“力学+软件工程”交叉人才能力体系的构建研究

蒋文涛, 李 艳, 王 宠, 刘永杰, 李亚兰, 王清远,3*

(1. 四川大学 力学科学与工程系, 四川 成都 610065; 2. 四川师范大学 计算机科学学院, 四川 成都 610101;3. 成都大学 机械工程学院, 四川 成都 610106)

力学是一门兼具基础和技术的科学,对现代工程技术的发展具有支柱作用,力学专业旨在为国家工程技术重大战略培养基础和应用型人才.随着新工科建设的日益深入,力学专业的发展面临新的要求与挑战,“问产业需求建专业”的新工科建设理念为力学专业的突破与发展指明了方向[1].软件产业是国家战略性新兴产业,特别是以力学理论为核心算法,支撑重大装备和结构创新设计、智能制造与研发的力学CAE软件长期被国外垄断,因此,发展国产自主可控的力学CAE软件已成为国防、航空航天和先进制造等领域的重大战略需求.国家自然科学基金委“力学学科2021—2035年中长期发展规划及‘十四五’发展规划战略研讨会”特别指出国产软件自主开发的重要战略意义,认为其应当在力学学科的发展规划中占有重要地位[2].而解决这一问题需从源头抓起,从人才培养抓起,因此,力学学科必须承担起培养力学CAE软件开发人才的时代使命.而传统力学人才培养主要集中在工程应用型和基础研究型两类,个别高校虽通过强化数值方法、计算力学和软件应用类课程的设置,使毕业生具有较强的算法研究和软件应用能力,但在用工程化方法进行大型软件的开发、维护、管理和技术整合等软件工程方面的能力则较为欠缺,无法满足力学CAE软件开发的需求.而软件工程专业的毕业生则因缺乏力学基础知识和对力学领域应用和需求的深刻认识,使其在与力学专业人员合作开发软件过程中存在沟通难和发展理念难以统一等矛盾.长期实践也充分表明,这一矛盾已成为阻碍力学CAE软件国产化发展的重要因素.因此,如果在培养力学专业知识的同时,强化软件工程方面的能力培养,这对提高力学CAE软件研发人才的培养质量,促进我国力学CAE软件的快速发展具有重要意义.由此可见,在我国力学CAE软件亟待发展的今天,力学专业联合软件工程专业共同培养“力学+软件工程”交叉人才显得尤为重要和迫切.

然而,对于这种跨专业交叉培养的新模式,学生能力体系是确保人才培养质量的关键环节,其上承培养目标,是培养目标的具体体现,下启培养方案和课程体系,是其制定的重要指导.其中,课程体系是专业在教学过程中所涵盖的课程设置和教学内容的组合.它包括专业课程、通识教育课程、选修课程等等,这些课程共同构成了学生在特定专业领域内所需学习的知识体系.其设计需考虑专业的核心概念、理论、方法以及实践技能,确保学生能够全面系统地掌握该专业领域的知识.而能力体系则是指培养学生在特定专业领域内所需掌握的核心能力和技能.这些能力包括知识应用能力、问题解决能力、沟通能力、创新能力、团队协作能力等等.能力体系的构建需要考虑社会对于该专业人才的需求以及未来职业发展的趋势,以便使学生具备胜任相关工作岗位的能力.二者相辅相成互为支持,课程体系可为能力体系提供知识和理论基础,学生通过课程学习掌握该专业领域内的核心概念、理论和方法,可为培养相关能力奠定基础.能力体系则指导课程体系的设计,根据能力要求进行课程的规划,确保学生在完成课程学习的过程中能够逐步培养和提升所需的各种核心能力.具体而言,由于“力学+软件工程”交叉人才培养目标特定的方向性,其中在传统力学人才培养基础上增加了对软件工程的专业要求,使其与传统力学人才培养要求有所联系却又不尽相同.由此,对课程体系的制定提出了新的要求,特别是在有限的学时条件和兼顾2个专业要求的前提下,如何合理设置课程、哪些课程的哪些知识点必须保留甚至需要加强、哪些课程可以适当弱化、2个专业的哪些教学内容可以进行交叉融合等等,都需要根据行业需求、课程内容和专业特点等进行设计制定.这既不是2个专业课程的简单叠加,也不是重建一套全新的课程,而是需要进行合理的课程配置和恰当的内容融合.而要科学合理地设置课程体系,实现培养目标的要求,则首先需要清楚学生毕业时应具备的能力要求(即能力体系),只有这样才能依据能力体系,构建知识体系,进而设置课程体系.而这并没有现成的模板可供借鉴,需要重新思考和构建.

为此,本文以质性研究领域极具影响力的扎根理论为研究方法,构建了“力学+软件工程”跨专业交叉人才的能力体系,并指导完善新培养模式下课程体系和培养过程的建设,对最终解决力学人才软件开发核心素养不足、培养过程与产业需求不对称等难题进行研究,是新工科建设理念指导下的一次积极探索.

