新工科的核心能力与教学模式探索

摘  要：在工业革命时代，工程教育出现显著变化，新工科注重工程技术整合和创新，力求通过信息技术给学生营造虚拟学习环境，使得学生在掌握知识点的同时，有序提升学生核心能力。然而通过调查发现，如今新工科具有较高的教学局限性，仍存在部分问题需要学校创新教学模式，加大学生学习素养培养，为今后教育教学发展和学生学习奠定良好基础。文章主要对新工科核心能力与教学模式探索进行分析。

关键词：新工科;核心能力;教学模式

中图分类号：G640      文献标志码：A           文章编号：2096-000X（2022）23-0066-04

Abstract： In the era of industrial revolution， significant changes have taken place in engineering education. New engineering departments pay attention to the integration and innovation of engineering technology， and strive to create a virtual learning environment for students through information technology， so that students can master knowledge points while orderly improving students' core abilities. However， through the investigation， it is found that new engineering has high teaching limitations， and there are still some problems that need the school to innovate the teaching mode， strengthen the cultivation of students' learning accomplishment， and lay a good foundation for the future education and teaching development and students' learning. This paper mainly analyzes the new engineering core ability and teaching mode exploration.

Keywords： new engineering; core competence; teaching mode

工业革命是社会生产力水平发展到更高阶段引发的变革，在拉动经济增长的同时，可以为各行各业提供有利的发展支撑，尤其在工程教育领域，工业革命对该领域产生的影响较大。由于在工业革命中，社会需要大量的工业人才，所以学校在组织新工科教学时，应结合社会需求加大核心能力培养，积极探索适合学生的教学模式，改善以往教学中的不足，有序提升新工科教育教学质量。

一、新工业革命与工程发展的新趋势

（一）新工业革命的核心内容

早在2011年的汉诺威博览会中，德国最先提出“工业4.0”概念。在2013年，德国政府正式通过了“工业4.0”计划，并将其列入到高技术战略发展中来。之后其他国家也仿照德国政府颁发的“工业4.0”计划，制定类似工业发展战略，例如中国《中国制造2025》。通过这些计划以提升其工业和产品在国际中的竞争力，力求在接下来一轮的工业化革命之中占据一席之地。

在“工业4.0”计划中，企业在发展工业的过程中会建设全球网络，力求将机械、仓储系统和加工设备结合成信息物理系统。在现实中进行工业制造时，这些工业机械、仓储系统和加工设备都能灵活自如地交换信息、远程控制工业操作，有利于企业在制造、使用材料和管理生命周期中，促使制造业向着智能化方向发展，将集中式控制转向分散式，建设灵活的数字化和信息化产品服务模式。总体而言，工业4.0核心内容包含了三大主题和九项先进技术。

三大主题分别是智能工厂、智能生产、智能物流。其中智能工厂重点研究智能化生产系统和过程。智能生产牵涉到企业的工业物流管理、人机互动以及3D技术应用，在“工业4.0”计划中，为中小型企业带来了发展契机，促使大多数中小型企业成为智能生产的主力军。智能物流就是指企业在生产中，借助网络技术将物流资源整合起来，力求最大限度发挥网络物流资源管理的作用，需求方可以在较短时间内获得服务匹配与物流数据，随时了解物资的生产运输情况。

九项先进技术包含大数据分析、自主机器人、模拟、水平和垂直系统集成、工业物联网、网络安全、云计算、增材制造、增强现实。大数据分析就是指工业在生产中，将相关行业的信息资源收集到一起，例如生产设备、数据系统、企业和客户管理系统等，可以根据数据整合到的数据资源，分析工业发展方向，为今后产业发展奠定基础。自主机器人通常被企业应用到完成繁杂的工业制造中来，要求企业形成人与机器交互合作的生产模式，这样可以减少工业的经济付出成本，提升工业生产效率。模拟是指企业在工业制造中，利用3D虚拟技术生产产品、加工材料，并利用虚拟技术测验新型产品在后期投入使用中的问题，从而结合虚拟测验结果进行优化设计，切实提高生产产品质量。水平和垂直系统集成一般会被应用到跨公司合作中来，借助数据集成网络实现自动化价值链。工业物联网是指企业在生产产品时，利用传感器和嵌入式计算方式，操控现场生产设备，确保生产设备能够平稳运转。网络安全是通过利用网络技术，保证工业生产各个环节的管理系统有序实施。云计算是指利用机床数据和功能，将监测和控制技术用于云端，实现跨公司数据共享模式。增材制造通常会被用到小批量定制产品的生产制造中来，这种技术既可以减少原材料需求量，还能增加生产产品质量。增强现实是指通过虚拟技术对生产人员进行培训，支持各种生产服务，并在工人生产中为其实时提供产品生产情况，协助工作人员灵活控制产品生产流程。

（二）工程发展新趋势

这些年我国科学技术发展速度较快，推动了工程领域发展，能够在生产产品中有效满足市场和消费者需求。第四次工业革命转变了人们的生活方式，对工程领域人才培养提出更高要求。在未来工业发展中，工程领域会出现如下新型发展趋势。

首先，可持续发展。近几年全球资源能源消耗严重，各个国家为了保护环境大力倡导减少碳排放，尤其工程领域意识到自身对可持续发展的重要影响，加大对新型生产技术研发，创新工程设备，力求工业在生产、加工制造中可以减少对资源能源的需求，降低碳排放，为可持续发展贡献一份力量。

其次，计算能力。当今社会微型化推动了传统计算能力发展，以往需要超过几个月才能完成的工程计算量，现在可以在较短时间内快速完成。自主学习计算方式促使简单工程任务实现自动化，能够协助工程师处理更加繁杂的工程任务，并即时提供高价值服务，尤其尖端高新技术工具和跨学科合作，有效提高团队和个人之间的团结合作能力，增强个人处理复杂难题的能力。

