作者简介：金红昊，华中科技大学教育科学研究院讲师；贺恒鑫，华中科技大学电气与电子工程学院副教授；杨勇、刘毅，华中科技大学电气与电子工程学院教授。

基金项目：教育部人文社会科学研究青年基金项目“拔尖创新人才贯通式培养中的高中-大学衔接机制研究”（24YJC880060）；中央高校基本科研业务费资助（2025WKQN023）；华中科技大学“双一流”建设基金（智库建设与社会服务能力提升项目）

原文刊载于《高等工程教育研究》2025年第四期82-88页。

一、问题提出

在新一轮科技革命与产业变革的交叠背景下，现代工程问题呈现出高度的复杂性与集成性特征，工程人才不仅需要具备扎实的专业素养，更应掌握在动态工程情境中解决问题所必备的创新能力和人际能力。^[1,2] 为回应上述需求，高等工程教育引入以结构不良问题为牵引的项目式课程，引导学生在约束条件下协同解决真实工程问题，从而发展一系列认知与非认知技能。这一培养机制具有双重独特优势。一方面，相较于传统课业任务，结构不良问题具有目标多元、资源约束、方案模糊、不确定性强等特征。学生的学习活动是开放的，需要自主分析需求、搜索和评估信息，识别资源并建构解决方案。这有助于学生将抽象的工程概念和具体的技术-社会情境关联起来，激活既有认知结构并构建一个更为连贯的知识体系。^[3] 另一方面，在合作学习过程中，问题解决被嵌入在团队的软环境之内，学习者需要合理地分解任务、共享信息，并在集体行动中寻找有效方案。这为学生沟通能力、协作能力与领导力的发展提供了良好契机。

尽管工程项目式学习的积极意义得到了教学实践的普遍认可，但值得关注的是，相关课程的培养成效并非自然发生，而需要以学生有效的认知策略与充分的课程投入为先决条件。先行研究指出，学生在项目式学习中将面临三重认知挑战。其一，面对结构不良问题，学生需要积累充足的背景知识，并将符号化的工程概念有效整合进真实问题情境之内，从而实现更为深入的知识理解。^[4] 其二，在项目式学习中，学业任务的完成嵌套在团队语境之内，如果学习者之间未能建立能力互补、深度互动的协作机制，分裂行动可能诱发任务失败。反之，高质量的协作则可以拓展集体智慧，从而激发个体学习无法产生的独特成效。^[5] 其三，复杂的结构不良问题可能会引发诸多未预期困难，学生需要积极获取学习资源，适时寻求来自教师的支持，建立认知支架（Cognitive Scaffolding）以实现项目的顺畅完成。^[6] 整体而言，在工程项目式课程中，学生能否基于有效的认知策略，应对并解决上述重要挑战，是决定其课程学习成效的关键因素。

随着我国卓越工程人才培养改革的深化，以结构不良问题为牵引的工程项目式课程广泛开设。^[7] 该课程模式对学生的学习能力与教师的教学组织提出了很高要求，需在课程设计层面帮助学生建立有效的认知策略，从而激活工程项目式学习的内在进程，释放其积极效应。^[8] 因而，亟待开展针对性实证研究，深入考察本土学生在项目式课程中的学习行为及认知机制，从而回应课程改革的现实需求。鉴于此，本研究以某研究型大学开设的“电磁炮设计（电磁能-动能转化系统设计）”课程为观测契机，实证考察学生在工程项目式学习中采取的多组态认知策略，并判别其对学生学习收获、课程表现的影响，以期为相关课程设计及人才培养实践提供学理支撑。

二、研究设计

（一）数据与样本

本研究以某研究型大学开设的“电磁炮设计（电磁能-动能转化系统设计）”课程为案例开展实证分析。该课程要求学生在团队合作的基础上，在总储能、总电容等一系列约束条件下，设计出能达到最高发射速度的电磁能-动能转化系统，并构建样机开展发射实验。在此过程中，学生需自主完成建模仿真、脉冲形成回路设计、PCB罗氏线圈设计、样机搭设等一系列任务，从而实现最终课程目标。该课程针对三年级本科生开设，暑期集中授课两周，学生需要组成4-5人小组，合作解决结构不良问题。

