普渡大學(xué)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)本科生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)的借鑒與思考

劉 潔，衛(wèi) 佳，梁秀英

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部柑橘全程機(jī)械化科研基地，湖北 武漢430070)

0 引言

通過“新工科”建設(shè)，培養(yǎng)出知識(shí)型、技能型和創(chuàng)新型人才，是支撐我國從制造業(yè)大國轉(zhuǎn)向制造業(yè)強(qiáng)國的關(guān)鍵支撐之一。構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，探索實(shí)施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質(zhì)量”，是“新工科”建設(shè)的必備要素[1-2]。在工科教育如何適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步這一問題上，世界知名高校均做出了策略調(diào)整與實(shí)踐[3-5]。借鑒國際一流高校在學(xué)科整合、課程更新和人才培養(yǎng)模式優(yōu)化等方面的做法和經(jīng)驗(yàn)，并與當(dāng)前教師學(xué)科背景、學(xué)生生源特質(zhì)和教育教學(xué)環(huán)境相結(jié)合，思考和探索能夠進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提升學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力，拓展學(xué)生專業(yè)思維和視野的課程設(shè)置與培養(yǎng)方式優(yōu)化，對(duì)于應(yīng)對(duì)“新工科”建設(shè)中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)具有一定的促進(jìn)作用。

美國普渡大學(xué)(Purdue University)因其卓越的工程教育享譽(yù)世界，被譽(yù)為“美國航天之母”，其校友中有13位諾貝爾獎(jiǎng)得主和鄧稼先、梁思禮等我國知名學(xué)者[6]。普渡大學(xué)工學(xué)院和農(nóng)學(xué)院常年位列全球高校工科和農(nóng)學(xué)院十強(qiáng)，農(nóng)業(yè)與生物工程系(Agricultural and Biological Engineering)常年居于該專業(yè)世界前十，全美第一[7-8]。筆者在該系做訪問學(xué)者期間，通過旁聽課程和參與學(xué)生小組活動(dòng)等方式對(duì)其學(xué)科方向、課程設(shè)置和學(xué)生培養(yǎng)模式等方面進(jìn)行了解，淺試介紹和分析該系農(nóng)業(yè)工程本科生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的情況。

1 農(nóng)業(yè)與生物工程系和農(nóng)業(yè)工程專業(yè)概況

普渡大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系的教學(xué)和師生管理等業(yè)務(wù)隸屬工學(xué)院，但鑒于其學(xué)科性質(zhì)，部分科研等業(yè)務(wù)與農(nóng)學(xué)院亦聯(lián)系緊密[9]。該系現(xiàn)有教職工84位，其中教授22位，副教授34位，4個(gè)主要研究方向包括農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理(Agricultural Systems Management)、生物工程(Biological Engineering)、以環(huán)境與自然資源工程研究為主的農(nóng)業(yè)工程(Agricultural Engineering：emphasis in Environmental & Natural Resources Engineering)和以機(jī)械系統(tǒng)工程為主的農(nóng)業(yè)工程(Agricultural Engineering：emphasis in Environmental & Natural Resources Engineering)。其農(nóng)業(yè)工程教育素來享有盛譽(yù)，本科生教育已連續(xù)9年獲評(píng)全美第一，研究生教育在過去12年中有11年是全美第一，博后和訪問學(xué)者年均30人左右。完全隸屬農(nóng)業(yè)與生物工程系的本科生專業(yè)有農(nóng)業(yè)工程、生物工程和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理3個(gè)。農(nóng)業(yè)工程和生物工程專業(yè)的理學(xué)學(xué)位獲美國工程技術(shù)認(rèn)證委員會(huì)(Accreditation Board for Engineering and Technology， ABET )的工程鑒定委員會(huì)(Engineering Accreditation Commission， EAC)認(rèn)可，2019年秋季入學(xué)新生數(shù)分別為74和166人，與2018年數(shù)據(jù)持平。農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的學(xué)位要求為128個(gè)學(xué)分，其中有125～126個(gè)為院系要求學(xué)分和2～3個(gè)為學(xué)校要求學(xué)分。院系要求學(xué)分包括本系開設(shè)的系統(tǒng)工程計(jì)算、機(jī)械零件設(shè)計(jì)、生物材料的物理性質(zhì)、實(shí)體建模仿真與分析、農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)及農(nóng)業(yè)和生物工程專業(yè)實(shí)踐等14門必修課的34個(gè)學(xué)分，以及外系開設(shè)的微積分等數(shù)學(xué)類課程，工程師的編程應(yīng)用、一般化學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)等力學(xué)課程，工程技術(shù)選修課程、人文或社會(huì)科學(xué)選修課程、寫作與溝通類選修課程等數(shù)十門選修課中的91～92個(gè)學(xué)分。此外，還需滿足平均學(xué)分績點(diǎn)(GPA)2.0以上，32個(gè)以上的本校高級(jí)課程學(xué)分(upper division credits from Purdue)和多元文化、書面與口頭溝通及人物社科類課程最低學(xué)分?jǐn)?shù)等要求。國內(nèi)開設(shè)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的高校多數(shù)有類似課程模塊與培養(yǎng)方案[10-11]。

