新工科人才必备的批判性思维与核心能力培养

孙刚成，杨晨美子

（延安大学 教育科学学院，陕西 延安 716000）

现代社会，科学发现与产业发展日益形成直接联系，成为推动经济社会发展的主力。作为二者有机结合的重要途径，新工科人才培养与工程教育逐步成为世界教育改革浪潮中最受关注与重视的内容。当今，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，传统的工程教育已经不能满足社会经济和人才发展的需求，各行各业呼吁工程教育要顺应趋势、应对挑战、抓住机遇进行改革创新。为了发挥高等工程教育在支持国家产业优化升级和提升国家科技竞争力上的重要作用，2017年，新工科建设“复旦共识”达成以后，教育部发布《高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，开始进行新工科建设。综合教育部文件精神和国际工程教育研究热点与前沿知识图谱［1］可见，新工科具有极强的跨学科性、知识整合性、实践应用性、创新创造性、个体可持续发展性和社会适应性，这些特点要求新工科人才培养强调批判性思维品质、跨学科整合能力、实践操作能力和创新创造能力等。

第一，要培养具有良好批判性思维品质的新工科人才。我国传统教育中存在“唯书至上、唯师至上”的弊病，这在以往的工科教育中也并不少见，其培养出的工科人才思维僵化、不善变通，进而影响工程科技的创新发展。历史上的每一次工业革命无一不是在人们不断思考、探索、质疑中进行的，良好的批判性思维品质能够帮助人们发现新的问题、寻找新的途径、实现新的突破和产生新的产品。

第二，要大力提升新工科人才的跨学科整合能力和实践操作能力。以往工程教育存在诸如学科壁垒严重、为学生提供的专业实践操作机会匮乏、教师偏重于传授基本理论知识却不重视培养学生的实践操作能力等问题，这些问题导致工科学生的知识面和视野狭窄，大部分学生的学科知识整合能力不足、跨学科能力较差，实践操作能力低下，毕业以后无法适应日新月异的产业升级需要。工程学是一门“桥梁学科”，它将技术及其以外的其他领域结合在一起，遍布于众多工作场所，具有内在的实践性、互动性和多面性；而工程师就是实践者，对于即将成为工程师的工科毕业生来说，向实践工作的过度非常复杂和关键［2］。因此，跨学科整合能力和实践操作能力犹如新工科人才的左膀右臂，它们共同支撑新工科人才的成长发展。

第三，要培养新工科人才的创新创造能力。创新是引领和驱动产业和经济发展的主要动力，是产业和行业得以发展并赢得市场竞争的保障，是产业和行业的工程科技骨干必须具备的核心能力［3］。华南理工大学在2019年提出“新工科F计划”，旨在培养“三创型”工科领军人才，即：具备创新、创造、创业能力的新工科人才。

如图1所示，这三种能力并不是各自为政，而是在批判性思维指导下共扬所长、互促互进的关系，而且跨学科整合与实践操作能力的培养是促进创新创造力形成的基础。所以，新工科人才必须在这四个方面协调发展，才能最终达到创新型工科人才培养的目标。

图1 新工科人才必备能力

一、如何提升新工科人才的批判性思维品质

美国学者罗伯特·恩尼斯认为批判性思维是旨在决定人们信念与行动的合理性的反思型思考方式［4］。求真、反思、审慎、质疑是批判性思维的特点，而将其应用于教育过程中，则是鼓励学生质疑，尊重学生提问、讨论和阐释的权利，在课程教学和实践活动中培养学生批判性思维所需要的技巧、态度和倾向，组织学生进行以问题为核心且理据充足的辩论［5］。如图2所示，在新工科人才培养中，就是以激发学生的问题意识为首要，通过辩论调动学生们的思维活力并融入思维训练，以求有效提升工科人才的批判性思维品质。

图2 新工科人才批判性思维品质培养策略建构

（一）培养基于问题意识的批判性思维品质

新工科教育以承担具体任务、解决具体问题为重点，倡导在分析任务中深度挖掘问题，并考量问题的真伪，去伪存真，最终确保获取具有真实意义和实际价值的问题。

1.纵横整合任务信息，多维度析出问题

问题的提出不可能是空穴来风，它是在个体运用批判性思维监控自身认知活动的过程中，采取适当的策略获取有效信息并对其进行评估反思，然后整合加工相关信息，最终提出具有创造性价值的问题［6］。因此，在面对任务信息时，应从纵横两个方面多维度析出问题。首先，横向剖析任务信息，发挥知识的延展性，从不同侧面或学科视角提出问题。目前的工程项目任务中，包含的问题极少是单一方面的，更多地是整合系统中的几个部分交叉叠加而来的［7］11。这就要求学生面对具体任务时，应该具有调动多学科知识储备以解析复杂任务和多元信息的能力，从各个角度提出可供探究的问题。其次，纵向对比任务信息，寻根究源，深度挖掘问题背后的本源，通过纵深挖掘认清本质提取规律，形成系统的逻辑认识和哲学思维。

