回歸工程設計：美國高等工程教育改革的重要動向

項聰

本論文系廣東省教育體制綜合改革推廣項目“拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革”、廣東教育教學成果獎（高等教育）培育項目“實踐驅動的卓越人才培養(yǎng)課程體系的研究與構建”的部分研究成果。 摘要：自20世紀80年代末90年代初以來，美國高等工程教育改革表現出“回歸工程設計”的重要趨向：一是重新認識工程設計的教育價值，二是以“設計”為主線重構課程體系，三是在教學過程中推行“基于設計的工程學習”。這為我國推進“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點工作提供了重要的啟示和借鑒。

關鍵詞：工程設計;美國;高等工程教育美國高等工程教育曾經在偏重理論還是偏重實踐之間如同“鐘擺”一般搖擺不定。[1]自20世紀80年代末90年代初提出要“回歸工程”以來，美國高等工程教育積極推進改革，雖然各出其招，但形成了某些共同趨向，值得我們關注和借鑒。

一、美國高等工程教育改革的關鍵動因

促使美國高校反思工程教育改革的動因有許多，但歸結起來，主要來源于三個層面：

1.在學生層面，美國學生“逃離工科”現象明顯。在美國，越來越多的優(yōu)秀高中生不愿意報讀大學理工科專業(yè)而是選擇攻讀法律、醫(yī)學、金融等專業(yè)，同時一些已經在大學攻讀理工科專業(yè)的學生也經常中途輟學或轉到別的非理工專業(yè)學習。造成學生“逃離工科”這一現象歸因于兩個方面：一是理工科專業(yè)課程偏難且相對比較枯燥，無法吸引高中生的學習興趣，也讓一些大一新生難以保持在本專業(yè)持續(xù)學習的興趣;二是工業(yè)界把工程師看成是“可消費的商品”（consumable commodities），在他們的技能變得落后時就隨意拋棄他們或引入海外更便宜的工程服務來替代，導致工程師在社會上的地位明顯不如醫(yī)生和律師。[2]因此，美國高等工程教育需要采取措施提高工科課程對學生的吸引力，把優(yōu)秀學生留在工科專業(yè)。

2.在高校層面，專業(yè)教育深受科學主義思潮影響。自19世紀后期以來，由于自然科學的發(fā)展、興盛，科學主義作為一種重要的哲學思潮開始影響專業(yè)教育。尤其到了20世紀前期，科學主義已在專業(yè)教育中占據了一個牢固的位置，工程學院日趨“科學化”：“……20世紀以來自然科學幾乎將人工物科學從專業(yè)學院課程中驅逐出去的做法的確使人啼笑皆非。這種動向在第二次世界大戰(zhàn)后的二三十年內達到了高潮。工程學院逐漸變成了數理學院，醫(yī)學院變成了生物科學學院，商學院變成了有限數學學院。”[3]一些有識之士對工程教育偏重于數學、科學和技術專業(yè)方面的理論教學而忽視設計、團隊合作和溝通等方面的實踐基礎知識提出了批評，如大衛(wèi)·哥德伯格（David E. Goldberg）認為美國工科學生正在喪失必要的基礎：歸納或提出好問題的能力;掌握常見系統(tǒng)、組件、組件技術的能力;建模能力;分解問題的能力;收集數據的能力;可視化表達解決方案和想法的能力;書面和口頭的溝通能力。[4]因此，美國高等工程教育需要改革課程體系，為工科學生補回“正在喪失的基礎（the missing basics）”。

3.在國家層面，制造業(yè)競爭力下降。美國制造業(yè)競爭力的下降，對本國經濟實力起到極大削弱作用，這引起美國朝野的擔心。2009年4月，美國總統(tǒng)奧巴馬在上任之初就提出“重振制造業(yè)”的重大戰(zhàn)略，隨后出臺了一系列實施計劃，如“先進制造伙伴計劃”、“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”等等。2012年美國商務部在向國家經濟委員會提交的《美國競爭力和創(chuàng)新能力》咨詢報告中指出，提升美國競爭力和創(chuàng)新能力的三大支柱為基礎研究、教育和基礎設施;其中教育方面要加強科學、技術、工程和數學方面的人才培養(yǎng)。[5]在這一大背景下，美國高等工程教育必須為國家發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的工程人才。

