卓越工程师创新能力培养的教育教学改革与实践

李晓媛①  张雯丽① 薛心茹① 陈立伟*①

关键词：“卓越工程师”计划；创新能力培养；课程体系改革；教学方法；创新能力评价

摘要：“卓越工程师”计划下的创新人才培养是一项需要长期建设的教育改革系统工程。本文从课程体系、教学方法和创新能力评价三个方面探讨高层次卓越工程师创新能力的培养。分析了存在的五大脱节现象，并提出逐层递进的三级教学内容和课程体系改革方案。同时强调了思维导图和头脑风暴等创新能力塑造方法的作用，以及CM和PBL教学法的差异和适用情况。最后，将三者深度融合进行卓越工程师创新能力培养的教育改革与实践，提升学生的创新思维能力，培养科技创新人才。

关键词：“卓越工程师”计划；创新能力培养；课程体系改革；教学方法；创新能力评价

中图分类号：TN911.72   文献标识码：A  

一、引言

为实现工业强国和社会现代化建设，教育部2010年出台了“卓越工程师教育培养计划”，旨在贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》中提出的适应中国经济发展和产业技术战略部署的高质量工程技术人才的需求。该计划包含本科、硕士和博士研究生三个层次，力争培养多种类型的工程师后备人才，特别强调培养具有创新能力和创造潜力的卓越工程师，是中国工程教育重要内容和建设世界科技强国的根本保障。

我国高技术人才短缺严重，截至2021年，高技能人才超过5000万人，仅占我国就业人口总量的26%。与发达国家相比，创新型技术人才仍存在较大差距和缺口。此外，我国工程师培养质量参差不齐，调查显示，我国本科生和研究生培养出的工程人才能满足跨国企业工作要求的比例不足10％，表明我国高等教育输出的工程技术人才在全球认可度较低。

心理学界与脑科学界在以往的研究中已反复论证创造力是可以培养的，在心理学背景下，其中最典型的理论就是考夫曼（Kaufman）的4-C创造力模型[1]，指出每个人的创造力都从Mini-C阶段开始，但少部分人历经专业训练和自我培养，少数人可达到Pro-C或Big-C阶段，即通俗意义上的创新人才。在脑科学背景下，芬克（Fink）等学者通过EEG技术发现，创造力思维训练可以促进大脑产生更强烈的α波同步化现象，进一步通过fMRI技术发现，创新活动时大脑外侧前额皮质被更多激活，且该现象与被试者的创造力大小成正相关。从心理学和脑科学研究层面出发，探讨创新思维能力的培养具有相似的结论。

综上所述，通过接受创新训练能够在一定程度上提升创新能力，并且可以进行教学效果的量化评估。因此本文从教育教学方法改革、课程体系和内容改进和创新能力量化评价三个方面详细探讨论述高层次卓越工程师创新能力培养的教学改革与实践。

二、针对卓越工程师创新能力培养的课程体系及课程教学内容改革

课程体系和教学内容是培养创新能力的主要载体，也是“卓越工程师”培养计划的核心内容，课程改革面临巨大的困难和挑战。因此，“卓越工程师”背景下的课程体系建设和教学内容改革在我国教育界具有示范性深远意义。

我国目前针对创新能力培养的教学体系改革中，从微观培养层面的课程教学内容至宏观层面的课程体系，存在以下几个方面的问题：第一，教学内容与培养创新能力之间脱节，课堂教学未能融合与创新能力培养紧密耦合的领域新兴技术，减弱了创新能力的培养。第二，理论教学与实践教学之间脱节，实践内容不足，导致学生缺乏综合运用理论知识解决实际工程问题的创新能力。第三，课程体系框架下各学科教学内容之间脱节，一方面多门学科重复讲解相同知识点，存在冗余性；另一方面，学科之间无法形成有机整体，存在封闭性，不利于培养出全面发展的复合型创新人才。第四，人才培养目标与课程体系之间脱节，缺乏基于创新能力培养目标的建设性课程支撑。第五，创新精神的价值观塑造与教学体系脱节，在追逐名利的资本市场环境下，不良风气导致学生追求名利而放弃技术从事，阻碍了学生的创新动机。

综上所述，基于“卓越工程师”框架下的课程体系及教学内容改革应将创新能力培养贯穿至整个教学过程中。根据逐层递进的能力目标，梳理形成三个不同层级的教学改革方案，每层方案均强调以培养创新能力为目标导向。第一层级为创新思维能力基础层面教学改革，从教学的微观层面—课程内容出发，兼具理论性和实用性的TRIZ（Theory of inventive problem solving）理论是一种有效解决上述第一与第二脱节现象的创新指导方法[3]，有效提升学生的创新能力。2015年，陈良兵[2]和吴迪[4]教授提出了将TRIZ理论与工程类课程教学内容结合的策略，为创新人才培养与高等工程教育之间搭建了新的桥梁。

