郭玉柱，呂建勛，李 陽，胡慶雷

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

我國的經(jīng)濟發(fā)展正在進入結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級的時期，需要加快工程科技人才的培養(yǎng)，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類工程技術(shù)人才。新工科專業(yè)對人才的要求是多方位的，相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，新工科涵蓋了以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，以智能制造、云計算、人工智能和機器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。高等教育的目標是為社會培養(yǎng)適應(yīng)時代需要的人才，完成學(xué)生從學(xué)校到社會的轉(zhuǎn)變。因此是否滿足社會對人才的需求是大學(xué)生培養(yǎng)的核心指標。研究型本科人才培養(yǎng)旨在促進學(xué)科發(fā)展，其發(fā)展遵循學(xué)科深化和學(xué)科分化的基本規(guī)律，重在認識世界，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律;應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)旨在促進行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，行業(yè)領(lǐng)域的交叉融合，重在將科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計或規(guī)劃決策[1]。因此本科畢業(yè)設(shè)計應(yīng)能體現(xiàn)自然和人類發(fā)展品質(zhì)等社會需求，以學(xué)生為中心，注重學(xué)生認知意外的外延性能力培養(yǎng)[2]。

第十一屆中國大學(xué)教學(xué)論壇上，教育部高等教育司吳巖司長提出了新時期“兩性一度”的金課標準，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。突出知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維;內(nèi)容反映前沿性和時代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化，具有一定難度，是對新時期人才培養(yǎng)的總要求[3]。畢業(yè)設(shè)計作為“新工科”人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)充分體現(xiàn)“兩性一度”的基本要求。

畢業(yè)設(shè)計是工科專業(yè)教學(xué)過程的最后階段采用的一種總結(jié)性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，著重于鍛煉學(xué)生綜合利用前期所學(xué)知識和各種資源解決工程實際問題的能力，著重于提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和科技寫作水平及創(chuàng)新意識。要求學(xué)生針對某一課題，綜合運用本專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，作出解決實際問題的設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計具有雙重作用，其一是總結(jié)檢查學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)成果，評定畢業(yè)成績，并作為授予學(xué)士學(xué)位的重要依據(jù);其二是通過畢業(yè)設(shè)計，使學(xué)生對某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴大和加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。畢業(yè)設(shè)計效果不僅在綜合素質(zhì)培養(yǎng)方面優(yōu)于課堂教學(xué)，還有助于學(xué)生的均衡發(fā)展，英國基于5 000 名學(xué)生的研究表明畢業(yè)設(shè)計對于提高差生更為明顯，有利于教育效果的均衡化[4]。

隨著招生規(guī)模擴大，教育資源的相對不足，教師工作負荷，學(xué)生升學(xué)壓力和就業(yè)負擔(dān)，以及畢業(yè)設(shè)計承載的畢業(yè)評定功能等成為制約本科畢業(yè)設(shè)計大膽創(chuàng)新的主要桎梏。如何讓畢業(yè)設(shè)計工作發(fā)揮其在本科教育中應(yīng)有的作用，仍是需要不斷研究的重要課題。針對畢業(yè)設(shè)計改革的探索應(yīng)敢于面對人才培養(yǎng)中的真正問題，突破束縛，大膽嘗試。針對畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)中的問題，很多高校進行了積極探索，如論文選題多元化、與競賽相結(jié)合，以及與科研訓(xùn)練計劃連貫培養(yǎng)等優(yōu)秀模式[5-7]。

畢業(yè)設(shè)計探索多以緩和當(dāng)前畢業(yè)設(shè)計中存在的現(xiàn)實困難為目的，沒能真正從人才培養(yǎng)的根本需求出發(fā)，充分調(diào)動畢業(yè)設(shè)計主體——學(xué)生的積極性和主觀能動性，轉(zhuǎn)變教師在畢業(yè)設(shè)計中的職能。本文結(jié)合工科畢業(yè)設(shè)計中的現(xiàn)實問題，從人才培養(yǎng)規(guī)律出發(fā)，探索工科畢業(yè)設(shè)計探索的新途徑。

一、知識深度等級體系與綜合能力培養(yǎng)

英國本科研究委員會(Council on Undergraduate Research，CUR)將畢業(yè)設(shè)計定義為本科生獨立完成的為本學(xué)科提出原創(chuàng)性智力或創(chuàng)造性貢獻的調(diào)查或研究工作?？梢娧芯康膭?chuàng)新性是畢業(yè)設(shè)計的核心要求之一。