二、美國高等工程教育改革的重要動向：回歸工程設計美國工程教育界在20世紀80年末至90年代初提出工程教育要“回歸工程”。如麻省理工學院工學院院長喬·莫西斯（Joel Moses）在該學院1994-1998年長期規(guī)劃中提出“大工程觀”（Engineering with a big E），指出工程師除了要關注生產制造過程中的設計、銷售之外，還應該關注更廣泛的內容，如工程師本人所服務的企業(yè)、顧客、公共政策、環(huán)境等等。[6]美國工程教育學會也于1994年發(fā)布《面向變化世界的工程教育》（Engineering Education for a Changing World），提出工程教育不僅要教工程理論基礎知識、經驗和實踐，而且還要提高這些內容的相關性（要與學生的生活、職業(yè)相關）、吸引力（要把有才華的學生吸引并留在工科專業(yè)）和關聯(lián)性（通過整合活動，與企業(yè)和政府的需求形成關聯(lián)）[7]。進入21世紀，美國工程院于2004-2005年期間先后發(fā)布了《2020年的工程師：新世紀工程的愿景》[8]和《培養(yǎng)2020年的工程師：為新世紀變革工程教育》[9]兩份報告，提出要面向未來培養(yǎng)工程師。這兩個報告為美國高等工程教育改革指明了方向。

綜合美國高等工程教育改革的諸多舉措，從中可以梳理出其中的重要趨向，即回歸工程設計。具體表現如下：

1.重新認識工程設計的教育價值

美國自然科學基金會曾斥巨資組建了若干工程教育聯(lián)盟（Engineering Education Coalitions，EEC）項目（包括Ecsel、Synthesis、Gateway、Succeed、Foundation以及Greenfield）。這些項目的主要目標有三個：一是大幅提升工程教育質量和工程學位的數量（包括女性和未被充分代表的少數民族）;二是設計、實施、評價和推廣若干能對本科工程教育產生影響的新結構和新方法;三是在所有類型的工程機構（不管大型或小型）之間建立新的聯(lián)系。以Ecsel聯(lián)盟為例，它們開展了實質性的改革與試驗，把設計貫穿于整個本科教育。[10]

從工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)角度來看，工程設計的教育價值體現在四個方面：一是能夠促使工程教育更容易被大眾（包括學生和家長）所理解和重視[11];二是能夠把工程教育提升到更高的學術水平和技術水平，即通過為學生提供一個由清晰設計目標所驅動的項目，讓他們在接觸和解決現實生活中的問題和困難過程中得到鍛煉，從而逐步成長為可以解決復雜和多學科的問題的工程師[12];三是能夠為課程的設計及組織提供堅實的框架，即促使工程教育課程體系成為學生所期待的一系列技能與經驗的總和，即工程項目=∑（技能+經驗），而不是一系列學生必須學習的課程或科目[13];四是能夠加強學生的工程倫理教育。在工程實踐中，工程師并不是一個人在工作，而是作為復雜關系網絡中的一部分存在和運作著;這些復雜關系包括與其它個人、組織或團體的關系。換言之，工程設計倫理歸根結底是“工程師的倫理”。[14]因此美國高校普遍認為，加強學生的工程倫理教育不應在個體維度花費太多時間，而應該把重點放在社會維度，[15]即應該在工程設計過程中加強學生的工程倫理教育，即要讓學生從以往基于“做好一份工作”的角度進行決策向基于“作為公民”的角度（充分考慮政治、社會、組織、法律等方面的因素）進行決策。[16]

2.以設計為主線重構課程體系

美國高校認識到，工程教育內部存在某種競爭，即一方面引入越來越多的數學或計算機相關的學科，另一方面又想為學生提供純粹的經驗性技術（empirical technical）以及設計知識和經驗;而競爭的結果則是講授經驗性工程信息的學時數減少，導致畢業(yè)生通常會使用計算機，卻不能制訂最終的工程目標;因此工程教育必須為經驗性知識的教學提供必要的時間和設施。[17]具體而言，為了提高學生的工程專長，工程教育需要通過課程層面的教學設計（curriculum-level instructional design），讓學生積累一系列的學習經驗，從而幫助他們構建深層次的概念性知識、提升能夠熟練運用關鍵技術和專業(yè)技能的能力。[18]而參與工程設計無疑是學生開展經驗性知識學習的最佳途徑。

