世界一流大學工程跨學科人才培養路徑探析

張惠 雷慶

關鍵詞：高等工程教育;跨學科;人才培養;佐治亞理工學院

作為工程領域的世界頂尖名校，佐治亞理工學院始終以運用先進科學技術改善人類生存環境，以引領世界、改變世界為宗旨，長期致力于高層次工程科技人才的培養。而伴隨第三次科技革命深入發展帶來的全球重大、復雜、多學科問題的不斷涌現，工程世界的變革對高層次跨學科人才培養提出了的新挑戰。正是基于這種時代要求，美國佐治亞理工學院推出了旨在克服工程教育碎片化發展的大規模長期性跨學科項目——垂直整合項目（Vertically-Integrated Projects，VIP），向本科生提供解決工程領域重大問題和跨學科挑戰的機會。VIP項目由佐治亞理工學院工程與計算機學院的愛德華·科伊爾（Edward Coyle）教授于2008年創建。鑒于在跨學科和培養創新能力等方面的突出貢獻，VIP項目被列為美國國家工程院榮譽提名的95個項目之一。[1]作為“美國國家工程院”（NAE）認定的世界29個“將真實世界融入工程教育及本科生工程技術教育”的成功案例之一，VIP項目被公認為工程教育領域“跨學科真實項目”的典范。[2]時至今日，“VIP項目聯盟”已在全球擁有24個項目分點，其中包括密歇根大學、普渡大學等19所美國高校以及5所境外高校。佐治亞理工學院VIP項目作為聯盟中的牽頭項目，是發展最為成熟、最具典型意義的項目分點，在探索創新型垂直整合工程項目的道路上，逐步形成了獨具特色的工程人才培養體系。探究其培養目標、培養體系及特點，對于解決當前我國工程教育已頗具規模但高層次、高質量工程人才緊缺的問題，提供了極為有益的借鑒經驗。

?一、VIP項目的人才培養目標

VIP項目是基于導師牽頭項目的長期大規模垂直整合項目。從學科層面來說，VIP項目的目標是通過引入跨學科和垂直整合的真實工程世界，通過聚焦跨學科跨領域的大型研究工程，克服由于大學學科分割造成的碎片化研究，實現當前高等工程教育及STEM教育的系統性變革，并逐漸把項目推廣到國際舞臺上。[3]從院校層面來說，VIP項目的目標是通過組建跨學科研究團隊，吸引全校各個專業的學生圍繞跨學科工程項目主題展開研究，使本科生能夠與教師及研究生們一起工作，并使這種團隊建設造福項目團隊每個人。從團隊層面來說，VIP項目的目標是在挖掘自身團隊潛力、組建新的項目內跨學科團隊以及推廣高效的項目操作經驗的基礎上，通過持續而連貫的不受大學課程及年級學習期限限制的長期項目研究，解決研究時間的碎片化局限，創造并積累長期連貫的研發經驗。[4][5]VIP項目打破了傳統的以學期劃分學術研究的傳統，將本科生參與項目的時間延伸長達三個學年。這為學生進行完整而長期連貫的項目研究提供了充裕的時間保障，使學生能夠在大規模跨學科的探索性團隊中增強專業技能的同時充分體驗真實的工程操作實踐。[6]VIP項目的每個團隊通常在1～2名指導教師帶領下，圍繞既定項目目標和研究主題開展，例如“高端石墨烯蓄電池技術”（AGBT）團隊的目標是幫助學生學習電動汽車、航天器、城市智能基礎設施等的新一代蓄電池制造的理論和基本技能，“生物機器人”（BioBots）團隊的目標是通過模仿微生物，創造能夠運行生物電池的自主微型機器人。[7]

