摘 要：基于设计的工程学习是工程教育研究领域的重要学习模式，目前相关研究尚停留在概念讨论阶段，欠缺具有一定信效度的测量工具。为构造基于设计的工程学习的理论模型，首先，基于扎根理论方法提炼出包含设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代的多维特征；其次，通过探索性因子分析实证检验了多维特征的内容效度，并开发包含17个题项的测量量表；最终，采用验证性因子分析和结构方程模型，确立了二阶四要素的最优测量模型。所构建的基于设计的工程学习多维特征及其测量方式旨在为国内开展工程学习研究提供理论支持。
关键词：基于设计的工程学习；多维特征；量表开发
一、问题提出
在工程教育领域，学者们一直关心的是“人是如何学习工程的”以及“工程知识的本质”。工程学习是学习者围绕工程学科领域所展开的知识获取、知识创造以及能力发展的过程。我国高等工程教育体系由于深受科学主义思潮影响，从20世纪90年代开始日益转向“科学范式”。科学范式下的工程教学将师生关系定位于主客体关系，使得工程教育的重心转向获取形式化知识，学生逐渐成为“自动化”的知识容器，无法实现深层学习、高阶思维和概念创新。工程是人造物的系统活动，其本质在于设计。因此，缺乏设计活动的工程教育教学会导致学生主体间性缺失、工程实践能力和创新思维不足。20世纪初，国外学者在教育领域中提出“基于设计的学习”（Design-Based Learning, DBL），即教师根据实际问题向学生提出问题，采用自下而上的方法，让学生在完成设计任务的同时，对现有知识进行有意义的建构和深化，并在反复的循环中不断学习新的知识，最终得到符合任务需求的产品的学习模式。此后，基于设计的学习被视为一种创新性学习模式与工程教育实践不断结合，逐步演化为独具特色的基于设计的工程学习（Design-Based Engineering Learning, DBEL）。
作为一种强大的诱导性学习类型，学者们从学习过程、教学手段、学习模式等多个角度对基于设计的工程学习的概念内涵进行了解读。部分学者将DBEL定义为学习过程，其以真实性的工程设计实践为基础，促使学生在解决工程问题的过程中建构知识。有些学者将DBEL定义为教学手段，即教师给学生分配具有挑战性的任务并创设交互式环境，让学生可以反复记忆并实践所学知识。也有学者认为，DBEL是工科学生运用先验经验和所学知识设计具体工程模型，并对模型和方案进行循环修改，从而在实践中获取新知识的学习模式。此外，还有学者认为，DBEL促使学生能够置身于设计挑战的情境中，对科学内容进行设计，从而促进深层学习。基于已有研究和实践，本研究将“基于设计的工程学习”视作“基于设计的学习”和“工程学习”内核的延伸，并将其定义为一种学习模式，即学生在真实的工程问题情境中，根据具体的设计任务，运用已有的知识、经验，通过多次迭代创造出一定的实物模型，从而获取新知识、提升工程问题解决能力的动态学习模式。
在工程教育研究领域，学者们对基于项目的学习（Project-Based Learning，PBL）、DBEL以及CDIO（Conceive, Design, Implement, Operate）三者的辨析络绎不绝。一方面，三种学习模式都建立在建构主义、情境学习等理论基础上，强调以学习者为中心，基于真实问题或项目建构工科学生的知识体系。另一方面，三者也有不同之处。PBL以项目为载体，强调学习者在项目实践中掌握解决问题的方法，其评价一般以学生某一阶段的项目成果为主，项目结束便意味着学习结束。与之不同的是，DBEL是以设计项目、设计流程或设计课程为载体，强调学生的综合设计能力，学生在真实设计任务中开展实践探索，在设计过程中循环与迭代，其学习成果的评价是经过学习者修改、优化的设计作品或方案。在国内外工程教育研究和实践中，PBL、DBEL往往相互融合嵌入于工科学生的培养方案。从范畴上看，CDIO是DBEL实践应用的一种形式。具体的，CDIO是以产品设计流程为基石的基于设计的工程学习模式，其以产品研发和运行的生命周期为理念，通过构思、设计、实现和运作四大流程帮助学生主动学习工程，其本质内核与DBEL一致。