2.辨明问题真伪，保证批判性思维的科学性

问题是科研的先导，其类型主要有四种：第一种是已有理论无法解释新的事实，或是发现事实与已有理论发生了冲突；第二种是现存的不同理论之间暴露出来的矛盾或冲突；第三种是产品的实际性能与目标性能之间不一致；第四种是社会对某种技术和产品有个性化或新的需要，但是，现有的技术与产品无法满足此类需要等［8］。批判性思维有利于发现问题，也有利于解决这些问题。但是，批判性思维具有开放性，在问题提出中可能会出现不真实的、不符合客观现实、没有实践探究意义和应用价值的伪问题。为了有效解决具体任务中的问题并有效避免伪问题的干扰，人们必须保证科学研究的问题是真实可靠且有价值的。因此，要培养和引导学生学会在善于发现问题的基础上，不断推敲和考量已提出的问题，对问题去伪存真，以便保证批判性思维活动是正确和科学的，并避免陷入诡辩的泥潭。

（二）鼓励问题中心式辩论，提升批判性表达能力

辩论是指双方针对同一问题保持不同的意见，且用一定的证据和理由对自己的观点进行阐述，从而揭露对方矛盾的一种言语讨论活动。早在苏格拉底时期，就存在辩论式教学。在教学方法中运用平等对话的辩论手段，有利于培养学生的逻辑思维习惯与思维品质［9］。

1.以充分的论据和良好的氛围为自由表达提供保障

激发批判性思维的学术辩论必须保证表达的自由。表达自由的原则就是围绕辩论主题进行有理有据的发散辩论，而不是漫无方向和目的的狡辩。为此，新工科人才培养中的学术辩论至少要做到以下两点。

首先，需要学生跳出单一学科思维定势，广泛收集离散型论据。在辩论活动中，由于问题探究的结果并非唯一，需要学生摆脱学科局限，养成在多学科中收集充分论据支撑自己的立场和观点的习惯，这样对于学生发展创新意识和批判性思维才有意义［10］。在论据的选择上，学生习惯于从不同学科经验中进行提取和充分利用时，不仅可以锻炼他们的学科融合能力，而且可以为问题的理解和解决提供不同的创新思路。

其次，需要组织者创设良好的环境，营造轻松有序的辩论氛围。在辩论中可能出现诡辩、偏题和强烈的对抗性。因此，组织者要提前为学生们创设自由舒适的辩论环境，让参与者能够享受思想火花迸发与碰撞的辩论愉悦感和获得感，使辩论双方都拥有平等陈述己方论点和反驳对方论点的机会。在辩论时，要引导学生相互尊重，针对问题发表意见，对事不对人。

2.在辩论中激发观点互证互补的多样性表达

在以激发思维活力为目的的辩论中，可以以小组为单位，小组内部共享资源。在此过程中，学生需要了解的不仅是自己的论据，还需要充分了解他人搜集的论据；不仅需要熟练掌握专业知识，还需要搜罗多学科门类信息，扩展知识点；不仅需要准备好自己的发言，还需要与小组成员共同讨论交流并商讨辩论技术。整个辩论过程中，学生在高自由度和广阔的知识视野保障下，才能够更有效地批判性辨识不同的观点，并在辩论的过程中，借鉴和吸收有价值的信息去完善自我。

（三）在课程与教学中常态化开展批判性思维训练

在许多工程专业课程中，有较多的教师尚没有足够的意识和较高的能力对学生开展批判性思维训练，更不可能常态化地在所有课程教学中呈现，批判性思维的养成主要在于学生无意识的或自觉的行为［11］。为此，一方面，高校应为工科学生开设具有针对性的逻辑课程；另一方面，应常态化地在工科专业课程教学中融入逻辑思维训练。

