王建青:我眼中的崇新學堂的新工科教育改革

發布日期:2020-09-17 字號:  點擊次數:

2017年7月我應山大信息學院院長及崇新學堂首席教授黃衛平邀請,以志愿者的身份開始了2年多學堂的一些新工科教學工作。當時已經離開學校許多年了,又能重新為山大服務心里還是很興奮的。我在學校每年約6個月左右。我的工作主要是:第一學期,協助學堂引進的MIT的公開課“EECS-入門”實驗課的開通;第二學期為帶領學生開發了此課可替代的實驗課設備(因原生產廠家停銷);后邊兩個學期主要參與了學堂實驗項目課的討論及開通。2019年9月完成了我所負責的實驗項目課驗收后,我完成了我的志愿服務工作,離開了學校。

我對崇新學堂的工科教育改革,也是在山大工作期間有了逐漸的認識和理解。國內的大學教育比起1977年是有了長足的發展,但這些年來也有不少突出的問題,在網站及各種媒體可見到許多討論。簡單的來說就是培養出來畢業生與社會及時代的要求有不少差距,尤其是缺乏攻難創新的能力。

時代的發展,科學的進步給教育帶來的影響是巨大的。知識大爆炸是我們77年在山大讀書時聽到對未來的預測,現在早已成現實。知識大爆炸導致學科的更專業化,而衍生出更多的學科及學習知識點。學生要學到更多知識,就必須學習更多的課程。山大信息學院的本科生都有從早到晚都在上課的這種極限狀態中的經歷??茖W的發展也使得老師的知識及教材跟不上先進的知識技術的發展。學生所學知識面非常專業化也不一定適合企業所需要的專業且知識面廣的人才要求。也有其它因素給教育給學生的學習目的帶來一定的影響。

山東大學崇新學堂成立是在我去之前的事情。崇新學堂是做大學工科教育的改革試點,這種教育改革也稱新工科。目的是闖一條適合國情改革創新的工科教育路子,培養出更適合社會及時代要求有攻難創新能力的人才。黃衛平教授等有識之士在2017年之前就看到了對攻難創新的能力的人才的培養,今天看來確實是看準了問題。

 以我的理解,崇新學堂立足于培養的人才應具有以下能力:

· 有較強的理論知識,而且理論知識面較寬。同時具備一定水平的專業知識。

· 有多個以解決問題為導向的實驗研究項目的經歷及較強的動手能力,熟悉解決新問題的思路,具有敢于攻難創新的自信心。

· 有自主學習的能力及習慣,學會自主分析問題,有自主學習新理論知識新技術工具的能力。

· 有團隊合作的精神。

很明顯時下的大學工科教育沒能很好地完成上述任務。要做到培養的人才的目標,崇新學堂必須要對時下的大學工科教育的思路,方法及學生培養方案做出大膽改革和創新。為此學堂設立了新的課程,重新編排的講課講義由學堂教授們親自編寫及講授。新增加了側重于以解決問題為導向的完整的實驗研究項目。學堂的學生培養計劃設置上大大突出動手能力的實驗研究項目,減輕或取消了不少必需課,給學生提供了負擔平衡的空間。

崇新學堂要在相同的時間里完成比當下教育體系更高的目標,必須要解決的是很多的。我覺著可從以下幾個方面來看學堂的工科教育改革思路。

基礎理論的教學:保證基礎理論的學習,減掉缺乏實際意義的程序性內容

信息科學的本科教育需要學習電動力學?;诙嗄甑慕虒W實踐及工業界的經歷黃衛平教授對電動力學的學習分為學習解釋性知識與程序性知識。解釋知識指理論的來龍去脈,公式的建立等;而程序知識指利用公式的計算。例如電磁場的求解用偏微分方程。這種偏微分方程的求解往往需要花大量的時間及精力來完成。而在實際工業生產設計中這種求解計算都有現成的計算機程序來完成。學生需要知道公式的建立及使用,但花費時間的大量的手工計算訓練就沒必要。即可以把程序性知識學習的時間省出來。這種理論課教育思路也用于了其它理論教學。

基礎理論知識的掌握無疑是重要的能力。為保證學生的基礎理論知識學習又不讓學生重新進入超負荷的學習狀態,崇新學堂的做法是重新編寫基礎理論知識的教材,突出重點,減去不必要的內容,例如上述的減去程序性知識等。

