整體工程觀視野下的工程師和工程教育改革

崔軍

摘要：整體工程觀是指導工程實踐和工程教育的哲學新理念，其整體性涵蓋了工程背景、工程要素、工程產品生命周期、工程活動各個階段。我國高等工程教育存在過度科學化、工程性不強、課程脫離工程實踐等問題，其改革應以整體工程觀為指導，回歸當代工程實踐，著力構建“工程范式”的課程，實現理論與實踐的融合、知識與能力的協(xié)同、技術與非技術的平衡，彰顯“和合”的工程教育思想。

關鍵詞：整體工程觀；工程師；工程教育

工程教育具有“工程”和“教育”雙重基因。從工程的角度審視工程教育，工程觀會影響工程人才觀，進而影響工程教育觀。整體工程觀作為“大工程觀”的深化和發(fā)展，是指導當代工程實踐的新理念，也為工程教育改革提供了新視角。本文試圖闡釋整體工程觀的內涵，探討“整體型”工程師的特質，進而思考我國高等工程教育的改革。

一、整體工程觀內涵

1_工程的本質

工程究竟是什么？它與科學、技術是什么關系？我國學者李伯聰在《工程哲學引論》中提出了工程本質的“三元論”：科學、技術和工程是三個不同的對象、三種不同的社會活動，它們有本質的區(qū)別，也有密切的聯(lián)系。科學的核心活動是發(fā)現，技術的核心活動是發(fā)明，工程的核心活動是建造。實質上，科學家是揭示自然界已經存在的規(guī)律，而工程師需要建造世界上原本不存在的物品。因此，實踐是工程的基本屬性之一，它是工程理念轉化為現實的過程?！肮こ趟季S最本質的特征既不在于‘理論理性，也不在于‘工具理性，而在于‘實踐理性”。

2.當代工程實踐面臨的挑戰(zhàn)

當代工程實踐正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。隨著經濟社會的不斷發(fā)展，以及信息技術的持續(xù)變革，人們對工程和工程實踐的認識也在發(fā)生變化。德國政府在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出的“工業(yè)4.0”高技術國家戰(zhàn)略，被普遍認為是“第四次工業(yè)革命”的代稱，它試圖在制造業(yè)內探索一種“智能化”的工業(yè)發(fā)展模式，實現智能工廠、智能生產、智能物流三大目標。中國政府出臺的《中國制造2025》與“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略具有內在一致性。美國工程院2008年發(fā)布了21世紀工程面臨的14項大挑戰(zhàn)，這些懸而未決的工程問題包括能源與環(huán)境、醫(yī)藥與健康以及安全、學習與計算等。這些問題跨越不同的國界和學科，應對這些大挑戰(zhàn)，需要對工程設計進行整體的、系統(tǒng)的思考。這不僅需要工程師在設計新產品和系統(tǒng)的過程中關注新技術，還需要將人的因素作為工程設計的核心，并慎重考慮工程設計對政治、經濟、社會和文化的影響。

3.整體工程觀的提出

整體工程（Holistic Engineering）的概念最早由賓夕法尼亞大學博德格納提出，主要是指工程教育應采用跨學科、全系統(tǒng)化的方法。2007年，格拉斯和馬丁奈里完整地表述了“整體工程”的概念：對工程來說，就是更加跨學科、全系統(tǒng)的方法；在快速變化的世界中，強調問題形成的背景，領導以團隊為中心的工程項目，跨學科溝通的能力，以及終身學習的愿望。這個概念體現了整體主義思想。格拉斯還用一些案例說明整體的工程觀念。例如，環(huán)境工程師和科學家們致力于通過技術手段控制污染，但最終是經濟學家們開發(fā)的“帽子交易”（Capand Trade）獲得了成功：通過政府發(fā)放排污經營許可證，增強企業(yè)減少污染排放的動機，以減少特定地區(qū)酸雨的形成。在這個經濟學驅動的工程項目中，單靠科學家似乎無能為力，工程師需要考慮所有可能的因素，而不僅僅是依賴技術。

