論跨學科能力培養與我國工程實踐教育改革

陳亞玲

摘要：即將來臨的工業4.0時代提出了未來工程師兼具多學科知識和系統思維素質要求，同時，這也向當前的高等工程教育提出了變革的挑戰。在學科制度下，高等工程教育的實踐教育具有在知識基礎和組織建制等層面開展跨學科教育的獨特優勢。筆者所在大學根據現代工程的實踐本質較早開展實踐教育改革，創設了多學科交叉融合的工程生態環節，實施多元項目教學，有效破除了學科壁壘對跨學科人才培養的障礙，取得了顯著的改革效果。

關鍵詞：工業4.0 跨學科；學科制度；工程教育；實踐教育

德國“工業4.0”戰略的提出迅速引起了世界范圍內的廣泛關注和一些主要國家的戰略追隨。與此相應，即將來襲的第四次工業革命要求未來工程師必須具備跨學科的知識視野和系統的思維習慣，這對當前高等工程教育提出了緊迫的變革要求。我國高校的跨學科教育在近二三十年的探索中，著力在理論教學層面探索知識的交叉性和綜合性，但囿于學科制度知識和組織的雙重規限，跨學科教育遇到諸多困難。實踐教育在高等工程教育中是與理論教學并重的教育內容和手段，它不僅在知識層面應和了以跨學科為主要特點的知識生產模式Ⅱ的要求，而且在組織層面具有打破學科壁壘的獨特優勢。南京理工大學在大工程觀的理念指導下，開展實踐教育改革，構建了多學科交叉融合工程實踐平臺，實施多元項目教學，破除學科壁壘，還原現代工程的生態環境，切實培養了學生跨學科的綜合素質。

一、未來工程師的素質要求與我國高校的跨學科教育現狀

數年來，工業界一直處于一場重大而根本性的變革之中。德國提出的“工業4.0”概念向我們展示了未來工業界的場景，即利用基于信息物理融合系統的智能化，工業生產組織方式由集中式控制向分散式增強型控制轉變，最終建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。[1]在將來這種具有顯著系統性和綜合性特點的工程環境中，具備跨學科合作的能力將越來越重要，世界范圍內工程師的培養將從以跨學科為主要特點的第五代工程師向既有“知識雜交”的能力，又必須有系統工程的全局思維（系統思維）的第六代工程師轉換。[2]

這種轉換涉及到工程師培養的轉型，第六代工程師的培養需要“另一種教育”。“在過去幾十年，不斷專業化的過程中缺少這樣一種教育：理解全局，能領導和負責一個復雜技術系統的開發。這也許不是一個關于新的科系或者新的大學專業的問題，而實際上是一個現存科系及專業彼此滲透貫穿的問題。”[3]可見，這“另一種教育”的實質是以培養多學科的知識積累和跨學科的思維能力為目標的跨學科教育。

與國外工程師培養正處于結束第五代、走向第六代的趨勢相比，當前我國的工程師培養仍停留在第三代工程師即“非常專業化”的階段。在創新型人才和現代工程師培養的理念影響下，如何讓本科學生獲得寶貴的跨學科經歷，從1980年代以來我國高校陸續進行了不懈的探索。基于知識的交叉性和教育的研究性，這些探索可以歸納如下：

設置跨學科專業課程，這又可分為兩種，一種是在某門課程內容方法上進行跨學科設計；一種是由不同學術傳統或不同學科教授進行跨學科合作教學；設立跨學科項目的課程與課程體系，把多個科系開設的與該項目領域相關的課程資源組合起來，構成一個跨科系的課程體系；開設通識教育課程，在工程教育領域，除了原有人文、社會科學和自然科學類的通識課程基礎外，還開設了工程技術類通識課程；在組織結構上，一些高校開設人才培養特區——試（實）驗班，并在此基礎上發展為學院，如“茅以升班”、“竺可楨學院”、“致遠學院”等。

學科制度作為一種知識—權力體制，學科新人的規訓、高級專門人才的塑造，均受其學科共同體認可的行為規則的約束，規則內的行為和活動受到許可和鼓勵，反之，則受到排斥和打擊。跨學科教育不僅是知識體系間的交流與合作，同時需要相應的制度保障、資金支持、人員配置與認知活動相互配合。因此，跨學科活動體制化的運作方式是比跨學科的認識進路更為復雜的課題。[4]

·學科與專業·論跨學科能力培養與我國工程實踐教育改革

我國高校所展開的上述跨學科教育固然取得了積極的效果，但在學科制度的知識和組織的雙重規限下，其活動范圍和實施效果大受影響，一些學校所開展的跨學科教育僅僅是提供為數不多、且不作任何專業相關性限定的自由選修課，學習效果不好。而課程結構設計合理并有組織建制的各類“試驗班”，其實質是實行一種校內教育雙軌制，不僅其課程結構模式與全校本科課程結構之間存在著矛盾和沖突，而且大學內部的體制性障礙使其難以有效發揮其應有的作用，試驗班的示范意義和推廣價值受到質疑。[5]