1997 年，美國威斯康星州教育研究中心的教育評價專家諾曼·韋伯提出了“知識深度(Depth of Knowledge，DOK)”理論，用于評估美國各州教學(xué)效果評價與國家標準及州標準的一致性，是一整套如何基于課程標準來實施學(xué)業(yè)成就評價的程序、方法和具體技術(shù)[8]。知識深度等級體系旨在分析學(xué)生在回答問題和完成活動時思考的深度(思維的復(fù)雜度)，而不是內(nèi)容的難度。DOK 已從評價領(lǐng)域延伸和拓展到課堂教學(xué)領(lǐng)域，成為課堂教學(xué)設(shè)計的重要理論和方法。知識深度理論將知識深度分為：回憶與再現(xiàn)(獲取知識)、技能與概念(應(yīng)用知識)、策略性思維(分析知識)和延展性思維(擴充知識)四個層次。研究者根據(jù)其不同等級的思維要求設(shè)計和開發(fā)相應(yīng)的活動、任務(wù)和問題，使得教育實踐者能夠設(shè)計有質(zhì)量、促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)任務(wù)、活動和問題。從DOK 理論和活動看，教師在教學(xué)活動或任務(wù)設(shè)計時，需要從教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點出發(fā)，設(shè)計具有不同認知水平要求的活動。這既是對學(xué)科內(nèi)容本身梯度性的積極回應(yīng)，也是深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生用知識解決問題的能力的內(nèi)在需求。教學(xué)任務(wù)的最終目標指向是高階思維和綜合能力的培養(yǎng)。

知識深度等級體系從思維深度的角度對教學(xué)活動進行了分層，非常適用于綜合能力培養(yǎng)的素質(zhì)教育分析。面向社會對創(chuàng)新性工科人才的要求，工科畢業(yè)設(shè)計的核心思想是，學(xué)生在解決問題的背景下獲取和應(yīng)用新知識時，通過現(xiàn)實世界的問題吸引學(xué)生的興趣并引發(fā)認真思考。同時由于實際問題很少只使用一門學(xué)科解決，畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)通常是跨學(xué)科的，學(xué)生需要綜合學(xué)習(xí)和使用來自多個學(xué)科領(lǐng)域的知識。畢業(yè)設(shè)計有助于從三個方面提升學(xué)生的素養(yǎng)：個人提升、智力提升和職業(yè)素養(yǎng)提升，包括處理及分析問題的能力、批判性思維、主動性及溝通能力、克服苦難的能力、寫作及表達能力等。

針對于“新工科”人才培養(yǎng)的需求，工科畢業(yè)設(shè)計對學(xué)生的四個核心能力要求可以總結(jié)為：根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析對比研究，發(fā)現(xiàn)并提出問題的能力，是在專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造和擴充現(xiàn)有知識體系的重要環(huán)節(jié)，是創(chuàng)新能力的集中體現(xiàn);針對已知問題，提出解決方案，將科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計或規(guī)劃決策的能力;依據(jù)具體方案具體實施的能力;以及在具體方案實施中所學(xué)知識再現(xiàn)的能力。以上四個核心能力要求分別對應(yīng)于DOK 理論中的延展性思維、策略性思維、應(yīng)用型思維和知識獲取與再現(xiàn)的四個思維層次，充分涵蓋了工科人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)的核心要素，因此在人才培養(yǎng)方案中應(yīng)充分體現(xiàn)對工科學(xué)生的四種核心思維方式的培養(yǎng)。而本科課程以教學(xué)、課后訓(xùn)練及實驗為主的環(huán)節(jié)主要集中在知識的回憶與再現(xiàn)，以及技能與知識的應(yīng)用這兩個較低層次的思維方式的訓(xùn)練。對于反映綜合創(chuàng)新能力的后兩個策略性思維和拓展性思維方面的培養(yǎng)嚴重不足。