近20年来，基于设计的工程学习在国内外本科工程教育实践中得到广泛推行，取得了一定的成效。然而，有关基于设计的工程学习的研究仍处于内涵探索阶段。基于设计的工程学习的核心特征是什么？如何对其核心特征进行测量？为解决以上问题，本研究开展扎根研究和实证检验，期望构建基于设计的工程学习特征模型。研究分两步进行：第一，提炼并分析基于设计的工程学习多维特征，追踪典型实践案例，深入访谈一线参与的学生和教师，通过扎根理论形成基于设计的工程学习的多维特征模型；第二，开发基于设计的工程学习多维特征量表，在提取特征构念的基础上，基于成熟问卷和编码成果开发多维特征的测量题项，并通过探索性因子分析、验证性因子分析、信效度检验等方式验证所开发的量表。
二、基于设计的工程学习多维特征探索
本研究采用扎根理论开展探索性研究，利用NVivo软件从文献、访谈记录的开放编码中提炼概念类属，通过主轴编码建立类属之间的联系，最终通过核心类属提出基于设计的工程学习多维特征的理论框架。
（一）研究方法
扎根理论是一种自下而上从经验中汲取理论，将所搜集的经验数据不断归纳、比较、关联、浓缩，最后形成理论的研究方法。自扎根理论提出以来，学界对其研究流程进行了大量探讨，其中，围绕三级编码逐步展开的“程序化扎根理论”因流程清晰和易于操作得到了广泛应用。本研究选取“程序化扎根理论”，遵循“界定对象-文献探讨-资料收集分析-建立初步理论-理论饱和度检验-构建理论”的研究路线，采用“开放性编码-主轴性编码-选择性编码”编码流程，通过分析材料，逐步抽象形成范畴，最终建立核心关系，实现理论建构。
（二）数据来源
本研究采用目的性抽样，选取浙江大学竺可桢学院工程教育高级班（以下简称“工高班”）作为追踪案例。该班级是浙江大学工程教育的改革试点，每年从大一下学期工科学生中择优选拔40名学生进行单独编班，开展为期2年的工程设计课程，旨在培养具有创新能力的高层次交叉复合型优秀人才。本研究深度访谈参与工高班的学生和教师，学生样本选取参与过工高班项目的大二、大三学生，教师样本选取长期参与工高班授课（至少经历两个学期的工程设计教学）的一线教师和教学管理人员。以此为标准，最终确定访谈对象20人，其中教师7人，学生13人。（见表1）采用面对面访谈或电话访谈的形式，共获得1140分钟访谈录音，通过“讯飞听见”将采访内容转化为文本，在经过两位研究者的整理修改后，最终形成了约23万字的访谈文稿，其中教师和学生的访谈文稿分别为5.9万字和17.2万字。研究对受访者进行编码，教师为T01~T07，学生为S01~S13。
（三）编码过程
1. 开放性编码。采用“逐行编码”“逐句编码”和“逐段编码”三种方法，经历提炼、归纳、对比等过程完成对取样文本“贴标签”，共抽取271个初始标签，经过筛选、合并、分类形成76个“初始概念”。开放性编码的示例如表2所示。
2. 主轴性编码。为进一步形成主范畴与副范畴，本研究开展主轴性编码（二级编码），见表3所示。主轴性编码是一种更抽象的概念，要求对概念之间、范畴之间的关系和含义进行深刻的区分，从而构成理论的多个维度。通过进一步对76个“初始概念”抽象提取，最终形成了包括真实工程问题、真实项目内容等在内的28个“初始范畴”，再对“初始范畴”进行归类合成12个“子范畴”，最终将“子范畴”进一步归类合并为4个核心范畴。
3. 选择性编码。在编码过程中不断查阅原始数据和文献资料，对开放性编码和主轴性编码的内容进行类别划分，同时加以理论分析，凝练形成设计实践（Design Practice）、交互反思（Interactive Reflection）、知识整合（Knowledge Integration）、循环迭代（Circular Iteration）4个核心范畴。最终形成了贯穿所有资料、范畴和关系的“故事线”：基于设计的工程学习强调过程而非结果，本质上它是一个闭环的学习模式，即工科学生以设计实践为起点，从不同的视角去观察和思考，并将其纳入自己的逻辑系统，通过不断地试错和概念转化，从而获得新的经验。在基于设计的工程学习中，学习者通过项目、课程等载体进行设计探究，并通过与其他学习者、教师或专家的“交互”，进一步促进自我反思与发展，最终在探究行动和循环迭代中获得了系统化知识，实现了知识构建。（见图1）
（四）操作化定义