1.广泛开设思维课程，为学生形成批判性思维打好基础

在众多发达国家的工科教育中，高校开设的批判性思维课程名目非常多，例如，形式化逻辑、导论性逻辑和论证逻辑等课程。而在我国，最初只有北京大学、中国人民大学等少数高校开设了与批判性思维相关的课程。而独立的批判性思维课程直到2008年才出现在华中科技大学启明学院的教学计划中。从全国范围来看，截至2013年，全国在工科人才培养中开设批判性思维课程的高校还不足50所。因此，我国的工科类高校应扩大批判性思维课程的覆盖范围并加大开设力度。除了在学校由专业教授进行现场授课以外，在线上开展通识课程也是有效的途径。现代技术手段日新月异，通过网络可以有效利用时间和课程资源，随时随地进行课程教学。

2.以课程教学为载体，融入批判性思维训练

批判性思维既可以作为集中思维模式或技能加以培养，又可以作为思维训练模式或综合性思维训练课程加以实现，尤其是将批判性思维训练常态化地融入每一门学科教学中更为重要。以丰富的学科基本知识技能为基础，在课程中增加丰富的批判性思维学习内容与方法，在文学、哲学、数学、科学等专业课程教学中都可以进行批判性思维的培养［12］。为了实现这一点，美国将批判性思维教育融入各门学科教学过程之中，借助课程教学潜移默化地培养学生的批判性思维。多数美国高校都要求，在授课前，担任具体学科教学任务的教师需接受系统的批判性思维训练。接受系统的训练后，他们不仅要向学生传授书本上已有的知识，更要将获取知识的有效途径教给学生；他们需要鼓励学生敢于批判、质疑既定结论，让学生逐步掌握运用可靠证据修正或推翻原有结论的能力。

二、如何提升新工科人才的跨学科整合能力

新工科人才仅拥有良好的批判性思维品质是不够的，在思考中产生的想法必须要有能力予以证实和实现。工程教育的主要任务是，如何将科学、技术、经济、文化、法律等知识综合运用起来，增强工程专业人才在跨学科、解决综合问题和预计结果方面的能力［1］。因此，新工科教育已经不是传统意义上的单一模式，而是集交叉学科、交叉专业为一体的复合型工科教育（图3）。

图3 跨学科整合能力培养途径

（一）以交叉学科探究项目和项目群为依托促进跨学科整合

“着力提升学生解决复杂工程问题的能力，加大课程整合力度，推广实施案例教学、项目式教学等研究性教学方法，注重综合性项目训练”［13］是我国对培养新工科人才的最新要求。因此，大量开发交叉学科探究项目和打造项目群是提升学生跨学科整合能力的重要途径。

1.以交叉学科探究项目为主，拓展跨学科知识整合路径

交叉学科是基于不同学科间的关联程度，采取科学的方式对学科进行整合而成的一种复合型学科，当前表现为学科融合扩展的较高水平［14］。而探究项目是能有效激发学生的知识融合能力和综合应用能力的一种教学方式。因此，构建以交叉学科为中心的探究项目，不仅能够培养学生的知识整合能力，而且能够化解学科交流障碍，促进新兴交叉学科的发展。首先，应组建交叉学科探究项目团队。团队的人员应该由不同学科和专业的师生合作构成，而且需要严格消除学科间的壁垒。在美国加州大学戴维斯分校，交叉学科探究项目由不同学科的研究生组成，他们往往具备共同的研究兴趣，这些学者聚集到一起完成任务，不仅体现了共事精神，而且学生在自由探索兴趣领域的同时，在知识经验的积累上能够达到新的高度［15］。其次，学生做为项目主体，教师从旁辅助。不同学科的学生们一起承担探究项目，他们思维之间的碰撞和学科知识的交互会不断产生创新的火花。

2.打造以学生发展为旨归的项目群，实现跨学科知识贯通与融合

项目群是将两个以上不同门类但有所关联的学科项目相结合，克服孤立项目分散、割裂知识联系的缺点，将知识整合成一个体系并用于解决复杂工程问题的项目形式。例如，在机械类典型实验创新设计项目群中，学生通过接受创新设计性实验项目群的训练，将已有的碎片化知识关联起来形成体系，有利于最终达到具备解决复杂工程问题能力的目标［16］。目前，教育部已经认定612个项目为首批新工科研究与实践项目，其中，新工科专业改革类涵盖了包括人工智能类、大数据类、智能制造类等热门新工科在内的19个项目群。打造项目群首先要求项目方案以学生发展为旨归。项目方案设计中必须要考虑学生的发展，将更多的机会留给学生，使学生有独立思考、操作、学习的空间，教师在项目中提供最大的支持，保证学生有资源、有胆识地实施项目。其次，要提前向学生培训相关学科基本知识，但需要学生自己深度挖掘和深度融合知识。学生在接受项目训练之初还不具备跨学科整合能力，这就要求教师发挥引路人的作用，将基本的跨学科知识和整合策略传递给学生。

