摘 要：以“大学生创新创业训练计划”和学科竞赛为代表的科技创新活动是工科大学生重要的专业实践学习活动，采用定量研究方法探究其对学生工程能力发展的影响发现：参与科技创新活动能显著促进学生工程能力发展，并表现出工程设计等“硬能力”和沟通交流、职业伦理等“软能力”的双重促进效应；任务挑战度、自主探究度、教师互动频率、学长互动频率与同伴互动频率是科技创新活动育人效能的重要影响因素，其中以自主探究度与同伴互动频率最为重要，前者指向“硬能力”发展，后者是“软能力”发展的关键。
关键词：科技创新活动；工科大学生；工程能力；影响因素
一、问题提出
21世纪以来，我国为培养卓越工程科技人才，先后开展了工程教育专业认证、“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）、“新工科”建设等一系列改革行动，标志着我国工程教育正在从“科学范式”向“工程范式”转变。在此背景下，工科院系如何促进学生实践学习是重点改革领域。
现有工程实践学习包括两个方面：一是探究性实验、课程设计、企业实习和毕业设计等第一课堂内容；二是“大学生创新创业训练计划”、学科竞赛、教师科研项目等第二课堂科技创新活动（以下简称“科创”）。工程教育专业认证与“卓越计划”强调从校企合作角度加强工程实践学习，如“卓越计划”要求“学生有一年左右的时间在企业学习”“企业建立工程实践教育中心”。学生需在校内完成知识学习与初步工程实训后，进入企业开展包括生产实习、毕业实习、顶岗工作和挂职锻炼等形式的实践学习。但现实中由于校企合作动力不足、机制不成熟以及考研热等内外因素影响，企业实习存在弱化和虚化现象。本课题组的调查显示，在学年结束时，“卓越计划”入选专业中只有59.7%的大四学生有过企业实习经历，大三学生则低至24.5%，参与实习的学生中近四成认为自身的实习积极性一般或偏低（调查详情见后文“数据来源”部分）。
与之形成鲜明对比的是工科大学生科创的繁荣。近年来，越来越多高校将科创纳入学分管理体系，给予更多资源支持，有效促进了科创覆盖面和参与度。上述调查显示，56.4%的大二学生参与过科创，大三、大四学生这一比例更是超六成，而且近九成的学生认为自身在科创参与中积极性较高。由此可见，科创已成为工科大学生实践学习的重要渠道。然而，科创并不是“卓越计划”等工程教育改革政策的重点内容，其由更早的政策和实践驱动，如本科教育质量提升政策以及创新创业教育政策，而且其面向全体大学生，并非工科所独有。那么，科创参与对工科大学生的影响如何？
回顾既有的研究发现，中外研究者揭示了科创的育人效能，包括科研能力和创新素质、学者身份认同以及未来深造意愿等。但是，大多数研究关注的是与科学研究密切关联的认知能力和社会性能力发展，这些能力被视作一种高级通用能力，较少有研究从学科专业能力的角度评估科创的效能。工程的实践性、整合性和创新性要求工科大学生不仅要有设计复杂工程问题解决方案的“硬能力”，也要有适应现代工程的合作、沟通、职业道德等“软能力”。作为工程教育中的一项实践学习活动，科创需要指向学生专业能力——工程能力的发展。此外，已有研究在统计方法上主要采用多元回归分析，没有解决科创参与的学生“自选择”和样本选择偏误等内生性问题，难以准确揭示科创参与的效能，对此，本研究运用因果推断方法检验科创参与能否促进工科大学生工程能力发展，如果能，则进一步探究科创参与中哪些因素促进了工科大学生工程能力发展。
科创参与作为一项实践学习活动，学习理论对其有重要指导意义。20世纪末，学习理论从行为主义发展到认知主义后进一步发展出建构主义，强调学习的主动建构性、社会互动性和情境性，代表人物包括（Piaget）与维果斯基（Vygotsky）。目前，该理论因与工程实践本质的切合性已成为工程教育的指导性理论。具体到科创参与，其属于建构主义学习理论下认知学徒制与实践共同体的结合。首先，由教师创设或提供真实的、有一定挑战度的工程问题情境；其次，教师搭建脚手架，学生在教师或学长指导下，展开文献阅读、技术学习、方案设计、仪器操作、程序编写、实物制作、迭代反思等行动；再者，同伴间的分工交流、协商讨论贯穿整个过程。从科创参与过程中可析出如下学习因素：科创任务是否有一定挑战度来发展学生最近发展区；学生是否为解决有难度工程问题进行自主探究；教师、学长或同伴间是否存在指导、帮助和互动。本研究认为正是由于这些科创学习因素，学生的工程能力才能得以发展。为更好地评估这些因素，借鉴相关文献，将其操作为五个变量，分别为任务挑战度、自主探究度、教师互动频率、学长互动频率以及同伴互动频率。
