北京航空航天大学学报(社会科学版)  2019, Vol. 32 Issue (4): 137-141   PDF    
法国预科学校工业科学课程实践教学模式
马纪明1 , Vincent CRESPREL2     
1. 北京航空航天大学 中法工程师学院, 北京 100083;
2. 圣路易预科学校, 巴黎 75008
摘要:工业科学是法国工程师预科学校工程专业学生的必修课程,旨在培养学生面对实际工业系统时解决复杂工程问题的能力。工业科学课程实践是课程的关键环节,实践教学内容和模式与法国工程师人才培养目标高度契合。文章介绍了法国工程师预科学校工业科学课程的实践教学目标、教学内容以及它们之间的关联关系、实践教学方法和特色、实践教学设备特点等,并与国内工程师培养的实践教学模式进行了对比分析,这对于中国面向卓越人才培养的实践教学改革和实施具有一定的参考价值。
关键词工业科学    实践教学    教学模式    预科学校    工程师    
Practical Teaching of Industrial Science in French Preparatory School
MA Jiming1 , Vincent CRESPREL2     
1. Sino-French Engineer School, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Lycée Saint LOUIS, Paris 75008, France
Abstract: Industrial Science (SI) is an obligatory course for engineering majors in French preparatory school. SI course is designed to train the students' abilities of resolving complex problems when facing the real industrial system. Practical work is the main segment of SI course with its teaching content and mode highly consistent with the training objectives of French engineer cultivation. This paper introduces the relationship between the theoretical and practical teaching content, training purpose, practical teaching mode, device characteristics, and so on. By comparing the practical teaching methods between Chinese and French system, some available and useful suggestions are given for the future reform on the engineer education system, especially the reform on the practical teaching.
Keywords: industrial science    practice teaching    teaching mode    preparatory school    engineer    
一、引言

法国学生高中毕业时必须参加高中结业会考,才能得以取得高中毕业文凭(BACcalauréat, BAC)。毕业后有很多种选择,包括进入普通公立大学、预科学校(Classe Préparatoire)或其他职业学校。其中普通大学有BAC即可报名入学,而预科学校(Classe Préparatoire)是法国精英教育体系的重要组成部分,只有BAC中评语为“很好”或“好”的学生才能注册,并需要通过入学考试或考核后才能进入。预科学校共分4类,经济、文学、数理(Mathématiques Physique, MP)和理化(Physique Chimie, PC),后两种预科学校人数较多[1][2]。预科班学习难度大、进度快,对学生各方面要求很高,并采用2年制教学,毕业后参加工程师学校(Grandes Ecoles)的入学考试。工程师采用的是精英教育模式,毕业生很容易找到一份待遇优厚的工作[3]

1994年,法国对高等教育的教学大纲进行了改革,MP和PC类预科班的教学大纲中增加了工业科学课程(Sciences Industrielles, SI)内容,同时对工程类预科学校中的专业名称也进行了对应修改[4][5][6]。这一教学安排被看做是学生接近工程师职业进行的预先训练,企业也对这一改革表示认同[7]。工业科学是MP和PC类预科学校的必修课程,是为了培养学生对实际工业领域中复杂系统的认知能力和系统分析能力和系统的建模、校模、验模能力,并最终具备复杂系统的设计优化能力及创新思维[8][9]

工业科学课程的实践教学环节是工业科学课程的主要部分,与理论教学内容密切相关且和实践教学同步展开。工业科学课程实践环节的考核也是工程师学校入学考试的主要部分。

文章主要介绍法国预科阶段中工业科学课程实践教学模式和实践设备的特点,以及对照实践环节教学所培养的学生能力等。同时,将法国预科学校的实践环节设置模式,与中国本土的针对专业技能培养的实践教学模式进行了对比分析。

二、工业科学的实践教学内容

法国预科阶段工程类专业的专业分布及流向见图 1

图 1 法国工程类预科学校的专业结构

针对工程师预科阶段一年级MPSI、PCSI、PTSI等专业的学生,以及二年级PSI专业的学生,工业科学理论教学内容见表 1

表 1 教学内容与培养目标

表 1可以看出,工业科学课程的涉及面比较广泛。从这里也可以看出,工业科学在预科阶段(对应国内本科低年级阶段),主要是培养学生的基本工程思维方法和技能,以及多学科交叉和融合能力。特别需要说明的是技术沟通能力(technical communication)培养,也是工业科学课程的要点。技术沟通能力的培养持续整个预科阶段,这种能力包括科学绘图、系统描述语言和工具,还包括语言表述能力。实际上就是培养学生通过书面语言、高级编程语言、绘图、口头描述等多种手段,描述技术问题以及复杂工程系统。这一个方面在国内的专业培养中虽有体现,但没有作为一个显著的培养目标且加以重视。

预科一年级的课程以理论授课为主,实践环节相对较少,主要是配合理论课程,让学生初步认识工业系统的基本结构和工作原理,并能够完成简单的建模和仿真分析工作。表 2所示为PCSI专业一个学年的工业科学教学实验环节的设置情况。可以看出,在一年级阶段只有约10个小时的动手环节。