VIP項目的人才培養目標是基于當前工程教育面臨的人才挑戰而提出的。社會的可持續發展和創新需要來自多學科的高端科技人才的支持，而現有的工程人才培養模式存在很多欠缺：一是學生缺乏深入理解或進行真實而具體的專業研究的機會;二是學生通常既沒有機會參與新科技和新技術的研制開發，也沒有機會參與到真實的工程實踐中;三是學生的創新發明、新發現以及學術論文很少能真正投入社會實踐并產生效應。[8]而這正是VIP項目想要解決的問題。VIP項目的人才培養目標是培養具備跨學科視野和跨學科問題解決能力的、擁有長期而較為完整的項目開發經驗和工程項目實地操作經驗的人。首先，VIP項目要培養跨學科的工程人才，通過跨學科的研究主題、課程設置和組建模式，讓學生提升專業知識和技能的同時，對跨學科的工程理念、原理和方法進行學習和應用。[9]其次，VIP項目要培養能夠在真實工程環境中進行實地操作的人才，因此VIP的研究主題和操作環境都是類似真實的工程環境，讓學生在真實的工程項目中學會設計產品、掌握專業技能、積累工程實踐經驗。[10]再次，VIP項目要培養擁有長期、深入而較完整的工程項目開發經驗的工程人才，因此項目打破了傳統項目時段限制，本科生在校參與項目時間可長達3年多，畢業之后仍可持續參與項目長達數十年之久。此外，VIP項目也為團隊成員提供了領導力培養環境，項目中的教師和研究生都能參與團隊指導，獲得指導新團隊成員的體驗，這既培養了學生的領導力與監管力，也訓練了他們與不同年級、不同專業背景的學生有效溝通的技能。

二、VIP項目的人才培養體系

以跨學科研究為主線的課堂教學、學分換算、團隊建設，以及學習成果考核與評估等共同構成了佐治亞理工學院VIP項目的人才培養體系。

（一）VIP項目的課堂教學

創造性地整合基于真實工程項目的跨學科研究，是VIP項目課堂教學的顯著特征。相比起傳統的課堂，VIP課堂教學組織模式非常靈活，配合項目獨創的基于網絡式（web-based）的“同行評議”（peer-evaluation）和“項目筆記”（project Notebook），佐治亞理工學院為所有的“VIP聯盟”成員樹立起了榜樣。首先，VIP項目的教學大綱擬定了項目團隊一周一次的研討會，尤其是針對復雜而系統的實踐問題，團隊導師將對學生的輔導和交流傾注大量的時間。[11]其次，記載著團隊核心技術要素和操作流程的“項目筆記”，是VIP團隊技術傳承的關鍵，也是VIP項目的重要教學工具之一。VIP教學大綱要求所有團隊在新學期第二周將“項目筆記”帶到會上，分小組制定、討論項目問題。每學期要對“項目筆記”進行兩次等級考核，并要求在“研討會進度與筆記、項目任務清單相關的執行和反饋、筆記對于幫助新生了解項目設計決策的實用性與可讀性”三方面對“項目筆記”進行詳細地評估和反饋。再次，“同行評議”是VIP項目重要而特色的教學構成。[12]其目的是通過讓學生對所在團隊中的每個人進行全方位地評價，加強團隊協作并加強老師對學生學習狀態的監督。因此，同行評價是指導老師用來監督團隊合作、觀察團隊會議以及項目作業的重要工具。這種基于網絡式的評價一經佐治亞理工學院VIP項目使用，后被很多“VIP聯盟”成員效仿，而現已納入VIP教學大綱中。[13]

（二）VIP項目的學分換算

VIP項目是吸引學校跨院系、跨機構學生參與的多學科項目。在學分換算方面，VIP項目的學分可根據院系具體規定換算為“自由選修學分”（free electives）或“技術選修學分”（technical electives）等。中高年級的學生參與項目必須選擇一定的學分。而從該項目常年持續錄取學生的院系，大多都已出臺了項目學分與學位成績換算的政策和方案（見表1）。由于VIP項目參與人數與日俱增，學校出臺了針對VIP項目的學分政策調整，VIP課程的學分將通過換算可以直接計入學位考核成績。2017年春季，全校17個專業，5/6的院系已經采納了學校出臺的VIP學分政策，而來自沒有采納政策的院系的學生也能將VIP學分轉換為自由選修學分來使用。[14]各院系也在不斷調整VIP項目學分換算法則，例如計算機學院正在逐步淘汰基于學科劃分的高級項目課程，并逐步引入設計項目課程學分。對于2011年之前入學的計算機學院的學生來說，獲得指定CS-VIP項目課程的學分都能夠獲得認可;2011-2013年夏季入學的學生，3個VIP項目學分等同于高級課程學分（CS4911），多余的學分可等價自由選修;2013年秋季之后入學的學生，3～4個VIP項目學分等同于設計項目學分，剩下的學分等價于自由選修學分。[15]