畢業(yè)設(shè)計屬于項目型教學(xué)(Project Based Learning，PBL)，學(xué)生獨立收集資源和信息，創(chuàng)建項目和產(chǎn)品。由于畢業(yè)設(shè)計以個人完成為主，避免了傳統(tǒng)項目型教學(xué)中個體參與度不確定的弊端。在探索中增進與老師和同學(xué)交流的過程。PBL 的基礎(chǔ)在于研究的真實性或現(xiàn)實應(yīng)用，被認為是紙質(zhì)、死記硬背、教師主導(dǎo)的教室的替代方案。研究表明，學(xué)生在基于項目的學(xué)習(xí)教室獲得比學(xué)生在傳統(tǒng)教室更高的分數(shù)[9]。項目學(xué)習(xí)好處，包括更深入地理解概念、更廣泛的知識基礎(chǔ)、改進溝通和人際/社交技能、提高領(lǐng)導(dǎo)技能、增加創(chuàng)造力和提高寫作技能。

由此可見，畢業(yè)設(shè)計教學(xué)的核心是從以教師為中心的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心鼓勵學(xué)生“通過做來學(xué)習(xí)”(約翰·杜威)。學(xué)生的問題和創(chuàng)造力往往主導(dǎo)教學(xué)過程。當(dāng)學(xué)生使用技術(shù)作為與他人溝通的工具時，他們扮演主動的角色，而不是老師、書籍或媒體傳播知識的被動接收者。具體體現(xiàn)在學(xué)生在項目過程中不斷主動選擇如何獲取、顯示或運用信息。因此以學(xué)生為中心或者學(xué)生在全過程中的自由決定權(quán)是培養(yǎng)學(xué)生高級思維能力的核心要素。

相反教師是這種以學(xué)生為中心的方法的輔助者和促進者，在必要時提供幫助和指導(dǎo)。教師的作用在于與學(xué)生合作，制定有價值的問題，對學(xué)生進行方向引導(dǎo)。同時通過過渡性目標來規(guī)范學(xué)生的探索，以確保學(xué)生項目保持專注，并且引導(dǎo)學(xué)生對正在研究的概念有深刻的理解。他們不是放棄對合作課堂或?qū)W生學(xué)習(xí)的控制，而是營造一種共同承擔(dān)責(zé)任的氣氛。

二、畢業(yè)設(shè)計中存在的典型問題分析

由于畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生自主性要求和內(nèi)容的靈活性和不確定性，給教學(xué)實踐中的具體實施提出了更高的挑戰(zhàn)，無法充分發(fā)揮其在綜合素質(zhì)培養(yǎng)中的作用，教學(xué)過程和培養(yǎng)目標嚴重脫節(jié)。在實際教學(xué)實踐中常見的問題包括以下三個方面。

(一)畢業(yè)設(shè)計退化為教師主導(dǎo)的被動教學(xué)過程

具體表現(xiàn)在學(xué)生在選題、方案選擇甚至具體實施細節(jié)中缺乏自主性，按照導(dǎo)師安排按部就班的完成相關(guān)任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計工作缺乏創(chuàng)造性。畢業(yè)設(shè)計中創(chuàng)新性和學(xué)生的自主性是嚴格相關(guān)的，學(xué)生需要通過自己的分析、判斷、歸納和總結(jié)做出選擇從而實現(xiàn)高階思維能力的鍛煉。最典型的問題表現(xiàn)為，學(xué)生盡管高質(zhì)量完成了相關(guān)任務(wù)，卻回答不了諸如“為什么要研究這個問題”“研究這個問題的意義是什么”“為什么采取這樣的方案”“采取這樣的方案的好處及不足是什么”之類的問題。因此，針對培養(yǎng)學(xué)生策略性和拓展性高階思維過程設(shè)計的畢業(yè)設(shè)計淪為對學(xué)生又一輪低階重復(fù)性思維過程的強化。“虛假繁榮”的高分成績下是與素質(zhì)教育培養(yǎng)目標的嚴重脫節(jié)。