表 2 预科一年级实验课设置

在法国预科学校中,二年级已经完成了专业划分,PSI专业学生需要接触更多的工业科学相关课程。理论课程内容同一年级阶段相似,只是更加深入,与一年级明显不同的是实践环节的内容大量增加,如表 3所示。

表 3 预科二年级实践内容安排

表 2表 3可以看出,围绕工业科学课程及实践教学,培养目标主要是针对工程能力的提高,包括面对复杂系统时的分析能力、解决问题的能力等等,这些能力也与我国工程专业认证中对学生的能力培养要求具有较高的匹配度[10]。从这个方面可侧面反映出法国工程教育的初衷和目标与我国目前人才培养的需求是一致的,具有较高的参考价值。

表 2表 3中还可以看出,工业科学实践部分的考核也是主要内容之一,每次考核持续4个小时。工程师大学校的入学考试中,工业科学实验也是主要科目。关于考核方法、考核内容、形式以及相关的评价标准,本专题系列文章有进行过专门介绍,在这里不再展开说明。

三、实践教学设备与方法

首先,所有的实践教学均围绕工业科学实验设备展开。法国工业科学与技术实践教学设备也具有鲜明特色,设备通常来自于实际工业系统,还有部分是实际工业产品经过改造后用于实践教学的。文章以法国预科学校中常用的工业科学实验室实践设备为例,说明工业科学实践教学设备的来源及特点。

(一) 来源于实际工业系统

图 2所示为北京航空航天大学(以下简称“北航”)中法学院部分工业科学实验教学设备。

图 2 北航中法工程师学院工业科学实验设备

图 2所示设备的一个共同特点就是都来源于实际工业系统:(a)汽车转向电子助力系统是法国雷诺汽车集团TWINGO型轿车的实际转向助力系统,配备了测控模块、传感器以及人机交互软件;(b)自行车电动助力系统是基于在欧洲常用的一种电力助力车改造而来,它检测自行车行驶速度及施加在踏板上的力的大小,自动控制电机输出助力的大小。并且,在自行车行驶速度超过25 km/h的情况下,自动停止施加电动助力;(c)飞行观测控制系统是一种应用于飞机飞行员对地观测的可调节平台,能够自动适应飞机姿态的变化,跟随驾驶员视线对地进行观测;(d)天文望远镜自动对准系统用于海洋作业的观测船,能够自动适应船舶位置和姿态的变化,自动对准固定观测目标;(e)乒乓球自动封装生产线来源于实际乒乓球生产线的封装环节,能够将零散乒乓球自动封装在固定包装内;(f)船舶自动操舵系统是一种典型的伺服机构,跟随舵操作指令,实现对船舶行驶方向的自动控制。

将这些实际工业系统中的设备进行改造,配备传感器和数据采集设备、数据通讯单元和软件系统,就可以组成适用于教学的实验平台,如表 4所示。同时,与这些实验平台配套的还有完备的实验手册及教学材料,其中内容可以与法国预科学校PSI专业教学大纲很好地匹配[11][12]

表 4 部分工业科学实践设备

在法国有很多专业开发工业科学实验教学设备的企业,不完全统计有200多家。这些设备涉及航空航天、汽车、电子、通讯、环保、计算机等多个行业领域,预科学校可以根据自身专业特点选择合适的设备。

(二) 具有多学科交叉特点

图 3以汽车转向电子助力系统、自行车电动助力系统和船舶操舵系统为例,介绍工业科学实践设备所涉及的学科。从图 3中可以看出,这些设备几乎涉及了和实际工业系统相关的所有学科领域,以这些设备为对象进行工业科学课程的教学和实验,能够锻炼学生的多学科交叉融合能力,进而激发其创新思维。

图 3 工业科学实验设备涉及多个学科

每台工业科学实验设备都涉及多个学科领域,所以在实践环节的内容设置上,围绕一个实践平台,就可以设置多个实践教学模块,培养学生学习与体悟多学科的知识和能力。表 5以自行车电动助力系统为例,说明围绕此实验平台开展的预科阶段工业科学实验教学内容,以及培养学生的相关知识和能力。

表 5 基于电动助力自行车实践平台开展教学内容

(三) 基于任务和问题的自主式学习

法国工业科学课程的实践环节,以学生自主动手为主,教师很少主动干预学生的实践过程。教师主要通过四个环节控制实践课程的进度和评价学生完成工作的质量。

(1) 提供保障条件

工业科学课程实践教学设备不仅仅是独立的硬件系统,为了保障实践教学效果,设备厂商和任课教师还需要提供完备的保障条件,其中包括设备应用的工业背景说明、软件工具和程序、设备技术资料、操作说明手册等。通过这些保障条件,学生不仅可以掌握设备对象在实际工业系统中的角色和地位,还能够自主完成设备的运行和操作,探索工业系统的结构功能。同时,还可以通过提供的软件工具测试分析系统的性能指标。所有保障条件的目标都是为了让学生能够自主工作,充分发挥其主动性和激发他们探索未知领域的兴趣。