整體工程觀的提出經歷了一個漸進的過程。20世紀80年代，美國為了矯正“工程科學運動”的不良后果，提出了“回歸工程實踐”的理念。90年代，麻省理工學院院長喬爾·莫西斯提出了“大工程觀”，特別強調工程具有背景敏感性。大工程觀中的“大”，不僅指工程規(guī)模本身之大，更指工程所處的背景之大、所依賴的學科知識范圍之大。進入21世紀后，大工程觀得到了深入的發(fā)展，逐漸形成了“工程系統(tǒng)學”，認為當代工程實踐具有高度的技術復雜性、社會復雜性和過程復雜性等特征；工程是基于管理、社會等多學科領域，通過綜合、新型的方法解決社會中難以預知的復雜問題。

整體工程觀是對大工程觀、工程系統(tǒng)學等工程理念的進一步深化和發(fā)展。全球化知識經濟時代的技術市場，需要價格低、質量高的工程產品，需要工程去解決社會面臨的日益復雜的問題。過去，社會中出現的問題主要是線性的、機械的、離散的，工程師憑借數學和科學的應用就能解決。如今，復雜的社會問題需要憑借“知識共同體”（Unity of Knowledge）來解決。也就是說，工程師在設計產品時不僅應考慮技術因素，還需考慮社會和人的因素。科學和技術為工程提供理論和工具，社會與自然為工程提供資源與需求，工程通過建構物品使社會和人類受益。工程，特別是工程設計，不僅是依靠科學洞察力和科學成果的過程，而且是一個社會過程。

4.整體工程觀的整體性特征

通過上述分析，筆者嘗試歸納整體工程觀的整體性特征：

第一，工程所處的背景之大。工程所處的外部大背景包括政治、經濟、文化與社會等相互聯(lián)系的共同體。當今世界，工程尤其需考慮公益服務、公共政策、經濟效益、民族精神、審美藝術、社會責任、地緣政治、倫理規(guī)范、利益沖突、環(huán)境保護、低碳排放等背景因素。

第二，工程包含的要素之全。整體的方法需要綜合利用非技術要素和技術要素，以解決知識經濟時代所面臨的復雜性工程問題。非技術要素往往能在解決工程問題中發(fā)揮獨特的作用，如經濟學家通過經營許可，引導企業(yè)減少污染排放，從而控制了酸雨的形成。

第三，工程活動的階段之完整。在整體性視角下，工程活動包括三個階段：“工程前”，需要調研工程性能的預期、經濟效益、環(huán)境保護等限制條件；“工程中”，需要按工程的技術規(guī)范建造與測試；“工程后”，要監(jiān)測工程產品的運行狀況，以及如何終止與消解工程。

第四，工程產品的生命周期之完整。整體工程觀視構思、設計、實現與運行為工程產品的完整生命周期，這與麻省理工學院提出的CDIO理念是一致的。這四個周期相互聯(lián)系、相互影響，缺一不可，共同決定著工程產品的質量。endprint

二、整體工程觀視域下的工程師

整體工程觀視工程為復雜的生態(tài)系統(tǒng)，凸顯了工程實踐活動的整體性、系統(tǒng)性、跨學科性、應變性和可持續(xù)發(fā)展，強調工程在人、自然與社會大背景下通過聯(lián)結、轉化與超越而實現工程創(chuàng)新。那么，整體工程觀對工程師培養(yǎng)將產生怎樣的影響呢？筆者擬從以下四個方面，嘗試性地考察整體工程觀視域下的工程師新特征。

