基于STEP 工程教育理念的卓越工程師培養模式

王 揚 ， 于靖軍

（1.北京航空航天大學 研究生院，北京 100083；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100083）

目前，世界新一輪科技革命和產業變革迅猛發展，綜合國力競爭日益激烈，而綜合國力競爭說到底是人才競爭。2021 年中央人才工作會議將卓越工程師作為國家戰略人才力量的重要組成部分，要求“努力建設一支愛黨報國、敬業奉獻、具有突出技術創新能力、善于解決復雜工程問題的工程師隊伍”[1]，以支撐中國高水平科技自立自強。然而，長期以來，中國高校在卓越工程師培養方面仍存在以下突出問題[2-4]：一是理論教學“知識灌輸”多，實驗教學“重復驗證”多；二是理論教學與實驗教學脫節，教學與科研脫節；三是課堂教學缺少面向工程實際的教學內容。上述問題讓高校工程教育效果大打折扣，導致部分學生學習主動性不強，創新實踐能力不足，嚴重阻礙了高校對卓越工程師的培養。

近年來，以CDIO（conceive-design-implement-operate）為代表的工程教育理念成為高校進行卓越工程師培養的綱領和行動指南。國內部分高校嘗試將體驗式教學、研究型教學、項目式教學等新型教學方式在工程教育中進行推廣和應用[5]39-41。為了適應新形勢下創新人才培養的需求，在工程教育改革和工程認證大環境下，筆者擬借鑒CDIO 等國內外先進的教育理念，通過對標國際一流高校，結合北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）工程教育特色，提出對支撐工程教育、培養卓越工程師具有普適性的STEP教育模式（以下簡稱“STEP”），并在相關學院課程體系和課程群建設中進行推廣和應用，以期能取得良好的教學效果。

一、STEP 概念及內涵

卓越工程師培養旨在培養大學生的科學素養、技術創新能力、解決復雜工程問題的實踐能力。其培養過程離不開以創新型、綜合化和全過程為理念的工程教育的支撐。STEP 就是瞄準卓越工程師培養的核心目標，將工程教育的普遍原理與國情、校情緊密結合的教育模式。STEP 是軟件（software）、理論（theory）、實驗（experiment）、項目（project）四者結合的簡稱。北航從2010 年開始探索STEP，形成了以項目驅動為核心，理論教學和實驗教學協同，軟件工具支撐的卓越工程師培養體系，并從課程體系、教學模式、保障機制等方面對STEP 進行了全方位的探索和實踐。STEP 構建方案，如圖1所示。

圖1 STEP 構建方案

STEP 與CDIO 既有不同之處，又有若干相似特征。CDIO 是以產品、生產流程為載體，將系統從研發到運行的各個階段進行分解[5]39-41，其特征是按照產品實現過程的縱向維度構建課程體系；STEP 則是通過方法手段的橫向維度開展工程教育。具體而言：首先，STEP 和CDIO 都是對工程認證的重要支撐，均強調“以學生為中心”“課程體系支撐人才培養目標”的理念；其次，STEP 和CDIO 相輔相成，都強調“基于項目學習”（做中學）、“一體化”、“全過程”的教育理念，實現人才培養體系的一體化貫通；最后，STEP 和CDIO 都重視過程管理和依托內部質量保證體系的支撐，兩者都需要師生在時間、精力、資源等方面給予足夠多的投入，細微差別可能在于CDIO 偏于宏觀，而STEP 則在課程體系宏觀層面以及單一課程或課程群微觀層面均具有適用性[6]。