崇新學堂的基礎理論知識學習是學生學習的重頭內容之一,學習內容包括電動力學,理論力學,量子力學,半導體物理,信息論,人工智能,生物學導論等,超過了同類型學生的理論教育知識范圍。當今社會更需要知識面寬并有交叉學科知識的人才。崇新學堂的基礎理論知識教育是立足于高水平人才的培養。同時也是為學生今后根據社會需要,個人興趣發展打下好的基礎。

權衡書本知識學習與從實際動手解決問題中學習的關系

從教育者的角度出發,總希望讓學生可學到更多的知識。在反復研究時下本科學生的教學計劃及培養目標的基礎上,學堂認為傳統的工科教育的培養教學計劃是以課堂授課教育為主的,而其中的動手創新項目,從問題分析到方案設計到系統的建立,包括系統的調試驗證等所有步驟,只占極小比例。雖說人人都明白以解決實際問題為導向的動手創新項目對學生獲取知識時的重大作用,但當落實到教學計劃時就差的很遠。

傳統的工科教育中還是以課堂授課教育作為教育的主要方法。要增加所學知識即是增加課時。在傳統的四年大學中,其中有很大的時間中學生都是課時負擔很重。主要時間精力花費在讀書做作業上。真正系統的分析解決問題的機會很少。這種現象的直接結果即畢業出去的學生動手能力不強,尤其是對創新克難缺乏自信心。

崇新學堂的改革重點和難點之一即要改變傳統的工科教育的模式,從頂層設計的角度來重新設計教育培養計劃。崇新學堂的教育培養計劃與傳統的培養計劃相比有大幅度的變化,尤其是學堂強調了以解決實際問題為導向的動手創新項目是幫助學生獲取知識的重要方法。要平衡書本知識學習與從解決實際問題中學習的關系,崇新學堂的教育培養計劃中重新調整了傳統的專業課程設置,增加了多類動手創新課(項目),例如:入門項目,復雜項目,有導師指導的創新項目,校外合作項目及自選創新項目等等。來保證學生有充足的時間與機會在動手創新項目中不僅學到知識,也鍛煉提高了解決實際問題的能力,更貼近科學技術的發展,更貼近社會對他們的要求,增加了攻難創新的自信心。

側重以解決實際問題為導向的動手創新項目實驗課程

作為學堂學生學習知識的一個重要方法,以解決實際問題為導向的動手創新項目是學堂的教學計劃的重點。學堂認為:

1) 動手創新課是以圍繞著完整的項目來開展的,即學生要系統性的解決實際的問題。要自己分析問題,找到解決實際的方法。自己設計硬軟件,并將解決方案實現出來;

2) 要求學生去體驗項目的實現全過程,需要給學生留有較充分的時間。一般一個項目要一到幾個月時間;

3) 給學生自由發揮的空間,鼓勵創新;

4) 學生的創新動手能力及自信必須要通過自己來分析與解決問題,參與多個項目的經歷來培養。這些經歷對學生的整體能力的培養是非常有意義的;

5) 完成項目會有許多知識技能需要學生自主學習來取得。通過項目還要鍛煉學生的自主學習能力,培養自主學習的習慣;

6) 實驗項目都配有指導老師負責解答問題,提供指導。

7) 當學生能夠深入研究問題,通過自主學習和團隊合作等,可以使知識學習的效率大大提高。

在學生學習的開始階段,他們對獨立自主的解決問題還缺乏經驗,所具備的知識量也不足。入門級的動手創新課是從簡單的項目入手,以達到從易到難的學習過程。例如,電子琴的設計及制作;智能小車的設計及與手機的通信等。

復雜項目級在入門級的基礎上解決復雜的問題。進一步鍛煉學生分析與解決問題的能力。項目將牽扯更多更廣的知識,學生可根據自己的愛好及特長選擇項目,即每個學生的項目可以不同。項目的選擇是根據學生需要具備的能力及知識水平的要求來準備出來的。入門級及復雜項目都有帶課老師來指導及答疑等,但學生要靠自己的力量來完成項目。最后由老師來測評及驗收,評分。