1_工程師的職業(yè)形象

傳統(tǒng)工程師職業(yè)被視為技術員或工藝師，工程師似乎無需關注技術之外的東西。人類進入21世紀后，知識經濟和工業(yè)形態(tài)的變化對工程師職業(yè)提出了重大挑戰(zhàn)。21世紀的工程師應當是“無所不知、無所不能、能與任何地方的任何人合作、具有想象力并能將夢想變?yōu)楝F實”。美國工程院對未來工程師職業(yè)形象的表述最能體現工程師的整體性：未來的工程師應當具有里昂的聰明才智，摩爾的解決問題的能力，愛因斯坦的科學洞察力，畢加索的創(chuàng)造力，懷特兄弟的果斷，比爾蓋茨的領導力，羅斯福的道德心，馬丁·路德金的遠見，以及小朋友的好奇心。

工程可理解為四個維度：基礎科學，人文科學，設計和工藝。因此，工程師也應當是科學家、人文主義者、設計師和工藝師。工程師是多樣化的職業(yè)形象，這樣的職業(yè)形象至少對許多工程教育者來說是陌生的，其原因歸根結底是學術圈外的工程職業(yè)工作者和學術圈內的工科教師之間存在認識的差異?？梢姡w型工程師與傳統(tǒng)工程師的職業(yè)形象差距甚遠。

2.工程師的思維習慣

傳統(tǒng)工程師并沒有注重整體性思維在工程實踐中的獨特作用。其實，工程思維不同于注重想象的藝術思維和注重理性的科學思維。工程思維注重實踐理性，工程師因“我造物故我在”而得以安身立命，但工程思維中也滲透著價值追求。工程師能創(chuàng)造有用的事物或者使事物運作得更好，但他們是通過特殊的方式來實現的。英國皇家工程院在2014年發(fā)表的《工程師是怎樣思考的》報告中提出，工程師的核心工程思維是“使之工作、使之更好地工作”，并將“系統(tǒng)思考”作為工程師首要的思維習慣：能看到整個系統(tǒng)及其各個部分，明白其連接方式、依賴關系。這些思維習慣，充分說明了整體性思維對工程師的重要性。

工程師的思維方式之所以與眾不同，是因為它以解決問題為導向，始于“非知識性的無知”。正是因為對現有實踐問題的“無知”，工程師才會去創(chuàng)新地提出方案，解決問題是工程師思考的目標。為了達成這一目標，工程師需要尋求解決問題的優(yōu)化方法，因此，獲取和使用這些方法的知識以及目標背后的價值觀對工程師而言必不可少。根據帕斯特的研究，工程師在解決問題之前缺失的知識是一種類似“元知識”的知識，這樣的知識體現了待解決問題的特征，引導工程師尋求解決問題的最終方案，這樣的知識還與顯性技術和規(guī)范性知識有關。這種沒有邊界的視野將成為整體工程師的思維習慣。工程師知道什么和如何知道，決定了工程思維的復雜性，工程師的思考因而也應是系統(tǒng)的和整體的。具有整體性思維的工程師才會更加全面地看待工程問題的各個要素，更加深刻地理解工程產品在社會大背景下的設計、實現、運行甚至消解。

3.工程師的職業(yè)倫理

過去，工程師的社會責任主要體現在對技術可靠性和有效性的負責。如今，從工程師的職業(yè)倫理來看，工程師擔負的責任不僅僅是滿足技術標準。工程是一種實踐性很強的活動，工程師既需要深刻地理解技術標準，成功地應用這些標準，識別已有標準的局限并努力改進，又需要對工程產品的性能如穩(wěn)定性、安全性、有效性、服務能力等負責，還需要對環(huán)境、社會倫理負責。當前，工程師的職業(yè)實踐正受到一些變化帶來的挑戰(zhàn)，如新技術革命、全球化和外包、工程專業(yè)入學青年的人口變化等。例如，美國職業(yè)工程師協(xié)會制定的《倫理章程》開宗明義地指出：“工程對所有人的生活質量有直接的和重大的影響，工程師應將公眾安全、健康和福祉放在首位；工程師應做雇主或客戶的忠實受托人”。由此，工程師職業(yè)倫理要求工程師不僅僅是技術專家，職業(yè)工程師需要平衡地考慮技術實現以及雇主與社會的需求。

