21世纪国际工程教育研究的动态、热点与前沿

• 作 者: 孙刚成 左晶晶
• 出 处: 大学教育科学
• 发表日期: 2019年4期

　　摘要：  国际工程教育研究是当前的研究热点，对其进行综合分析，可以为我国的工程教育和新工科建设提供借鉴。通过采用文献计量学方法，对在Web of Science数据库中检索到的样本文献进行可视化分析，发现21世纪国际工程教育研究热点集中在综合实践能力、多维思维与实践能力、跨学科深度整合能力、高效获取并有效利用信息的基本素养和学术表达能力五个方面。基于以上分析和对核心文献的深度研究，可以确定国际工程教育目前的研究前沿主要体现在基于STEM教育整合的工程人才培养模式构建、工程人才的核心素养和关键技能培养、以项目为抓手的自主合作学习与实践探究、生态化工程教育体系建构等四个方面。
　　关键词：国际工程教育;STEM教育;核心素养;人工智能;工程伦理
　　中图分类号： G640
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-0717（2019）04-0030-11
　　收稿日期：2019-03-27
　　作者简介：孙刚成（1969-），男，河南濮阳人，教育学博士，延安大学高等教育研究所副所长，教育科学学院教授，教育发展战略研究中心主任，主要从事教育基本理论和高等教育研究;左晶晶，延安大学教育科学学院研究生;延安，716000。

一、研究工具与数据来源

　　进入21世纪，第四次工业革命拉开了序幕，人类社会迎来了人工智能时代。信息技术、智能化生产、人机交互等科技创新与融合应用，已成为新工业时代到来的显著特征，它们从各行各业、各个方面渗透并影响人们的工作、生活与学习，为人类生活带来了前所未有的便利。然而，工业化与全球化进程也危机重重，如环境恶化、信息泄露、基因编辑、资源枯竭、可持续发展等问题接踵而至。为迎接挑战，世界工程教育正在进行改革，如德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网战略”、法国的“新工业法国”、日本的“日本再兴战略”，以及中国的“中国制造2025”等一系列战略部署均对工程教育发展做出了安排。
　　Web of Science（以下简称“WOS”）作为集合多学科专业期刊的大型引文索引数据库，具有高学术性和高影响力特征。因此，本文以Web of Science核心合集数据库所收录的2000～2018年期间的工程教育研究文献数据为样本，采用标题词检索法，检索标题为“Engineering Education”，检索时间段范围为2000～2018年，文献类型选择“论文”（article），获得用于分析的文献数据共1 457篇（详见图1）。由图1可见，自21世纪以来，虽然国际上对工程教育的研究有所波动，但是整体发展呈现上升的趋势。

　　在樣本文献确定之后，本文借助Cite Space软件绘制可视化科学知识图谱，揭示21世纪国际工程教育研究的动态、热点与前沿，以期为国内学者在该领域的研究提供理论参考，并为中国打赢科技攻坚战、建好新工科、迈向工程教育强国提供决策参考。

二、21世纪国际工程教育研究的动态

　　（一）核心作者统计
　　为了更加直观地了解21世纪国际工程教育领域核心作者科研能力和团队分布情况，笔者通过对该领域作者发文情况进行统计，列出了发文量大于等于5篇的11位作者，合计68篇，约占有效样本总数的4.67%。其中，弗吉尼亚理工大学工程教育系副教授Borrego Maura共发文14篇，是该领域目前发文数最多的研究者。其研究方向包括工程教育学术共同体和跨学科研究生教育研究。她在2010年发表的“工程教育创新扩散理论研究：基于美国工程部门的创新意识和采用率调查”是其被引频次最高的文章，被引129次;Kacey Beddoes是普渡大学工程教育学院的博士后，共发表相关文章8篇，其在2014年与Mary Besterfield-Sacre等人合作发表的“改变工程教育：基于美国教职工、教授和院长的看法”是其被引频次最高的一篇文献，被引25次;Jacek Uziak是博茨瓦纳大学机械工程系的副教授，他专门研究机器和机械原理并教授这方面的课程，当前的研究兴趣主要是工程教育，共发表相关文章6篇，被引频次最高的一篇文章为“电子表格：远程教育在工程教育中的理想工具”，被引4次;其他作者发文量皆为5篇，其中，Chen Wei Fan和Fang Ning是中国在国际工程教育领域具有代表性的作者。

