如何培养新工科人才的思维能力

摘 要：麻省理工学院新工程教育转型是新工科改革的国际典型案例。项目中心式课程、跨学科串联、思维方式是其三大创举，但目前已有研究集中在项目中心式课程、跨学科串联方面。本研究采取案例分析、专家访谈等方法，对新工科人才思维能力的培养机制进行了分析。研究发现，麻省理工学院通过开发全学段跨学科思维能力培养课程、采取多样化教学方式、开展思维能力培养研究、设计系列跨学科挑战项目、构建跨院系组织合作机制、对接产业界需求等培养新工科人才的思维能力。借鉴其经验，我国应重视新工科人才思维能力的培养、开发贯通式思维能力跨学科课程、发挥有机式项目集成的作用、创新思维能力评价方式、构建完善的思维能力培养支持机制及对接社会对新工科人才的思维能力需求等。

关键词：新工科；新工科人才；思维能力；麻省理工学院；新工程教育转型

一、问题的提出

新工科人才思维能力的培养不仅是我国新工科建设的重要内容，也是国际工程教育界关注的重点议题。2017年，我国启动新工科建设。教育部在新工科建设“北京指南”中明确指出，要培养新工科人才的批判思维、设计思维、工程思维、数字化思维、工程管理思维及工程伦理思维。[1]同年，工程教育翘楚、世界一流大学麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）启动了新工程教育转型（New Engineering Education Transformation，NEET），创造性地提出了NEET思维方式（Ways of Thinking，WoT）。2018年，鲁斯·格雷汉姆（Ruth Graham）博士在《全球工程教育现状》（The Global State Art of Engineering Education）中指出，工程人才思维能力的培养受到新加坡、澳大利亚、荷兰等国高等教育机构高度重视，包括系统思维、设计思维等。[2]2021年6月修订的《华盛顿协议》（Washington Accord）及2022年8月发布的第3版CDIO教学大纲（CDIO Syllabus v3.0）也对工程人才的思维能力进行了重点强调，包括批判思维、创造思维、计算思维、反省思维等。

作为新工科改革的国际典型案例，NEET备受关注，其影响力不断提升，学生规模不断扩大，2022年已达到230余人。[3]作为NEET的三大创举，思维方式、项目中心式课程（project-centric curriculum）及跨学科串联（cross-departmental threads）也开始成为学界关注的热点话题。[4]虽然思维方式提出时间最早，与NEET构想同步，于2016年就已形成了雏形[5]，但目前学界主要研究范畴包括NEET框架[6]、课程体系[7]、课程组织模式[8]、内容与内在逻辑等[9]，对NEET思维方式及其培养机制的探讨仍有一定空间。不仅如此，根据MIT的调查，新工科人才思维能力的培养取得了较好成效，有研究价值。以伦理思维为例，学生总体持积极态度，以李克特五级评分，大二学生给4.2-4.7分，大三学生给3.8-4.1分。[10]其他反馈意见包括伦理思维模块的学习是值得的；建立了伦理概念与真实世界、自身学习之间的联系；开始深入思考伦理问题；对未来从事工程师工作有帮助等。[11]

基于此，本研究以NEET为典型案例，试对思维方式培养机制进行系统分析，以期为我国新工科人才思维能力的培养提供参考。为获得案例最新信息，同时交叉验证已有材料，2022年11月，研究对NEET专门负责思维方式课程开发、教学、测评工作的相关教师进行了访谈，获取了目前存在的问题、最新变动及最新教学大纲等数据。

二、是什么：NEET思维方式的定义及结构

NEET思维方式是应对复杂挑战的认知性路径与能力，旨在帮助学生个体及学生在团队中工作时学会终身有效且高效的自主思考、规划及学习能力。[12]该思维方式是一个多维结构，由12种思维组成。[13]

（1）制造。发明和创造以往不存在的技术人工物，通过与CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）理念相关的产品和系统传递价值理念。

（2）发现。通过探究、识别及生产新的知识推进社会及世界知识的不断发展。

（3）人际交往。能与他人互动，能理解他人，包括沟通、倾听、领导团队、与他人协作、建立协作网络、倡导与引领变革。

（4）个体能力与态度。具备主观能动性、判断力及决策力，有社会责任感、灵活性与自信，能遵守道德并正直行事，并致力于终身学习，包括培养伦理性思维。

（5）创造性思维。能通过深入、专注的思考孵化新的想法，有意识地阐明与表达新的思考与想法，采取行动予以验证，从而形成新的、有价值的东西。

（6）系统性思维。面对复杂性与模糊性时，能够通过检验情境中相互关联的各要素来预测整体。

（7）批判与元认知思维。通过观察、体验或交流等方式收集相关信息，对这些信息进行分析与评估，据此判断某一概念、产品或过程的价值或有效性。

（8）分析性思维。采取系统性、逻辑性的工作方法分解事实并解决问题，运用理论、建模、数字分析等方式识别因果关系并预测结果。

（9）计算性思维。通过应用计算机编程的基本结构（如抽象、模块化、递归）、数据结构、算法及计算来理解物理、生物及社会系统。

（10）实验性思维。开展实验获取数据，包括选择测量方法、确定验证数据的程序、提出并检验假设。

（11）人本主义思维。形成对社会及其传统、制度等的整体理解，包括人类文化、人类思想体系、艺术表达方式、社会的政治经济框架等。

（12）学会如何学习。自主思考和自主学习的认知性路径。

三、怎么培养：NEET思维方式培养机制

（一）开发大一到大四全学段思维能力课程

1.开设大一本科生思维方式选修课

自2020年秋季以来，NEET团队开始开设面向全校大一新生的选修课——发现思维方式的神奇之处：NEET！该课程有三大目标：第一，帮助学生理解分析性思维、创造性思维、制造、系统性思维等重要概念；第二，帮助学生把这些概念与特定的方法、工具及技术联系起来；第三，帮助学生利用特定的方法、工具及技术迎接与众不同的挑战。[14]根据访谈教师提供的教学大纲，2022年秋季学期的选修课从9月12日到12月12日，持续13周，来自数字化城市、自动机器、气候与可持续系统、生命机器4个NEET串联的教师共同开发课程并轮流授课。