再者，大数据。随着计算能力不断发展，人们收集各个行业发展数据的能力有所提升，研究者能够在分析数据的过程中，探索新型数据模式。数据科学作为一种跨学科领域的科学技术，如今已被称为科学研究的“第四范式”，利用数据分析和网络技术探索的方式，研究人员可以借助数据分析以往难以解决的工业问题。

另外，纳米技术和3D打印材料。以往工业领域在生产产品时，通常存在产品质量较低的现象，纳米技术可以有效解决这一难题，并且可以提升产品生产效率，降低产品对环境的污染程度。3D打印材料包含碳纤维、玻璃、导电油墨、电子、制药和生物材料，这些材料如今已经被应用到航空航天、医疗、汽车和能源等领域的设备制造中来。

最后，跨学科合作。在21世纪工程研发中，以往学科之间的界限已经被打破，现代工程在发展中涉及技术、经济、社会、文化等领域，要求不同学科之间进行融合，通过合作创新的方式解决工业发展难题。

二、新工科学生需要掌握的核心能力

虽然如今的新工科领域，对核心能力未有精准界定，但是在新工业的发展背景中，对工程教育教学质量具有更高要求，需要学生在学习阶段掌握更多解决问题的能力，建立完善的知识结构，力求学生在学习中形成个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力等核心能力，这些核心能力具体表现如下。

（一）个人效能

这项效能需要学生建设终身学习的思想理念，个人行事作风诚信正直，品性端正。同时，还需要学生具有主动承担风险精神，在学习阶段形成较高的工作责任感，能够以积极的态度投入到工作中来，做到爱岗敬业。再者，学生在发展中应具备良好的适应环境能力，具备换位思考能力，能够在不同环境中理解他人，并约束自身行为，处理好自身与他人之间的关系。

（二）知识能力

对于工科学科而言，大部分以理科知识为主，学生容易将学习时间和学习重心放到理科知识探索中来，忽视了人文知识学习。但是在新工科的背景中，既需要学生掌握完善的数学、科学知识，还要学生了解人文艺术方面的内容，这样可以以健全的思维方式分析工程知识。另外，随着新型革命产生，信息技术发展速度加快，人工智能技术成为工业生产的主要趋势，因此学生也应在学习阶段掌握完善的信息技术知识，熟知各个工程所需要的技术知识，并结合工业生产需求学习部分金融、网络和法律知识等，丰富自身的知识储备量。

（三）学术能力

学术能力要求学生能够根据已有的知识经验处理问题，在解决问题中形成批判性思维，学会对问题进行定量分析，结合数据分析结果制定解决对策，并对自己解决问题的能力进行客观评估。

（四）技术能力

在新工科背景中，需要学生具备分析数据的能力、能够利用信息技术维护网络安全，学生能够对数据与信息进行全面收集与分析，确保数据完整性、安全性，能够独立操作计算机设备，并会利用计算机掌控不同机器生产。还需要学生具备良好的学习能力，能够根据新工科发展需求跨学科学习，有序培养自身的创新思维。

（五）社会能力

社会能力是在社会发展的过程中被提出来的，学生需要掌握不同工程的理论知识，善于团队协作处理问题，并在合作解决问题中逐步培养自身的领导能力，加强培养自身的人际沟通能力。

三、新工科学生现存问题

首先，学生缺乏自主解决问题的能力。在调查中发现，在我国绝大多数工科教育实施的过程中，学生无法通过自己的学习经验处理问题，部分学生在面对问题时，受到问题复杂性的影响，产生逃避心理，不能以积极的态度面对问题、处理问题。

其次，学生创新能力较为薄弱。虽然这些年我国大力倡导教育教学改革，但是应试教育在我国实施时间较长，导致学生的惯性思维难以在较短时间内得到改善，部分学生认为在本科阶段只要掌握工科理论知识即可，忽视了自身创新能力培养，导致学校在准备工科创新型比赛时，学生无法以良好的态度参与其中。

再者，学生团队协作能力较差。在新工科背景中，团队协作能力属于社会能力，是学生必须具备的一项核心能力。通过调查发现，部分学生的团队协作能力较差，在完成团体任务时，受到拖延懒散心理影响，无法以积极态度处理任务，在完成任务中发现难以解决的问题时，就会产生相互推脱心理，阻碍了团队完成任务的进度。

最后，学生缺乏工程素养。部分工科学生在进入到大学之后，学习态度比较消极，对专业课的理论知识掌握不够牢固，缺乏完善的网络原理知识储备，对工科领域网络发展趋势了解不够全面，工程素养较低。

四、新工科互动教学策略

（一）数字原生代学习特点

如今的大学生与以往大学生不同，他们被称为“数字原生代”或者“网络一代”，这些大学生在成长中基本上被网络技术、网络新闻环绕，学生通常是利用网络数据了解社会，习惯在网络环境中探寻信息，并完善自身的认知结构。当今大学生是第一批虚拟学习者，他们的感官系统逐渐与现实世界隔离，习惯长时间沉浸在由计算机技术掌控的虚拟信息空间中，并接受网络信息给自身提供的数据分析。随着科学技术发展速度加快，大学生在学校拥有非常多的学习资源，并且可以利用网络技术学习新型知识，数字原生代大学生习惯游戏型学习方式，习惯线上直接反馈交互沟通，倾向于网络社交，在工作中擅长多种任务非线性处理，思维上擅长扫描式阅读，批判性思维较强，具体表现如下。