程的节点任务完成度作为教学管理和成绩评价的关键指标,替代以知识掌握和技能习得的传统教学评价方式,极大地解放了学生的实践工作自由度,使得教师和学生聚焦于企业实践应用的成果标准评价。

针对个人和团队的周工作时数、阶段性总代码量、BUG数量和BUG修正率、个人文档质量、代码质量、汇报演讲质量、子任务完成度等运作状态和实践行为,阶段性对项目实践情境进行有效评估从而实现基于真实情况的反馈调节,确保学生实践的有效进行。

(四)实践教学效果

C产业学院构建了产学一体的生活空间、团队化作战的技术开发空间和专业企业项目管理的业务空间,成功打造实践场域教学情境。目前多场域情境化教学模式经过两年多的探索和建设运行,A高校信息工程学院与C产业学院获得了较为丰富的办学成果,学生日常的周工作时数、阶段工作代码量、阶段完成文档数量和汇报次数相比原先办学模式获得了几倍的增长,学生的解决问题能力、调研和分析能力、文本和语言表达能力等综合素质获得了长足的进步。两年来学生累计配合企业完成企业实战项目二十多项,服务企业十余家,以学生第一发明人产生发明专利4项、学生发表C类以上论文多篇,产生横向课题经费共500多万,学生项目成果多次获地方日报、中国教育报[10]、央视新闻点名报道。[11]目前第一批学生已经毕业,多家企业以学生团队为核心成立独立研发部门,具备企业工程实践项目经验的学生比例比往届提高了200%,占总应届毕业生数的60%,应届毕业生的平均薪资比往届学生提高30%以上。

作者:宁波大学科学技术学院慈星智能产业学院副院长、讲师 吴振谦

《高等工程教育研究》2022年第2期

 

 

工业生产智能化背景下工程实践教学模式创新

摘要:智能技术正在改变或颠覆传统的工业生产模式,相应地急需培养数字化高技能人才、集信息技术与运营技术于一体的复合型人才和人机协同型人才,因此传统工程实践教学模式改革势在必行。实践中,我国工程实践教学缺乏智能化学习环境、真实且系统性的实践项目、跨界融合的实践活动和智能技术的应用标准等。针对此,改革的关键是夯实知识基础,开发集设计、生产、运营于一体的综合实践项目,创设虚实结合、校企融合的工程实践平台,以及创建人机协同的教学生态,进而打造超越传统教育范式、服务智能制造的工程实践教学模式。

关键词:智能制造,技能转型,工程实践教学模式

实践是工程的本质属性。自20世纪90年代美国工程教育界提出工程教育“回归工程”以来,加强工程实践训练的呼声不断高涨。[1]工程实践教学是工程人才获取专业知识、掌握实践技能、培育工程思维的必要途径。工程实践教学模式改革不仅要符合高校工程人才培养定位,还要体现科技变革及其推动的工业生产模式的变化。近年来,智能制造已成为全球制造业的发展趋势,2021年4月,工信部会同相关部门发布的《“十四五”智能制造发展规划》(征求意见稿)指出,“到2025年,规模以上制造业企业基本普及数字化,重点行业骨干企业初步实现智能转型”[2]。这表明,数字技术与智能化将成为工业生产的主要组织形式和运行环境。在此背景下,工程实践教学中的“实践”已不再是传统意义上的实践,实践教学的理念、内容、组织形式等正面向未来进行适应性变革与创新。那么,在工业生产智能化背景下,工程实践具有哪些特性?对工程人才提出了哪些新要求?相应地,传统工程实践教学模式存在哪些不适应性?又该如何进行改革?这些问题亟待学术层面的系统探讨。

一、智能化背景下生产技能转型倒逼工程实践教学模式变革

人工智能、物联网、大数据、云平台等数字化技术与工业生产环节的深度融合,正在创新工程实践形态,加速推进全面智能化的工业生产模式。在智能制造背景下,工程人才的岗位需求与工作技能朝着数字化、生产运营集成化和人机协同等方向发展。这一技能转型趋势已经或正在打破传统工程实践教学中长期依赖的知识逻辑和运行环境,倒逼工程实践教学模式变革与创新。

