普渡大学农业工程专业本科生创新与实践能力培养的借鉴与思考

刘 洁，卫 佳，梁秀英

(1.华中农业大学工学院，湖北 武汉430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉430070 3.农业农村部柑橘全程机械化科研基地，湖北 武汉430070)

0 引言

通过“新工科”建设，培养出知识型、技能型和创新型人才，是支撑我国从制造业大国转向制造业强国的关键支撑之一。构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业“新结构”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”，是“新工科”建设的必备要素[1-2]。在工科教育如何适应当前时代发展和技术进步这一问题上，世界知名高校均做出了策略调整与实践[3-5]。借鉴国际一流高校在学科整合、课程更新和人才培养模式优化等方面的做法和经验，并与当前教师学科背景、学生生源特质和教育教学环境相结合，思考和探索能够进一步提高学生学习主动性，提升学生实践与创新能力，拓展学生专业思维和视野的课程设置与培养方式优化，对于应对“新工科”建设中的机遇和挑战具有一定的促进作用。

美国普渡大学(Purdue University)因其卓越的工程教育享誉世界，被誉为“美国航天之母”，其校友中有13位诺贝尔奖得主和邓稼先、梁思礼等我国知名学者[6]。普渡大学工学院和农学院常年位列全球高校工科和农学院十强，农业与生物工程系(Agricultural and Biological Engineering)常年居于该专业世界前十，全美第一[7-8]。笔者在该系做访问学者期间，通过旁听课程和参与学生小组活动等方式对其学科方向、课程设置和学生培养模式等方面进行了解，浅试介绍和分析该系农业工程本科生实践与创新能力培养的情况。

1 农业与生物工程系和农业工程专业概况

普渡大学农业与生物工程系的教学和师生管理等业务隶属工学院，但鉴于其学科性质，部分科研等业务与农学院亦联系紧密[9]。该系现有教职工84位，其中教授22位，副教授34位，4个主要研究方向包括农业系统管理(Agricultural Systems Management)、生物工程(Biological Engineering)、以环境与自然资源工程研究为主的农业工程(Agricultural Engineering：emphasis in Environmental & Natural Resources Engineering)和以机械系统工程为主的农业工程(Agricultural Engineering：emphasis in Environmental & Natural Resources Engineering)。其农业工程教育素来享有盛誉，本科生教育已连续9年获评全美第一，研究生教育在过去12年中有11年是全美第一，博后和访问学者年均30人左右。完全隶属农业与生物工程系的本科生专业有农业工程、生物工程和农业系统管理3个。农业工程和生物工程专业的理学学位获美国工程技术认证委员会(Accreditation Board for Engineering and Technology， ABET )的工程鉴定委员会(Engineering Accreditation Commission， EAC)认可，2019年秋季入学新生数分别为74和166人，与2018年数据持平。农业工程专业的学位要求为128个学分，其中有125～126个为院系要求学分和2～3个为学校要求学分。院系要求学分包括本系开设的系统工程计算、机械零件设计、生物材料的物理性质、实体建模仿真与分析、农业工程设计及农业和生物工程专业实践等14门必修课的34个学分，以及外系开设的微积分等数学类课程，工程师的编程应用、一般化学、现代力学等力学课程，工程技术选修课程、人文或社会科学选修课程、写作与沟通类选修课程等数十门选修课中的91～92个学分。此外，还需满足平均学分绩点(GPA)2.0以上，32个以上的本校高级课程学分(upper division credits from Purdue)和多元文化、书面与口头沟通及人物社科类课程最低学分数等要求。国内开设农业工程专业的高校多数有类似课程模块与培养方案[10-11]。

2 本科生实践能力培养环节设置与执行

普度大学农业工程专业学生的实践能力培养环节主要包括课程实验、课程设计和课外学术活动。课程实验形式有观摩型、验证型和设计型，依托丰富的生产和科研资源支持，借助研究生助教的深度参与，对于学生理解和分析问题、实践动手等能力的培养和提升具有显著效果。例如，《农业机械学》课程实验属观摩型，授课场地为学校试验农场机库，授课教师讲解机具设计要点后，由日常驾驶和维护人员讲解并示范机具运行特点，学生可以与教师和使用人员现场沟通关于各类机具应用场合、作业参数和待改进方向等各类问题。《数字电子技术》课程实验部分以验证型为主，理论课讲授各类门电路、寄存器和集成电路等元器件基本原理与功能后，布置相应的电路设计作业，学生在规定时间范围内自选时段在实验室中独立完成电路搭建与调试，期间由研究生助教解决简单咨询和电路功能评价。部分机械设计类课程有设计型实验，学生接收实验任务后，需提出设计方案，绘制零件图纸，利用3D打印和常规机床完成零件加工和整机组装工作，运行并评价自己的设计。

学生以低年级专业基础课程实验中积累的实践动手能力为基础，完成范围更广、难度更高的课程设计和课外学术活动。高年级学生通过理论和实践测评后，可获得学校加工中心的操作许可证书，从而取得在工作时间内独立使用校内各类加工和测试机械的权限。每生每年有定额原材料补助，超出部分由学生个人承担。其他类型的试验中心也有类似政策，学生通过测评后，即可独立开展实践动手操作。深入、大量的实践动手训练机会和具备实践经验人群间的相互讨论，使学生彻底完成了由理论到实践再到理论的认知和思考过程。