（二）充分利用线上线下交流平台实现跨学科自由沟通

与单一学科发展路径不同，跨学科的重点在于从多学科出发去获取资源并选出更优的资源配置途径，尽可能消除资源分享和转换过程中的阻碍［17］。因此，通过搭建各种类型的学科交流平台，使不同学科能够便捷高效地沟通，最终实现跨学科知识整合和知识创造。

1.发掘校内资源，加强跨学科交流平台建设

校内资源是最根本的学科发展支撑，但是，很多学校并未将自己的资源深度挖掘出来，只是一味寻求外部资源支持，丧失了自己的特色和内在力量。因此，高校应立足校内学科资源，对其充分发掘和利用。首先，可以请具有跨学科视野的教育学专家与各学科的专家共同提出整合资源的意见。专家对本学科有着深入的了解，他们对学科的发展状况和资源需求最清楚，请不同学科领域的专家和教育学专家齐聚一堂，互相交流资源整合融通的意见，有助于构建更为合理、有效的资源交流平台，实现学科的高效联系。其次，为平台的构建予以全力支持。无论是定期举办跨学科研讨会、学术沙龙，还是跨学科专家讲座，学校都应从经费、场地、人员等方面提供最大的支持。

2.借助线上交流平台，促进跨学科交互与整合

学习者可以通过现代信息技术手段，在多元表达方式的支持下，提升自身学习质量［18］。除了现实中学科之间以论坛、研讨会等形式的交流以外，在信息技术发展迅猛的新时代，学科之间的交流可以突破时间和空间的限制，基于现代网络技术搭建线上交流平台，随时随地进行交流，使学科交流与跨学科知识整合的衔接度更强、接受度更快。首先，开通在线跨学科论坛和网络社区。线上的平台不仅省时，而且在虚拟时空的环境中，人们会相对自由和放松，这种体验有助于激发人们的表达欲，也有利于学科智慧的交融碰撞。其次，结合学科实际情况开发线上平台。不同工科高校的同一学科发展情况不同，且同一高校的学科内部也各有千秋。因此，要充分了解学科发展现况和发展所需，开发具有针对性的线上交流平台。

（三）基于综合实践整合跨学科知识与能力

日本广岛大学的影山（Kageyama）教授指出，“整合”和“制作”作为STEAM教育的哲学观点，其中，整合知识是“制作”的重要意义［19］。新工科的跨学科整合能力不仅在于知识上的整合，更在于知识整合之后的应用。

1.以多学科知识整合夯实跨学科实践能力形成的基础

新工科是为解决未来复杂工程问题而诞生的，因此，必须要培养学生在多学科知识整合基础上实施跨学科实践的灵活变通能力，这方面的培养可以从STEAM教育理念中获得启示。STEAM教育以跨学科知识为依托，整合科学、技术、工程、艺术和数学等学科知识与技能，致力于在真实的生活情境中解决复杂问题。把两个或多个学科的知识技能与研究方法实现有机融合或方法的有效利用就是跨学科整合，它在融合不同学科的研究方法、技术、工具、概念和理论的基础上，致力于解决不同学科共同关心的复杂现实问题，以实现对问题的整体性或系统性认知与产出［20］。因此，新工科人才要以知为基础，从知生行，知行结合。任何时候，基础知识的积累都不应被忽视，陈述性知识是程序性知识的基础，足够的基础知识是实践行稳致远的保证。因此，新工科人才需以跨学科知识为基础，广泛了解不同学科的特点，掌握不同的研究方法。

2.在解决实际问题的过程中驱动跨学科整合能力发展

跨学科知识的整合有助于实际问题的解决，反之，在实际问题解决的过程中，也有助于学生积累跨学科整合经验。所以，新工科人才培养过程中要将任务的重点放在实际问题上，以问题为开端，以摸索学科知识的产生和发展为途径，以剖析专业概念和原理的形成过程作为载体，搭建分析研究和解决学科面临实际问题的平台，在师生互动、合作的形式下，结合基本知识学习和实践问题研究，使学生在认知、思考和主动探究的相互作用过程中锻炼应用能力和知识更新与整合能力［21］。例如，为攻克脑科学发展中存在的难题，针对较难治愈的人脑疾病寻求新的治疗手段，美国提出“脑计划”，从基因组学、发育学、功能学、人工智能等多学科、多层面出发［22］，在解决实际问题中提高学生的跨学科整合能力。