1.生产过程智能化催生数字技能需求,引发工程实践教学内容变革

智能制造背景下,工业生产正朝着流程自动化、生产智能化和系统集成化方向迈进。从工业生产环境来看,企业正在积极引入自动化生产线、数控机床、机器人等智能生产设备,构建未来生产车间;从工业生产过程来看,企业正在将人工智能技术嵌入工业生产活动,通过打造自动化模型,推动生产制造的自主决策、执行与优化。[3]生产过程智能化带来了工作方式与内容的变化,要求工程人才具备可持续创新的数字化技能。一方面,工程人才应具备数字化技术使用能力。在掌握数据分析、编程、建模仿真等知识的基础上,能够熟练地运用软件工具、理解自动化模型的运作原理,对工业生产活动作出有效的分析、预测和判断。另一方面,工程人才应具备数字化监控与创新能力。面对工业领域越来越多的自动化决策系统与生产模型,工程人才要在生产实践中以全局者视角核查生产流程,专注于产品创新与系统升级,为未来工业生产打造更卓越的创新生态系统。

工程人才的数字技能转型引发工程实践教学内容变革。智能化生产背景下,技术系统的升级提升了工作任务的专业性和复杂度,相应地要求培养工程人才的实践教学内容应涵盖先进智能制造的技术与工艺,覆盖工程、创业和人文社会艺术等跨学科知识,融合工程前沿的真实问题。但实际上,我国工程实践教学内容长期以来遵循单一学科的编制逻辑,主要关涉实践操作技能,以及与机械、数控等专业相关的技术与工艺等内容。面向智能制造,传统的工程实践教学内容存在更新不及时、跨学科性不强、与人文社会学科融合度低等问题,这显然不符合且跟不上行业产业需求,更难以培养具备可持续创新能力的高层次数字技能人才。因此,工程实践教学亟待突破传统教学内容体系的桎梏,紧跟产业发展趋势,主动吸收现代技术,设置融合智能技术和跨学科项目的综合性实践教学内容。

2.生产运营集成化凸显复合技能需求,驱使工程实践教学组织形式创新

智能系统开启了生产制造与商业运营的新纪元。在物联网、大数据、人工智能等技术的作用下,工业生产注重柔性制造,正在从以企业技术为中心的生产模式向以客户需求为中心的生产-运营模式转变,产业价值链的组织与调控也上升到一个新阶段,实现了产品设计、生产、销售、交货、售后服务等活动的系统集成。在此背景下,企业急需集信息技术与运营技术于一体的复合型工程人才,这类工程人才处于技术与商业的交叉领域,不仅要懂技术,还要能理解与技术所匹配的业务流程。[4]这对工程人才的知识基础和专业能力提出了更高要求。一方面,工程人才要具备跨学科综合素养,掌握机械原理、软件、算法等专业知识,以及团队协作、技术沟通等能力;另一方面,工程人才需习得信息技术与运营技术等综合技能,既能紧跟市场需求,又能善用智能软件与计算机技术,融合多元数据,推进人、物和生产系统的有效衔接。

但事实上,拥有复合技能的工程人才数量较少。要培养集信息技术与运营技术于一体的复合型工程人才,就必须使工程实践教学面向完整的工业过程,纳入科学技术、管理知识和数据思维等要素,延伸工程实践活动链条,创建虚实结合、丰富多元的学习场景和系统集成的教学组织形式。在工业生产智能化时代,复合型工程人才既是最稀缺的资源,也是工程实践教学人才培养的重难点。实践中,我国工程实践教学长期以学科为导向,学科-专业-产业-社会间的复合链条尚未形成。工程实践活动常按工种、工艺类别开展传统的技能训练,缺乏完整的工程实践教学项目和对工业生产周期的完整体验,与产业和经济发展对复合型工程人才的培养诉求严重脱节。因此,工程实践教学应树立大工程教育理念,拓展教学资源,变革单一、分散、断裂的实践教学组织形式,有效对接智能制造的完整生产过程。