本研究数据采集涵盖课前调查、课中记录与课后调查三个部分，涉及定量、定性等多种数据形式。研究者于课程启动前针对选课学生开展了基线轮调查，并于课程结束后实施了追踪轮调查，在纵向匹配的基础上，形成涵盖前测与后测的面板数据库。同时，在课程组织过程中，研究者基于参与式观察，获得关于学生合作学习情况的一系列观察笔记。经数据清洗，剔除少数无效样本后，本研究共获得来自23个小组的111名选课学生的多时点、多模态数据，这将为实证分析提供充足的经验材料支撑。

（二）研究方法与适用性

本研究引入模糊集定性比较分析法（fsQCA）开展实证分析。模糊集定性比较分析以集合理论和布尔运算为基础，整合了质性方法和定量方法的优势，有助于识别个体行动背后的多因素复合影响机制，已成为处理复杂因果关系的重要分析工具。

模糊集定性比较分析认为，某一条件变量对结果变量的影响并不是独立的，其作用过程表现为不同条件变量之间的组合。因而，从集合论视角出发，可以把各个条件变量与结果变量之间的关系，处理为多重集合之间的交叠关系。再通过分析条件变量的不同组合形式对于结果变量的充分性和必要性，在反事实假定的基础上揭示复杂的因果效应。^[9]

聚焦工程项目式学习中的认知策略分析，相较于传统多元线性回归，模糊集定性比较分析具有三重独特优势。^[10] 其一，有助于从整体和关联的视角切入，考察复杂工程学习背后的多重机制，及其影响效应之间的相互依赖关系。其二，突破了回归分析对因果关系的对称性假定，可以对结果变量正向与负向两种状态予以分别考察。其三，模糊集定性比较分析受样本量的影响较小，可以在小样本的范围内开展因果推断，适配于教学学术研究的思路。

为系统考察工程项目式学习中的有效认知策略，本研究引入学业基础、知识储备、课程投入、团队合作、任务融入、外部支持等共六维度条件变量，以及学习收获、课程表现两个结果变量（见图1）。实证分析将考察在结果变量的不同状态下，条件变量具有的组合特征，从而识别认知策略的组态效应。

图 1 分析框架图

（三）变量操作化

表1呈现了本研究使用的主要变量及其操作化情况。

表 1 主要变量及其操作化

就结果变量而言，本研究从能力增值视角切入观测学生在合作学习中的学习收获，相关题项涵盖工程基础能力、问题解决能力、沟通表达能力、团队合作能力四个维度。本研究将其处理为后测与前测的差值，这有助于观测课程前后学生能力的变化趋势，规避因自我评价而造成的测量偏误。同时，为检验实证分析的稳健性，本研究将百分制课程成绩纳入结果变量范畴。该成绩根据学生的课程参与情况综合评定，涵盖教师评价、小组内部评价、组间互评等多个指标，可以较好地体现学生的课程整体学习成果。在条件变量方面，本研究将学业基础、知识储备、课程投入、团队合作、任务融入、外部支持等共六个变量纳入分析。

定性比较分析需要对相关变量进行校准处理，从而判定每一样本在模糊集合中的隶属关系。参考既有研究的经验做法，本研究将各变量的75%、50%、25%分位数点作为完全隶属、交叉、完全不隶属的分界点（见表2）。

表 2 变量校准情况

三、实证分析

（一）描述统计与直观经验

基于工程项目式学习的课程追踪调查数据，图2概述了学生工程基础能力、问题解决能力、沟通表达能力与团队合作能力在前测与后测中的变化情况。

图 2 学生学习收获的描述统计结果

纵向分析可以发现，学生多维度能力自评结果均出现不同程度的提升，具有增值发展的整体趋势。具体而言，工程基础能力提升约0.698分，问题解决能力提升约0.611分，沟通表达能力提升约0.371分，团队合作能力提升约0.404分，幅度均达到40%标准差以上，效果明显。这证实了以结构不良问题为牵引的工程项目式学习的有效性，其有助于促进学生认知与非认知技能的全面发展。

（二）工程项目式学习中的有效认知策略分析

在描述统计的基础上，本研究引入模糊集定性比较分析法，以多重条件变量的组合关系视角切入，探索工程项目式学习中的有效认知策略。本研究将一致性指标超过0.8作为判定充分条件的标准，同时仅保留案例数大于1的构型，分析结果如表3所示。