(二)畢業(yè)設(shè)計時間較短及與學(xué)生升學(xué)和就業(yè)求職的時間沖突

畢業(yè)設(shè)計時間通常為大四最后一個學(xué)期，為期16 周，期間學(xué)生同時可能面臨研究生復(fù)試、找工作和實習(xí)等一系列現(xiàn)實問題。再加上學(xué)生對所選題目興趣不足、熟悉度不夠，知識儲備不充分等問題，往往導(dǎo)致學(xué)生精力不集中、畢業(yè)設(shè)計完成質(zhì)量參差不齊。其核心原因在于畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容與個人興趣、研究生復(fù)試、實習(xí)和就業(yè)等需求不一致。而本科畢業(yè)人才培養(yǎng)的就是為實現(xiàn)學(xué)生的個人追求、滿足社會發(fā)展對人才的需求以及為進一步深造奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)從學(xué)校到社會或者專業(yè)研究的順利過渡。因此核心在于畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容與學(xué)生發(fā)展的需求的對立，是培養(yǎng)過程與培養(yǎng)目標的另一嚴重錯配。事實上，在大部分的科技競賽中需要學(xué)生用數(shù)日時間完成一個比較完整的高質(zhì)量論文。因此畢業(yè)設(shè)計是對以往知識的綜合應(yīng)用，在選題合理和充分激發(fā)學(xué)生興趣的前提下，時間短的問題并不突出。

(三)畢業(yè)設(shè)計教師負擔(dān)重

畢業(yè)設(shè)計教育中的另一常見問題是老師帶學(xué)生“帶不動”，在畢業(yè)設(shè)計中，導(dǎo)師需要為學(xué)生安排題目、提供數(shù)據(jù)及資料、設(shè)計方案，甚至幫學(xué)生修改程序，提供保姆式服務(wù)。然而，這種情況結(jié)果卻往往不盡如人意，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計中會出現(xiàn)各種各樣“出乎意料”的結(jié)果，導(dǎo)師扮演救火隊員。而與之相反，另一些同學(xué)卻幾乎可以“甩手不管”。究其原因在于學(xué)生由于缺乏背景知識或者對研究內(nèi)容的興趣，機械執(zhí)行老師教給的每條指令。在畢業(yè)設(shè)計過程中導(dǎo)師扮演項目的主體，學(xué)生只是導(dǎo)師思路的執(zhí)行者，因此導(dǎo)師是畢業(yè)設(shè)計過程中每個細節(jié)的第一責(zé)任人。學(xué)生的參與感不強，而導(dǎo)師的感覺是“與其讓學(xué)生做，還不如自己做”。最終的結(jié)果往往是結(jié)果比導(dǎo)師預(yù)期差，學(xué)生抱怨導(dǎo)師指導(dǎo)得不好，陷入惡性循環(huán)。因此主要問題在于在畢業(yè)設(shè)計過程中導(dǎo)師和學(xué)生身份的錯配。

總結(jié)以上問題，不難發(fā)現(xiàn)社會對人才的需求及學(xué)生自身發(fā)展都要求充分體現(xiàn)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)全過程中的自主性，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生作為畢業(yè)設(shè)計的完全責(zé)任人。學(xué)生根據(jù)自身未來發(fā)展需求，在導(dǎo)師的輔助下自主決定項目選題、方案、實施和評價的各個環(huán)節(jié)，充分鍛煉，以適應(yīng)社會和進一步深造的能力要求。學(xué)校和導(dǎo)師在畢業(yè)設(shè)計過程中，提供好保障和輔助工作，包括條件保障及各項必須的技能培訓(xùn)，為學(xué)生提供完成畢業(yè)設(shè)計所需要的必要資源的訪問權(quán)限。

三、布魯姆學(xué)習(xí)分類模型與本科畢業(yè)設(shè)計教學(xué)實施

充分訓(xùn)練學(xué)生的深層思維，以學(xué)生為中心的畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)為學(xué)生提供了充分的權(quán)限和自由度，同時也需要配套的評價機制保證該設(shè)想的可行性。需要將以學(xué)生為中心的培養(yǎng)思路落實到每個可實施、可衡量的學(xué)習(xí)過程中。DOK對畢業(yè)設(shè)計所需要培養(yǎng)的核心能力進行了分析。

布魯姆學(xué)習(xí)目標模型(Bloom's Taxonomy)提供了根據(jù)不同認知嚴謹性和復(fù)雜性對學(xué)習(xí)進行分類的框架，常用于具體教學(xué)實踐的設(shè)計策略[10]。學(xué)習(xí)活動通常既包括低階也包括高級思維，同時是具象知識和抽象知識的混合。通過將教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)進行遞進層次分類，安德森和克拉斯沃爾在修訂的布魯姆學(xué)習(xí)模型將識別、回憶、闡釋、示例、歸類、總結(jié)、推理、比較、解釋、區(qū)分、組織、歸因、檢查、批判、生成、規(guī)劃和構(gòu)建等16 個認知過程分為從低到高的六個認知級別，分別為：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評估和創(chuàng)造，分別對應(yīng)于該培養(yǎng)過程中所要達到的培養(yǎng)目標[11]。