1 研究方案与实施路径

扎根理论(grounded theory,GT)是以经验资料为基础建立理论的一种定性研究方法,其过程包括二级或三级编码,即开放编码、轴心编码和选择编码[3].在教育教学研究方面常用于学生教育深造意愿、学习行为模式、各类能力指标等的调查分析对比[4-5].

本文运用扎根理论系统开展能力指标体系的构建研究.首先,在开放编码阶段,采用专家评议法对能力要素进行初步调研,同时对获得的专家建议进行编码;然后进入轴心编码阶段,结合文献法和因子分析初步得到力学CAE软件人才能力构成的基本范畴;随后是选择编码过程,参考基本范畴中包含的要素开展大规模问卷调查,通过对结果的比重分析确定力学CAE软件人才的核心能力指标;最后,结合2次调查结果构建“力学+软件工程”交叉人才能力体系,并与传统力学人才能力体系及最新教学质量国家标准进行对比分析,获得影响“力学+软件工程”交叉人才培养质量的要点,并指导进一步的人才培养实践过程.其具体实施路径如图1所示.

图 1 基于扎根理论的“力学+软件工程”交叉人才能力体系构建路径

2 “力学+软件工程”交叉人才能力体系构建

2.1 从专家建议到能力范畴针对毕业生基本能力素养需求开启专家评议问卷调研,选择力学CAE软件相关的高校教授和行业专家共51人作为调研对象,其中,高校专家占比53%,企业占33%,研究院所占14%,最后共获得182条具体建议.首次调研目的为获得行业需求的能力素养词库,因此,需对专家提出的具体建议进行开放编码(即标签化),同时通过词频分析得到核心词语.在此基础上,根据已有的对新工科内涵和教育范式架构、产业发展新要求及我国高等工程教育现状的研究[6-9],结合工程力学专业的培养目标和软件工程专业认证能力体系等,初步划定了“力学+软件工程”交叉专业学生的4类能力范畴,分别为:学术知识与技术能力、个人素养与社会能力、工程思维与工程实践能力、创新思维与创新实践能力.最后,对专家给出的182条建议进行轴心编码(范畴化),纳入上述4类能力范畴,得到表1的主要能力范畴及基本指标编码.

表 1 “力学+软件工程”交叉专业人才主要能力范畴及基本指标编码表

2.2 核心指标确认在人才培养能力范畴初步建立起来之后,针对能力范畴内的具体能力指标开展大规模问卷调研.此次调研主要设立了4大能力范畴各8～9个基本能力指标选项(如表1),通过专家投票选出从事力学CAE软件研发的本科毕业生最应该具备的能力指标(即选择编码).第二次调研规模大、范围广,参加调研的专家分别来自全国85%省级行政区的力学、软件及土木、机械、材料、航空等相关领域高校、企业和科研院所,其中,高校占比77%,企业/研究院所占比23%.共获取有效问卷1 228份,统计分析专家对4个核心能力范畴内33条能力指标的投票结果,如图2所示.

图 2 4大能力范畴内各指标的专家认可度调查结果分布图

图2显示,在“工程思维与工程实践能力”范畴内,K11、K12、K13比例较K18高出近50%,表明毕业生不需要一定具备丰富的实践经验和特定的CAE分析技能,但对力学CAE软件人才的知识背景和原理、工程认知和意识、模型简化等能力要求较高;在“创新思维和创新实践能力”范畴内,K21、K23比例显著高于其它指标,说明专家们一致认为应具备学习和应用新知识、新技术的能力和逻辑分析能力,只有这样才能适应软件行业新理念层出、知识更新快的发展势态;在“学术知识和技术能力”方面,除了看重学生的力学和数学基础是否扎实(K31和K34)外,更看重是否熟悉数值计算方法(K32),这体现了行业对学生知识结构侧重点的要求;在“个人素养和社会能力”领域,约82.1%的专家都关注学生是否具有自主学习、终身学习和独立工作的能力(K42),这是本次调研中唯一一个超过80%比例的指标,由此可见,在知识和信息更新迭代速度空前的今天,个体的学习能力,即不断学习、适应发展的技能是不可或缺的,我国现行的工程教育专业认证也将“终身学习”作为一项重要的毕业要求,这应当是专家们对本科生的共同期待,而对“力学+软件工程”交叉专业本科生来说,工作中能够独当一面也颇为重要.另外相当部分专家(约72%)对力学CAE软件领域本科生提出了“有毅力有定力,踏实肯干”的要求(K44),切实反映出力学CAE软件研发的难度,也侧面体现出要解决力学CAE软件发展受限难题需要一批志存高远、心性坚定的专业人才,映射到教学中则要求我们应注重培养学生的理想信念.