综上，本研究的实证分析思路如下：首先，考虑学生“自选择”科创参与的非随机性，使用倾向得分匹配法（PSM）探究科创参与对学生工程能力发展的影响；其次，在证实科创效能基础上，使用参与过科创的学生样本，并以Heckman两步法纠正样本选择偏误，进一步探究科创参与中五个学习因素对学生工程能力发展的影响效应。
二、研究设计
（一）数据来源
本研究使用数据来自2021年华中科技大学工程教育研究中心开发和实施的“工科本科生培养与发展调查”。此次调查覆盖全国入选“卓越计划”的59所院校的109个专业，共回收学生问卷15316份，经数据清洗与整理后得到有效问卷11374份，有效率74.26%。其中，男性8462人（74.40%），女性2912人（25.60%）；电子计算机类3640人（32.00%），能源电气类1445人（12.70%），材料化工类2881人（25.33%），机械自动化类2284人（20.08%），土木及其他1124人（9.88%）；东部地区高校4714人（41.45%），中部地区高校4264人（37.49%），西部地区高校2396人（21.07%），比较符合全国工科大学生的性别、专业和区域分布状况，样本有较好代表性。（见表1）
（二）变量构建
因变量：工程能力发展。借鉴Passow研究成果，本研究的工程能力包括四个子能力维度：工程设计能力是指能够选择和使用适当工具和技术，识别、解释复杂工程问题，规划、设计解决方案的能力，分别以工具使用能力、问题解决能力与设计能力进行测量与拟合；工程系统思维是指为应对人文、经济、社会、环境和安全等因素对工程的限制和挑战，能进行系统性思考和跨学科交叉融合的能力，分别以系统思考能力与跨学科思考能力进行测量与拟合；合作交流能力是指能在团队中发挥好领导或成员角色作用，在工程活动中与业界或社会保持有效沟通交流的能力；工程职业伦理是指能理解工程的伦理原则，并在工程实践中践行工程师责任与遵守职业道德的能力。由于学生初始能力水平不一，所以采用学生自评其各项能力在大学期间发展情况测度并取得分均值，提问方式为“就读大学以来，你在下述题项所述能力方面的增长情况”，验证性因子分析结果见表2。
自变量：科创参与和科创学习因素。科创参与为分类变量；科创学习因素具体包括任务挑战度、自主探究度、教师互动频率、学长互动频率与同伴互动频率五个变量，均设置为连续变量，测量题项见表1。
控制变量：参照已有文献，设置三类控制变量，一是人口学变量——性别；二是家庭背景变量，包括父母受教育程度、父母职业、家庭居住地、家庭收入；三是教育背景变量，包括年级、专业类别、卓越班、院校层次、院校地区、高考志愿、高考成绩、教育期望，测量题项见表1。
表1描述统计结果显示，工程能力发展得分均值高于理论均值，处于中等偏上水平（3.471），四个子能力以工程职业伦理发展得分最高（4.042），工程设计能力最低（3.211）。有超半数（51.75%）学生参与过科创。五个科创学习因素得分均值均高于理论均值，同伴互动频率最高（3.190），教师互动频率最低（2.684）。比较参与和未参与科创的学生工程能力发展情况发现，（见表3）不论是总体工程能力，还是四个子能力，参与学生都明显高于未参与学生，工程能力发展得分二者相差0.276分，合作交流能力差距最大（0.344），工程职业伦理差距最小（0.155）。
（三）模型设定
本研究模型设定分为两个部分。第一，科创参与对工程能力发展的影响模型，采用PSM。首先，Logit回归估计样本参与科创的倾向得分值（PS）；其次，根据PS将处理组与控制组匹配；最后，计算处理组平均处理效应（ATT）。