二、STEP 構建方案

（一）課程體系

課程體系建設是卓越工程師培養的關鍵，STEP的課程體系建設要充分體現項目驅動、理論教學與實驗教學、協同軟件工具支撐的一體化設計。

1.項目驅動

項目驅動是STEP 的核心。國內外許多高校已經開展了基于項目驅動教學的探索和實踐[7-8]。美國麻省理工學院和斯坦福大學等世界名校的本科生每周用于完成課程項目和作業的時間長達30 余小時，這種教學方式讓學生能夠非常扎實地掌握課程知識并能深刻理解知識對于項目實踐的價值。STEP 的項目驅動教學不能簡單地等同于項目式教學，該模式更加突出知識體系在課程教學中的重要性，項目是學生掌握知識體系的驅動案例。在STEP 中，項目是核心和載體，學生所構建的知識體系不再是一盤散沙，也不再是模糊的書本內容，而是在具象化的目標任務的指引下，將理論、實驗、軟件三者有機融合，讓學生明確這三者在解決實際問題中的關聯和作用。在這個過程中，團隊協作、知識分享、自主學習等多種學習方式不斷迭代和升華，能夠有效提升學生的創新能力和解決實際問題的綜合能力。

挖掘合適的項目是STEP 成功的前提。項目挖掘要圍繞“一個核心”，遵循“五個原則”?！耙粋€核心”：以學生為中心，尊重學生的選擇權，聚焦學生的實際需求和學習興趣[9]?！拔鍌€原則”：一是整體性，項目應能較為完整地支撐學生的知識體系構建；二是真實性，項目應源于工程實際；三是關聯性，項目應將理論、實驗和軟件有機融合；四是適應性，項目驅動的形式要符合課程的特點[10]；五是前沿性，項目要能夠反映當代先進的技術水平，讓學生了解當代最先進的科學技術思想。

2.理論教學與實驗教學協同

理論教學強調通識課、學科課、專業課、綜合課四個層次的課程建設和逐級遞進。一是通過扎實的通識課教育，開闊學生視野，提升學生的內在修養，培養學生的人文精神、科學精神和思辨能力；二是通過寬厚的學科課教育，培養學生的數理理論基礎，使學生具備基本的學術研究基礎和持續拓展的學習能力；三是通過精深的專業課教育，使學生了解最前沿的專業和行業知識，獲得良好的專業訓練，學習模塊化的專業課程；四是通過綜合課教學，培養學生在某一專業方向上的綜合性、系統性的知識體系。理論教學強調通識與專業并重、個性化與一體化聯動，著重培養學生建立階梯型的知識結構。

實驗教學突出四個結合，即：教師引導與學生自主實踐相結合、課內與課外相結合、虛擬仿真與實物操作相結合、考試評價與過程評價相結合。實驗教學主要面向學生的基本工程素質與工程能力訓練分層次開展，由基礎性向綜合性逐級過渡，分為基礎型、專業型、科研型、交叉型四個層次?；A型和專業型實驗項目，主要培養學生利用專業知識分析解決實際問題的能力和動手操作能力；科研型和交叉型實驗項目，主要引導學生開展科研創新活動，培養學生解決復雜系統問題的能力和跨學科整合能力。

打造若干核心課程群，強化理論教學與實驗教學協同，是確保STEP 課程系統性的關鍵。隨著學科交叉和知識融合日益凸顯，課程之間的聯系越來越緊密。北航以專業綜合改革實踐為契機，鼓勵各專業根據教學內容的相關性，圍繞骨干課程建設核心課程群，在課程群內大范圍推廣STEP，打通理論教學與實驗教學之間的壁壘，強化理論教學與實驗教學之間的協同。

3.軟件工具支撐

掌握與課程相關的軟件工具的使用方法，特別是掌握虛擬仿真軟件的運用，已成為當前科研和工程領域從業者的必備能力。軟件工具強大的功能和逼真的仿真效果，讓運用全覆蓋式的軟件工具輔助理論教學和實驗教學成為可能。在以往的教學活動中，軟件工具更多是作為課程學習的“配角”，理論學習多，實際運用少，效果較為有限。STEP 提升了軟件工具在學生學習和解決實際問題中的地位，軟件工具可以很好地輔助項目完成虛擬環境下的仿真設計、參數設置、分析評價等工作，從而幫助學生獲得更加扎實的學習效果。通過對理論教學和實驗教學的梳理發現，絕大部分的基礎課、專業課、綜合課程都能找到與之配套的專業軟件工具來支撐課程教學。