（三）VIP項目的團隊建設

自2009年建成至2017年10月，VIP項目已在佐治亞理工學院發展為58個跨學科項目團隊，共招收了3000多名學生。每個團隊的規模在3～45人不等，其中較為成熟的VIP團隊有10～20名學生參與，新成立的團隊有6～8名學生參與，這些學生來自20多個不同的學科領域。[16]2016/2017學年，項目招收了來自29個專業的640名學生。[17]從參與學生的學習層次來看，VIP項目的生源以全日制工程專業的本科生居多，2017年的全日制本科生占比90%，其中工程專業的全日制本科生占比69%，在職本科生占比 4%。[18]在參與項目的本科生中，61%的學生來自四年級，23%的學生來自三年級，11%的學生來自二年級，4%的學生來自一年級。因此，從學生參與情況來看，VIP項目的總體生源規模呈逐年上升趨勢，九成學生參與了1～2個學期，80%以上學生來自本科階段的高年級。[19]

跨學科是VIP項目的主要特色和構成要素，項目的研究主題、課程設計、學生及教師的專業構成都充分顯示出跨學科的屬性。首先， VIP項目的研究主題大多是跨學科性質的，例如，“大數據與量子力學”（Big Data & Quantum Mechanics）團隊的研究領域跨越應用數學、化學與生物工程、計算機科學與工程等10個專業，“活躍動態系統”（Living Dynamical Systems）團隊的研究領域跨越航天工程、應用生理學、計算機媒體等17個專業。[20]其次，VIP項目擁有雄厚的跨學科師資團隊，這些團隊指導教師來自院校20多個專業（見圖2）。

再次，VIP項目的學生團隊也是跨學科的，他們來自不同的學科及專業背景，根據項目研究主題的需要發揮著不同功能。佐治亞理工學院VIP項目對團隊組建要求：團隊必須由來自3個及以上不同工程專業的學生組成。[21]這種跨學科的項目組建和設計模式，不僅對學生的跨學科適應能力和轉變能力提出了很高的要求，也對學生在跨學科團隊工作所必備的溝通技能和領導能力有多重考驗。

（四）VIP項目的學習成果考核與評估

盡管參與項目的學生所學專業和參與團隊各不相同，但所有學生最終的項目學習成績都包括三部分，每部分各占總成績的1/3。一是學生文檔和筆記，包括“項目筆記”或博客資料等，若是軟件開發項目則需提供開源項目托管（GitHub）代碼;二是個人在團隊中的成就和貢獻，包括項目參與度、項目必備技能掌握程度、團隊技術進步中的個人貢獻值等;三是團隊協作與整合能力，包括“同行評議”情況、會議準時出席率、對團隊目標實現的積極貢獻、與團隊成員的協調與互動程度、協助指導其他團隊成員及團隊小組展示情況等。[22]在美國國家科學基金會（NSF）和GT Global-FIRE基金的資助下，VIP項目的評估由獲得“美國工業監察委員會”（IRB）的官方授權的茱莉亞·梅爾克斯教授領銜負責，通過評估學生在VIP項目中的成績和課程學分來檢測和判定VIP項目中學生的學習成效等級。評估內容包括學生的學習成果、學生發展跨學科及專業技能的影響力。[23]評估工作由VIP項目分點的獨立評估、VIP評估聯盟團隊（VIP Consortium Evaluation Team）的評估以及“赫爾姆斯利”投資方評估三大塊組成。[24]評估內容主要涉及學生的常規檢測評估及制度化的數據分析評估。其中，學生的常規檢測評估包括：一是學生的經驗、自檢報告中的技能發展水平評估及反饋評估，二是學生的社會資源網絡和知識網絡建構情況，三是項目團隊的動態和能力，四是人力資源、職業發展目標和支持。其中，制度化的數據分析評估主要是針對VIP項目的招生和運作模式，以及團隊的表現和進步情況。VIP項目評估的數據來源是多樣化的，主要包括項目畢業生調查、學生檔案和筆記、學生及教師的調查和訪談、項目的制度操作檔案和記錄等。這些數據來源最終匯總后將納入學生信息系統，而自我評價、教師評價和同行評價數據以及制度化數據一起納入VIP項目的評估數據庫。