　　图2呈现了21世纪国际工程教育研究领域作者的合作情况。从中可以发现，该领域独立作者较多，如发文量分别为5篇的Strobel Johannes，Fang Ning，Stefanovic Miladin以及Alejandra J.Magana等;合作团体偏少，其中两两合作的有7组，如Kolmos Anette和Zhou Chun fang，Murphy Cynthia F.和Allenby Braden等;2人以上的团体合作有一组，其是以高产作者为核心组成的研究团队，如以Borrego Maura为核心的包括Beddoes Kacey，Finelli Cynthia J，Froyd Jeffrey E.和Foster Margaret J.等作者组成的合作团体。综上，独立和两两合作的小团体相对较多，两人以上的较大合作团队偏少。 　　（二）被引期刊分布
　　高被引期刊通常被认为是发表高水平、高质量文献的出版物，对其进行统计分析能够有目标地对该领域进行跟踪研究。表2呈现了单篇最高被引量大于50次的11个来源出版物的相关信息。11个期刊刊文量为619篇，占有效样本文献的42.50%。其中，单篇被引频次最高的期刊是J ENG EDUC（工程教育杂志），单篇最高被引为414次，刊载量45篇，占有效样本文献的3.09%;刊载量最多的期刊是INT J ENG EDUC（国际工程教育杂志），共刊载了327篇工程教育的文章，占有效样本文献的22.44%，单篇最高被引为335次;IEEE T EDUC（国际电器和电子工程师学会教育会刊）是中心性最高的期刊，共刊载了27篇工程教育的文章，占有效样本文献的1.85%，单篇最高被引为161次。此外，从表2中还可以发现，该领域最高被引频次和最高刊载量的文章都集中发表在工程教育专业期刊上，即使有部分文章刊登在其他领域期刊上也大多与工程或者教育相关。可见，目前在工程教育领域，国际上已经形成了能夠集中体现国际工程教育研究成果的核心期刊。
　　（三）主要研究机构分布
　　对某一领域作者发文机构进行统计分析，有利于了解团队分布和科研实力情况。表3列举了发文量大于10篇的15所研究机构，其中12所研究机构来自美国，占所选机构总数的80%，其余三所机构分别来自西班牙、以色列和丹麦。从研究成果的数量及影响力来看，成果较多且影响力高的研究机构依次是普渡大学、宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚理工大学以及马德里理工大学。其中，普渡大学是闻名遐迩的老牌理工科高校，其工程教育发展在国际上位列顶尖，被誉为“工程界之翘楚”，培养了22位美国工程院院士，是培养美国工程师最多的学校之一;宾夕法尼亚州立大学是美国大学工程学专业的发源地，被誉为“工程师的摇篮”;弗吉尼亚理工大学是一所以工科为主的特高研究型大学（卡内基教育基金会分类），是全美实力最强的四大理工学院之一;马德里理工大学是西班牙一所顶级理工大学，其以工程科学闻名世界。除此之外，佐治亚理工学院、密歇根大学、华盛顿大学以及斯坦福大学等在工程教育研究上也皆具有很大的影响力。