三、如何提升新工科人才的实践操作技能

工程教育的根本属性就是实践性，新工科人才从批判性思维品质到跨学科整合能力最终都要落实在实践操作中，我国以往的工科培养出的人才虽然知识储备丰富，但实践操作能力比较薄弱。2016年，我国发布的《制造业人才规划指南》中指出，制造业人才队伍存在的突出问题之一是人才培养与企业实际需求脱节，产教融合不够深入、工程教育实践环节薄弱。以下提出三种策略来提高新工科人才的实践操作技能（图4）。

（一）统筹各方资源，探索校企合作新模式

在支持工科学生的实践操作方面，尽管高校大幅度提高资助额，为工科学生提升实践操作技能提供全力支持，但是，学校自身的资源毕竟薄弱，必须寻求多途径补充高校资源，汇聚最大的合力培养学生的实践操作能力［23］。

1.聘用企业一线优秀技术人员兼职传授实践操作技能

高校中的全职教师对于理论和教学技能的掌握通常更为全面，许多学科教师也会将工作场合相关的知识经验融入对学生的培养中，但是，这些通常只是创设的问题情景和模拟的项目任务，学生并不能获得真实情况下的操作和应急处理经验。因此，聘用行业一线优秀的工作人员进入高校为学生指导和传授实践操作技能，学生可以和有实战经验的人共同学习，从而提升实践操作技能和应对突发情况的能力。但是，教师身份多样化并非是随意的，高校在选聘教师的过程中，不仅应关注其拥有丰富的实践经验，更应该关注他们是否具有责任感和教学兴趣，是否属于自愿投入到高校教育教学的工作中来。例如，在美国的梅杰州立大学，水资源专业的教师们不仅有很强的责任感，而且有在学校以外的工作经验，他们会将真实世界里的非学术工作经验带到课堂与学生们分享［24］。

2.鼓励新工科学生到企业广泛开展探究实践式学习

现实中有时候会遭遇工科人才“学非所用，学非所需”的困境，学生所学技能与知识和实际相脱节。因此，要突破学校环境的资源局限，支持学生进入企业学习实践操作技能，教师和企业联合培养，一手抓基础知识，一手抓实践技能，两手齐抓才能使学生“学有所用，学对所需”。学校要寻求与知名企业开展直接的科研合作机会，知名企业的设备更先进，技术人员实践能力更强，学生直接参与到企业的技术创新工作当中，让高校专家配合一线专家作为双导师进行师徒制指导，既可以帮助学生获取一线技术经验，又可以在高校专家的指导下促进实践创新。另外，年轻的学生们对于捕捉时代最新动态的敏锐度更高，思维更活跃，容易产生具有新意的理念，也可以为企业提供新的设计与发展思路。美国麻省理工学院与阿姆根和梅克等公司确立长期合作伙伴关系，这些公司为学生们提供专业技术实习岗位，甚至把高校人才教育作为自己公司的重点项目之一，从而在提升学生的实践与决策能力的同时实现了互利共赢［25］。

（二）树立国际视野，加强与国外高校的合作

大学教育应以国家重大发展战略需求为出发点，在国际合作中，学习、吸收和利用世界前沿理念和科技，紧跟或引领学科发展最新风向标，在巨人的肩膀上有所创新［26］。对于新工科而言，要保持先进或创造一流，就要树立国际视野，加强国际合作。

1.深化国际合作，将国外一流工科人才请进来

我国是工科教育大国，但还不是工科教育强国，最主要的原因是，我国虽然工科人才数量多，但质量尚不够高，掌握前沿技术和新兴科技理念的创造型人才严重不足。在仪器设备更新换代迅速的时代，如果无法为学生们及时提供先进、全面的实践操作指导，就会造成知识和实践相脱节的问题。因此，解决这一问题的有效途径就是，直接引进国外一流人才为学生们提供创新实践操作指导。