?三、VIP項目的人才培養特色

VIP項目所具備的基于真實世界的、長期的、垂直整合的、規模龐大的跨學科項目屬性，讓學生在獲得學術學分的同時積累了跨學科的工程實踐經歷，而項目也在探索創新型的跨學科工程人才培養模式的道路上，逐步形成了其獨具特色的人才培養特色。

（一）跨學科的交互協作

VIP項目的目標便是為學生提供解決工程領域重大問題的跨學科挑戰的機會，使其能夠對跨學科的工程理念、原理和方法進行學習和應用，并提升他們的專業知識和技能。[25]從人才培養的角度來說，VIP項目給予學生最大的訓練是基于跨學科的真實項目對學生提出的跨學科知識、溝通技能及理解真實工程世界的挑戰。這種跨學科的研究對于學生的跨文化理解力、跨學科溝通能力、創造性地問題解決能力及深層次擴展研究能力都提出了更高的要求。一位受訪學生說：“與來自不同技術和專業背景的人共同合作研究，是項目給予我們最大的收獲，這使我們能夠從多維角度來分析問題，并擴展工程問題研究的視野。”美國工程協會2015年的調查結果顯示，90%的受訪學生認為VIP項目課程給予他們擴展跨學科視野、技能和能力的機會。很多參與過項目的學生指出，當他們在進行工作面試時，在VIP項目的經歷和成就很快會成為面試談論的焦點，因為學生在項目中的很多創新發明已經獲得了專利以及版權許可。[26]

（二）垂直整合的團隊建設

VIP項目的垂直整合主要體現在項目技術傳承、持續時間和團隊維系模式三方面。首先，VIP項目是新老團隊成員間的垂直整合，項目的核心知識要素和內容的長期連貫傳承依賴經驗豐富的成員向新成員的直接傳授。而“項目筆記”（project notebook）在傳承中發揮著“樞紐”作用，它記載著與項目相關的重要主題的工作議程、會議紀要、任務清單和技術札記，對于項目成熟技術的傳承和延續發揮著關鍵作用。[27]其次，VIP項目的跨學期階段的特性使得項目實施更加靈活和彈性，學生也有持續而充足的時間來投入項目。[28]2016/2017年68%的學生參與了1個學期，23%的學生參與了2個學期，7%的學生參與了三個學期，3%的學生參與了4個學期。[29]再次，項目團隊的關系維系模式是垂直整合的，學生和導師及教學顧問間保持著緊密的關系。這種關系并不僅僅通過傳統的課程方式維系，而是建立在更為深入實踐的工程真實項目和軟件開發過程中。這種閉環式的師生互動關系讓學生在實踐中迅速成長。

（三）真實世界的工程實踐

VIP項目的重要特色便是項目都是基于工程世界的真實問題而開展。經過VIP項目篩選的工程項目都是全球挑戰下各國公認的對解決當今社會生活中多元復雜、社會重大難題至關重要的研究議題。相比起由大量概念和理論知識構成的傳統課堂，VIP項目更關注那些與工程實踐和團隊研究主題直接相關的學習。以“視頻與影像注解”（Video and Image Annotation VIP，VIA-VIP）團隊為例，VIA-VIP的課程為學生模仿了真實世界的工程現況，使學生能夠在跨學科的團隊中真正面臨現實的挑戰。[30]對于計算機專業的本科生來說，通過觀察、操作獲得的一手實踐操作經歷，教會了他們在Lunix平臺上進行程序編制和模擬操作，并能夠掌握MATLAB、虛擬化工作室和gcc等計算機調試程序與開發工具，為顯示終端創建用戶圖形界面，并參與應用于工業生產的HTK工具等。[31]項目的創始人愛德華教授認為，“對于很多學生來說，這讓學生畢業前第一次有機會真正了解工程項目的真實世界”。美國工程協會2015年的調查結果顯示，跨學科團隊運作以及理解工程的社會、文化及經濟影響是學生普遍認為參與VIP項目最主要的收獲。50%的學生認為VIP項目增強了他們對工程如何造福社會的理解。