因此，美國知名大學紛紛以設計為主線重構課程體系，具體措施包括：（1）普遍加強了面向大一新生的設計課程建設[19]，以便學生進入頂石設計（Capstone Design）之前積累足夠的設計經驗[20][21][22][23][24]。如美國猶他大學（University of Utah）為促使學生所學知識能夠螺旋式進入初級課程（包括“機電一體化”這門包含了長達一年的設計項目的課程）以及高級的畢業(yè)設計項目課程，在工程教育大學階段前兩年實施了“螺旋式”課程體系：第一年的課程以機電一體化和機器人技術為主題形成課程序列，同時強調工程電子表格計算、軟件技能、硬件、生產技能、編程和控制;大二年級的課程以可持續(xù)發(fā)展為主題形成課程序列，同時強調數值方法和熱力學。[25]（2）以工程設計貫穿本科課程體系，從而幫助學生獲得一系列更加整合的設計經驗[26]。如麻省理工學院機械工程系在課程設置中運用CDIO理念，把工程設計的各要素融合到課程體系，分層次、有計劃地培養(yǎng)學生的工程設計能力。[27]“C”代表構思（Conceive），“D”代表設計（Design），“I”代表實現（Implement），“O”代表運作（Operate），因此CDIO意味著，學習者通過構思、設計、實現和運作一件產品或作品，有效地學習工程設計。（3）把工程設計向研究生教育階段延伸。美國一些高校認識到，頂石設計對工程人才固然重要，但仍存在兩個不足：一方面，頂石設計安排在最后一個學期或學年，但由于學生前期缺乏足夠的專業(yè)設計實踐體驗，因此無法體會到頂石設計的本質;另一方面，盡管大多數學生在頂石設計階段通過參與現實的設計活動、與企業(yè)工程師交流，獲益良多，但仍無法獲得成功的、完整的設計經驗，其中一個關鍵原因是很多學生在頂石設計完成后就畢業(yè)了，沒有機會參加后續(xù)的設計改進、實現或商業(yè)推廣，也就無法體驗到由于設計過程迭代特性以及完整的設計生命周期所帶來的壓力。因此工程教育需要進一步完善工程設計課程設置，將課程按如下順序開設：工程制圖→產品解剖→制造過程→機械設計→產品測試→頂石設計→科技型創(chuàng)業(yè)→工程設計管理。[28]而后面兩個環(huán)節(jié)（科技型創(chuàng)業(yè)、工程設計管理）則需要放在研究生教育階段完成。

3.推行基于設計的工程學習

唐納德·A·舍恩指出，類似設計的工程實踐活動無法通過課堂教學傳授給學生，其主要原因有五個方面：一是對設計的描述以及與其對應的行動中識知（knowing-in-action）之間的差距必須通過行動中反思（reflection-in-action）加以彌補;二是必須通過行動中的檢驗，從整體上掌握設計;三是設計依賴于對設計特點的辨別，而這種能力只能在行動中獲得;四是學生最初可能對設計的描述感到困惑、模糊、不確定、不完整，只有通過在行動中暴露出正確或錯誤理解的對話才能明確這些描述的意義;五是由于設計是一個創(chuàng)造性的過程，設計者通過這個過程逐漸學會運用全新的方法觀察和行動，所以任何預兆的描述都不能代替在做中學。[29]在現實中，作為工程教育的利益相關者——學生們，也經常極力地強調“他們自身的角色在整個教育系統(tǒng)中的重要性，以及教育技術和真實工作案例在提高工程教育質量方面所發(fā)揮的價值”。[30]實證研究也表明，工程設計確實有助于提升學生認知能力和專業(yè)認同，即在認知能力方面，學生獲得了學科知識、工程判斷能力、技術性的問題解決能力、批判思維和創(chuàng)造能力;在專業(yè)認同方面，工程設計通過安排學生在所處社會的框架和價值觀之中開展有效實踐，從而給他們提供了自信。[31]

因此，美國高校在校內積極推進“基于設計的學習”，即讓學生參加開放式項目，通過完成一件作品，既培養(yǎng)其建模、仿真和建造能力，又能鍛煉他們的團隊合作和溝通能力。如西北大學（Northwestern University）為學生提供三類設計項目（教師創(chuàng)立的項目、學生創(chuàng)立的項目、顧客創(chuàng)立的項目），并采取“兩段式”教學：對于諸如設計倫理、項目管理、溝通和團隊合作等設計過程的關鍵內容，由工程學院教師以團體形式講授;而在具體設計工作過程中，他們給學生團隊指派一名“項目導師”或教練，指導學生完成設計項目。[32]通過工程設計項目，學生既積累了知識，掌握了設計領域的專長，又在設計過程中通過解決新問題生成了新的知識與思路。當然，在設計“基于設計的工程學習”時應該關注更為普遍的設計元素，以更好地培養(yǎng)學生由新手成為專家。[33]實踐證明，學習者在“基于設計的工程學習”中，通過特定的活動，可以逐步發(fā)展專長。[34]與新生相比，高年級學生能夠聚集更多的信息、提出更多的設計方案、在設計各步驟之間更頻繁地轉換以及在設計過程的最后步驟中更為深入。[35]