首先，紧抓契机，深化国际合作，扩大国内外高校联盟。2019年4月26日，新工科教育国际联盟成立，来自欧、美、亚、澳四大洲的50多所高校加入其中。国内外高校联盟有助于提升世界新工科人才培养的力度，促进高校之间合作互助，以先进带动后进，最终实现共赢发展。其次，在提高引进人才待遇，实现待遇和事业留人的前提下，还要不断创新体制机制，探索柔性引人、柔性引智，优先追求智为我所用、智为我育才，通过外引人智实现内育新工科英才的目的。

2.积极搭建桥梁，与国外一流工科院校合作研发

按照新时代的发展需求，新工科教育需要强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生的专业学习兴趣……支持学生早进课题、早进实验室、早进团队，以高水平科学研究提高学生的创新和实践能力。因此，与国外一流高校的合作不能只局限于教学指导层面，还要深化于研发实践层面。

首先，确定研发项目，广泛吸纳各学科人才，与国外高校合作组建新技术和产品研发团队。一支具有共同研究目标和多样化研究背景的高质量研发团队，对于创新创造具有非常重要的作用。2013年，山西大学分子科学研究所翟华金教授、李思殿教授与清华大学李隽教授、美国布朗大学Lai-Sheng Wang教授及复旦大学刘智攀教授课题组合作，经过一年多的艰苦努力和协同创新，首次发现了全硼富勒烯B40团簇（All-Bo⁃ron Fullerene），并将其命名为硼球烯（Borospherene），该研究成果在国际权威学术期刊《自然·化学》在线发表。

其次，地方政府牵线搭桥，为国内外高校合作创新研发提供机会与政策保障。安徽省在2018年印发了《支持与国内外重点科研院所高校合作的若干政策》，以资金奖励和场所支持等方式，鼓励国内国外高校展开实践创新合作，从顶层设计层面为高校之间的实践创新合作提供了切实的保障。

（三）转变教学理念，鼓励在实验中教学

工科实验室不仅是国家未来专业技术人才实践成长的场所，而且是创新创造的孵化池。因为教学不仅需要传授学科的基本知识，而且需要学生学会实践和应用，而实验室能够为学生的创作或操作提供环境支持［27］。因此，实验室是高校教育教学建设不可或缺的组成部分，是新工科人才提升实践操作技能的重要场地与环境。

1.校际实验资源开放共享，使实践操作条件最优化

高校发展水平具有差异性，其所拥有的实验设备资源也不相同，这会直接影响工科学生的实践操作能力发展。建设实验资源开放共享平台，将科研仪器设备资源开放共享、互通有无，对于提升高校之间资源配置的合理性、弥补资源匮乏的短板和提高资源利用率等，皆具有重要意义［28］。所以，首先，要建立区域性的高校仪器设备信息查询网络平台，及时更新设备信息。如今，一些工科专业的学生，虽然有丰富的理论知识，但是，因所在学校缺乏相应的操作设备，造成实践困难，而别的高校正好拥有相应的设备，如果建立一个基于合作共享的设备资源查询和租借平台，就能相互借用，实现设备共享，弥补资源缺憾。其次，应设置专人负责仪器设备的管理。频繁使用仪器设备，需要加强设备的维护保养，设备管理人员应该是精通设备性能的专业人士或专业学生，以便于把研究利用和日常维护有机结合起来实现更好的应用。

2.采用虚拟现实技术，结合脑机交互技术，创设高沉浸式实验环境

虚拟现实技术是在计算机技术的基础上，融入其他技术，模拟出与真实环境高相似度的数字化环境，使用者借助特定的仪器设备，与虚拟环境中的对象进行交互，能够在视、听、触等感官产生与现实相似的体验。近些年，国内外的许多高校都根据自身科研和教学的需求采用了虚拟现实技术。例如，圣地亚哥州立大学设立的“VITAL项目”，提供了各种虚拟现实、实现现实和虚拟混合的沉浸式工具，将其用于虚拟现实实验教学领域［29］。虚拟现实实验教学项目建设的目的是实验教学，因此，它必须满足把实验教学的要求放在首位，按照实验教学的规律去实现实验教学的目标［30］。加强虚拟现实实践，首先要构建虚拟实验教学环境，最大限度地为学生设计出与真实操作环境近乎一致的虚拟场景，通过人机交互式的训练，使学生进行诸如工程机械操作、技能提升、机器故障处理等练习。其次，在虚拟现实实验中融入脑机交互技术，促进虚拟现实技术下的实验教学有效发生。脑机交互是一种不依赖于外周神经和肌肉组织，以一定的交互方式来完成大脑与计算机之间通信的信息交换技术［31］。虽然虚拟仿真实验具有高效、集约的特点，但是，虚拟仿真实验尚处于起步阶段，和实际操作相比仍有细微的区别，暂时无法确保学生的操作技能都达到真实操作的训练效果。在虚拟现实技术所创设的学习环境里，融入脑机交互技术，不仅能相对准确地采集学习过程中学习者的脑电波信号，还能借助认知心理分析对这些信号做出解释，把握学习者的学习心理过程与状态，以此不断改善学习环境，促使教学有效性的提升［32］。