工程具有綜合性，現代工程更是一個綜合性的大系統，它本身就包涵了學科的會聚和綜合，體現了不同專業包括基礎專業的綜合、科學理論和技術手段的綜合、與社會科學和人文科學體系之間的綜合等等。然而，在學科制度的剛性影響下，當前以學科專業為基本單元組織教學活動、單一的學科專業的設置與工程的本質不相適應，我國的工科教育如何從原來學科的分析轉到以綜合為主的思想上來，這個問題一直沒有得到重視，更談不上解決。而在工程教育里面，這是個非常重要、亟待解決的問題。[6]

二、實踐教育及其在跨學科工程人才培養中的價值

工程的本質是人類為滿足生存與發展需要，而改造已有世界、創造未有天地的實踐活動，實踐性是工程最基本的屬性。工程實踐在內容上包括工程項目的實際考察、工程設計、參與施工、參與運行管理和工程維護等。在人、自然和社會組成的這個復雜生態系統中，與傳統的工程實踐相比，未來的工程實踐具有系統性、復雜性、多樣性、綜合性、應變性、創新性、全球化、可持續發展等特點，未來的工程師需要具備整體的思維，利用新工具和不斷增長的工程學知識，考慮社會訴求和限制條件，在復雜的背景下與工程師和非工程師團隊合作，結合傳統和創新的方法解決未知的復雜問題，實現技術與社會系統的和諧。[7]

工程的實踐性決定了實踐教育是工程教育中不可或缺的重要內容和手段。理論與實際相結合，對工程教育來說，主要不是結合于理論，而是結合于實際，用字當頭，實踐第一，這既是工程創新的精髓，也是工程教育的精髓。[8]在工程教育中，實踐教育主要包括校內的實驗、校外的實習、見習，以及校內外結合的研發、設計項目等。實踐教育面向工程實踐，具有直接現實性，同時，它的實踐性可以培養學生的實踐操作能力、創新精神和高尚品格等。另外，實踐教育具有綜合性，給學生提供一個綜合運用多種知識、鞏固和深化所學理論、鍛煉和培養學生實踐能力的廣闊天地。綜合性表現為三個方面：一是學科內部知識的綜合運用，二是跨學科知識的綜合運用，三是知識與以直接經驗為主導的活動之間的綜合運用。[9]所以，對工程教育來說，實踐教育不應局限于技術內容上的實踐教學，還應該作為學生綜合能力培養的手段。

學科制度作為一種高度制度化的知識生產形式，知識生產模式的變革必將深刻影響高校目前的教育教學活動。20世紀60年代以來悄然形成的知識生產模式Ⅱ，聚集于問題、基于應用的訴求導向使其天然具有跨學科性，大學也變得更具疏松性，不再是知識生產的唯一機構，政府和企業都成為知識生產的利益相關者。在人才培養上，與知識生產模式Ⅰ框架下的高度學科性和人才培養的封閉性相比，新的知識生產模式要求人才培養走向“開放體系”，著重培養學生的跨學科和超學科能力。近些年引人矚目的高等工程教育改革先鋒歐林工學院認為高等工程教育要做到以學生為中心，就必須不設置院系。[10]然而，就絕大多數高校而言，在當前學科制度形成的院系主導的權力框架下不可能摒棄院系建制，這種“開放體系”可以在實踐教育部分環節實現。

根據實踐教育的理念、教學基礎設施和內涵、實踐教學方法、實踐教學對象和實踐教學管理，我國工程實踐教育經歷了金工實習、現代工程實踐教學和現代工程實踐教育三個階段。[11]由于長期以來重“學”輕“術”，實踐教育得不到重視，淪為理論教學的附屬品。如中國工程院在2010年發表了題為《人才創造未來，創新引領世界》的關于工程科技人才培養的研究報告，該報告指出了我國工程教育及人才培養中存在的幾個突出問題，其中包括：（1）工程教育中工程性缺失和實踐教學環節薄弱問題長期未能得到解決；（2）工科專業課程體系嚴重落后于產業發展的實際需要。[12]因此，大力加強實踐教育是我國政府和各高校近年來著力解決的問題，一些高校的工程訓練中心作為開展工程實踐及教學的校內平臺，在回歸工程、注重實踐的理念指導下，所開展的工程訓練切實地培養了學生的跨學科能力和工程創新能力，其經驗值得剖析和推廣。

三、南京理工大學工程實踐教學改革案例分析

南京理工大學工程訓練中心成立于2007年，其前身亦是學校的實習工廠。由于較早認識到我國高等工程人才培養中存在的實踐性不足、工程性缺失等問題，在2002年學校以畢業設計為切入點，組織機電一體化、工業設計、市場營銷、會計等專業的學生建立跨學科畢業設計團隊，模擬產品從市場調研、開發到投入市場的基本過程。2003年，學校聯合企業，設立創新人才基金，組織跨學科畢業設計團隊面向企業“真題真做”。