2 本科生實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)設(shè)置與執(zhí)行

普度大學(xué)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)主要包括課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和課外學(xué)術(shù)活動(dòng)。課程實(shí)驗(yàn)形式有觀摩型、驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型，依托豐富的生產(chǎn)和科研資源支持，借助研究生助教的深度參與，對(duì)于學(xué)生理解和分析問題、實(shí)踐動(dòng)手等能力的培養(yǎng)和提升具有顯著效果。例如，《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)屬觀摩型，授課場地為學(xué)校試驗(yàn)農(nóng)場機(jī)庫，授課教師講解機(jī)具設(shè)計(jì)要點(diǎn)后，由日常駕駛和維護(hù)人員講解并示范機(jī)具運(yùn)行特點(diǎn)，學(xué)生可以與教師和使用人員現(xiàn)場溝通關(guān)于各類機(jī)具應(yīng)用場合、作業(yè)參數(shù)和待改進(jìn)方向等各類問題。《數(shù)字電子技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)部分以驗(yàn)證型為主，理論課講授各類門電路、寄存器和集成電路等元器件基本原理與功能后，布置相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)作業(yè)，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)自選時(shí)段在實(shí)驗(yàn)室中獨(dú)立完成電路搭建與調(diào)試，期間由研究生助教解決簡單咨詢和電路功能評(píng)價(jià)。部分機(jī)械設(shè)計(jì)類課程有設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生接收實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，需提出設(shè)計(jì)方案，繪制零件圖紙，利用3D打印和常規(guī)機(jī)床完成零件加工和整機(jī)組裝工作，運(yùn)行并評(píng)價(jià)自己的設(shè)計(jì)。

學(xué)生以低年級(jí)專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)中積累的實(shí)踐動(dòng)手能力為基礎(chǔ)，完成范圍更廣、難度更高的課程設(shè)計(jì)和課外學(xué)術(shù)活動(dòng)。高年級(jí)學(xué)生通過理論和實(shí)踐測(cè)評(píng)后，可獲得學(xué)校加工中心的操作許可證書，從而取得在工作時(shí)間內(nèi)獨(dú)立使用校內(nèi)各類加工和測(cè)試機(jī)械的權(quán)限。每生每年有定額原材料補(bǔ)助，超出部分由學(xué)生個(gè)人承擔(dān)。其他類型的試驗(yàn)中心也有類似政策，學(xué)生通過測(cè)評(píng)后，即可獨(dú)立開展實(shí)踐動(dòng)手操作。深入、大量的實(shí)踐動(dòng)手訓(xùn)練機(jī)會(huì)和具備實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)人群間的相互討論，使學(xué)生徹底完成了由理論到實(shí)踐再到理論的認(rèn)知和思考過程。