3.生产主体机器化促发人机协同技能需求,促逼工程实践教学理念革新

与人类劳动力相比,智能机器具有高效率、自动化和长远意义上的低成本等特性,在现代工业生产中的应用越来越广泛。工业生产主体日渐呈现机器化发展趋向。国际机器人联合会(International Federation of Robotics,IFR)发布的《2020年世界机器人报告》显示,2019年,世界各地工厂正在运行的工业机器人有270万台。[5]国际数据公司(International Data Corporation,IDC)预测,到2022年,50%的中国2000强制造商将在智能机器人方面进行大规模投资。[6]面对被越来越多智能机器包围的工作状态,工程人才必须作出适应性改变。一方面,工程人才应具备与智能机器融合协作的能力。技术的发展打破了人与机器之间的界限,以人为主导的传统生产模式演变为人机共同作用的智能生产模式,智能机器成为工程人才的“新同事”。为处理好与“新同事”的关系,工程人才既要知己知彼,了解人与智能机器的工作方式、智能机器在处理工作任务时的优势与不足,又要各取所长,在人与机器各自擅长的领域分工协作,达到工业生产效率提升的“最优解”。另一方面,工程人才应具备有效控制和正确运用机器的安全意识。广泛分布且快速发展的智能技术带来日益明显的安全问题,如技术漏洞、非必要监控、自动化系统的错误决策等。为有效解决工业生产面临的技术困境,企业迫切需要具备质量控制和安全意识的工程人才。

实际上,人机协同的技能诉求,在改变人机关系的同时也在重新定义工程实践教学的理念。在传统的工程实践教学理念中,技术被视为价值中立的工具和产品,技术的选择、传递、使用与创新以有用性、精确性、高效性为标准,服务于经济发展和工业生产活动。受此影响,工程实践教学多被视为科学理论体系的扩展,仅满足于操作技能的培养。而智能机器的介入,颠覆了传统意义上的人与技术的关系,动摇了长期根植于工程实践教学中的技术工具论。实践中,工程人才正面临着工程与社会可持续发展、价值理性与工具理性相统一的发展诉求。这要求工程实践教学在理念上正视人机关系引发的社会忧虑、高阶人工智能可能带来的失控风险,并在此基础上充分考虑人、生态、社会之间的关系,在实践教学活动中培养工程人才正确运用智能技术的价值伦理。

二、智能化生产背景下传统工程实践教学模式的现实困境

工程实践教学是高技能、综合型工程人才培养的重要环节。但在智能化生产背景下,传统工程实践教学模式存在教学理念滞后、实训平台智能化不足、实践教学项目陈旧、教学组织形式落后等问题,已无力适应数字化、复合型工程人才及创新能力的培养诉求。

1.工程实践教学缺乏智能化的实践教学设备和学习环境

先进的实践教学设备和智能化的学习环境是高校开展工程实践教学的基础。随着工业生产中物联网、人工智能等技术的引入,工程实践教学本应打造出以“自动化+数字化”为核心、与现代智能制造系统相匹配的实训平台,但实际上,当前工程实践教学平台仍呈现出弱智能化的特征。从表层原因看,我国大部分高校对智能化实训平台的建设投入不足,其中资金和场地等因素限制了高校及时引进智能设备,师资水平等因素影响了学生智能化工程实践活动的体验;从深层原因看,智能化实践教学环境的缺失,反映了高校尚未清楚认识到智能化学习空间建设的本质与内涵。简单来说,智能化学习空间建设是在引入智能设备的基础上构建与智能机器体系相匹配的全新的教学形式。但实际上,目前大多数高校还停留在人、物分离的认知层面,想当然地将实训平台视为外在于学习主体、学习过程的环境,把引入智能教学设备等同于打造智能化实训平台。