　　从21世纪国际工程教育机构合作网络来看（详见图3），普渡大学、马德里理工大学以及宾夕法尼亚州立大学是发文量较多且中心性较大的关键节点，是该领域最主要的研究机构。同时，通过图3还可以发现，国际工程教育领域机构间合作较为密切，合作网络错综复杂，尤其是以美国为代表，研究机构间已经形成了多个较大的合作网络组织，如以普渡大学为核心的凝聚子群、以宾夕法尼亚州立大学为核心的凝聚子群、以弗吉尼亚理工大学为核心的凝聚子群等。各机构间构成强大的合作网络是美国能够培养出大量的世界级优秀工程师的重要原因。此外，还有一些大学有其单独的研究团队，如马德里理工大学、马德里科技大学以及斯塔赫州立大学等。
　　（四）国家和地区发文量统计
　　在国家（地区）发文量方面，文章选取了发文量大于30篇的11个国家（地区）做重点分析（详见表4）。从中可以发现，排名前11位的国家发文量共计1 053篇，占总量的72.28%。其中，美洲（美国、加拿大、巴西）工程教育的发展遥遥领先，欧洲（西班牙、英国、德国、荷兰）紧随其后，亚洲（土耳其、中国、印度）奋起直追。美国工程教育发展“一家独大”，发文量占总文献的35.83%，累计发文522篇，中心性0.64，单篇最高被引频次为457次，在国际工程教育领域具有不可动摇的地位，这与美国的综合实力以及对工程教育的大量投入密切相关。西班牙是除美国之外在发文量（126篇）和中心性（0.24）上皆位列第二的国家，可见，该国的工程教育实力不容小觑。荷兰虽然发文量只有31篇，但是文章质量较高，是除美国之外被引频次最高的国家（最高被引频次为164次）。与欧美国家在工程教育上的发展相比，我国的工程教育研究发展与之还存在一定的差距（发文量47篇，中心性0.07，最高被引频次29次）。但是，在主动应对国际竞争和国内新一轮科技革命与产业变革、支撑服务创新驱动发展、以及“中国制造2025”等一系列国家战略发展背景下，我国提出的“新工科”将会全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。