3 本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

普度大學(xué)一貫重視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其校門命名為“未來之門”，招生宣傳口號(hào)為“我們所做的推動(dòng)世界進(jìn)步(what we make moves the word forward)”。這種培養(yǎng)，除了以扎實(shí)的基本理論知識(shí)與實(shí)踐技能教育為基礎(chǔ)，還通過各種途徑和方式潛移默化地從招生之日起便灌輸學(xué)生引領(lǐng)人類工程學(xué)科前沿的使命感和責(zé)任感，讓學(xué)生的創(chuàng)新思考變成一種思維習(xí)慣。以先進(jìn)而濃郁的學(xué)術(shù)氛圍為依托，形式多樣的師生交流和項(xiàng)目體驗(yàn)式能力訓(xùn)練對(duì)本科生的思維培養(yǎng)益處良多。校內(nèi)以本科生為目標(biāo)聽眾的科普性講座密度很高，既介紹學(xué)術(shù)前沿，又不過分深?yuàn)W。學(xué)院會(huì)不定期地舉行集體午餐，食物很簡單，但是全院師生聚在一起邊吃邊聊，使學(xué)生能夠在課堂和課間之外的時(shí)間同教師們更輕松地溝通學(xué)業(yè)相關(guān)問題。合作企業(yè)與農(nóng)場和優(yōu)秀校友等提供豐富的參觀和溝通機(jī)會(huì)，使學(xué)生能夠了解業(yè)界動(dòng)態(tài)。本科生導(dǎo)師制的實(shí)施讓學(xué)生具備了專業(yè)學(xué)習(xí)的基本目標(biāo)和預(yù)期。

廣泛的交流滿足了學(xué)生對(duì)專業(yè)的好奇心，同時(shí)也激發(fā)了他們的求知欲，而項(xiàng)目式訓(xùn)練則讓他們將這種心態(tài)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)新能力。學(xué)院鼓勵(lì)二、三年級(jí)的本科生參與教師的科研活動(dòng)，即學(xué)生可以自由組隊(duì)或加入教師已有本科生團(tuán)隊(duì)，參與教師的科研項(xiàng)目，并完成具備一定難度和工作量的部分工作。學(xué)生可通過前述渠道選擇自己喜歡的某一方向的教師，其任務(wù)完成效果可用于申請(qǐng)相應(yīng)學(xué)分和獎(jiǎng)勵(lì)。項(xiàng)目完成期間，實(shí)際工作任務(wù)的挑戰(zhàn)，與導(dǎo)師和研究生對(duì)于技術(shù)方案和參數(shù)細(xì)節(jié)的討論，與其他工作組間的溝通，整個(gè)設(shè)計(jì)、加工、組裝和調(diào)試流程的參與，對(duì)于學(xué)生整合理論知識(shí)、訓(xùn)練基本技能并在此基礎(chǔ)上迸發(fā)新的思維火花具有重要的意義。

此外，普度大學(xué)的校企聯(lián)合教育和全球?qū)W習(xí)計(jì)劃對(duì)于學(xué)生專業(yè)思維、眼界和格局的提升亦有極大的促進(jìn)作用。以普度歷史最悠久亦最負(fù)盛名的機(jī)械工程(Mechanical Engineering)和以其為基礎(chǔ)應(yīng)時(shí)代發(fā)展而生的工業(yè)工程(Industry Engineerin)為例，此二專業(yè)分別隸屬于機(jī)械工程系和工業(yè)工程系，2019年秋季入學(xué)新生數(shù)為1 364和766人，2018年秋季入學(xué)新生數(shù)分別為1 281和775人，均系普度大學(xué)的王牌本科專業(yè)之一。其培養(yǎng)目標(biāo)和課程設(shè)置與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程、機(jī)電工程和農(nóng)業(yè)工程專業(yè)相類似，但是機(jī)械工程專業(yè)強(qiáng)調(diào)綜合機(jī)械、熱力和電力系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、分析與加工，而工業(yè)工程則側(cè)重于工業(yè)生產(chǎn)全過程中涉及人員、信息、設(shè)備和物資協(xié)調(diào)運(yùn)作的全過程復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行。作為典型的工科專業(yè)，其校企聯(lián)合教育運(yùn)行多年，相關(guān)的學(xué)分認(rèn)定、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)和獎(jiǎng)勵(lì)措施等條例較為完備。通過安全和技能測(cè)試的本科生在2～3年級(jí)即可參與校企聯(lián)合項(xiàng)目，參與企業(yè)生產(chǎn)，以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)化專業(yè)理念和知識(shí)積累，同時(shí)提升其就業(yè)競爭力。而院系則能夠從學(xué)生和企業(yè)的反饋中及時(shí)了解行業(yè)對(duì)人才的具體需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)方案做出迅速調(diào)整。