(1)式中，Y1i与Y0i分别表示学生是否参与科创后的工程能力发展水平，Di为处理变量（是否参与科创），Xi为前述控制变量，P(Xi)为倾向得分。在使用PSM时，应满足条件独立、共同支撑与平衡性假定，并注意选择多种匹配法保证结果稳健。
第二，科创学习因素对工程能力发展的影响模型，使用Heckman两步法。第一阶段利用全体学生样本，以是否参与科创为Probit回归因变量，估计样本选择偏误纠正项——逆米尔斯比率，然后将其放入第二阶段科创学习因素对工程能力发展影响回归中进行样本选择偏误纠正。
上式变量含义与前文一致，但为避免多重共线性，Heckman建议加入至少一个不出现在第二阶段模型中的连续变量作为科创参与识别变量，本研究选择“参与双创、学科竞赛等活动的机会充足(Chance1i)”与“有较多参与教师科创课题机会(Chance2i)”。逆米尔斯比率(fi)通过(3)式计算，并将其加入(4)式中。S1i-S5i分别代表五个科创学习因素，μi为随机误差项。
三、研究发现
（一）科创参与对工科大学生工程能力发展的影响
1. 倾向得分估计与共同支撑、平衡性假定检验。表4第（1）列为Logit回归，通过了LR检验和VIF检验，证明结果较好。对科创参与有影响的变量包括性别、家庭居住地、卓越班、年级、专业类别、院校层次、院校地区、教育期望与高考成绩，这与经验认识基本一致，表明了科创参与的非随机性与本研究方法的合理性。
为确保匹配质量及结果可靠，需检验共同支撑和平衡性假定。本研究基于研究最常用“一对四近邻匹配”结果进行检验，其他匹配法不再赘述。一方面，图1和图2展示了处理组与控制组样本匹配前后核密度函数图。匹配后二者倾向得分区间有相当大重叠范围，共同支持假定得到满足。另一方面，借鉴Rubin平衡性检验方法，首先，表4第（5）与第（6）列结果显示，匹配后两组样本标准化偏差大幅减小；其次，表4第（7）列显示，匹配后两组样本的绝大部分变量均值T检验无显著差异；最后，匹配后的伪R2为0.002、卡方31.390且不显著、偏差均值1.800、B值10.400、R值0.920，均达到检验要求。综上，平衡性假定得到满足。
2. 科创参与对工科大学生工程能力发展的“真实影响”。基于PS值，采用6种匹配方法经Boostrap 200次估算ATT，最大限度保证结果稳健。如表5所示，科创参与ATT在所有匹配方法中均为正向显著，平均为0.205，表示在控制模型内生性问题后，工科大学生通过科创参与，可平均提升其工程能力发展得分0.205分。
进一步考察科创参与对工程能力四个子能力的影响情况。表5显示，无论何种匹配方法，科创参与均显著促进工程能力四个子能力发展。具体来说，提升工程设计能力0.224分，工程系统思维0.171分，合作交流能力0.285分，工程职业伦理0.109分。可见，科创参与对工程能力不同子能力发展存在效能差异，合作交流能力最大，工程职业伦理最小。
（二）科创学习因素对工科大学生工程能力发展的影响
表6第（1）列为基准回归结果，第（2）与第（3）列为Heckman两步法结果。在第（2）列中，如模型设定部分所述，本研究选择的识别变量正向显著，说明Heckman两步法第一阶段模型拟合较好。第（3）列是在基准回归中加入逆米尔斯比率后的参数估计结果，逆米尔斯比率高度显著，说明基准回归模型确实存在样本选择偏误，应予以纠正；第（3）列中五个科创学习因素均高度正向显著，最具影响力的是自主探究度（0.102），其次是同伴互动频率（0.091）。这表明，相比设置高挑战度项目以及与教师或学长互动，学生自主探究和与同伴互动更为重要，具体原因将在讨论部分阐述。
进一步考察科创学习因素对工程能力四个子能力的影响情况。表6第（4）至第（7）列显示，逆米尔斯比率全部高度显著，为表述简洁，直接汇报Heckman两步法的第二阶段结果。除工程职业伦理外，五个科创学习因素均显著正向影响工程能力四个子能力发展，但不同因素在不同工程能力子能力发展上影响力不同，对工程设计能力影响最大的是自主探究度（0.120），对工程系统思维影响力最大的是教师互动频率（0.087），对合作交流能力和工程职业伦理影响最大的是同伴互动频率（前者0.195，后者0.128）。
四、结论、讨论与建议