4.當前社會對工程師的訴求

社會對“整體型”工程師期待已久。傳統(tǒng)型工程師解決問題主要依靠科學原理在技術中的應用，然而，當今的工程問題具有復雜性，單憑技術手段難以滿足利益相關者的需求，這就需要工程師在社會大背景下，運用跨學科的知識進行團隊合作，從而提出創(chuàng)新的解決方案。整體型工程師是一種新型工程師，他們能跨學科地廣泛思考，并能在工程設計過程中考慮人文的維度。未來的工程師是集學習與參與、智力與心靈、社會與技術、所知與所為、專業(yè)工程師與社會行動者以及科學一認知一設計一工藝和種族一階層一性別的多元維度于一體的創(chuàng)新者。

國際工程專業(yè)組織對工程師的能力要求和認證標準也體現了整體性。歐盟國家工程協(xié)會聯(lián)盟、英國工程師協(xié)會、美國工程認證委員會等專業(yè)組織制定的職業(yè)能力標準，除了知識與理解、工程分析、工程設計、工程實踐技能外，還特別強調研究與探索、可遷移技能等能力，特別是團隊合作、交流表達、終身學習、領導力等軟技能。我國也于2010年組織實施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，旨在加強工程師整體能力的培養(yǎng)。這充分說明，工科學生需要在知識和技能、理論和實踐、技術和非技術之間達成平衡，而不是偏重一方，這體現著整體工程觀的思想。

三、基于整體工程觀的高等工程教育改革

1.對我國高等工程教育問題的反思

楊叔子院士指出，我國工程教育的問題出在工程人才的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力上，而創(chuàng)新之根在實踐，無根、無好根，怎能長創(chuàng)新之樹、開創(chuàng)新之花、結創(chuàng)新之果？有學者將中國當代工程教育的深層次問題歸納為：工程性缺失或非工程化，過分科學化，創(chuàng)新性缺位，實踐性缺失，培養(yǎng)模式趨同化、單一化。筆者對我國6所大學的523位大四學生、20家企業(yè)的232位雇主以及14位工程教育專家等利益相關者開展了問卷和訪談調查，研究結果表明，我國高等工程教育的主要問題是：過多地強調工程科學，弱化工程實踐，脫離產業(yè)需求，帶有工程科學之烙印。endprint

上述問題背后反映的是工程教育中理論與實踐孰輕孰重的基本問題。從歷史上看，高等工程教育的發(fā)展是理論與實踐的沖突、調適與平衡的過程。高等工程教育偏離工程實踐，是世界工程教育的共性問題，這直接體現在“科學范式”的課程。課程體系中數學和科學內容占很大比例，而實踐性內容大量削減。這導致工科學生“在黑板上開機器”或在電腦屏幕上仿真模擬工程。其弊端明顯：追求學科知識的完備性，工程學科之間壁壘深厚；課程中的理論與實踐、知識與能力之間出現了明顯的分離，呈現出“去工程化”和“工程軟化與弱化”的特征，這背離了工程本質，偏離了工程實踐。

“科學范式”的課程所培養(yǎng)的工程人才將工程局限于“狹窄的技術”或“技術上的狹窄”，不具備整體的思維習慣，難以擔當造福人類的重任?！肮こ探逃畴x產業(yè)實踐的根本原因在于，工程教育是被科學規(guī)訓的，工程教育的改革就是要對學科規(guī)訓的突圍”。

2.我國高等工程教育改革的機理

高等工程教育存在的問題與工程觀、人才觀和教育觀指導的缺失有關。工程教育改革需要現代化理念的指導，這預示著教育價值的轉型和課程范式的轉換。我國高等工程教育改革的走向，應當是以整體工程觀為指導，回歸“整體型”工程實踐，解構“科學范式”的課程，著重構建“工程范式”的課程，以培養(yǎng)理論與實踐融合、知識與能力協(xié)同、技術與非技術平衡的“整體型”工程師。