四、如何提升新工科人才的创新创造能力

批判性思维是创新的源头，跨学科整合能力和实践操作技能是创新的表现形式，新工科的旨归就是培养创新型人才，进而建设创新型国家。因此，培养新工科人才就是要培养创新创造型人才。如图5所示，创新创造型人才必须能够创新理念，突破墨守成规的套路，乐于在艺术创新的启发下从不同的专业领域探究知识，从自己的经验积累之外寻求新的突破点，发现新规律，发明新产品，运用新方法，解决新问题［33］。

图5 新工科人才创新创造能力提升

（一）从理念上与时俱进，展望时代发展趋势

新工科要提升人才的创新创造能力，就要把创新创造的理念摆在人才培养的首位。理念指导实践，新工科建设工作的顺利展开必须拥有先进的工科教育理念［34］，以与时俱进的目光去审视时代发展需求和展望时代发展趋势。

1.紧贴时代需求，着眼前沿科技

任何技术的更新和新产品的发明，都是为了满足人类不同阶段的生存与发展需要，而人们的生存与发展需要是随着时代的变化而变化的。在新的时代背景下，工科人才要取得最新的科技成果，占据科技发展的制高点，就必须紧贴时代需求，着眼时代前沿科技，把握科技发展动态。首先，要树立新知识观，不断更新自身的知识体系。高校人才的科研精神要求对真理进行客观认识，要承认真理的相对性，认识到已有知识不是静止和绝对的，而是动态和发展的，只有正确认识到知识的生成变化性，才能保证人才的创新创造潜能得以激发［35］。其次，目光聚焦前沿科技，紧跟发展走向。前沿科技具有前瞻性、先导性和探索性，是新兴产业的引领，是实现科技跨越式发展的重要基础。因此，要将目光锁定前沿科技领域，在结合时代需求的条件下，探索新的科技萌芽点。

2.激发创新精神，勇于尝试发明

创新精神是科学精神和科学思想的表现，是进行创新活动必备的心理特征和思维活动［36］。要提升新工科人才的创新创造能力，除了要有创新创造的理念，还要激发创新精神，让学生形成勇于挑战新事物和敢于发明新产品的行为自觉。首先，要提高参与人创新创造的自我效能感。按照班杜拉的自我效能感理论，当人的自我效能感表现较强时，他会更有信心和勇气去接触新的事物、接受新的挑战，并且，目标的达成度也会较好［37］。其次，善于总结经验教训，勇敢面对失败。虽然，新事物很可能会战胜旧事物，但是，新事物的发展并不是一帆风顺的，必然会充满挫折。这就要求，新工科人才不仅要具备创新创造的能力，还要具有面对失败和困难的勇敢心态，学会从失败中总结经验教训，在试误中不断前进。

（二）多途径营造氛围，鼓励为创新创造付诸行动

创新创造型人才的培养是在自由、热烈的科研氛围中培养出来的。营造浓郁的创新创造氛围，不仅能够激发人的动力，还会以强烈的感染力带动其他人自觉地将创新创造作为自己学习工作的使命。

1.奖励创新成果，推动科技成果转化

科研产量和质量与高校的科研评价、激励奖励制度有极大的相关性［38］。高校要主动对师生的科研创新成果予以积极评价并做出奖励，为师生的科研创新成果提供帮助，推动科研成果转化。一方面能够维护自主创新知识产权，另一方面能够满足市场需求，体现创新的实际意义。首先，高校需要采取精神奖励和物质奖励相结合的方式。对于优秀的科研创新成果，高校应该在全校范围内提出表扬，将该科研团队的事迹进行宣传，弘扬科研创新精神。物质奖励应该多元化呈现，例如：奖金、设备、场地等等。物质奖励和精神奖励要相结合，才能既鼓舞创新精神，又推动科研进一步发展。其次，高校要为师生提供资源渠道，提高科技成果转化率。促进科技成果转化、加速科技成果产业化，已经成为世界各国科技政策的新趋势。调查显示，我国专利技术的转化率约占10%，发达国家为40%，差距甚大［39］。