2.开发大二至大四本科生思维方式课程模块

在选修课的基础上，NEET团队开发了仅面向大二至大四NEET入选学生的思维方式专门课程——思维方式模块（Ways of Thinking Module）。[15]每个课程模块约90分钟，通过串联项目课（project class）授课。串联项目课是围绕某一主题有意识、有目的地构建的一系列相互衔接、难度逐渐递增的若干研究项目组成的有机式项目集成，体现出跨学科性。[16]通过这种授课方式，新工科人才思维能力的培养能更好地与特定的串联主题结合起来。

例如，自动机器（Autonomous Machines）串联项目课有大二春季学期的“设计与制造1：自动机器”、大三秋季学期的“机器人：科学与系统”或机器人学入门、大四春季学期的高级自动机器人系统等。[17]“设计与制造1：自动机器”为半自动移动机器人设计、制造和编程课程，培养学生的设计、制造、计算等思维。“机器人：科学与系统”为基于NVIDIA PilotNet使用TensorFlow神经网络训练微型赛车的课程，设计自主导航算法，训练赛车自动驾驶，采取的授课方式包括小组活动、展示、汇报等，培养学生人际交往（如写作、口头表达、小组合作等）、计算等思维。机器人学入门强调机器人运动、智能机器等，侧重通过编程、系统集成等实操培养学生的算法思维、计算思维等。高级自动机器人系统是最终项目课，也是春季顶石设计项目，主要内容是设计并实际操作一个自动交通系统，开发一个商业模式并向投资者演示和推介产品，整体类似于运作一家初创公司。学习方式包括在波音公司工程师及NEET教师的指导下开展小组活动、成果展示与推介等，培养学生的设计、人际交往、制造等思维。

其他的串联项目课如数字城市（Digital Cities）通过城市与环境技术应用实验室、众包城市：市政技术原型等培养学生的分析、计算等思维；气候与可持续系统（Climate & Sustainability Systems）通过设计思维与快速原型入门等为学生提供设计类练习和动手实践参与项目的机会，培养学生的设计、创造、问题识别、人际交往及快速原型化等思维；生命机器（Living Machine）通过沉浸式研究的微流体装置或芯片器官等实验培养学生的实验思维、设计思维。

（二）采取多样化的教学策略

1.明确思维方式的学习结果

NEET明确了思维方式的学习结果，为新工科人才思维能力的培养指明方向。[18]

伦理思维的学习结果包括：（1）能认识到工程活动与道德之间的密切关系；（2）能认识到工程决策在何时具备道德性影响；（3）能运用道德推理来指引工程决策；（4）能评估工程决策对个体及社会环境的影响。

批判性思维的学习结果包括：（1）能将看似封闭的自治系统概念化为包括人类各种选择的异质性社会技术系统；（2）能认识到不同形式的成本与收益；（3）能认识到并回应技术系统和人类各种选择所隐含的竞争性及政治性本质。

学会如何学习的学习结果包括：（1）能识别知识存在的特定环境，知道知识不存在于真空之中；（2）能识别不同类型的知识及何种类型的知识存在于何种环境中；（3）能使用恰当工具和策略检索并使用信息资源，用于开展学习活动；（4）能识别出未解决的问题，并用它们去阐释还需知道或理解的内容；（5）能围绕一个研究问题形成并审视自己的想法及相关理论，以此指引自己的工作；（6）能理解社会上存在的各种偏见，了解偏见是如何影响知识形成及知识创新的；（7）能认识到所从事的工作及所属领域其他人的工作在更宏观层面的社会性及历史性影响；（8）能认识到自身的能动性，并能采取相关策略、形成实践方案，帮助人类更平等、更多途径地获取各类知识，并从知识中获益。

2.推出配套的信息化学习资源

为跟上智能时代教育数字化、智能化的发展趋势，NEET于2021年11月开始推出与思维方式配套的信息化学习资源——NEET学习插件。每个学习插件由一个10分钟左右的学习视频和一份包含3个题项的反思性作业组成。学习插件的研发整合了多学科资源，由NEET与MIT众多院系专家共同研发，与思维方式课程模块配套。如创造性思维由NEET、建筑与规划学院负责；伦理性思维由NEET及人文、艺术与社会科学学院语言学与哲学系负责；学会如何学习由NEET、图书馆负责。[19]2021年秋季学期推出的学习插件为“工程师的伦理性思维”，其他学习插件的研发工作正在进行中。

3.强调参与式设计教学理念

基于参与式设计（participatory design）教学理念，NEET团队融合案例教学法、反思教学法等方法培养新工科人才的思维能力。其核心是学生作为联合设计师（co-designer）参与整个设计过程。