三、21世纪国际工程教育研究的热点

　　期刊文献关键词作为文献内容的精髓与核心，能够揭示研究主题并体现某一研究领域的总体特征和研究热点。通过文献计量数据统计及可视化知识图谱结果显示，工程教育（engineering education）、教育（Education）、设计（design）、学生（student）、科学（science）、工程（engineering）、系统（system）、课程（curriculum）、技术（technology）、创新（innovation）等关键词的排序比较靠前。与此同时，为了进一步分析高频关键词间的亲疏关系，有效挖掘潜在信息，揭示目前世界范围内工程教育研究的主题和热点，研究结合关键词聚类图谱（详见图4），发现当前世界范围内工程教育研究的热点主要集中在以下几个方面：
　　（一）综合实践能力
　　在竞争激烈的21世纪国际社会中，世界各国对工程人才的能力要求更加综合化，除了必要的专业工程知识之外，“全球化视角”“领导力”“环境素养”及“可持续”等许多其他特征也成为评估工程人才的重要属性。实际上的工程实践是一个与设计解决方案相碰撞的沟通、团队和多领域协同活动过程，也是一个工程科学基础形成和工程设计与制造得以落实的活动过程[1]，说明新的工程实践中需要具备良好的沟通素养和团队合作与跨领域协同能力。美国国家工程学院《培育2020年的工程师：适应新世纪的工程教育》中表示，工程毕业生应具备的综合实践能力包括：分析能力、创造力、独创性、专业精神等[2]。此外，随着职业挑战变得更加复杂，问题需要创造性地、相互依存地解决，这就需要培养劳动力新的技能。一些实证研究发现，在21世纪的工程实践中，领导能力和合作能力在工作场所中比任何时候都更加关键[3]，而且以沟通、团队合作、文化意识和道德为核心的领导力越来越成为工程人才需求的关键能力[4]。与此同时，为了使各种工程实践有一个强大的理论支撑，有研究者提出了一种构建工程和科学教育经验的方法——工程认知实践，将其分为社会环境中的工程、使用数据和证据进行决策、运用工具和策略解决问题以及通过创新和创造力寻找方案四大类[5]。 　　（二）多维思维与实践能力
　　多维思维是一种特殊的高级思维形态，属于创造性思维范畴，培养多维思维能力是发展个体创造性素质的有效途径。因此，探寻多维思维途径、培养多维思维能力成为21世纪国际工程教育人才培养的重中之重。其中，设计教育作为多维思维与创新思维的培育途径之一，不但是过去一百年工程教育发展的重要转变之一，而且在当下工程教育发展中仍然非常重要[6]。对此，新加坡科技与设计大学（SUTD）通过研究表明，学生可以在生物机器人设计、交互式音乐电路设计和自动牛奶输送等设计中，通过将问题澄清、概念生成和原型设计与主题内容结合的方式学习工程知识，发展多维思维能力[7]。此外，学生或工程技术人员可以增加工程专业的信息化资源，在可视化的情况下进行工程作业。如：三维几何模型所允许的交互作用可以结束传统学术教学中经常出现的被动学习态度;虚拟现实技术（VR）可以作为3D建模的补充，使各个利益相关者之间在培训、教育或职业实践中进行更深入的沟通[8];四维模型正被用于改善施工项目的多个阶段和领域的生产、分析、设计管理和施工信息等[9]。以上方式都可以用来促进学习者或工程技术人员多维思维能力与实践的发展。
　　（三）跨学科深度整合能力
　　工程教育的主要问题是如何应用包括科学、技术、经济、法律、社会或文化等方面的背景意识，增强工程技术人员理解跨学科行动、问题、解决办法以及预知后果的能力。工程教育已经在不同程度上涉及多学科与工程过程和实践有关的具体学科问题。因此，跨学科整合势在必行。与多学科合作不同的是，跨学科合作可以通过多学科方法或真正的跨学科方法来实施。在多学科的研究方法中，协作者在利用自己的专业知识解决完某个具体问题后，继续他（她）自己的研究轨迹，不受合作经验的影响。相比之下，在真正的跨学科协作研究和实践中，协作者不是为解决方案提供单独的研究与实践部分，而是密切合作，将各自学科的知识结合起来，为解决方案而协同努力，并形成集合力或集合体[10]。在某种程度上，这不但有助于发展学习者的高阶思维能力，还能够有效提高团队合作能力，促进学习者的学习动机。但是，跨学科本身存在学科之间较难平衡以及难以教授的困难。对此，有研究者通过实践开发了一门综合科学与工程的跨学科课程，由拥有不同学术背景的学生组成团队，并推行“小先生制”，旨在将学到的知识教授给其他同学，从而在一定程度上达到解决跨学科教授困难的目的[11]。除此之外，还有学者提出用“嵌入式方法”（即在实际工程课程中纳入一个组成部分或模块的方式来整合学科）来培养学习者的跨学科深度整合能力。而对于跨学科的评价，Maura Borrego则提出通过系统评价的方法使现有的系统评审资源适用于工程教育和其他发展中的跨学科领域，从而促进学科整合[12]。
　　（四）高效获取并有效利用信息的基本素养
　　培养个体形成良好的信息获取与有效利用技能是信息素养的核心要素。早在1989年，美国图书馆协会（ALA）就概述了信息素养的定义和教学信息素养技能的重要性[13]，为之后的学院和图书馆协会制定的第一套标准提供了基础。该标准主要分为确定信息需求、高效地获取信息、评价信息及其来源、有效利用信息以及有道德地使用信息五个方面[14]。信息素养（包括专业使用和信息管理）作为专业工程师第一阶段能力标准的关键要素之一，对工程学生能力发展非常重要[15]。在工程领域，信息素养技能主要集中体现在信息获取、有效利用信息促进工程设计和工程实践过程中，学生需要了解如何整合、学习并利用包括行业标准、专利、市場信息、文献以及可靠的网络资源等在内的多元化信息资源[16]。研究表明，信息素养教学能够提高学生研究的质量，主要体现在提供深入和基于证据的研究报告，确定所发现资料的可靠性、准确性、有效性、权威性、及时性、偏差性以及适当性，成为资讯市场的贡献者，理性道德地使用资讯以及获得终身学习的能力[17]。同时，根据2015年新的ACRL框架，信息素养习得能够赋予个人、组织和社会力量，并使之实现有效转型[18]。对此，越来越多的大学和工程项目将信息素养纳入课程，使其在满足市场对人才培养技能要求的同时，也提高了学生成为终身学习者的潜能[17]。