全球?qū)W習(xí)計(jì)劃亦是深受本科生歡迎的培養(yǎng)方式，其中以2+2或3+1類計(jì)劃和全球?qū)嵺`計(jì)劃等實(shí)施較為廣泛，符合學(xué)分要求、滿足申請(qǐng)條件的本科生均可申請(qǐng)。2+2和3+1類計(jì)劃即在普度大學(xué)學(xué)習(xí)2或3年，選擇在歐洲、亞洲或美洲的其他協(xié)議學(xué)習(xí)完成一學(xué)期以上的校外或國外學(xué)習(xí)，在培養(yǎng)方案規(guī)定范圍內(nèi)學(xué)習(xí)的課程可予以學(xué)分互認(rèn)。全球?qū)嵺`計(jì)劃是高年級(jí)學(xué)生選擇在亞洲或非洲的研究中心參與科研項(xiàng)目，需獨(dú)立完成具有實(shí)用價(jià)值的工作，并以此抵扣某些相應(yīng)課程的學(xué)分。在項(xiàng)目執(zhí)行的1～2年期間，學(xué)生需利用網(wǎng)絡(luò)完成部分課程的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，亦能通過網(wǎng)絡(luò)尋求校方技術(shù)等方面的支持。此類項(xiàng)目的實(shí)施使學(xué)生在校期間有更多參與解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，使之能夠在實(shí)踐中理解并掌握所學(xué)知識(shí)和技能，并以此為依托根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求導(dǎo)向產(chǎn)生解決問題的新思路和新方法。

4 對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的借鑒與思考

近年來，國內(nèi)大部分農(nóng)業(yè)工程專業(yè)在本科生課程和培養(yǎng)環(huán)節(jié)的設(shè)置上，已與前述普度大學(xué)的情況基本類同。伴隨著“新工科”建設(shè)的實(shí)施和推進(jìn)，更多教學(xué)模式和培養(yǎng)方式的優(yōu)化與創(chuàng)新亦日趨增多，例如，針對(duì)本科生的專業(yè)講座主題更為廣泛、頻率更為密集；強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)思維培養(yǎng)和個(gè)性化培養(yǎng)的本科生導(dǎo)師制推行范圍逐年增加；推進(jìn)校企合作人模式等[12]。然而，受實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足和生師比、場地和實(shí)驗(yàn)室管理制度等現(xiàn)實(shí)條件制約，在深度、廣度和難度上尚未能與其看齊。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、參與科研的積極性和能動(dòng)性，可以考慮在時(shí)間條件上，調(diào)整課程設(shè)置，使學(xué)生有更多的課余自主學(xué)習(xí)時(shí)間，同時(shí)預(yù)防學(xué)生未正確使用自主學(xué)習(xí)時(shí)間；在實(shí)驗(yàn)室條件上，選取危險(xiǎn)系數(shù)低、可以招募研究生或上一屆優(yōu)秀學(xué)員為助教或志愿者的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，試行開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為非參賽實(shí)驗(yàn)室的多數(shù)普通學(xué)生提供動(dòng)手操作和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的機(jī)會(huì)和平臺(tái)；在學(xué)分認(rèn)可和獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)選等政策上，以本科生導(dǎo)師制為依托，逐步引導(dǎo)和擴(kuò)大本科生參與科研的范圍與深度；在培養(yǎng)方案和課程大綱修訂過程中，適度探討與國內(nèi)外其他高校的學(xué)分互認(rèn)范圍，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道。

5 結(jié)束語

中外的社會(huì)文化氛圍和學(xué)生獨(dú)立基礎(chǔ)有顯著差異，完全照搬國外高校的運(yùn)作方式并不適用于國內(nèi)的教學(xué)實(shí)際，但是對(duì)其培養(yǎng)方式與環(huán)節(jié)進(jìn)行有選擇地參考與借鑒，能夠提升學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)質(zhì)量，提高“新工科”建設(shè)成效，從而通過全方位、多渠道和深層次的培養(yǎng)，提升農(nóng)業(yè)工程學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維水平，為服務(wù)中華民族偉大復(fù)興培養(yǎng)出合格的工程人才。