第二层级是关于创新思维能力发展的教学改革。该层级着重于在课程体系整体上进行改革，以CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）通用标准为基础建立教学大纲。这是解决第三和第四层级脱节问题的基础和保障。课程体系改革旨在引导学生综合运用多学科知识，在解决实际问题中培养创新思维能力。通过课程设计和学科竞赛等环节的设计与改革，扩展学生的知识面，实现理论与实践的紧密结合，培养学生独立思考和解决复杂问题的能力。在国内高校中，这种改革应用最广泛，具有普适性和参考性。课程设计的改革一般分为具体项目问题改革、具体解决方案改革和总体成效评价方式改革三部分。首先，课程设计的具体项目问题改革主要从延伸主干问题的实践性和提升主干问题开放性两方面加强学生创新能力培养。2021年邱祥教授在《边坡工程》的课程设计中，针对独立思考和探究学习能力强的学生，将原有的验证设计项目改进为实际工程设计项目，发现此过程中部分学生的实践创新能力得到较大提升

[6]。其次，问题解决方案改革体现在根据学生的兴趣方向选择合适的方案和形式进行课程设计。2017年，郭志强教授发现，学生使用现代软件进行仿真设计后，更注重性能对比、评价和优化分析，提高了设计与分析的效率[7]。此外，课程设计采用多位教师分组指导的形式，设置开题报告、中期审核和最终答辩等环节，有利于学生和多位教师高效沟通和交流，提升学生分析问题和创新设计的能力[6]。最后，课程设计的总体成效评价从评分标准和参与课程设计的评价人员两方面进行改革。2019年，申静洁教授提出，采用科学的量化评分标准可以及时有效地将改革效果反馈给教师和学生，提升了主动创新的积极性[5]。另外，在工科课程设计中，邀请企业人员加入课程设计考核小组，对学生的创新能力进行评价并提出建设性意见，让学生提前接触到实际生产中遇到的问题和解决工程实际问题的经验，深刻感受到理论学习的价值[6]。

第三层级是培养创新情感目标的教学改革，在全国高校推广的“课程思政”针对第五脱节现象，通过精心设计的教学内容对学生的价值观塑造进行定向引领，最终可达到“创新能力提升”和“创新价值观确立”成为相辅相成的整体。自2019年起，笔者对《自动控制理论》和《过程控制技术》课程进行了课程思政教学的改革和探索，引入老一辈科技工作者的科研经历，以及我国工业未来的发展方向和新时代科技工作者的精神。通过逐步培养创新精神和习惯，引导学生将小创新行为转化为对社会有价值的大创新行为，并实现个人成长价值。

总之，针对创新能力培养的教学改革以解决五大人才培养脱节现象为目标导向，依据逐层递进的三层改革理论，注重宏观课程体系和微观教学内容的改善，强化教学中培养创新情感价值观的课程思政改革，使整个教学体系更加有机。同时，还需要采用综合的教与学方法，促进师生合作，提高学生的创新能力。

三、培养创新思维能力的教学方法改革

基于创新思维能力培养的教学方法是对学生创新思维能力培养的重要方式之一。创新教育教学方法的改革，不仅体现在教师传授知识的方法改革，也体现在学生自学时自我塑造创新能力的方式改革。教学方法主要是通过与学生互动，引导他们掌握知识和培养能力。近年来我国高等教育培养学生创新能力通常采用案例教学法（Case-Based Teaching Method，CM）和PBL教学法（Project-Based Learning Method）。

CM教学法起源于美国哈佛大学，强调通过案例分析培养学生独立思考和参与讨论的能力。1986年美国卡内基小组在《准备就绪的国家：二十一世纪的教师》的报告中推荐了案例教学法在师资培育课程的价值，并建议在教学实践中推广应用。经过多年的教学实践证明CM教学法是培养学生发散思维和创新能力的有效教学方法。与PBL相比，CM教学不要求学生具备实践经验，也不限小班教学，只要调动整体课堂气氛，引导学生积极参与，就能在一定程度上培养学生的创新能力。从事案例教学的高校教师以及学者们一致认为，在工程实践经验不足、小班课堂开展困难时，CM教学能降低获得实践经历的时间成本，对学生的发散思维有积极作用，但在大幅提升学生创新思维和能力方面存在一定局限性。