基于扎根理论，本研究提出基于设计的工程学习多维特征。设计实践是指个体参与设计实践获取知识的过程；交互反思是从多个视角出发，对设计项目进行仔细观察，进而对设计情境以及背后的意义进行思考的过程；知识整合更倾向于应用思想、逻辑以及概念，重视理论的构建；循环迭代是指为了促使目标实现而重复实践应用的过程。在扎根理论编码中，通过识别关键节点，同时详细分析访谈个案学习过程的关键行为事例，研究对各个特征构念进行了操作性定义。（见表4）
在整理访谈资料时，研究者从访谈资料中选取67个符合基于设计的工程学习多维特征的编码单位，按照分类排斥原则，最终形成了各个特征的操作性编码表。（见表5）
三、基于设计的工程学习量表开发与验证
通过扎根研究，得出基于设计的工程学习的多维特征，且初步得出四个特征的编码表。随后，本研究搜集相关问卷数据，获得量化资料，通过探索性因子分析和验证性因子分析对其有效性进行检验。
（一）量表开发
基于设计的工程学习特征测量题项从以下3个方面获得：首先，根据编码分析结果，形成初步的特征量表框架；其次，结合中国大学生学习与发展追踪调查（CCSS）、美国大学生学习性投入调查（NSSE）、CDIO能力大纲等相关成熟量表进行补充，形成原始题项池；最后，邀请两名从事工程学习研究的学者（具备一定的理论和实践经验）对所选取题项的内容进行筛选与分析。量表初稿完成后，再邀请6位工程教育界专家和3位工程教育一线教师对量表题项的科学性进行评估，在删去2个题项后，最终得到了一个包含18个题项的多维特征测量模型。具体题项见表6。
（二）探索性因子分析
1. 数据收集。本研究关注对象为本科教育阶段的工科生，在研究取样时，首先通过问卷阐释基于设计的工程学习概念内涵，其次通过题项设置筛选出本科修读工科专业且参与过半年以上设计项目或课程的学生，保证研究取样的精确性。研究采用问卷调查法，通过问卷星平台面向浙江大学材料学院、机械工程学院、电气工程学院等多个工科学院发放问卷，进行探索性因子分析和有效性验证。最终回收问卷426份，剔除无效量表后，共获得有效量表309份。其中，男性和女性占比分别为66.44%、33.56%；本科1~4年级分别占比19.46%、34.23%、40.27%、6.04%；按照专业统计，排名前5的专业分别是力学类（15.44%）、土木类（13.42%）、电子信息类（12.75%）、计算机类（10.74%）、能源动力类（8.72%）。
2. 分析结果。统计结果表明本研究整体量表信度较高（Cronbach’s α系数为0.976），经过相关性和一致性验证，除题项IR5以外，各题项与总分的相关性都在0.731以上，须将题项IR5剔除，最终共有17个题项进入了探索性因子分析。正式的探索性因子分析结果表明，问卷数量与题项数量比符合大于4∶1的要求。KMO的统计数据为0.975，高于一般标准（0.70）；Bartlett球面检验值为57 825.432，其显著水平为0.000（<0.001），拒绝了相关矩阵为单位阵的假设，所收集的问卷样本适用于因子分析。探索性因子分析结果表明，探索性因子分析的4个因子的因子载荷均大于0.589，且累计方差贡献率达到85.956%。所提取的4个因子分别对应为设计实践（5个题项）、交互反思（5个题项）、知识整合（4个题项）、循环迭代（3个题项）。通过Cronbach’s α系数检验发现，4个维度的Cronbach’s α系数均大于0.950，表明本量表具有良好的信度。（见表7）
（三）验证性因子分析
1. 数据收集。验证性因子分析釆用全新样本，面向浙江大学计算机科学技术学院、建筑工程学院等多个工科学院发放问卷，最终共276份有效问卷进入验证性因子分析。从样本分布特征来看，男性占比61.59%，女性占比38.41%；本科在读1~5年级分别占比11.59%、31.16%、27.54%、26.45%、3.26%；按照专业统计，排名前5的专业分别是土木类（13.41%）、自动化类（12.32%）、电子信息类（11.96%）、化学类 （10.51%）、机械类（10.14%）。