具体而言,一方面,谈及智能化工程实践教学设备,大部分高校仍将关注重点放在增添高端设备或更新传统设备上,尚未认识到智能化生产最核心的理念是数字世界与物理世界的深度融合,实践教学设备不仅包括具象可操作性的实物,还应有虚拟动态化的数据等软件资源。实践中,工程实践教学尤为忽视教学设备与互联网的有效连接与深度融合,进而导致智能化实践教学平台建设出现重硬件轻软件、重设备轻数据。另一方面,从工程实践教学环境上看,实训平台未来发展的重点是打造智能空间,如虚实结合的数字孪生空间、跨界融合的创客空间等。尽管当前我国部分高校已在工业训练中心建立智能硬件实验室、机器人实验室等平台,但总体来说,大部分高校的工程实训平台对数据这一新型生产要素关注不够,存在虚拟仿真技术与工程实践问题融合不深入等现象。这使得不少高校的工程实践教学活动、教学内容呈现形式、师生交互方式等依然按照传统教学模式运转,尚不能为学生提供虚实共生、具身体验的有效教学环境。

2.工程实践教学项目缺乏真实情境性和有机衔接的整体设计

面向智能制造,工程实践涉及的技术领域、工程问题以及与工程问题相关联的社会问题越来越复杂。相应地,打造融合技术与应用场景相融合、系统集成的实践教学项目,成为智能化生产背景下工程实践教学改革的关键。近年来,我国高校在实践教学中积极推进项目式教学法,探索、孵化了一大批工程实践项目,但由于深受传统工程人才培养机制的影响,工程实践教学项目仍然存在理论化倾向明显、偏离产业实际需求、实践教学周期短、课时较少等问题,表现为一种广泛而不深入的状态。

具体来说,第一,智能制造是一项受科学、技术、经济、社会等复杂系统包围的实践活动,对工程人才的专业知识、解决实际问题的能力提出了更高要求。但当前工程实践教学项目受“先理论后实践”认知模式的影响,侧重以课程任务为中心,教学项目主题仍然停留在理论知识应用和技能练习层面,对学生解决实际问题能力的培养和关注不够。第二,互联网加速了工程教育系统与外部环境间的交互,工程教育的学习环境与社会生产环境之间的融合不断加深。这就要求工程实践教学要为学生提供真实或接近真实的学习项目。但实际上,当前工程实践项目主要以学科知识为取向,通过切割真实的实践情境来适应专业知识教学。例如,汽车制造是一项真实的工程问题,涉及技术、文化、经济、财政等因素,但一些高校在工程实践教学项目中往往掐头去尾,只要求学生利用传感器、电机等设备制造出一辆能运动的小车即可。这是在用虚拟情景中假想的、结构良好的问题取代真实的、结构不良的复杂工程问题。[7]第三,从智能化生产系统集成的视角审视,我国工程实践教学项目缺乏有机衔接的整体设计。智能化生产背景下,工程实践项目从设计到产品孵化是一项与现实需求相匹配、跨时长、跨学科的系统工程,应围绕相关主题,有意识、有目的地构建相互衔接、难度逐渐递进的实践体系。实际上,从工程实践教学的整体安排上看,不同阶段实践教学项目的教学目标和培养能力的侧重点并不相同,且前后阶段的实践项目之间不存在明显积累性。工程实践项目往往围绕某一门课程展开,课程结束意味着项目完成,项目之间的系统性和延续性不强,多处于碎片化或相互割裂的状态。

3.工程实践教学尚未形成串联工业生产全周期的跨界融合体系

智能技术驱动下,工业生产实现了从研发设计、生产控制到市场营销等环节的系统集成,相应地,工程实践教学要着力于建构跨界联结工业生产全过程的实践教学体系。但实际上,跨界融合的工程实践教学体系建设仍然面临着不少体制性障碍,界限分明的学科专业壁垒和组织结构形态始终限制着跨学科实践教学活动的开展。究其原因,一是受传统学科组织范式的影响,高校管理人员、教师、学生形成了固化的学科思维方式、强烈的学科归属意识,以及相对固定的实践教学规范;二是受高校“学院式”教育和组织模式的影响,封闭式办学体制“惯性”依然根深蒂固,阻滞了与产业界合作伙伴关系的建设和发展。

