2050 年的工程教育/通过工程学习工程

工程是应用科学和数学来解决现实世界问题的学科。目前，工程教育中动手实践和应用型学习的比例不足。学生在学校获得的经验和技能不足以支持他们未来的职业发展。相反，他们通常是在课堂环境中学习知识，而没有机会以有意义的方式应用所学内容。因此，我们认为到 2050 年，工程教育将发生改变，将通过工程学习工程融入其中，以更好地培养有抱负的工程师。

高中

在高中阶段，所有课程通常都有一些形式的期末考试，无论是州级标准化考试还是 AP/IB 考试。高分意味着学生掌握了内容，可以继续学习更高级的课程。然而，仅仅根据几张纸就很难衡量学生在某一学科的熟练程度。这种结构也限制了学生只能学习课程内容，无法充分探索工程的不同领域。

到 2050 年，高中工程课程将进行重大调整，使每门课程都包含课堂讲授和实验部分。课堂讲授将仍然像现在一样采用传统的教学方式。但实验将是学生可以尝试和探索所学知识的地方。他们可以选择自己感兴趣的主题，该主题不必是课程内容，并围绕它独立开发项目。这些项目的持续时间由学生决定。因此，为了实现这一点，学生需要在第一次学习时同时学习实验和课堂部分，但之后，学生可以选择在高中的四年中多次参加实验部分。教师在实验中的作用是担任顾问，在学生需要时提供偶尔的反馈，并创造一个专业环境，在学生进行项目时教授他们行业最佳实践。最后，学生将至少完成一个项目，这些项目将共同组成学生的课堂作品集。作品集将取代之前提到的期末考试，因此将对其进行评估，以根据学生的学科能力对其进行评分。这种新结构允许学生在工程学科中获得个性化的经验，并确定他们是否对该学科感兴趣。这很有益，因为学生对自己的职业目标有了更清晰的认识，并帮助他们决定高中毕业后要走哪条路。

目前，我们看到作品集理念已部分实施。例如，AP 计算机科学原理课程有一次期末考试和一个数字作品集。学生需要在整个学期/学年完成工作表，并开发一个应用程序。在 IB 中，学生的课堂成绩基于内部和外部评估。对于内部评估，学生需要根据课堂进行主题研究或完成项目并撰写报告。外部评估类似于期末考试。到 2050 年，作品集将成为评估学生在所有工程课程中的能力的唯一组成部分，让学生有机会将课堂上学到的知识应用到现实世界中。

大学

2016 年，弗吉尼亚大学开设了一个名为“国家仪器工程发现实验室”的新实验室，这是一个位于电气与计算机工程系的耗资 140 万美元的实验室。当时弗吉尼亚大学工程学院院长克雷格·本森表示，“年轻人不是坐在课堂上就能成为工程师的。”这个实验室专为动手实践体验而设计，让学生有机会解决现实生活中的技术问题。2023 年在这个实验室进行的课程示例是控制实验室。学生学习电气和机电电路和设备的设计、分析、构造和测试，例如 Roomba 吸尘器和自动拼字游戏玩家。学生从这些课程中学习到的技能可以在工作场所或研究生院中使用。此外，该实验室是由国家仪器公司非常慷慨地捐赠的，这表明这些公司希望学生通过实践学习接受教育。

除了国家仪器实验室外，弗吉尼亚大学还有莱西大厅，这是一个专门用于将理论付诸实践的空间。目前，弗吉尼亚大学的工程课程要求所有一年级工程专业的学生学习工程导论。这门课包含 3 个主要的动手实践项目：控制 Sphero 机器人逃离迷宫，使用 CAD 软件设计和 3D 打印戒指，以及使用软件设计音孔，用雪茄盒制作小提琴。这些项目帮助学生在以难忘的方式学习工程的同时获得乐趣。到 2050 年，弗吉尼亚大学将拥有更多此类动手实践空间，专门用于实践学习。与通过课堂讲授或教科书记忆内容相比，这种通过工程学习工程的过程给学生留下了更深刻的印象。目前，一些动手实践实验室对专业有限制，因此我们希望到 2050 年，任何希望从这些实验室中受益和学习的工程专业学生都可以进入实验室。

到 2050 年，我们预计一些俱乐部提供的动手实践项目类型将被纳入课堂。在弗吉尼亚大学，这些俱乐部包括 Hoo Hacks、计算机与网络安全俱乐部、弗吉尼亚大学沉浸式体验和弗吉尼亚赛车运动。允许学生参与项目，使他们能够创造性地思考并通过行动学习，这将是 2050 年比现在更积极的学习方式。它不会取代课堂讲授式学习；相反，它将成为与现有系统一起使用的工具。如果学生参与的项目包含通过实践工程学习工程，则可以将他们参加动手实践俱乐部的经历计入学分。这与某些艺术课程允许学生通过参与戏剧或类似活动获得学分的方式类似。此外，心理学系目前要求学生参加 6 小时的学习参与。工程学院可以采取类似的做法，要求学生参加一些小时的动手实践学习，例如黑客马拉松。