表 3  工程项目式学习中的认知策略构型

一致性与覆盖度检验结果显示，无论结果变量指向高学习收获抑或低学习收获，各条件变量的一致性均低于0.9。这意味着，任何单一条件都不足以构成高（低）学习收获的必要条件。因此，各条件变量以组合的形式共同引发结果，存在组态层面的解释与分析空间。

表3共识别出四种就高学习收获的构型、两种低学习收获的构型。本研究参考各条件变量的组合关系，将前两种高学习收获的构型定义为“情境交互型”，后两种分别定义为“深度协作型”与“认知支架型”。此外，两种低学习收获的构型则分别命名为“策略缺失型”与“分散投入型”。

1.情境交互型

在工程项目式学习中，本研究识别出的第一种有效认知策略为情境交互型策略，涵盖任务融入与团队合作两个关键条件。

情境交互型的认知策略可以概述为图3所示的螺旋上升过程。工程项目式课程为学生构建了一个覆盖知识域与情境域的综合学习场域。随着项目任务的推进，聚焦特定工程概念，学生会在情境化、抽象化、再情境化、再抽象化的认知过程中发展对于工程知识的深刻理解。

图 3 情境交互型认知策略

课程观察发现，学生会通过前置课程、理论学习和自主学习，首先在知识层面认识电磁能-动能转化基础技术原理。在这一阶段，工程知识以抽象化、符码化的方式呈现在学生的认知之中。复杂的技术问题被转化为诸多关键参数的数理关系，而这种数理关系往往具有一定的预设性。^[11] 譬如，在分析电磁能-动能转化系统的电路模型时，学生需先假定电流在线圈导线中均匀分布，且忽略驱动线圈因受力而产生的变形，再通过回路方程的推导，判断影响电枢受力的重要因素。在知识域内部，学生暂未建立起直接工程经验，其对技术原理的认识具有浓厚的编码式、超越性特征，是通过工程概念的符号表达来认识其现实表达的间接认知过程。

随着课程任务的展开，当学生面临结构不良的工程问题时，工程概念开始被情境化为特定的项目目标，抽象模型所依托的各类假定遭遇挑战，一系列现实约束条件也涌现出来。问题解决的性质发生了根本性的扭转：从公式调用、数理推导与答案求解，转向多重约束条件下可行工程方案的设计（多数情况下秉持满意原则而非最优原则）。^[12] 以电磁能-动能转化系统为例，学生开始意识到，抛体的最终发射速度涉及电-磁-应力-热-摩擦等多重机制，不同物理场之间形成了复杂的交叠耦合关系，难以通过解析与计算求得最优解。同时，学生需要接受项目的基础约束条件，在一定的总储能、总电容、导线规格与抛体质量之下，寻找可能的方案。这都显著不同于知识域内部的问题求解。这一过程中，工程项目的集成性与动态性得以有效呈现，学生尝试适应从“做题者”向“做事者”的身份转变。

值得关注的是，在项目设计过程中，学生在教师的引导下采用建模仿真技术，尝试在数字空间探索解决方案。这意味着学生需要将情境化的工程问题再次引入抽象领域，建立一些重要假设，并基于仿真结果生成潜在方案。课程观察发现，学生往往会面临仿真结果与实验结果之间的未预期差异，这意味着他们需要寻找造成这种差异的原因，并针对性地修正设计思路。在“构建方案-验证方案-解释差异-修正方案”的过程中，学生在情境域和知识域之间不断穿梭，其对工程概念的理解也不断拓展。

同时，学生也逐步认识到工程问题解决背后的理论限度。一方面，在多要素嵌套的环境下，工程系统具有高度的结构动态性，学生切身感知到工程可行解与理论最优解之间的重要差别；另一方面，被抽象参数模型所遮蔽的操作性、环境性因素的影响也得以浮现出来，这也推动学生理解工程问题解决背后的技术-实践二元性。