3 本科生创新能力培养

普度大学一贯重视对学生创新能力的培养，其校门命名为“未来之门”，招生宣传口号为“我们所做的推动世界进步(what we make moves the word forward)”。这种培养，除了以扎实的基本理论知识与实践技能教育为基础，还通过各种途径和方式潜移默化地从招生之日起便灌输学生引领人类工程学科前沿的使命感和责任感，让学生的创新思考变成一种思维习惯。以先进而浓郁的学术氛围为依托，形式多样的师生交流和项目体验式能力训练对本科生的思维培养益处良多。校内以本科生为目标听众的科普性讲座密度很高，既介绍学术前沿，又不过分深奥。学院会不定期地举行集体午餐，食物很简单，但是全院师生聚在一起边吃边聊，使学生能够在课堂和课间之外的时间同教师们更轻松地沟通学业相关问题。合作企业与农场和优秀校友等提供丰富的参观和沟通机会，使学生能够了解业界动态。本科生导师制的实施让学生具备了专业学习的基本目标和预期。

广泛的交流满足了学生对专业的好奇心，同时也激发了他们的求知欲，而项目式训练则让他们将这种心态转化为学习动力和创新能力。学院鼓励二、三年级的本科生参与教师的科研活动，即学生可以自由组队或加入教师已有本科生团队，参与教师的科研项目，并完成具备一定难度和工作量的部分工作。学生可通过前述渠道选择自己喜欢的某一方向的教师，其任务完成效果可用于申请相应学分和奖励。项目完成期间，实际工作任务的挑战，与导师和研究生对于技术方案和参数细节的讨论，与其他工作组间的沟通，整个设计、加工、组装和调试流程的参与，对于学生整合理论知识、训练基本技能并在此基础上迸发新的思维火花具有重要的意义。

此外，普度大学的校企联合教育和全球学习计划对于学生专业思维、眼界和格局的提升亦有极大的促进作用。以普度历史最悠久亦最负盛名的机械工程(Mechanical Engineering)和以其为基础应时代发展而生的工业工程(Industry Engineerin)为例，此二专业分别隶属于机械工程系和工业工程系，2019年秋季入学新生数为1 364和766人，2018年秋季入学新生数分别为1 281和775人，均系普度大学的王牌本科专业之一。其培养目标和课程设置与华中农业大学工学院机械工程、机电工程和农业工程专业相类似，但是机械工程专业强调综合机械、热力和电力系统的机械设计、分析与加工，而工业工程则侧重于工业生产全过程中涉及人员、信息、设备和物资协调运作的全过程复杂系统设计与运行。作为典型的工科专业，其校企联合教育运行多年，相关的学分认定、教学质量评价和奖励措施等条例较为完备。通过安全和技能测试的本科生在2～3年级即可参与校企联合项目，参与企业生产，以实践经验强化专业理念和知识积累，同时提升其就业竞争力。而院系则能够从学生和企业的反馈中及时了解行业对人才的具体需求，对教学内容和培养方案做出迅速调整。

全球学习计划亦是深受本科生欢迎的培养方式，其中以2+2或3+1类计划和全球实践计划等实施较为广泛，符合学分要求、满足申请条件的本科生均可申请。2+2和3+1类计划即在普度大学学习2或3年，选择在欧洲、亚洲或美洲的其他协议学习完成一学期以上的校外或国外学习，在培养方案规定范围内学习的课程可予以学分互认。全球实践计划是高年级学生选择在亚洲或非洲的研究中心参与科研项目，需独立完成具有实用价值的工作，并以此抵扣某些相应课程的学分。在项目执行的1～2年期间，学生需利用网络完成部分课程的远程学习，亦能通过网络寻求校方技术等方面的支持。此类项目的实施使学生在校期间有更多参与解决实际问题的机会，使之能够在实践中理解并掌握所学知识和技能，并以此为依托根据现实需求导向产生解决问题的新思路和新方法。

4 对学生能力培养的借鉴与思考

近年来，国内大部分农业工程专业在本科生课程和培养环节的设置上，已与前述普度大学的情况基本类同。伴随着“新工科”建设的实施和推进，更多教学模式和培养方式的优化与创新亦日趋增多，例如，针对本科生的专业讲座主题更为广泛、频率更为密集；强化学生的专业思维培养和个性化培养的本科生导师制推行范围逐年增加；推进校企合作人模式等[12]。然而，受实践经验不足和生师比、场地和实验室管理制度等现实条件制约，在深度、广度和难度上尚未能与其看齐。为了进一步激发学生独立学习、参与科研的积极性和能动性，可以考虑在时间条件上，调整课程设置，使学生有更多的课余自主学习时间，同时预防学生未正确使用自主学习时间；在实验室条件上，选取危险系数低、可以招募研究生或上一届优秀学员为助教或志愿者的实验内容，试行开放实验室建设，为非参赛实验室的多数普通学生提供动手操作和实现创意的机会和平台；在学分认可和奖励评选等政策上，以本科生导师制为依托，逐步引导和扩大本科生参与科研的范围与深度；在培养方案和课程大纲修订过程中，适度探讨与国内外其他高校的学分互认范围，进一步拓宽学生的学习渠道。

5 结束语

中外的社会文化氛围和学生独立基础有显著差异，完全照搬国外高校的运作方式并不适用于国内的教学实际，但是对其培养方式与环节进行有选择地参考与借鉴，能够提升学生创新与实践能力培养质量，提高“新工科”建设成效，从而通过全方位、多渠道和深层次的培养，提升农业工程学生的实践动手能力和创新思维水平，为服务中华民族伟大复兴培养出合格的工程人才。