　　（五）学术表达能力
　　在STEM和STEAM教育热潮下，STREAM（科学、技术、读/写、工程、艺术和数学）教育应运而生。事实上，强调读写能力是科学、工程和技术教育的重要组成部分，目的是使专业人士能够胜任撰写报告、实验材料以及与人交流的需要。在支持越来越多的国际学生有效运用英语进行工程技术交流时，支持学术写作能力发展以便实现更加广泛的工程技术创新交流变得越来越重要[19]。同时，在专业领域和外行领域进行有效的口头和书面交流，也是学术和专业发展的重点[20]。研究表明，写作不仅是学术界日常工作中的一项重要活动，而且是评价学术人员职业能力的一种手段[21]。然而，调查发现，38%的工程专业毕业生认为沟通和写作技能是他们职业中最重要的因素之一，但这也是他们觉得准备不足的领域[22]。为了使学生能够适应学科规范和学术标准，有研究者呼吁，在高等工程教育中将包括学术写作在内的核心技能纳入具有挑战性的课程之中，旨在使学生在本科期间就获得书面沟通及写作能力[23]。埃尔顿（Elton）认为，学术写作的学科规则往往是默认的，成功的技能发展依赖于学科专家和写作专家的意见[24]。当教师对学生的工作提出反馈质疑时，学生的工作质量可能会得到提高[25]。在培养学生学术表达能力时，除了配备专业教师进行教授、指导之外，还可以通过在线反馈、同行评审、协作等方式来满足工程人员学术表达能力的培养需求。

四、21世纪国际工程教育研究前沿

　　Cite Space软件开发者陈超美认为，一组突现的研究概念和潜在的研究概念可以用来反映某一学科领域的研究前沿和未来发展趋势[26]。打开Cite Space，进行设置调节，得到21世纪国际工程教育研究前沿知识图表（见表5），以2000～2018年的数据作为样本，在二次阅读文献基础上，结合突现词可以探测到其研究前沿主要集中在以下四个方面。