（二）教學模式

1.科教融合

STEP 的科教融合，課程是起點，項目是根本。要想讓學生通過課堂學習掌握科學的思維方式和正確的科研方法，教師需要提煉出適合教學的好項目，采用學生樂于接受的方式及時將科研成果引入教學，培養學生利用現代工具解決工程實踐問題的能力。一是開設“工程+”課程。鼓勵教師自行研發與科研項目密切相關的教學實驗項目和儀器設備，讓學生在真實的工程項目中學習并掌握課程知識，培養學生的工程思維和創新實踐能力。二是開設名師課堂。聘請院士、長江學者、杰出青年科學基金獲得者等擔任主講教師，讓學生近距離感受這些學術大師的風采，接觸國際前沿的學術成果，開闊學生的學術國際視野。三是倡導新型課堂教學方法。倡導以學生為中心的啟發式、討論式、研究式、項目式教學，建立體驗式課堂文化，引導學生主動學習。

2.虛實結合

以移動互聯、大數據和云計算為代表的新一代信息技術革命改變了高校課堂的教學模式，以虛實結合為核心，提升課堂關注度和學習自主性，可以有效提升STEP 的教學效果。虛實結合模式是根據教學目標和內容要求，綜合考慮課程性質和教學實施環境，按照優勢互補的原則綜合運用虛擬和現實手段完成教學任務所構建的新模式。在宏觀層面，搭建虛實結合教學平臺，引入云課堂和MOOC 課程，構建翻轉課堂模式，建設優質的課程電子資源庫，引導學生課下自主學習，課上專注于師生互動和實踐環節，以滿足學生的個性化需求；在微觀層面，將軟件工具合理嵌入課程體系，運用與課程體系相關性強的軟件工具開展虛擬仿真、分析評價等工作，幫助學生獲得更加迅捷、真實的學習體驗。

3.競賽聚合

通過競賽來聚合課程知識體系，是STEP 的重要手段。北航建立了“校友——教師——學生”“企業——學?！亍薄皠撘狻獎撔隆獎摌I”的“三層聯動”機制，實現了課程學習、競賽實踐、學生培養三者的緊密結合，實現了競賽聚合模式的全覆蓋、全方位、全鏈條。在競賽聚合模式下，學生需要綜合運用所學到的理論知識和實踐經驗，通過團隊協作和創新實踐，來完成競賽題目、制作參賽作品、解決實際問題，并撰寫課程報告和結題論文。這一過程對于綜合培養學生的文獻研究能力、自主學習能力和分析解決問題能力至關重要。

（三）保障機制

北航原有的管理體系和質量評價機制更側重以教師傳授為主的課堂教學和以應試為主的學生評價方式，STEP 更強調“以學生為中心”，鼓勵教師在教學中由知識傳授者向學習引導者轉變，由教學“一刀切”向教學個性化轉變，由被動執教者向主動開發者轉變。

1.提升教學能力

STEP 對教師的教學能力提出了較高要求。北航始終堅持優先提升教師的教學水平和教學能力。一是推廣STEP。引導教師運用STEP 理念設定教學目標、編制教學計劃，將合適的科研成果轉化為教學資源，融入教學環節，全面執行理論、實驗、軟件、項目四者相結合的教學方法。二是打造融合教師團隊。打破以往教師單打獨斗、獨立完成某一門課程的壁壘，根據教學目標強強聯合，圍繞課程群匯聚教師團隊，通過多門課程的配合支撐大型項目的實施和開展。三是建立以企業導師、校內教師、實驗室人員三位一體的合力育人機制，特別是在項目設置和實驗教學環節，實行校企“雙導師制”，聘請領軍企業中技術水平高、授課能力強的技術專家擔任企業導師，為學生提供與一線科研生產相匹配的指導，聘請校內教師從事與項目相結合的理論教學和實驗教學，聘請實驗室人員協助校外導師和校內教師，完成大量實踐環節的指導工作。