PBL方法是国际上被广泛认可的培养创新能力的教学模式。自上世纪60年代，首次被加拿大的麦克马斯特大学（McMaster University）的医学专业采用，至今已被广泛应用于工程、生命科学、信息技术等多个专业的教育教学领域。研究表明，PBL能够成功促进参与式学习、养成批判性系统思维和创造力。但是此种模式在我国现阶段高等教育背景下顺利施行存在一定难度。首先，PBL需要学生积极配合，要求学生具备相对成熟的思维和能力。其次，部分学生虽然理论成绩优异，但长期被动学习方式导致他们缺乏实践能力，而PBL则要求学生具备较强的分析和实际问题解决能力。此外，高校师资和学生人数不平衡，导致授课规模较大，与PBL的小组学习和团队实践方法不太适应。因此，如何将PBL引入“卓越工程师”计划教育框架，并适应中国工程教育背景下的创新能力培养模式，需要进一步研究与实践。

从学生自学角度来讲，自主学习研究的时间远大于教师教授时间。要培养和提升工程技术人才的创新能力，学者们从个人能力培养和合作创新团队两个方面进行了深入研究。一方面从个人能力培养入手，通过概念图和思维导图等工具帮助学生自我塑造创新能力。教学实践证实，这些工具可以帮助学生增加知识的广度和深度，引导他们进入更高层次的创造性思维过程。近年来，学者们重点研究如何引导学生有效运用这些工具，以实现教与学的有机结合，提升创新能力。另一方面组织合作创新团队，培养团队创新能力，如促进群体发散思维的头脑风暴等方法。由于个人创新能力往往有限，“卓越工程师”计划中的工程实践创新问题通常需要团队合作解决。多年的教学实践表明，经过头脑风暴训练后，团队创新意识和实践能力得到增强，对学生的工程素质起到重要提升作用。

总体而言，PBL与CM作为培养创新能力的典型教学授课方法可以相互补充，目前国内外学者也正在逐步探索两种方法是否存在融合的可能性，而以思维导图、头脑风暴为主的创新能力塑造方法，可以引导学生们在自主学习过程中培养创新思维能力和创新思维习惯。然而，需要量化评价标准来证实这些培养方法的效果，因此培养创新能力需要建立科学的量化评估标准，形成全面的教育体系。

四、创新能力量化评价研究

创新能力量化评价是教育研究的新领域，具有多学科交叉的特点，可以更准确地评估教学改革的效果。一方面教师可以根据量化结果调整教学方向，另一方面学生也可以根据反馈受到激励和督促，激发创新兴趣。国内外学者从不同角度、不同层次开展创新能力量化评价研究，包括评测依据、角度和方式三个评测维度。根据评测依据的不同，分为基于创新成果产出能力评测与基于创新任务解决能力评测；根据评测角度分为主观自评与客观他评；评测方式又分为心理学评测与脑科学评测。它们互相组合形成五类可实现的评价方式如表1所示，几乎可涵盖国内外目前所有主流创新能力量化评价的研究。

表1 五种典型评价方式

	评测依据	评测角度	评测方式	测评方法
1	基于创新成果产出	心理学	主观自评	创新创业调查问卷
2	基于创新成果产出	心理学	客观他评	高等教育期末的综合测评
3	基于创新任务解决	心理学	主观自评	威廉姆斯创造力自评量表
4	基于创新任务解决	心理学	客观他评	TTCT
5	基于创新任务解决	脑科学	客观他评	α波同步化现象

其中，基于产出创新成果能力评测方法受到成果发表受理时间制约，无法短时间给出有效评价；同时主观自评受外部环境影响较大，且存在邓宁-克鲁格效应，预测信度及效度不稳定。因此本文只重点讨论目前常用的基于创新任务解决能力的心理学量表和基于创新任务解决能力的脑电信息两种评测方法。

基于创新任务解决能力的心理学量表客观评价是通过心理学问卷评估个体在创新任务中产生的创意和解决方案等方面的能力进行评估的经典方法。目前心理学界提出了四类创新测验，分别为发散思维类测验、远距离联想顿悟类测验、创新行为清单、创新解决方案诊断量表的同感评估技术以及创新成就测验。其中，最常用的方法是托伦斯（Torrance）提出的TTCT（Torrance Test of Creative Thinking）发散思维类测验[8]，但是仍然存在结构效度不高、预测效度不稳定、生态效度较低等问题。近年来，由经济合作与发展组织（OECD）开发的国际学生评估项目（Program for International Student Assessment，PISA）最新的2021版引入了创造性思维测验，与TTCT相比，更具递进特征，展现出了良好的区分度，能够多角度、分层次测量学生的创造性思维。尽管迄今为止，基于创新任务解决能力的心理学量表是评估创造力的第一选择，但其心理学测验在预测信度和效度指标方面的表现尚不稳定，尤其效度指标方面的研究产生了大量矛盾结论。