具体来说,一方面,工程实践教学活动主要集中在生产端,忽视对工程人才运营能力、非技术技能的培养。例如,大部分高校把工程实践教学内容局限在工业生产环节,侧重培养学生在产品设计、制造、团队合作中的能力。即使部分高校开设了具有产品孵化功能的创客空间,但其工程实践教学所关注的也主要是创新创业能力培养,而工程管理能力、市场意识等工程素养培育尚未受到足够重视。另一方面,受传统组织管理体制等因素的限制,我国工程实践教学主要以专业为单位开展教学活动,而各专业之间或边界清晰,教学活动相对独立和封闭,或只注重同质专业之间的交叉,缺少与人文社会专业的交叉合作。这导致在工程实践教学活动中,学科专业之间知识交叉整合缺乏制度性保障和支持,跨学科专业学生合作交流的机会相对较少。

4.工程实践教学尚未构建起智能技术的应用标准与运行模式

智能制造背景下,技术在推动工业生产方式创新的同时,也在改变工程实践的适用规则。从理论上讲,在工程实践教学中,智能技术介入工业生产后理应发展出一套与之相匹配的实践教学标准与运行模式,但实际上高校对智能技术的认知尚未超越传统技术的范畴,未能转变技术“工程主义”的思维模式,也未能重新审视技术升级带来的人、技关系变化。

就技术使用的安全标准而言,技术操作规范还停留在传统设备使用与维修、实验室管理等方面,强调学生在实践操作过程中的安全与纪律教育。无疑,这与传统机械操作活动的实践教学要求相契合。但在智能制造阶段,工程实践教学面向数字化环境,技术使用涉及网络防控、商业数据泄露等安全问题,这对学生的IT安全、信息私密保护等素养提出了更高要求。因此,在工程实践教学中,智能技术应用的安全标准建设就显得尤为重要。就技术运用的伦理规范而言,随着智能技术在实践教学中的应用,人们习惯性地、简单地认为机械进步必然会促进文化和文明的进步,但实际上智能技术体系根本无法做到。[8]相反,智能技术的升级可能导致工程与社会之间的价值冲突越来越激烈,并要求工程实践教学中强化技术伦理教育。实际上,我国工程实践教学主要注重技能习得与实操训练,让学生在有限学时内掌握某项技术、制造出某种产品,但较为忽视人文与伦理教育。就智能技术的运行模式而言,智能技术升级并没有改变传统的工程实践教学模式,例如,传统的金工实习要求学生在3—5天的实训中运用车铣磨钻等设备制造一个小锤;在应用先进数控设备后,仍要求学生在相同时间内用数控设备制造小锤。从本质上来说,新设备的引入只是丰富了教学设备的种类,增加了学生运用智能设备的体验,但并未打破原有的实践教学思维和模式。

三、智能化生产背景下工程实践教学模式的创新路向

面对不断涌现的智能技术和市场需求,工程实践教学模式已成为工程教育改革的主题。最初的解决策略主要是围绕热门技术增设实践课程、引进实践教学设备。但智能技术带来的深刻变革,绝不仅仅是增加新教学内容或设置新专业,更为重要的是对工程实践教学模式本身的创新与重构,建立一种超越传统教育范式、服务工业生产智能化的实践教学模式。