2.完善實踐環境

實踐環境是培養學生創新實踐能力的重要場所。建立與STEP 相適應的實驗環境是實施STEP的基礎。一是完善教學實驗平臺。建立先進的軟硬件環境以及配套的管理機制和激勵機制，擴大實驗室開放程度，鼓勵教師和實驗人員開設綜合型、設計型和創新型實驗項目，以滿足學生在STEP 中的實踐需求。二是完善科技競賽平臺。圍繞“創意、創新、創業”構建遞進螺旋式競賽體系，將課程學習與競賽項目有機結合，系統提升學生的科研實踐能力；構建課程化的競賽培訓體系，以課內教學為基礎，打造精品課外實踐課，提供完備的知識技能儲備。三是完善校企合作平臺。以建設聯合創新人才培養基地為目標，與國內外行業領軍企業建立深度合作，共建校企聯合實驗室和校外產教融合基地，聯合開展具有工業應用背景的實驗系統和實驗平臺的建設工作。

3.改進質量評價體系

建立適應STEP 的課程教學質量評價體系。將核心評價指標由過多關注課程教學過程的監控和學生最終成績的獲得，轉變為關注教師積極性的提升以及學生自主意識、團隊意識、實踐能力的構建。一是優化考評體系。采用包括學生評價、學院評價、教師自評和專家評價四個維度的教學質量評價方式[11]，實現從教師到學生的全過程閉環管理，確保質量評價的全面性、科學性和規范化。二是注重過程評價。合理設計基于過程的、可操作的考核體系，轉變評價方式，摒棄傳統的單一閉卷考核方式，采取實踐過程表現、研究成果演示與答辯、考試、學生自評與互評結合的綜合方式來評定學生成績，從知識的綜合運用與工程實踐能力的角度來評價學生。三是注重一體化教學。課程體系強化理論、實驗、軟件、項目四者的一體化運用，要求課程具有完備的教學計劃、教學大綱和講義，將上述四者納入本科教學質量檢查與評價體系并加強督導和反饋。

三、典型案例

STEP 對宏觀層面的課程體系建設和微觀層面的單一課程或課程群建設均具有普適性，下文將通過兩個典型案例來作進一步詮釋。

（一）機械工程專業課程體系的STEP 教學實踐

機械工程學科是北航優勢工科的典型代表，要求學生綜合運用材料、機構、傳感、動力、控制、計算機等交叉學科知識進行設計研發。然而，原有教學模式普遍存在理論學習多、實驗實踐少以及理論教學與實踐教學交叉融合不足等問題，導致學生的系統性實踐創新能力有所欠缺。為了適應國際上“回歸工程”即“大工程觀”的高等工程教育理念，機械工程專業以學生掌握“典型機電一體化產品實現過程”為人才培養目標，系統地對STEP 進行探索實踐。

基于STEP 的機械工程專業課程體系，如圖2所示。理論教學以通識基礎、學科基礎、專業基礎和專業核心為核心構建體系，實驗教學以特色基礎、專業綜合、科研創新和交叉開放為核心構建體系。通過打造若干核心課程群，強化理論教學與實驗教學協同，支撐典型機電一體化產品實現過程的人才培養目標。