在這些教學改革和探索的基礎上，工程訓練中心在組建之初即定位為一個橫跨學院的教學單位，目標是構建功能明確、關聯學科協同、交叉整合、生態良好的工程人才成長平臺，使“交叉學科方法”成為工程訓練中心發展方法和工程科技人才培養模式。圍繞這個目標，在近10年的探索中，學校構建了多學科交叉的工程實踐平臺，實施項目教學，提升大學生工程創新能力的工程實踐教學體系。

1.構建多學科交叉的工程實踐平臺

學校以工程整體化思維為指導，從“軟”“硬”兩個方面構建關聯學科交叉整合的工程實踐平臺，將現代工程多學科的知識背景以及政治、經濟、文化等非技術要素融入進來，形成現代工程學科“生態”環境，幫助學生在工程實踐中還原被學科割裂開來的工程整體原貌。

在“硬”條件建設上，①學校不囿于已成定勢的教育資源配置格局，通過跨學科專業合作，共建物流工程、工業自動化仿真、機器人綜合技術、創意設計等13個專業綜合實驗室；②通過校企合作，一方面引進企業資源共建正泰電工工業設計中心、漢機滾動功能部件、城市軌道交通設計等8個校企合作實驗室；另一方面通過資源外延拓展，結合“卓越工程師教育培養計劃”項目實施，與南京理工大學12個國家級工程實踐教育中心形成有機聯動，建立校外企業聯合實驗室，充分利用校外企業工程實踐教育資源，保障工程教學與企業需求實際相結合；③通過國際產學研合作，與德國KUKA建立智能焊接聯合研究室、與日本SMC建立南京氣動技術中心、與美國PTC共建PTC學院、與德國CONCEPT Laser公司共建金屬增才制造技術聯合實驗室等，充分利用國際優質工程資源。目前學校已建成具有機械、電子、材料、自動化、車輛、交通、測控儀器、工程管理、藝術設計等多學科背景的工程實踐教學平臺。

在“軟”條件建設上，學校非常重視工程文化的建設，通過團隊文化、安全文化和軍工文化的教育、大學生科技作品展示、技術演進史展示等方式，積極營造良好的工程文化氛圍。

2.實施多元項目教學

學校以工程實踐能力、多學科背景及整體性思維方式、職業道德和社會責任感為目標，以工程創新實踐為導向，構建以基礎實習項目、創新訓練項目、創新競賽項目、創新性實驗項目和企業實戰項目等為核心內容的工程創新項目教學體系。項目教學按照選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價6個基本步驟實施。項目教學具有兩個顯著特征，一是聯合企業參與，導師團隊合作開發；二是以項目為載體，學生團隊合作學習。

創新性實驗項目主要指那些產生顯著變化的新成果的實驗，如新產品的開發和設計、新工藝的創造和使用、新技術的發明和應用、復雜產品或項目的集成等。在這類具有多專業背景的學生團隊的設計性項目學習中，學校通過“1+X”教學模式，即以“1”個設計性項目為驅動，采用網絡課程、開放性實驗、專題講座、團隊研討等“X”種輔助形式，來拓展學生的實踐能力，并以團隊合作方式完成項目的設計與制作。

企業實戰項目是聯合知名企業，在校內建立校企聯合研究室，形成“孵化基地”，組成不同學科專業的教師團隊和學生團隊，面向企業開展真題真做的創新實踐活動。近幾年，學校依托校企合作實驗室開展了“地鐵自動售票系統研制”、“智能開關”等項目的設計研究，每年進入研究室參與企業實戰設計和工作的學生近600人。為擴大項目來源，學校于2012年建立了“接受企業向大學生發布研究課題”的機制，進一步擴大合作企業的行業領域與范圍，主動尋找企業實戰項目，定期面向學生發布。

學校立足工程的本質特征，把握高等工程教育的規律和趨勢，創新實踐教育的思路及方法，取得了顯著的教學效果。學生的工程創新能力得到有效增強，學生面向企業開展“地鐵自動售票系統研制”等22個項目的設計研究，近四年，參與企業實戰設計和工作的學生達到2200多人，獲得實用新型專利和發明專利100多項。利用國際化平臺資源，與國外大學生合作完成了“中歐微納小衛星設計”、“中美48小時快題設計”等項目，展現了優秀的設計才能。學生在國內外高層次競賽中表現卓越，獲得國際設計獎6項，獲“挑戰杯”、“飛思卡爾杯”大學生智能車競賽、工程訓練綜合能力競賽等國家級特等獎、一等獎28項。超過60%的畢業生進入“世界500強”和“中國500強”等知名企業，同時還涌現了一大批科技創業的成功典型。南京理工大學的實踐教學改革也受到國內外高校的高度評價和認可，2014年獲得國家級教學成果二等獎。

（感謝南京理工大學工程訓練中心為本論文的寫作接受訪談和提供資料！）

參考文獻：

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[12]中國工程院.人才創造未來，創新引領世界——關于工程科技人才的調查報告[EB/OL].http：//education.news.cn/2010-06/10/c_12204587_2.htm，2010-06-10.

（責任編輯劉第紅）