本研究基于全国调查数据，考察了科技创新活动参与对工科大学生工程能力发展的影响以及科创学习因素在其中的作用，得出如下结论。
第一，科技创新活动参与能显著促进工科大学生工程能力发展。统计结果表明，在使用PSM控制模型内生性问题后，科创参与对工程能力发展的影响效应为0.205；对四个子能力发展同样有显著促进作用，效应值在0.109至0.289之间。据此可以判断，科技创新活动是一项高影响力工程教育活动，与已有研究相比，本研究利用因果推断方法增进了结果的稳健性。此外，科技创新活动不仅有助于提升工程设计等“硬能力”，还可促进合作交流、工程职业伦理等“软能力”发展。
第二，科技创新活动参与中，任务挑战度、自主探究度、教师互动频率、学长互动频率以及同伴互动频率是影响工程能力发展的重要因素。统计结果表明五个科创学习因素均显著正向影响工程能力发展，影响系数最大的是自主探究度以及同伴互动频率，前者指向“硬能力”发展，后者是“软能力”发展的关键。前人研究曾指出教师指导对学生科研学习收获影响最大，或发现任务认知挑战度以及学长互动是最主要的影响因素。本研究与前人研究发现的差异，可以从两个方面来解释。第一，学科差异使然，理科学生的科创更多是一种科研发现活动，有经验的教师或学长指导，可能是学生面对充满未知和不确定性的科学规律发现与检验时更有效的学习方式；工科学生开展的工程设计和造物活动，依赖团队合作，同伴间充分互动以保障工程实践活动能切实开展，由此能充分锻炼学生的合作与沟通能力。第二，无论是科学研究还是工程训练，科创活动本质上是指向真实问题解决的探究性活动，其内里充满挑战，需要学生付出艰苦的认知劳动，学生的自主探究、主动学习是非常重要的环节。过往关于科创效能的研究并未将学生的自主探究纳入解释变量中，本研究发现无论是对工程能力还是其子能力的发展，自主探究都是重要的促进因素，由此拓展了科创效能影响因素理论。
以“双创”“学科竞赛”为代表的科技创新活动十多年来一直以第二课堂的形式存在，早前它受到高学分课程体系的影响，工科学生课程多，课业压力大，没时间参加课外科创活动；当前它又深受保研考研指挥棒影响，学生卷成绩卷绩点，不愿投入不挣分数的学习活动；再者，课外活动的定位阻碍了教师的参与，一定程度上影响了科创活动的质量。在“回归工程范式”的工程教育改革背景下，从强化工程实践，培养工程能力的角度出发，可考虑将科创活动纳入正式课程中，形成“全体覆盖，持续参与”的科创训练课程体系。第一种做法是将科创活动设置为个性化课程，有学时、学分和考核的要求，学生可以利用现有的科创活动形式择一进行，院系负责提供经费、场地、指导教师等资源，以此扩大学生参与面，提升参与质量。目前，清华大学、浙江大学、华中科技大学等高校开始采取这种设置学分的做法，但总体上是院校的要求大于支持，难以真正激发学生的科创学习积极性。此外，这种附加式做法使得科创活动仍然是孤立的，未与专业课程产生关联形成合力。第二种做法是以科创活动为牵引，将现有的课程改造为项目训练课程。工科课程改革的一个重要方向就是增强实践类课程，促进研究性教学和学习。过往那些验证性的、一门门单独设置的实践课有必要转变为对应多门理论课程的综合性实践课程。如华中科技大学电气学院对十多门实验课进行整合升级，形成了一个贯穿四年、能力递进的综合性实践课程体系，学生在大一期间可开展创客训练，大二暑假开展工程综合训练（一），在这两门课程中，教师均采用PBL教学法，引入企业真实的项目，学生在完成项目的过程中孵化“双创”和学科竞赛的题目，从而使科创活动与专业课程深度融合，更多依托企业真实工程问题和项目开展。总之，未来工程教育改革要充分挖掘校内外资源，同时做好科教融合和产教融合两方面的制度设计，形成更多高影响力工程教育活动。
本研究仍有两点不足之处：一是缺乏深入分析科创参与的人群异质性影响效应；二是未对不同学习因素之间的关系与逻辑进行理论分析与实证检验，期待后续研究能关注这些方面。
【杨佳润，华中科技大学教育科学研究院博士研究生；郭卉，通讯作者，华中科技大学教育科学研究院教授】
原文刊载于《中国高教研究》2024年第3期
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