DOK 對畢業(yè)設(shè)計的能力培養(yǎng)提出了總的要求，而Bloom's Taxonomy 將畢業(yè)設(shè)計中的具體教學(xué)環(huán)節(jié)進行了認知層次的分類，為具體實施提供具體指導(dǎo)。因此導(dǎo)師可以依據(jù)學(xué)生具體需要達到的指標點，進行反向設(shè)計，通過確定預(yù)期目標、梳理考核點、安排教學(xué)設(shè)計，完成工科畢業(yè)設(shè)計的培養(yǎng)過程設(shè)計。

結(jié)合DOK 四個思維層次(能力培養(yǎng)要求)和布魯姆六個認知級別(具體實施指標點)可將畢業(yè)設(shè)計中的不同學(xué)習(xí)行為進行歸類，從而使之對應(yīng)于每一個培養(yǎng)目標指標點。使用Hess Cognitive 赫斯認知嚴謹矩陣(Hess Cognitive Rigor Matrix，CRM)將工科畢業(yè)設(shè)計中的可能培養(yǎng)環(huán)節(jié)分布在以DOK 四個思維層次和Bloom 六個認知級別[12]。畢業(yè)設(shè)計者可以根據(jù)自身專業(yè)特色不斷豐富工科畢業(yè)設(shè)計CRM 表格，并選用其中的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，進行畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)方案設(shè)計。通過選取不同認知級別的學(xué)習(xí)行為實現(xiàn)各個思維能力培養(yǎng)。對照此表，量化學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計期間包含了哪些認知層次的學(xué)習(xí)行為，覆蓋了哪些層次的思維能力培養(yǎng)目標。見表1。

表1 工科畢業(yè)設(shè)計認知嚴謹矩陣CRM

需要特殊強調(diào)的是學(xué)生的自主性水平是教學(xué)實踐中的一個隱變量，同一個教學(xué)行為，學(xué)生的自主性水平不同，將直接改變其對應(yīng)的認知層級和所屬思維水平。以學(xué)生選題為例，如果學(xué)生選題過程中主導(dǎo)題目擬定過程，通過自身對相關(guān)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行詳細分析，發(fā)現(xiàn)目前相關(guān)領(lǐng)域中存在的問題，這樣的選題過程，包含了深層次的拓展性思維，是對現(xiàn)有學(xué)科發(fā)展的創(chuàng)新性探索過程，其中包含分析、評估和創(chuàng)造等高級認知層次行為;而如果學(xué)生不具有經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)問題的靈活性，而是結(jié)合自身特征和職業(yè)發(fā)展需要進行評估，從眾多題目中選擇適合自身發(fā)展需求的畢業(yè)設(shè)計題目，其中包含了評估、分析等認知層次行為，更多屬于策略性思維范疇;相反，如果學(xué)生對擬定題目不具有自主性，被動接受導(dǎo)師安排的題目，則可能只需要與導(dǎo)師的簡單溝通，對題目進行理解，則此過程基本屬于較低層次的應(yīng)用已有知識對題目類型進行確認的思維過程。

由此可見，同樣的畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)環(huán)節(jié)，學(xué)生的自主性水平直接影響畢業(yè)設(shè)計的培養(yǎng)效果，因此以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)變導(dǎo)師職能是提升畢業(yè)設(shè)計綜合能力培養(yǎng)效果的核心。

四、結(jié)束語

工科本科畢業(yè)設(shè)計作為工科人才培養(yǎng)中的必修環(huán)節(jié)，承載著本科培養(yǎng)質(zhì)量評估和創(chuàng)新人才綜合能力培養(yǎng)的重要作用，是學(xué)生完成從學(xué)校到社會身份轉(zhuǎn)變的重要橋梁。要解決當(dāng)前工科畢業(yè)設(shè)計存在的深層矛盾，適應(yīng)新時期創(chuàng)新人才培養(yǎng)和“兩性一度”的基本要求，需要充分運用認知和教育規(guī)律，突破傳統(tǒng)教學(xué)思維桎梏，進行深層次探索。其中以學(xué)生為中心，充分釋放學(xué)生的活力和主動性，是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，解決資源緊張，化解培養(yǎng)過程和培養(yǎng)目標錯配的關(guān)鍵。