三、啟示與借鑒

我國于2010年啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，拉開了我國工程教育新一輪改革的序幕。但是“卓越工程師”培養(yǎng)的適切路徑在何方？如何能夠真正提高我國工科學生的實踐創(chuàng)新能力？這都是我國高校培養(yǎng)工程人才所要關注和解決的核心問題。上述美國高等工程教育改革的動向，值得我們思考與借鑒。

1.對“回歸工程”的關鍵路徑要有深刻的認識。應該說，我國高等工程教育還是比較關注美國改革動向，早在1996年國家教委工程教育考察團在赴美考察報告中已經注意到了美國工程教育“回歸工程”動向[36]。但后來無論國內高校還是研究學者更多地把“回歸工程”看作是工程教育的應有之義，并普遍從一個比較宏觀的角度予以關注和討論，而對“回歸工程”的關鍵路徑缺乏深入研究。實際上，設計作為過程，是一個個體反思、知識應用、社會互動等子過程相互交織、彼此重疊的復雜的行動過程;設計作為活動，是工程的本質及核心所在，使工程區(qū)別于科學;設計作為方案，就是在包括設計情境和使用情境在內的人類活動情景中，解決物理結構與意向功能如何在人工物上統(tǒng)一的問題。因此，工程教育要“回歸工程”，說到底，就是要回歸“設計”這一工程的本質。[37]換言之，工程教育“回歸工程”的關鍵路徑在于“依托工程設計”。

2.對工程教育課程體系要進行科學的“設計”。正如奧托·羅姆派爾曼（Otto Rompelman）等人建議，工程教育應該引入工程設計中的強大工具和系統(tǒng)方法，比如課程及課程體系的建設就可以作為一個設計問題來處理。[38]在科學主義看來，知識是客觀的，因而它又是絕對的、永恒的、具有普遍的價值。在科學主義觀照下的工程教育中，科學知識處于最高層次;技術知識，被視為科學知識的一種退化形式，處于最低層次;而工程知識盡管也被視為科學知識的另一種退化形式，但根本沒有作為獨立知識形態(tài)的合法地位。由此，工程教育課程體系普遍呈現為“直線式結構”，即按基礎科學課程、應用科學課程、實踐課程等先后順序開出。然而，知識具有多元性、情境性、動態(tài)性、默會性等特點，在工程實踐中更是如此。因此，高校應該以設計為主線重構工程教育課程體系：一是在開發(fā)單門工程教育課程時，應盡可能把科學知識、技術知識、工程知識予以相互融合;二是以系列設計類課程為主線，把大學一年級到大學四年級（甚至研究生階段）的課程有機地串聯(lián)起來，讓學生通過難度遞增的設計任務的訓練與實踐，使他們的知識、能力與素質逐步得以提升;三是積極通過校企合作，為學生的課程學習提供必要的、真實的工程環(huán)境支持。

3. 對“基于設計的工程學習”的內在機理需要進一步研究。如上所述，美國高等工程教育重新認識到了工程設計的教育價值，以“設計”為主線優(yōu)化課程體系并在教學過程中推行“基于設計的工程學習”，取得了一定進展和成效。然而，這些改革探索更多地停留在操作層面，“基于設計的工程學習”的內在機理仍缺乏深入分析。工程活動有自身的屬性和內在規(guī)定，因此，“基于設計的工程學習”跟一般意義上的“基于設計的學習”是否存在差別？它是如何發(fā)展和變遷的？它的構成要素有哪些？其影響因素又有哪些？它具有什么特征？如何構建適宜的學習環(huán)境以支撐這種學習模式等等，均需要進一步深入研究。就我國高等工程教育改革而言，雖然在“回歸工程設計”方面相對落后了，但如果組織一定的研究力量去深入剖析“基于設計的工程學習”的內在機理，做到“知其然，更知其所以然”，那么我國高等工程教育改革在借鑒美國經驗的同時，還是能夠發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢的。

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