(2) 明确工作任务

在工业科学课程实践环节中,教师的主要工作是针对不同阶段的学生和不同实践设备,结合表 2所示的培养能力和目标来设置工作任务。一般情况下,围绕一台实践设备,通常设置10个左右的工作任务。内容涵盖设备操作运行(认识能力)、系统结构和功能分析(系统分析能力)、基于技术资料分析运动和受力特性、测试和数据分析、控制方法和控制效果对比等。每个任务侧重点不同,需要的技术资料和软件工具也有差异,其不仅可以拓宽学生的知识领域和工程能力,也可以培养学生的多学科交叉融合及理论联系实际能力。

(3) 提出工程和学术问题

工业科学课程实践中,教师的一个重要任务是针对不同工业设备和培养目标,提出能够激发学生主动思考意识的工程和学术问题。其中,最常见的问题是“工业系统为什么采用此种设计实现方法而不是另外一种实现方案?”“理论结果、期望结果和试验结果为什么会有差异以及产生原因?”等,这种问题通常没有标准答案和最优结果,让学生通过这种开放但又非常具体的问题,逐步提升其解决复杂工程问题的能力[8]

(4) 注重沟通能力培养

技术沟通能力是工业科学课程实践环节的主要培养目标之一。在一堂实践课上,学生要完成提交技术报告、口头描述系统功能、口头回答技术问题、口头阐述系统特点和设计优化的方案任务,这些任务均可以有效提升其技术沟通能力。

四、对比分析与总结

对比国内实践(实验)类课程,法国预科学校中的工业科学实践教学具有以下三个特点:

(1) 理论与实际教学紧密结合

在法国预科学校中,工业科学课程量大。理论教学内容并不将机械、控制、系统科学等学科进行区分,而是将这些内容在一门课程中进行全面讲解,是一种典型的多学科交叉和融合的教学模式。

实践教学的特点是持续时间长,实践环节多。不同于以验证理论为目的的实践教学模式[13],工业科学课程实践环节中,教师通过明确工作任务和设置问题,培养多学科交叉融合能力、理论联系实际能力和解决复杂工程问题的能力。

(2) 实验设备来源于实际工业系统并具有典型的多学科特征

通常使用的教学实践设备多是标准设备,以演示和验证理论目标为主[14]。工业科学实践设备大多数是非标准工业系统或设备,种类多样、来源丰富、多学科交叉特征明显。学生在2年的预科学习期间,能够接触和掌握与实际工业系统相关的大多数学科和工程技术,这不仅有助于培养动手、动脑习惯以及多学科交叉融合能力,还有助于发现自身的技术优势及兴趣,更加合理地规划将来的职业方向。同时,每年20%左右的实践教学设备设备更新也保证了教学内容的先进性。

(3) 注重技术沟通能力的培养和考核

实践类课程考核通常以结果的准确性为标准,对过程质量的评价以及沟通能力的评估比重很小。工业科学课程实践环节的考核不仅要考察对工业科学基础知识和技能的掌握水平,还要评估学生的技术沟通能力,书面报告、口头描述、结果展示等环节的评估结果在课程成绩中占有较高的比重。这种考核方法有效提升了学生的技术沟通能力。

参考文献
[1]
王晓辉. 法国工程师教育研究[J]. 清华大学教育研究, 2013, 34(2): 36-41. DOI:10.3969/j.issn.1001-4519.2013.02.005
[2]
熊璋. 法国工程师教育[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 359-362.
[3]
形克超, 李兴业. 法国教育[M]. 长春: 吉林教育出版社, 2000: 234-236.
[4]
Official Bulletin of the Ministry of National Education and Research-Part Ⅰ[EB/OL]. http://www.education.gouv.fr.
[5]
Official Bulletin of the Ministry of National Education and Research-Part Ⅱ[EB/OL]. http://www.education.gouv.fr.
[6]
Official Bulletin of the Ministry of National Education and Research-Part Ⅲ[EB/OL]. http://www.education.gouv.fr.
[7]
刘建立, 谭俊峰. 法国工程师大学校教育对"卓越工程师教育培养计划"中企业培养方案制定的启示[J]. 教育与教学研究, 2013, 27(11): 59-62. DOI:10.3969/j.issn.1674-6120.2013.11.015
[8]
马纪明, 徐平. 基于工程问题的工业科学实验课程探索与实践[J]. 北京航空航天大学学报(社会科学版), 2013, 26(5): 117-120.
[9]
于黎明, 马纪明, 张心婷, 等. 法国预科教育与我国本科教育的教学法比较与融合研究[J]. 高等工程教育研究, 2013(4): 103-110.
[10]
熊璋, 于黎明, 徐平, 等. 法国工程师学历教育认证指南[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 191-235.
[11]
GUILLAUME M, HERVE R. 工业科学第一卷[M]. 北京: 科学出版社, 2013: 18.
[12]
GUILLAUME M, HERVE R. 工业科学第二卷[M]. 北京: 科学出版社, 2014: 25.
[13]
厉旭云, 梅汝焕, 叶治国. 高校实验教学研究的发展及趋势[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(3): 131-136. DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2014.03.032
[14]
李朝荣. 基础物理实验[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005: 209-354.