随着越来越多的技术被开发和引入世界，可以将其整合到课程中以学习它们。例如，动手实践实验室可以研究虚拟现实和人工智能。这些类型的技术正在迅速发展，并将成为我们未来的组成部分，因此我们必须学习它们。这将有助于培养沉浸式和交互式环境。大学应该为其教职工提供适当的培训和发展，以教授更多动手实践和通过工程学习工程的课程。

工作场所通常是一个动手实践的环境，因此通过工程学习工程可以为学生提供现实世界的应用。此外，使用工具和设备是工程的常见做法，这有助于学生培养工作场所需要的必要技能。STS（科学、技术与社会）是工程专业学生可以与其他工程专业学生一起学习课程的主要方式之一。毕业后加入工作场所，我们会与各种专业的人员合作。大学是一个练习和进行跨学科合作的好地方。可以开设一些课程，让学生学习通过工程学习工程，并与其他专业的学生一起练习。

目前，我们参与了在弗吉尼亚大学最后一年进行的为期一年的项目，称为“顶点项目”。这些项目是通过工程学习工程的一个很好的例子。我们认为，在一年以上的时间里进行这种类型的项目可能是真正练习工程的一个好方法。可以开设一些课程，让学生从一年级开始就可以分组一起进行大型项目。这个项目也可以成为工程专业学生与其他专业学生合作练习跨学科合作的地方。

通过工程学习工程还可以让学生接触到他们通过阅读教科书或在课堂上记笔记无法遇到的情况。通过工程学习培养了一种环境，在这种环境中，批判性思维和解决问题的能力可以得到实践。这些是工程师必备的技能。通过通过实际经验学习工程，教授还可以通过实际面对伦理困境来教授他们的学生关于伦理困境的知识。学生可以与团队和周围环境合作，学习如何应对这些复杂的问题。通过工程学习工程有很多好处，包括加深学生对工程原理的理解，以及练习未来有帮助的实际挑战。

通过工程学习工程将成为 2050 年大学学生宝贵的学习工具。它可以帮助学生获得直接经验，同时提升他们的知识、技能和价值观。有了这个工具，学生有机会完全沉浸在学习环境中。这些想法是可行的，因为我们已经开设了一些此类实验室。它们也是可取的，因为公司向弗吉尼亚大学支付了数百万美元的资金来资助这些实验室，以让学生以这种方式学习。

从大学过渡

图 1：2023 年的旧课程

2023 年，高等教育旨在培养可就业的毕业生，承认没有学位的人的失业率很高。 但是，目前为期 4 年的工程课程是严格的线性课程，限制了探索，并将实际技能的应用推迟到高年级选修课 [图 1]。此外，许多大学的课程中没有强制性的现实世界体验，例如实习或研究。

图 2：2050 年的新拟议课程

到 2050 年，大学的目标是提高工程课程的灵活性[图 2]，将真实世界的体验融入整个课程，而不是仅仅限制在夏季。这种方法将把课堂概念与实际应用交织在一起。2050 年的目标是为工程师配备专业领域知识，同时保持对他们主要领域的广泛概念理解，使他们的技能与市场需求相一致。

大学需要加强与公司的联系，并培养合作培训项目来实现这一目标。参与的公司将提供专门的导师作为教育者。这种共生关系确保学生将课堂概念与现实世界的应用联系起来。在学期期间培训和入职学生，使他们能够无缝过渡到全职体验。并非所有学生都需要留在培训公司；其目的是为他们提供第一份工作的初始经验。与合作计划类似，学生将在这些体验期间获得报酬并获得正式职责。

这种演变要求大学透明地公开行业联系，使学生能够将他们的选择与职业目标相一致。公司必须认识到投资教育的价值，将工作的教育者纳入他们的员工队伍，同时履行正常的职能。他们还应努力平衡为公司目标做出贡献的实习，同时为学生提供有价值的学习体验。毕业后的机构必须拥抱灵活性，适应虚拟参与选项，并调整工作量和地点以满足学生不同的承诺。

这次转型核心的内容是重组过时的课程，教授基本概念以及如何将这些概念应用于子领域。这确保学生与现实世界保持联系，从学生到工程师的过渡无缝衔接。重新制定 2024 年毕业的顶点项目或技术论文标准可以实现这一目标。为期一年的项目将扩展到 3 年。例如，在 6 个学期中，一支化学工程专业的学生团队可以与一家公司合作，将一个工艺从实验室规模扩大到中试规模。每个学期，他们都会在报告中添加一个部分，应用他们学到的知识，例如，在学习热力学后，将热力学方面添加到他们的设计中。然后，在夏季，学生可以从事类似于他们正在设计的工艺的项目，以获得实践经验，并将其带回项目中。理想情况下，这些项目将为当地社区或大学社区服务。

总之，2050 年的愿景包括一个更加动态和灵活的工程教育模式，在学生学习期间促进持续的现实世界参与。大学和公司之间的合作、提高透明度以及重新构想的课程将在实现这一目标中发挥关键作用，培养更具响应能力且符合行业需求的工程师一代。