傳統(tǒng)的工程教育模式側重于嚴謹的分析訓練，這對知識學習的深度很有幫助，但對知識應用的訓練不夠，且對工程師所需的溝通交流、團隊合作、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)等技能的培養(yǎng)明顯不足。工程教育畢竟姓“工”，它不可避免地要深入地涉及具有整體性特征的工程實踐。工程教育專家們早己呼吁，運用更加整體的方法開展工程教育?；谡w工程觀的工程教育改革，一方面要求課程擺脫工程科學的陰影，回歸到工程實踐中來另一方面要求課程面向“整體型”工程實踐的新特征，實現課程與工程、理論與實踐、知識與能力的連結、轉化與超越。

整體工程觀視域下“工程范式”的課程改革維度是，從時間上看，讓學生盡早參與工程實踐，使學習進程安排符合實踐的認知規(guī)律；從空間上看，開展校企合作培養(yǎng)，為課程實施提供真實的工程實踐情境；從深度上看，課程內容強調工程知識的集成性，體現工程的知識基礎和實踐特性；從寬度上看，課程需強調對技術能力和非技術能力的包容，并體現全球化知識經濟中工業(yè)形態(tài)的變化以及工業(yè)界企業(yè)雇主對工程師的需求。

值得指出的是，“工程范式”不是否認我國工程教育過去的成績和優(yōu)良傳統(tǒng)，而是使工程教育融入全球化背景下工程實踐的新特征；也不是單純地從工程教育“鐘擺”的理論一端擺向實踐一端而矯枉過正，而是在擺動的過程中實現動態(tài)的平衡?！肮こ谭妒健钡恼n程意味著對工程本質的追尋，對工程生命周期的反思；體現了工程理念從“分體”到“整體”的分野，反映了工程的工具理性和價值理性的聚合，這是科學文化和人文文化的深度融合。

3.我國高等工程教育改革的路徑

基于整體工程觀的工程教育改革的具體路徑主要有以下方面：

第一，重建“三位一體”的工程教育目標。改變過去重知識、輕能力的教育目標，構建知識、技能與態(tài)度融合的工程教育目標體系，既讓工科畢業(yè)生掌握扎實的科學知識，又讓他們學會解決復雜工程問題的技能，還培養(yǎng)他們對人、自然與社會的態(tài)度。這三個維度的目標相互影響、相互促進，將指引知識、技能與態(tài)度整合的學習結果。

第二，加強平衡的工程專業(yè)能力培養(yǎng)。工程專業(yè)能力可分為技術能力、非技術能力和專門能力三大類。除了要培養(yǎng)學生的知識應用、科學研究、工程分析、解決問題、工程設計和運用現代工具等硬技能外，要重點培養(yǎng)工科學生的團隊合作、溝通交流、商務管理、工程背景與工程倫理理解以及終身學習等軟技能。此外，工程教育還需關注工程領導力、工程創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)、可持續(xù)發(fā)展以及與特定工程專業(yè)有關的專門能力。

第三，打造融合型的工程教育課程結構。傳統(tǒng)上，我國工程教育課程以公共基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課的“三層次”結構為主。當前，我國工程教育課程形成了通識基礎課、大類學科基礎課、專業(yè)主干與方向、集中實踐環(huán)節(jié)的“四平臺”結構。整體工程觀指導下的工程教育課程，應當是打通學科界限，以工程問題為首要組織原則，將學科知識、問題解決、項目設計、實踐能力融入課程單元，形成多模塊化的課程結構。

第四，運用歸納式的工程教學法。不同于演繹式的教學法，歸納式的教學法遵循從具體到抽象、從個別到一般的邏輯，這完全符合工程教育的實踐屬性。從國外一流大學的工程教育改革案例來看，歸納式教學是工程教育的主流趨勢，如基于問題的學習、基于項目的學習、基于工程經驗的學習、工程案例教學、合作學習等。歸納式學習打破了學科導向的“系統(tǒng)學習”的壟斷地位，構建了工程問題導向的學習模式，值得我們借鑒。endprint