創新項目是由學院的在職教授根據目前的研究項目中分出來的創新課題,這些問題是沒有現成答案的,具有創新研究的性質。除了與前面的項目經歷有很多相同特點,同時還可以使學生了解與體驗創新的經歷。有些項目結束時可能做不出需要的結果,學生如果可以從問題的分析,問題的解決思路的開拓,盡可能的尋找解決問題的方法/路子等方面有所收獲,這一項目訓練的目的也就達到了。

自選創新項目是學生畢業前的最后項目,學生可以把自己在學堂學習學到的知識及技能充分展現出來。也是學堂來檢驗學堂教育改革效果的機會。學堂第一屆2019年畢業,其中給我印象很深的項目有:一種新網絡搜索推薦算法,據說效果及效率比現在網絡使用的要高;可以根據一張手機照片,查出是出自哪一種品牌的哪一個型號的手機;照片是否是原版還是被需改過的等功能。

從我所參與的幾次項目驗收來看,學生在創新實驗項目中表現出的想象力創新能力是非常令人滿意的。也感受到學堂制定的教育培養計劃是有對頭的。

強調自主學習的能力和習慣

傳統的教學偏重于“教",但現代工業及科技的發展告訴我們學生的主觀能動性在學習過程中,在學生成長為有用人才中起同樣重要的作用。學校教育除了給學生傳輸更多的知識,同時培養訓練學生今后發展需要的能力與好的學習習慣??茖W技術發展到今天,計算機網絡提供了前所未有的自學條件,學堂也提供盡可能的實驗條件協助學生自主學習。

自主學習指學生知道哪些新理論知識或技能需要自己還不會但需要掌握,學生根據自己的能力需求主動自學。養成自主學習的習慣培養自主學習的能力,即對于要學到的知識學生可利用當今的網絡,線上線下等方法來完成知識技能學習的能力。學堂要求要把這一能力要變成學生的習慣,伴隨自己一生。

自主學習不僅是學生離校后繼續發展的重要能力,同時對學生可以幫助學生提高在校學習的學習效率。簡單的學生調查即可發現學習優秀的學生幾乎都具備自主學習的習慣。

學堂創新的側重實踐的實驗課程及項目中,刻意留給學生自主學習的空間。學生要較好的完成實驗課程及項目就必須自主學習新的知識技能,并在項目中練習及使用。這種問題分析,系統設計,自主學習,實踐驗證的過程就是解決問題,攻難創新的過程。自主學習與解決問題結合起來,學生主觀學習的動力大大增強,也帶來學習效率的提高。

個性化的教育

學生的個人興趣,發展方向,個人能力等方面是不同的。學堂鼓勵支持學生在學堂學習期間可以按自己感興趣的方向發展。創新實踐課程是學生培養能力的重頭戲,學生在導師及研究方向的選擇,題目的選擇,項目隊友的選擇都可以有選擇的余地。有不少同學選擇目前較熱的人工智能方向,也有同學選擇自己感興趣的方向或題目。

結束語

這次回山大看到了新一代的山大學生,留下了比較好的印象。他們學習基礎扎實,勤學好問,在學業上都不甘落后。崇新學堂已經有兩屆學生通過學習畢業了。從他們的畢業項目答辯,畢業去向可以看到學堂的改革創新的新工科教育是達到學堂建立的設計要求的。從第一屆開始,連續兩屆都有學生作為實習生被微軟中國研究院接受。好像還沒有山大其它學科的學生去那里學習過。學生的畢業項目答辯及創新能力我認為是明顯高于傳統工科教育的。但百年樹人,教育長期的效果還需要長期對比觀察。

回到前面提到的培養出更適合社會及時代發展要求,有攻難創新能力的人才,崇新學堂針對這一目標確實是做了大膽的創新改革。新的新工科的培養計劃確實優點明顯,學生也非常歡迎。同時我也看到學堂在發展時期碰到的眾多困難問題,繼續改革的艱難,明白了改革創新絕不是簡單的心血來潮,而是一個非常艱難辛苦的過程。但畢竟堅冰已破,新的局面已經打開。學堂改革創新的自信心來自于對問題的深刻分析和對改革方案執行的堅強毅力。隨著越來越多的優秀人才培養出來,崇新學堂創新改革的路子一定會越走越寬。

【 作者:王建青  來源:信息科學與工程學院   責任編輯:趙玉潔 】

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