2. 分析结果。在开展分析之前，研究首先构建了4个竞争性假设模型：M0、M1、M2、M3。其中M0模型为观测变量相互独立的虚无模型；M1为4个维度17个指标直接指向基于设计的工程学习特征的单维模型；M2为包含设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代的一阶四因子模型；M3为包含设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代的二阶四因子模型。在建立模型后，研究利用AMOS 26的结构方程模型，对上述四种备选模型和假定模型进行了验证性因子分析。参考相关文献，本研究选取卡方自由度比值（χ2/df）、近似误差均方根RMSEA、比较适配指数CFI、规范拟合指数NFI、增值适配指数IFI、非规整适配指数TLI等指标。（见表8）通过模型的比对，最终确立了基于设计的工程学习的二阶四要素测量模型。（见图2）
3. 信效度检验。
（1）信度。使用Cronbach’s α系数和组合信度（CR）对量表总体和各维度的内部一致性进行比较。量表整体Cronbach’s α系数为0.975，设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代的信度依次为0.927、0.953、0.932、0.925，说明量表整体及各维度信度良好。组合信度结果表明各维度的组合信度介于0.892与0.951之间（>0.7），证明量表的信度通过了检验。
（2）效度。①区分效度。结果显示，M3的各项拟合指标都要优于基准模型M0，且各因子间的AVE平方根均大于相关系数，说明模型具有良好的区分效度。②内容效度。在量表编制早期，研究邀请工程教育界的专业人士、一线教师及学生对问卷的内容进行评价，并根据他们的反馈不断改进，具有很好的内容效度。③聚合效度。按照Fornell的方法，采用平均提取方差值（AVE）检验量表的聚合效度。结果表明，设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代4个因子的AVE分别为0.793、0.795、0.811、0.735，均大于临界值0.5。（见表9）此外，二阶验证性因子分析的结果显示，4个一阶因子在二阶因子上的负载为0.74~0.85，所有拟合指数都符合标准，表明量表聚合效度较好。
四、研究结论与启示
（一）研究结论
研究发现，基于设计的工程学习是一个全新的构思，是以工程学习中非良构问题以及在不确定条件下寻求问题解决方法为出发点而提出的。从本质上来看，基于设计的工程学习是工科学生在设计任务中不断实践与建构，进而促使其专业能力得到不断提高的一种学习模式。设计实践、交互反思、知识整合、循环迭代4个特征动态演绎于基于设计的工程学习过程之中，学生可以通过联结新旧经验、投入认知、总结反思等认知阶段的循环，实现个人知识建构和专业能力提升。基于扎根理论，本研究得到了基于设计的工程学习的多维特征，并通过探索性因子分析、验证性因子分析、信效度检验，开发获得了具有良好信效度的多维特征测量量表。本研究对多维特征的探究，有助于进一步推动基于设计的工程学习的理论化发展。
（二）启示
基于设计的工程学习是“回归工程”范式下工程教育的创新学习模式，是培养卓越工程师的必要手段。本研究提出的基于设计的工程学习的多维特征模型，能为我国工程教育改革提供理论指导。未来我国高校推行基于设计的工程学习模式，或可从以下几个方面进行突破。一是教学嵌入，建议教师构建以学生为中心的项目实践共同体，将设计思维嵌入工程学习课堂情境，强化实践共同体建设，重视学习结果的循环迭代。二是院系整合，建议院系深化设计模块与教学方案的系统融合，开发以设计为主线的工程课程体系，强化以项目为中心的教学活动设计，建立具备设计思维与能力的师资队伍。三是高校支持，建议高校完善系统化设计嵌入的资源支持制度，创新以设计为主线的工程教育模式，完善院系、学科两级教学组织设置，合理配置建设资源，促进校企合作与联动。四是政府协同，建议政府汇聚多方力量激发工程教育发展活力，协同企业、政府和相关社会力量，链接全球优质学术与产业资源。
【魏丽娜，北京大学医学教育研究所/全国医学教育发展中心、北京大学教育学院博士后研究人员；张炜，浙江大学中国科教战略研究院副院长、教授】
原文刊载于《中国高教研究》2023年第3期
转自：“中国高教研究”微信公众号
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