1.回归技术创新本质,夯实工程实践活动的知识基础

从科技发展史来看,科学突破与技术创新的发展是无穷无尽的。尤其是在人工智能推动下,技术迭代更新的速度与广度使工程人才在技术选择与应用上眼花缭乱。面对不断涌现的新技术、新设备,工程教育应在实践教学和人才培养中回归技术创新的本质,夯实工程人才从事工程实践活动的知识基础。第一,重视数学、物理等基础知识的教学,平衡好基础与创新的关系。数学、物理等基础知识是工程人才科技创新的源头。当下炙手可热的人工智能技术高度依赖数字和符号化的表达方式,都对数学、物理等知识有极高的要求。因此,智能型工程人才培养不能脱离数理知识这个“本”,尤其不能舍本逐末,用简单堆砌的信息技术类课程来挤占课时,削弱学生的知识基础。[9]当然,智能型工程人才培养强调数理基础的重要性,并不是要培养数学家或物理学家,而是要围绕技术发展需求,优化课程体系和教学内容,为学生创新创造潜能的发挥奠定厚实的学科专业基础。第二,处理好传统与未来的关系,推进传统工程实践与数字化工程实践相结合。基于直接经验的工程感知是认识和了解生产活动最基础也是不可或缺的途径。例如,在车铣钻磨焊等传统工程实践教学中,学生能通过观感、听感、触感直接感知工业生产中的细微差别。数控机床等智能设备的引入,不应该完全取代传统工程实践的价值,反而要为学生保留在传统设备上亲自操作的体验机会。实践证明,传统工程实践与数字化工程实践的结合,能给予学生全面、综合的实践体验。第三,在组织结构、运行体制、文化观念等层面破除学科专业壁垒,推动多学科交叉融合。在工程实践中,技术创新绝不仅限于从数字化到智能化的改变,而在于各领域、多学科的融合,以及跨越物理、数字、生物空间的互动。这意味着工程实践教学要在顶层设计层面健全资源配置机制、考核评价机制、交流共享机制等;在实践操作层面要围绕工程实践项目,打破单一的学科知识结构模式,建立跨学科专业发展共同体,重构多学科深度融合的生态系统。

2.依托真实情景,开发集设计、生产、运营于一体的综合实践项目

为满足智能制造人才需求,在人工智能背景下,工程教育需将智能制造价值链的完整流程嵌入工程实践教学,打造集设计、生产、运营于一体的综合工程实践项目。对于工程人才培养来说,综合工程实践项目与传统项目不同,其一端连着智能技术,另一端直接面向用户提供服务,需要构建全新的组织模式。[10]第一,依托真实情景打造项目内容。一方面,高校要积极协同人工智能企业,把现代科技企业中的成功案例转化为项目资源,并依托高校教师、企业工程师等人才优势,将工程实践案例打磨成一个可落实、可操作的教育项目;另一方面,工程实践教学要以科技企业的发展困境为项目主题,如德国达姆施塔特工业大学的高效工厂4.0,就是从现实需求出发为科技企业创新发展提供切实可行的解决方案。[11]第二,以模块化项目划定工程实践单元。模块化是指按照系统规则,把一个复杂系统或过程分解为能够独立设计的多个子系统的过程。[12]模块化项目具有服务整体、回应实际需求和关照现实等特征。例如,围绕产品设计与开发、方案与设备研发、产业制造与售后服务等工程实践环节,可对应生成设计先进制造技术模块、智能物流供应链模块、工业大数据模块等项目。同时,模块化工程实践项目具有柔性组合的优势,可以根据社会需求和实践目标任意组合,以达到最佳人才培养效果。第三,以一体化为目标打造系统性的实践活动。与传统实践教学不同,综合工程实践项目具有覆盖面广、耗时长等特性,不是通过几天集训或一学期课程就能达成的。工程实践项目应贯穿工程人才培养的全过程。一方面,高校要从顶层设计上重新规划、梳理并打磨出高质量实践教学项目,项目应涵盖工程实践设计的全过程,确保学生把知识学习与实践训练有机整合;另一方面,围绕工程项目的具体实践,把设计、制造、孵化、运营等环节贯穿于人才培养的不同阶段,让学生在实践教学过程中完整地体验并掌握实践教学项目全部流程。