2.深度协作型

本研究识别出的第二种有效认知策略为深度协作型策略，该构型涵盖团队合作与课程投入两个关键条件。在项目式课程中，学生需要在团队的语境下协同完成具有较高挑战性和复杂度的工程项目。这意味着，个体成长与集体行动相互依存，在团队协同效应之下，会带来个体独立学习所不能及的独特成效。

图4概述了工程项目式学习中的团队协作机制。其中，团队行动可以概述为显性的任务分工（即任务流）与隐性的知识积累（即知识流）两个部分。在不同的任务节点与知识节点，主要分工负责的团队成员会开展深入探索，同时，成员之间也会相互启发、沟通信息与灵感。各个成员的任务流与知识流彼此交织，构建出团队内部共享的集体知识，并推动最终解决方案的生成。

图 4 深度协作型认知策略

参与式课程观察发现，与项目有关的工程知识，往往首先由单个成员获取，然后通过共享和交流转化为所有成员共同持有，再经由集体建构，生成新的创意和解决方案。这意味着，每个学习者都发展了自己独特的知识链条，并在相互依存的团队互动中，编织出更具深度和广度的知识网络。互动使学习者能够建立新的、在单独条件下无法达成的知识理解，从而完成具有较高挑战性和复杂性的工程任务。[5] 这一过程符合团队认知理论的基本假定，合作学习过程受到正式任务流程与非正式社交流程的双向调节。^[13] 学习者会在与他人的互动中遭遇并处理认知冲突，激发对新知识的探索与吸收，并将结构不良问题带来的庞大认知负荷有序分解。新的方案、行动和创意会在成员之间“分布式地浮现（Distributed Emergence）”，从而在社会背景下共同构建集体知识。^[3]

此外，课程观察还发现，在合作学习中，能力较强的同伴可以为其他学习者搭建脚手架，缓解知识不对称造成的合作冲突。同时，中心学习者在构建整体计划、向同伴解释概念的同时，也会获得更深入的知识理解，并发展高阶人际能力。^[14]

3.认知支架型

本研究识别的第三种有效策略为认知支架型策略，即在方案设计与项目推进过程中，学生积极获取来自教师（或助教）的帮助与支持，该构型的核心条件为外部支持、团队合作及学业基础。在解决结构不良问题的过程中，本研究基于课堂观察发现，有三类认知支架发挥着重要作用：知识性支架、工具性支架及操作性支架（如图5所示）。

图 5 认知支架及其类型

知识性支架是工程项目式学习中最为基础的一类认知支架，涵盖学生完成学业任务所必须掌握的理论知识及概念模型。^[15] 在案例课程中，教师首先组织了关于电磁能-动能转换系统设计原理的相关前置课程，对模型解析、参数设定、实验操作等背景性内容知识展开讲解，这为学生开展项目设计提供了必要的基础。

工具性支架则与项目完成所必须依托的工具使用密切关联。在案例课程中，学生需要使用COMSOL软件开展建模仿真，从而确定电磁能-动能转化系统设计的关键参数。同时，学生需要在Solidworks中设计驱动线圈骨架，并使用3D打印技术获得实物。工具使用作为一种支撑环境，是在自主学习与答疑的过程中实现的。

操作性支架是项目式学习中最为独特的一种认知支架，这与工程问题解决的操作属性密切关联，集中凸显了工程项目的实践特征。在电磁能-动能转化系统设计中，学生将面临实操层面的一系列潜在挑战，如线圈绕制的均匀性、骨架打印质量、抛体选择等等。在每一任务环节中，操作层面的微弱差异均可能会造成实验结果的显著区别。

在课程观察中，本研究记录了学生向教师与助教提问的主要范畴，并判别其所属的认知支架类型。结果显示，就其频次而言，学生对操作性支架与工具性支架的需要显著高于知识性支架。这意味着，学生可以通过前置课程学习、自主学习与团队学习，掌握项目所需的基础理论和重要概念。但在将设计方案转换落地的过程中，学生会广泛遭遇一系列未预期的困难与挫折，对外部支持依赖性陡然提升。事实上，在这一过程中，学生开始理解工程问题解决中操作性细节的独特影响（如线圈绕制、电路板焊接等），这有助于建立理论学习所不能获得的工程经验感。

