2050 年的工程教育/透過工程學習工程

工程是應用科學和數學來解決現實世界問題的學科。目前，工程教育中動手實踐和應用型學習的比例不足。學生在學校獲得的經驗和技能不足以支援他們未來的職業發展。相反，他們通常是在課堂環境中學習知識，而沒有機會以有意義的方式應用所學內容。因此，我們認為到 2050 年，工程教育將發生改變，將透過工程學習工程融入其中，以更好地培養有抱負的工程師。

高中

在高中階段，所有課程通常都有一些形式的期末考試，無論是州級標準化考試還是 AP/IB 考試。高分意味著學生掌握了內容，可以繼續學習更高階的課程。然而，僅僅根據幾張紙就很難衡量學生在某一學科的熟練程度。這種結構也限制了學生只能學習課程內容，無法充分探索工程的不同領域。

到 2050 年，高中工程課程將進行重大調整，使每門課程都包含課堂講授和實驗部分。課堂講授將仍然像現在一樣採用傳統的教學方式。但實驗將是學生可以嘗試和探索所學知識的地方。他們可以選擇自己感興趣的主題，該主題不必是課程內容，並圍繞它獨立開發專案。這些專案的持續時間由學生決定。因此，為了實現這一點，學生需要在第一次學習時同時學習實驗和課堂部分，但之後，學生可以選擇在高中的四年中多次參加實驗部分。教師在實驗中的作用是擔任顧問，在學生需要時提供偶爾的反饋，並創造一個專業環境，在學生進行專案時教授他們行業最佳實踐。最後，學生將至少完成一個專案，這些專案將共同組成學生的課堂作品集。作品集將取代之前提到的期末考試，因此將對其進行評估，以根據學生的學科能力對其進行評分。這種新結構允許學生在工程學科中獲得個性化的經驗，並確定他們是否對該學科感興趣。這很有益，因為學生對自己的職業目標有了更清晰的認識，並幫助他們決定高中畢業後要走哪條路。

目前，我們看到作品集理念已部分實施。例如，AP 計算機科學原理課程有一次期末考試和一個數字作品集。學生需要在整個學期/學年完成工作表，並開發一個應用程式。在 IB 中，學生的課堂成績基於內部和外部評估。對於內部評估，學生需要根據課堂進行主題研究或完成專案並撰寫報告。外部評估類似於期末考試。到 2050 年，作品集將成為評估學生在所有工程課程中的能力的唯一組成部分，讓學生有機會將課堂上學到的知識應用到現實世界中。

大學

2016 年，弗吉尼亞大學開設了一個名為“國家儀器工程發現實驗室”的新實驗室，這是一個位於電氣與計算機工程系的耗資 140 萬美元的實驗室。當時弗吉尼亞大學工程學院院長克雷格·本森表示，“年輕人不是坐在課堂上就能成為工程師的。”這個實驗室專為動手實踐體驗而設計，讓學生有機會解決現實生活中的技術問題。2023 年在這個實驗室進行的課程示例是控制實驗室。學生學習電氣和機電電路和裝置的設計、分析、構造和測試，例如 Roomba 吸塵器和自動拼字遊戲玩家。學生從這些課程中學習到的技能可以在工作場所或研究生院中使用。此外，該實驗室是由國家儀器公司非常慷慨地捐贈的，這表明這些公司希望學生透過實踐學習接受教育。

除了國家儀器實驗室外，弗吉尼亞大學還有萊西大廳，這是一個專門用於將理論付諸實踐的空間。目前，弗吉尼亞大學的工程課程要求所有一年級工程專業的學生學習工程導論。這門課包含 3 個主要的動手實踐專案：控制 Sphero 機器人逃離迷宮，使用 CAD 軟體設計和 3D 列印戒指，以及使用軟體設計音孔，用雪茄盒製作小提琴。這些專案幫助學生在以難忘的方式學習工程的同時獲得樂趣。到 2050 年，弗吉尼亞大學將擁有更多此類動手實踐空間，專門用於實踐學習。與透過課堂講授或教科書記憶內容相比，這種透過工程學習工程的過程給學生留下了更深刻的印象。目前，一些動手實踐實驗室對專業有限制，因此我們希望到 2050 年，任何希望從這些實驗室中受益和學習的工程專業學生都可以進入實驗室。

到 2050 年，我們預計一些俱樂部提供的動手實踐專案型別將被納入課堂。在弗吉尼亞大學，這些俱樂部包括 Hoo Hacks、計算機與網路安全俱樂部、弗吉尼亞大學沉浸式體驗和弗吉尼亞賽車運動。允許學生參與專案，使他們能夠創造性地思考並透過行動學習，這將是 2050 年比現在更積極的學習方式。它不會取代課堂講授式學習；相反，它將成為與現有系統一起使用的工具。如果學生參與的專案包含透過實踐工程學習工程，則可以將他們參加動手實踐俱樂部的經歷計入學分。這與某些藝術課程允許學生透過參與戲劇或類似活動獲得學分的方式類似。此外，心理學系目前要求學生參加 6 小時的學習參與。工程學院可以採取類似的做法，要求學生參加一些小時的動手實踐學習，例如駭客馬拉松。