3.协同多元主体,创设虚实结合、校企融合的工程实践平台

实践平台是工程人才培养的主场地。打造智能型工程人才培养实践平台,只依靠学校这一单主体、单场景是远远不够的,必须充分运用智能技术,联合现代科技企业,发挥多元主体协同开辟工程实践的新场景、新组织和新方式。第一,借助智能技术,打造虚实结合的数字化实践平台。借助虚拟仿真、增强现实等智能技术,可以为工程实践教学开创新场景。以虚拟仿真生产系统为例,一方面,数字化工程实践平台可对工业机器人、电气及周边设备进行三维虚拟仿真,模拟出真实的工业生产环境,学生可由此亲身感知工业生产情况,查看工业生产的技术问题;另一方面,数字化工程实践平台又可导出虚拟生产系统中的数据,借助3D仿真、数字孪生等智能技术实现实体机器与软件系统的同步协调。正如纪阳教授所说,云开发的技术思路将创新的门槛降到最低,它与新生的工程需求一致,能为学生提供更多的工程创新场景,使学生拥有更好的工程化体验。[13]第二,依托现代科技企业,打造校企融合的实践平台,完善高校与企业之间的协同保障制度与运行机制。我国部分互联网、大数据等现代科技企业已经走在了技术创新的前端,掌握着丰富的应用数据场景、先进的开发工具和日益成熟的工业互联网平台与技术团队。[14]工程实践教学若想不断地为学生提供教育资源和技术,必须充分发挥好企业的技术与资源优势,需要从双方利益诉求、责任划定等方面完善制度保障,构建校企双方共享共赢的长效育人机制。一方面,高校要积极联合企业共建共享基于“人工智能+X”的实习实训平台,充分利用现有人工智能创新创业基地、创客空间,为学生提供智能化的工程实践环境;另一方面,学校要以企业中真实存在的工程实践问题为教学案例,探索企业全方位、多途径参与智能型工程人才培养的体制机制。在这方面,德国亚琛工业大学工程实践教学的经验值得借鉴。该校注重与校外知名企业的联系,由校外企业提出工程实际问题,学校组织本科生组建4—8人的研究团队,在企业和学校的双重支持下完成从设计、工艺到生产的实践创新活动。[15]

4.强化技术伦理,构建人机协同、安全共生的实践教学生态

智能技术强大的功能性与潜在的、巨大的破坏性是同步发展的。面对选择什么技术、创造何种产品的技术困境,工程实践教学要不断强化技术伦理教育,提升工程人才有效审查技术、批判性使用技术的能力和意识。第一,标准先行,在工程实践中构建智能技术的应用标准。规范缺失和角色失准是引发技术伦理风险的首要原因。[16]实践中,高校需加快推进教育界与产业界的对话,联手行业或工程联盟等多元主体,围绕网络安全、个人隐私等关键问题打造一套切实可行、与时俱进的智能技术应用标准。在此基础上,工程教育需要在实践教学中普及技术应用的法律与伦理规范,引导依法、依规、依理使用工程技术。第二,设置情境,在工程实践教学中引入互动式道德案例。工程实践教学中的技术伦理教育与其所涉及的实践情境密不可分。[17]设置工程实践教学活动的道德情境,就是把社会公认的、普世的道德观念融入技术开发与应用,并借助互动式道德案例提升学生分辨是非的能力。例如,从技术发展的角度来看,人工智能与生物技术结合是一种技术创新,但若涉及修改婴儿基因、定制机器人等问题,就可能会违反人类伦理秩序与社会公约。因此,工程实践教学中设置的道德情境,本质上是对学生技术运用的规约,确保技术应用和创新符合以人为本的理念。第三,引入社会评价,对工程实践活动本身进行价值判断。考虑到智能技术可能引发日益激烈的价值冲突,负责任创新已成为实现科技创新、培养负责任创新主体的重要途径。负责任创新融入伦理和社会责任,强调在筹备工程实践项目时建立多学科、多行业、多主体的社会评价机制。例如,邀请公众及其他利益相关者展开与专业人士的平等对话和辩论,审慎判断工程实践项目的道德取向,最大限度地保障工程实践与创新符合社会和伦理责任要求。

作者简介:马廷奇,男,教授,天津大学教育学院,主要从事高等教育理论与政策、高等工程教育研究;刘思远,女,天津大学教育学院博士研究生,主要从事高等工程教育研究。

作者:天津大学 马廷奇 刘思远

《国家教育行政学院学报》2021年第8期