4.低学习收获的构型

此外，本研究也识别出两类低学习收获的构型——策略缺失型与分散投入型。所谓策略缺失型，即学生各条件变量大多处于缺乏状态，未能采用任何有效的认知策略。而就分散投入型而言，该构型的学生在课前开展了相关理论预习，也具有一定的课程投入，但由于团队合作不畅、任务融入不足等原因，学习收获也显著较低。

（三）延伸分析

最后，为检验模糊集定性比较分析结果的稳健性、验证各类认知策略的积极影响，本研究拓展结果变量的观测范畴，针对学生的课程表现开展延伸分析。表4呈现了相关分析结果。

表 4 针对课程表现的延伸分析

由表4可以看出，高课程表现的构型可以划归为情境交互型、深度协作型与策略成熟型三种。低课程表现的构型则可以划归为策略缺失型，其任务融入、团队合作、课程投入与学业基础等条件均处于缺失状态。整体而言，以课程表现为结果变量，延伸分析结果与前文基本保持一致，主要研究结论的稳健性得到了有效证实。

四、结论与讨论

秉持教学学术研究的基本路径，本研究基于纵向追踪调查数据与课程观察资料，实证考察了工程项目式学习中的有效认知策略，主要研究结论可概述如下。其一，在工程项目式课程中，采取情境交互型、深度协作型与认知支架型策略的学生，其学习收获明显较高，多维度工程能力均有显著提升，课程表现也较为优良。其二，在情境交互型策略下，学生会在知识域和情境域的交互中深化对抽象工程概念的认知，特别是理解工程最优与理论最优之间的重要差异。其三，在深度协作型策略下，复杂工程问题的解决依托于学生团队内部的深度协作，学生会在彼此启发、共同行动的基础上构建集体知识、生成解决方案。其四，面对结构不良问题的诸多挑战，积极获取外部支持、借助认知支架（特别是工具性与操作性支架），也是学生完成复杂学业任务的有效认知策略。

在经济转型与产业升级的宏观背景下^[16]，以及加快形成新质生产力、推进经济高质量发展的新形势下^[17]，本研究相关结论可以为高校工程顶点课程建设与教学质量提升提供切实行动参考。

首先，适应劳动力市场对工程人才能力需求的变动趋势，应拓展实施以结构不良问题为牵引的工程顶点课程。在案例分析的基础上，本研究实证结果支持了工程项目式学习对学生能力增值的多维度、系统性促进作用，这与国外课程研究的基本结论保持一致。^[18] 结构不良问题具有高复杂性、强资源约束、高目标导向等特征，可以推动学生在抽象工程概念与具体应用情境之间建立联系，帮助其理解现实工程世界所面临的广泛约束。^[19] 鉴于此，高校应丰富相关课程供给，建立从基础理论课程至顶点课程的完整培养体系，以满足学生的多元化、动态化发展需求。

其次，在以结构不良问题为牵引的工程项目式学习中，应在课程设计层面构建有助于高质量团队互动的教学安排。本研究实证分析结果揭示，工程合作学习的积极成效并非自然发生，而是依托于同伴之间的知识共享与责任共担。唯有在团队成员集体行动、彼此启发的基础上，方能完成复杂的项目任务，涌现个体探索无法实现的创新方案。鉴于此，教师可在团队组建、同伴互动的初期提供充足引导，精准设计涵盖广泛人际技能在内的引导体系。^[20] 同时，监测学生互动过程，协助处理团队内部的观点与人际冲突，避免学生因团队效能感的丧失而陷入孤立行动。

最后，工程项目式课程对教师的教学组织与课程设计提出了较高要求，特别是应为学生搭建一系列合理的认知支架，支撑其完成复杂学业任务。本研究课程观察发现，相较于知识性支架，学生对操作性支架与工具性支架的需求更高，这也与工程问题解决所蕴含的实践属性相关。因此，在课程设计中，教师不仅应充分考虑项目任务所依托的重要工程原理，通过前置课程或资料预习等方式为学生巩固基础；同时，更应基于教学经验，明确学生在方案实施与操作层面较为集中的问题，予以专门指导。^[15] 但应强调的是，认知支架的提供应具有一定限度，“不愤不启，不悱不发”，既要防止学生因支持不足而陷入困境，又要避免过度的认知依赖，在挑战与支持之间审慎地寻求平衡。