隨著越來越多的技術被開發和引入世界，可以將其整合到課程中以學習它們。例如，動手實踐實驗室可以研究虛擬現實和人工智慧。這些型別的技術正在迅速發展，並將成為我們未來的組成部分，因此我們必須學習它們。這將有助於培養沉浸式和互動式環境。大學應該為其教職工提供適當的培訓和發展，以教授更多動手實踐和透過工程學習工程的課程。

工作場所通常是一個動手實踐的環境，因此透過工程學習工程可以為學生提供現實世界的應用。此外，使用工具和裝置是工程的常見做法，這有助於學生培養工作場所需要的必要技能。STS（科學、技術與社會）是工程專業學生可以與其他工程專業學生一起學習課程的主要方式之一。畢業後加入工作場所，我們會與各種專業的人員合作。大學是一個練習和進行跨學科合作的好地方。可以開設一些課程，讓學生學習透過工程學習工程，並與其他專業的學生一起練習。

目前，我們參與了在弗吉尼亞大學最後一年進行的為期一年的專案，稱為“頂點專案”。這些專案是透過工程學習工程的一個很好的例子。我們認為，在一年以上的時間裡進行這種型別的專案可能是真正練習工程的一個好方法。可以開設一些課程，讓學生從一年級開始就可以分組一起進行大型專案。這個專案也可以成為工程專業學生與其他專業學生合作練習跨學科合作的地方。

透過工程學習工程還可以讓學生接觸到他們透過閱讀教科書或在課堂上記筆記無法遇到的情況。透過工程學習培養了一種環境，在這種環境中，批判性思維和解決問題的能力可以得到實踐。這些是工程師必備的技能。透過透過實際經驗學習工程，教授還可以透過實際面對倫理困境來教授他們的學生關於倫理困境的知識。學生可以與團隊和周圍環境合作，學習如何應對這些複雜的問題。透過工程學習工程有很多好處，包括加深學生對工程原理的理解，以及練習未來有幫助的實際挑戰。

透過工程學習工程將成為 2050 年大學學生寶貴的學習工具。它可以幫助學生獲得直接經驗，同時提升他們的知識、技能和價值觀。有了這個工具，學生有機會完全沉浸在學習環境中。這些想法是可行的，因為我們已經開設了一些此類實驗室。它們也是可取的，因為公司向弗吉尼亞大學支付了數百萬美元的資金來資助這些實驗室，以讓學生以這種方式學習。

從大學過渡

圖 1：2023 年的舊課程

2023 年，高等教育旨在培養可就業的畢業生，承認沒有學位的人的失業率很高。 但是，目前為期 4 年的工程課程是嚴格的線性課程，限制了探索，並將實際技能的應用推遲到高年級選修課 [圖 1]。此外，許多大學的課程中沒有強制性的現實世界體驗，例如實習或研究。

圖 2：2050 年的新擬議課程

到 2050 年，大學的目標是提高工程課程的靈活性[圖 2]，將真實世界的體驗融入整個課程，而不是僅僅限制在夏季。這種方法將把課堂概念與實際應用交織在一起。2050 年的目標是為工程師配備專業領域知識，同時保持對他們主要領域的廣泛概念理解，使他們的技能與市場需求相一致。

大學需要加強與公司的聯絡，並培養合作培訓專案來實現這一目標。參與的公司將提供專門的導師作為教育者。這種共生關係確保學生將課堂概念與現實世界的應用聯絡起來。在學期期間培訓和入職學生，使他們能夠無縫過渡到全職體驗。並非所有學生都需要留在培訓公司；其目的是為他們提供第一份工作的初始經驗。與合作計劃類似，學生將在這些體驗期間獲得報酬並獲得正式職責。

這種演變要求大學透明地公開行業聯絡，使學生能夠將他們的選擇與職業目標相一致。公司必須認識到投資教育的價值，將工作的教育者納入他們的員工隊伍，同時履行正常的職能。他們還應努力平衡為公司目標做出貢獻的實習，同時為學生提供有價值的學習體驗。畢業後的機構必須擁抱靈活性，適應虛擬參與選項，並調整工作量和地點以滿足學生不同的承諾。

這次轉型核心的內容是重組過時的課程，教授基本概念以及如何將這些概念應用於子領域。這確保學生與現實世界保持聯絡，從學生到工程師的過渡無縫銜接。重新制定 2024 年畢業的頂點專案或技術論文標準可以實現這一目標。為期一年的專案將擴充套件到 3 年。例如，在 6 個學期中，一支化學工程專業的學生團隊可以與一家公司合作，將一個工藝從實驗室規模擴大到中試規模。每個學期，他們都會在報告中新增一個部分，應用他們學到的知識，例如，在學習熱力學後，將熱力學方面新增到他們的設計中。然後，在夏季，學生可以從事類似於他們正在設計的工藝的專案，以獲得實踐經驗，並將其帶回專案中。理想情況下，這些專案將為當地社群或大學社群服務。

總之，2050 年的願景包括一個更加動態和靈活的工程教育模式，在學生學習期間促進持續的現實世界參與。大學和公司之間的合作、提高透明度以及重新構想的課程將在實現這一目標中發揮關鍵作用，培養更具響應能力且符合行業需求的工程師一代。