随着脑科学的发展，学者们利用EEG、fMRI等技术研究大脑在静息态和任务态下的功能差异，探索大脑的认知神经机制。利用高时间分辨率的EEG技术，能从时间角度解析大脑认知活动的脑电成分频谱能量变化，并提取相关测量指标对创造性思维能力进行分类。该测量方式已在大量实证研究中被证明具有有效性，避免了心理学量表测试中信度与效度指标等争论问题。自1975年，马丁代尔（Martindale）和海恩斯（Hines）使用EEG技术探讨不同创造力的被试在完成创造性任务时，发现大脑Alpha频段能量对创造性思维活动异常敏感，高创力被试α频段脑电信号相比于低创力被试具有更强的能量[9]。在过去40多年的研究中，围绕同一任务不同创造力的个体间差异和同一个体不同状态间差异的EEG研究反复证实了这一观点。基于这一观点提出的创新能力评价手段被广泛应用于基于大脑可塑性的创新能力培养教学，并在实践中证实了该类测量手段具有良好的内外部效度和信度。

利用脑电信息进行创造力量化评价研究有两个优势：一是基于客观的大脑功能等特征作为创造力测量标准，避免了主观经验和社会评价等人为因素的影响；二是从神经生物结构出发，重新定义创造力概念，与心理学的量表测量相辅相成，便于完善创造力评估体系。然而，目前的脑科学测量工具在对个体创新能力进行细致量化时尚缺乏简洁快速的效果，此外也缺乏适用于各年龄段的测试创新能力的脑电实验范式，不同实验范式引起的思维过程差异性导致无法进行统一对比，尚未有业界认可的脑电创造力量化评价体系。

五、总结展望

“卓越工程师”计划下的创新人才培养需要多方合作、多措并举。教育部和专业教师、学者们构建课程体系和教学内容，提出三层改革方略。第一层基于TRIZ理论，将教学内容与创新能力培养结合。第二层参考CDIO建立的课程体系大纲，使各学科以培养创新能力为导向形成整体，并加入课程设计等模块，促使学生综合运用学科知识，在解决实际问题中培养创新能力。第三层通过新兴的课程思政对创新精神相关的价值观进一步塑造，最终达到三位一体的创新人才培养目标。然而，该体系在实际改革中面临时间跨度大、人力成本高等问题，全国范围内的系统性应用较少，需要相关政策支持和深入研究。

教学方法是培养学生创新能力的关键手段，主要分为教师授课时引导学生与学生自我塑造两种方式。目前常用的提升创新能力的教学法有PBL教学法和CM教学法。PBL教学法适用于小班教学，效果显著；而CM教学法适用于大班教学，创新能力培养效果不够明显。学生自行塑造创新能力的方式主要包括思维导图和头脑风暴。在教学实践中结合多种手段，探讨创新能力培养效果最大化，具有良好的研究应用前景。

创新能力的量化评价是使整个培养体系形成可持续完善的教育系统的关键技术。通过研究各种量化评价标准，按照评测依据、角度和方式三个交错的评测维度，整合形成五种具有实际意义的评价方案。目前，业界广泛认可的创新能力评价方法主要有心理学角度的创新能力量表和脑科学角度的创新任务解决能力评测方法。但是将该类评测手段应用于高等教育能力培养体系方面，尚未有可借鉴的先例。后续将创新能力的评价标准融合进入具体的创新能力培养体系，需要有充分的理论数据分析和教学实践的支持。

本文旨在为教育体系内各层面的教学参与者提供一个全局思考的理论框架，把握创新培养教学体系的整体发展趋势，正确认识和深刻思考所处层面的主要问题，同时也对“卓越工程师”计划实施十年的具体建设成果进行了深入的剖析和概括，为后续“新工科”创新人才培养的教育教学改革提供理论借鉴和参考。

参考文献

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[4]吴迪, 徐宁, 朱金秀, et al. 借鉴TRIZ理论构建物联网工程实践教学体系 [J]. 实验技术与管理, 2015, 32(06): 195-199.

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[8]王冰洁,衣新发, 于尧, et al. 托兰斯及其创造力的测量与教学研究 [J]. 贵州民族大学学报：哲学社会科学版, 2019, (4): 33.

[9]MARTINDALE C, MINES D. Creativity and cortical activation during creative, intellectual and eeg feedback tasks [J]. Biological Psychology, 1975, 3(2): 91-100.