2.组织学科竞赛，提高团队创新能力

学科竞赛不仅是理论知识的延伸平台，也是促进学生创新实践能力的发展手段，为培养创新型人才发挥日益重要的作用［40］。高校要积极组织并鼓励师生参加国内外学科竞赛活动，在活动中激发自身的创新创造力，同时，可以学习其他竞赛团队的创新创造经验。为此，首先，高校要积极承办校内外竞赛，开展跨学科、跨领域项目竞赛。开展多学科交叉、共同协作参与的学科竞赛有利于增强学生的团队协作意识和跨学科思维形成，有利于提高学生的实践创新能力，激发学生的创新热情，营造良好的校园学习氛围。竞赛项目具有推进高校各个学科可持续发展的作用，它能够帮助学科建设、改革，有利于学生在竞赛中扭转轻实践的不良导向，改变工科人才应用能力低、适应能力差、知识更新速度慢的现象，推进人才培养质量与社会发展需求的契合。其次，注意健全竞赛管理机制。竞赛活动制度的规范化能够确保活动的顺利开展和发挥正向的作用，例如，要对指导竞赛的教师和评委进行培训，详细制定以诱发创新创造为主的评分细则。

（三）融艺术于工科，为创新设计提供灵感与启发

工科教育中的艺术旨在关注学生的艺术与人文素养，强调以艺术与人文的角度审视、理解世界［41］。未来的“系统工程师”不但需要具备物理、化学、数学及工程学科自身的坚实基础，还需要较好的人文艺术素养与一定的相关知识技能［7］6。艺术与人文能够给工科人才提供更广阔的视野、灵感和审美力，为创新创造提供更大的空间和更多的可能性，有利于激发工科人才的创新灵感，促进他们的创新实践。

1.将人文艺术与技术相联结，开设人文艺术相关课程

人文艺术是客观世界的反映，它能够表达人的情感、满足人的精神需求；融合了人文艺术的技术和产品是人类对美的一种创造，能够更好地服务于人与社会的发展需求。而技术则是指在劳动生产方面的经验、知识和技巧，也泛指其他操作方面的技巧。在现代社会里，艺术和技术是相互融合、相辅相成的关系，人文艺术所独有的创造力和想象力有助于激发人的灵感，推动创意发展。将人文艺术融入新工科教育中，能对个体未来职业发展所需能力起到积极作用，帮助他们在未来社会应对复杂多变的环境［42］。从工科学生入学起，就应向他们开设人文艺术课程，教师要将人文艺术和技术理念相结合进行教学。美国的乔治亚理工学院开设了基于实验的人文艺术与工程课程，该课程在实验室中进行，学生可以选择人文艺术项目、工程项目或将二者交叉融合进行的项目，其主要目标是让学生在利用已有技能的基础上，在人文艺术和工程的结合下生成创造性观点，达到创造力提升的目标［42］。

2.在学生评价中关注人文艺术素养，更新评价内容

传统的工科学生评价体系主要是看学生的实践操作能力、技术熟练程度和基础知识的掌握，但如今，工科学生的评价应该更注重于人才的综合素质、全面发展和创新创造能力。其中，人文艺术素养非常有助于提升学生在工程技术及其他领域的学习动力、参与度以及专业技能［43］。为此，首先要实现从只关注技术到兼顾人文艺术素养的转变。人文艺术素养是指人对人文艺术的感受、体验、评价和能动创造的能力，它随着社会生活和人文艺术的发展而发展，与人的感受力、想象力、判断力、理解力、创造力等密切相关。将人文艺术素养纳入工科学生评价体系，有助于工科从内而外实现创新性蜕变。其次，在关注制作的同时，更加关注人文艺术的设计。机械制作出来的产品只能反映产品的质量和实用程度，很难满足人们对于美感的心理需求，这就要求工科学生从人文艺术的角度进行产品的设计，在设计中融入人文艺术元素，在对工科学生实践操作评价的过程中，要更关注学生的人文艺术设计素养与能力。

总之，新工科人才培养的质量直接影响到新工科建设的成效，对于我国工科高校实现内涵式发展和在国际高等工程教育中增强竞争力具有重大意义。结合我国的新工科发展实情，在批判性思维统领下，借助跨学科整合能力与实践操作能力的发展，构建提升新工科人才创新创造能力的人才培养模式，方能助力我国工科人才培养实现跨越式发展。