2.3 “力学+软件工程”交叉人才能力体系的重构通过分析总结2次调研结果,查阅新工科能力体系相关文献,总结跨专业人才培养实践经验,最终得到重构的“力学+软件工程”跨专业交叉人才能力指标体系,如表2所示.其中,一级指标4个,为四大能力范畴,二级指标共8个,为大规模调研时投票结果超过2/3(即66.7%)的具体指标经凝练综合而成.

表 2 “力学+软件工程”跨专业交叉人才的能力指标体系

重新构建的能力体系代表从事力学CAE软件开发的本科毕业生应该具备的基本素养,具有明确的专业特色,其中“学术知识与技术能力”和“个人素养与社会能力”是基础支撑,“工程思维与工程实践能力”是延伸拓展,“创新思维与创新实践能力”是提高升华[10].

与传统力学人才培养能力体系(2012年出版的《高等学校理工科工程力学专业规范》中提及毕业生应具备的知识结构和达到的能力[11])以及教育部2018年发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中力学类和计算机类专业人才培养基本要求[12]对照发现,“个人素养与社会能力”方面都强调自主学习和终身学习能力,这是工业革命以来工程科学教育的共识;没有强调对外语能力的要求,因为当代学生英语能力普遍较强,且在编程学习和应用过程中能自主强化英语水平;增加了对学生毅力定力和责任心的要求,这一方面与国产自主力学CAE软件研发和推广的难度高有关,另一方面也与当代青年学生的成长环境较为舒适优越相关,对于新一代“力学+软件工程”交叉人才来说,应始终培养其使命感和责任担当,以及勇于实践、不怕失败、细心谋划的理性思维[13].

在“学术知识与技术能力”方面,都要求扎实系统的力学与数学基础,且对数值计算和有限元方法的掌握要求更高,这是由于大型工程软件的应用与开发集中在CAE软件上,体现出交叉专业的特色;在“工程与创新思维和实践”方面,工程实践能力和创新意识都是必不可少的,对力学-软件工程交叉人才而言更强调其工业和计算背景、工程认知和逻辑分析能力.

基于以上分析,结合2个专业的国家标准和专业规范要求,构建了“力学+软件工程”交叉专业的课程体系主体框架,如图3所示,其主线是力学专业主干课程,辅线是软件工程专业核心课程.其中,各课程所支撑的主要能力指标(见表2)分别对应虚框中的A～H.与传统力学课程体系比较,强化了工程问题抽象建模能力和实践能力培养,弱化了部分理论性和方向性较强的课程(如连续介质力学、黏性流体力学等);与传统软件工程比较,则保留了能充分体现软件工程专业知识体系的课程群.

此外,为促进和提升工程思维与工程实践能力,着力设置了一批体现力学知识与软件工程理论交叉融合的项目制实训课程群(如图3～),由简到难递进式培养学生基于复杂力学问题的CAE软件开发能力,实现了力学与软件工程在专业理论与专业技能方面跨学科的贯通融合.同时,基于能力体系培养的需要,除课程内容自身对部分能力具有较好的支撑外,如理论力学和材料力学vs能力F,数据结构与算法和计算力学vs能力E等,课程体系还根据课程内容特点针对性强化了对特定能力培养的要求,如新生研讨课和项目制实训课程群vs能力GH,通过课程思政和项目实践润物无声地培养学生深厚的家国情怀和攻坚克难的信心,以及致力于力学CAE软件开发应用的信心和决心,强化个人素养与社会能力的培养;理论力学、材料力学、弹性力学、计算力学等力学主干课程增加了对工业软件基本概念的教学要求,如用数值分析方法求解理论问题、基于CAE软件进行复杂力学问题的讲解等,以此强化能力F的培养,进一步打通力学与软件工程的专业壁垒.

图 3 基于能力体系的课程体系框架

3 结论

“力学+软件工程”跨专业交叉培养是一种新的人才培养模式,在培养目标指导下进行能力体系的重构,是提高交叉人才培养质量的重要环节.本文在新工科建设理念的引领下,围绕产业需求和人才培养新模式,采用扎根理论,通过2次调研确定了“力学+软件工程”交叉人才培养的4大能力范畴,即工程思维与工程实践能力、创新思维与创新实践能力、学术知识与技术能力、个人素养与社会能力,以及与之对应的8个核心能力指标,并在重构的能力体系指导下,进一步开展了“力学+软件工程”交叉人才培养过程的革新和课程体系的再升级.本文是对新工科人才培养的一次积极探索,文中所提出的研究方案和实施路径也可为其他高校开展类似学科交叉型新工科建设提供有益的参考和指导.

致谢四川大学新世纪高等教育教学改革项目工程(第九期)研究项目(SCU9003)对本文给予了资助,谨致谢意.