　　（一）工程教育发展的策略：基于STEM教育整合的工程人才培养模式构建
　　由表5可知，序号1、7、9、19、24所列国际工程教育突现词可以反映STEM教育战略发展的重要性;同时，通过以上突现词的时间跨度可知STEM教育将持续成为国际工程教育研究的前沿与趋势。STEM教育起源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的简称，旨在强调多学科交叉融合。21世纪以来，美国联邦政府对STEM教育在政策上进行了大力支持，如2006年出台的《美国竞争力计划》、2010年出台的《准备与激励：为美国的未来实施K12年级的STEM教育》、2012年出台的《致力超越：再培养百万名STEM领域大学毕业生》、2014年出台的《K-12年级STEM整合教育：现状、前景和研究议程》、2015年颁布的《STEM教育法案》以及2016年出台的《STEM2026：STEM教育创新愿景》等，皆体现了STEM教育发展的重要性。其作为国际工程教育发展的前沿，体现了跨学科、跨领域、整合综合能力与思维品质的培养导向，以及国际社会对综合型工程人才发展的需求。纵观国内，STEM教育虽然尚未成熟和系统化，但是在一些发达城市已经开始进行探索实践，且国内学者对STEM教育的研究也逐年增多，可以将其与当下备受关注的新工科建设进行结合，构建人才培养新模式，探索工程教育理论和实践新视角。
　　（二）工程人才培养的目标：工程人才核心素养+关键技能培养
　　由表5可知，序号4、12、14、16、21所列国际工程教育发展突现词体现了工程人才培养的关键技能和核心素养培养方向。美国21世纪核心素养包含“学习与创新技能”“信息、媒介与技术素养”“生活与职业素养”三方面，21世纪技能则在3Rs（阅读、写作、计算）基础上转向了4Cs（交流、合作、批判性思考、创造力）[27];日本21世纪核心素养包含基础素养、认知素养与社会素养三方面，21世纪技能则包含思维能力（核心）、基础能力以及实践能力[28];新加坡21世纪核心素养以培养充满自信的人、能主动学习的人、积极奉献的人以及心系祖国的公民为目标，包含核心价值、社交与情绪管理技能（自我意识、自我管理、社会意识、负责任的决策、人际关系管理）以及新的21世纪技能（批判性、创新性思维，交流、合作和信息技能，公民素养、全球意识和跨文化交流技能）[29];中国21世纪核心素养以培养“全面发展的人”为核心，包含文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新6大素养，着重发展认知能力、合作能力、创新能力以及职业能力四大关键技能[30]。综上不难发现，各个国家关于21世纪核心素养和关键技能的制定大同小异。因此，对于工程教育发展而言，培养满足国际社会发展要求的具备21世纪核心素养和关键能力的工程人才将是工程教育与人才培养不断追求的目标与方向。
　　（三）工程教育教学的方式：以项目为抓手的自主合作学习与实践探究
　　由表5可知，序号10、20、21所列国际工程教育发展突现词体现了以项目为抓手的自主合作学习与实践探究工程教育教学方式。其主要强调在国际工程教育教学发展中基于工程项目、工程实践、工程经验进行教学，以及形成以人工智能+工程教育的教学模式。基于项目进行教学能够提供足够的挑战，帮助学生走出舒适区，有充分的机会练习技术技能和非技术技能，最大限度地提高学生工程学习的能力;基于工程实践进行教学能够使学习者有针对性地将问题与课程相联系，提高学生知识获取、反思和实践的工程能力;经验式学习理论通常被称为科尔布（Kolb）理论，其包含具体经验（CE）、反思观察（RO）、抽象概念（AC）和主动实验（AE），即要求学习者在体验过程中将自动化集成到逻辑健全的理论中（AC），且具备使用这些理论来做出决策和解决问题（AE）的能力，其作为一种超越传统课堂教学的方法，有利于学习者从直接经验中分离出抽象的概念进行实践探究与合作探究[31];作为当下受到国际社会广泛关注的人工智能，联合国教科文组织和布罗孚图卢（ProFuturo）在2019年移动学习周期间发布的《教育中的人工智能：可持续发展的机遇和挑战》工作报告，就人工智能对学习成果、受教育机会和教师支持的影响以及公平性、包容性、师生是否做好准备等问题进行了探究。而对于工程教育发展而言，如果能够有效发挥人工智能的优势，将其与工程具体专业相结合，将会大大促进工程教育的进步与发展[32]。综上可以预见，基于工程项目、工程实践、工程经验以及人工智能+工程教育的教学模式将是国际工程教育教学发展的重要方向。
　　（四）工程教育面临的挑战：生态化工程教育体系的建构
　　表5中序号5和22所列国际工程教育发展突现词，以及针对这两个突现词的文献拓展研究，共同印证了生态化工程教育体系的构建是当下及未来很长一段时间内国际工程教育面临的挑战，其主要包括绿色工程、工程倫理和性别平等。在工程学中，将关于可持续性的观念纳入产品、过程、技术系统和服务，意味着将环境、经济和社会因素整合纳入产品和设计的评估中，并逐步形成工程人才培养和工程制造体系的生态化与系统化。寻求可持续性设计的工程师可利用的量化工具不断发展，但目前主要侧重于自然资源保护和减少排放，可用于将可持续性的社会层面纳入工程设计的量化工具很少。在工程教育中，可持续性的社会层面受到的重视不及环境和经济层面，因此，在某种程度上，其将会是工程教育未来发展的挑战之一[33]。随着科技社会与环境的快速发展，工程伦理问题也日益引起了人们的注意，并在工程伦理学领域形成了一个研究和教学领域且取得了重大进展，但在“教什么”以及“如何教”才能培养出最优秀的伦理工程师方面仍然存在明显的差距。对于未来国际工程教育发展而言，工程伦理教学内容与教学方式也将是重要挑战之一[34]。联合国教科文组织认为，性别平等是一项基本人权，是社会公正的一个方面，也是经济发展的必要条件。只有妇女和男子拥有更多的平等机会、选择以及作为正式、平等的公民自由和有尊严地生活的能力，才有可能在全球、地区和地方层面实现可持续发展与和谐发展[35]。但是，由美国国家科学基金会资助的《2018年工程教育现状报告：工程学位的多样性写照》（2018 Status Report on Engineering Education：A Snapshot of Diversity in Degrees Conferred in Engineering）显示，工程学中男女性别差异显著[36]。虽然当下尚未有明确的解决措施，但基于国际社会的发展趋势，性别平等作为2030年可持续发展议程及其17项可持续发展目标的重大障碍，将会是工程领域未来发展中实现生态化建构面临的另一重要挑战。

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