圖2 基于STEP 的機械工程課程體系

典型機電一體化產品的設計與制造核心課程群，如圖3 所示。在教學大綱設計過程中，一是通過機械工程概論等通識理論類課程群學習，對典型機電一體化產品的設計與制造過程建立整體認識；二是通過設計類課程群學習，掌握典型機械系統概念與結構設計過程，再通過機電一體化等實驗類課程群學習，掌握典型機電一體化系統設計過程，培養學生的機電控制與硬件設計能力；三是通過制造類課程群學習，掌握典型機械制造工藝與過程；四是通過專業綜合實踐、生產實習等，掌握與專業方向相關的系統設計制造過程，全面提升技術創新能力和善于解決復雜工程問題的實踐能力，為培養卓越工程師打下堅實的基礎。

圖3 典型機電一體化產品的設計與制造核心課程群

機械工程專業凝練了三類項目驅動教學，并將項目合理嵌入課程：一是課程基礎項目。項目來源于課程應用實際，能夠支撐一個課程模塊，并串聯起課程模塊的知識體系。課程模塊可以是某一課程中的若干知識點、一門獨立的課程或由若干門相關的課程組成的課程群。二是科研訓練項目。整合學科專業優質的實驗資源設置項目，對不同類型課程群的相關知識進行進一步的擴展和運用。學生需要綜合運用專業知識和技能，解決較為綜合性的實踐問題。三是綜合創新項目。瞄準各學科專業的前沿理論、先進技術和高水平研究成果，以高水平創新創業競賽項目、畢業設計、專業綜合實踐為牽引設置項目。項目能夠較為全面地體現“完整的機械產品實現過程”，以及不同專業知識的交叉與滲透。

在軟件工具支撐方面，機械工程專業總結了與課程配套的全覆蓋式軟件工具主要有4 大類，20 余套，分別是設計類、制造類、控制類和分析類軟件，如圖4 所示。

圖4 與機械工程專業課程體系配套的全覆蓋式軟件工具分類

（二）機電控制工程技術課程的STEP 教學實踐

基于STEP 的機電控制工程技術課程主要針對目前學生普遍存在的工程實踐能力較差等問題，采用整合和集成的思想重構了課程內容。課程融入了項目化教學環節，但其本身更側重STEP 所倡導的系統性知識構建過程。

1.基本思路

課堂教學遵循STEP，即：以一個典型機電控制工程項目設計為驅動，以理論學習和設計實踐融合為主要教學方式，以學生小組為組織形式，進行機電控制系統的設計與工程實現。形成“1 條主線、2 個環節、3 個實踐點”的項目研究式教學體系：1 條主線即以1 個工程項目驅動課程教學的主線；2 個環節是優化理論教學內容和突出實踐教學；3 個實踐點主要精選3 個體現機電融合知識點的子任務作為實踐大作業，要求學生親自動手設計并予以工程實現。通過理論與實踐教學有機結合，以線串點、以點帶面，構建了學生的綜合知識結構，鍛煉了工程實踐能力。同時，課程自主研制開發了60 套相關控制系統及與之配套的相關軟件工具，搭建了實踐教學平臺，作為項目開發工具使用。

2.考核方法

根據STEP 特點，課程側重從知識的綜合運用與工程實踐能力的角度評價學生。課程以小組為單位實施實踐教學，設計了以客觀評價小組學生綜合能力為核心的考評機制，采取學生自評與互評綜合的方式來評定學生成績，其中，實踐過程表現在總成績中的占比為10%、研究成果演示與答辯在總成績中的占比為50%、考試在總成績中的占比為40%。

四、結語

北航借鑒CDIO 等國內外先進的教育理念，通過對標國際一流高校，結合自身工程教育特色，提出了對支撐工程教育、培養卓越工程師具有普適性的STEP，自實施以來，取得了較為良好的效果。該模式可以為理工類卓越工程師培養和工程教育教學改革提供一定的參考和借鑒。

在STEP 實施過程中，還需要注意一些問題。例如：STEP 在一些基礎理論課中的適用性，有待更進一步體現；課程中的實驗教學和項目設計，需要緊密圍繞教學目標和教學內容進行，做到與理論和軟件的無縫銜接。