（四）創新能力的激發培養

創新能力的培養是VIP項目的主要目標之一。VIP項目致力于通過圍繞既定研究主題，將所有專業、年級的學生和教師都納入到科研創新實踐中，這種創新并非僅限于新產品、服務和流程層面，而是在多種學科交叉的互動中產生的創意和靈感。[32]為實現學生創新意識的培養，VIP項目的創新培養重點關注科研和創意生成環節、知識和技能轉換環節。為了讓學生體驗真實工程環境中的創新過程，項目將重點克服來自合作方及項目預算環節的障礙，打破學期和學年方面的限制。[33]為激勵項目團隊的實踐領域的創新意識，選拔出那些具有商業應用前景和創新價值的團隊，VIP項目設立了由“思科公司”贊助的創新競賽，為參賽團隊提供700～1500美元不等的獎金。競賽的評審團成員來自風險投資領域的科技專家，他們更看重參賽團隊針對潛在商業消費對象的識別能力，而非商業計劃或市場研究能力。[34]

?四、啟示

VIP項目的跨學科研究經驗對我國高校跨學科研究的發展主要有以下幾方面的啟示。

（一）建立真實工程環境中的跨學科項目

缺乏真實的工程實踐是當前工程教育領域普遍面臨的問題，而如何將真實的工程世界引入教學并開展有效的工程教育實踐是工程人才培養中的難題。跨學科工程人才的培養應建立在培養學生工程實踐能力和動手能力的基礎上，訓練能夠解決真實工程問題的人才。借鑒VIP項目的有益經驗，跨學科項目研究主題也應關注當前全球化工程環境中的真實問題，項目的課程和教學也應力求基于真實的工程問題和工程實踐開展。這既是當前全球化時代工程教育對人才培養提出的要求，也是跨學科研究對創新型工程人才培養提出的挑戰。

（二）完善跨學科項目學分與課程互認機制

建立完善的跨學科學分換算與課程互認機制是促進跨學科研究項目開展的關鍵。目前我國高校中的跨學科項目尚未建立真正意義上的學分換算與課程互認機制，即使部分學校已開設跨學科項目課程，但學分與課程的互認和轉換還非常不完善，在選修和畢業認證環節都存在障礙，這對跨學科項目的開展尤為不利。VIP項目在此方面已經從探索階段逐步走向了成熟發展階段，項目課程的學分基本在佐治亞理工學院各個院系都擁有相應的轉換措施，雖然由于各院系的認證模式各不相同而未形成全校統一的換算公式，但已初成體系，這對我們是極為有益的啟示。

（三）吸引優秀教師參與跨學科研究項目

高質量的跨學科教師是跨學科研究項目發展的重要保證，而教師的跨學科參與度也是衡量跨學科項目成敗的關鍵。當前處在跨學科研究探索階段的我國，高校跨學科項目的師資建設是重點也是難點，如何吸引優秀的教師參與跨學科項目，如何建立跨學科的教師薪資體系并制定教師的跨學科項目鼓勵政策，這些都是關乎跨學科項目發展的棘手問題。VIP項目在此方面的經驗為我們提供了有益的啟示：要促進高校、跨學科機構與教師的協同發展，構建跨學科項目與高校在文化和制度層面的融合，營造鼓勵和支持優秀教師參與跨學科研究的氛圍，健全跨學科師資管理。

（四）健全跨學科項目的教學評估體系

隨著跨學科項目的深入發展，跨學科課程與教學的評估也逐漸提上日程。但由于跨學科機構的獨特屬性，其評估面臨著學校與院系評價標準與認證差異、內部與外部評價結合不足、學生評價體系不健全以及教師同行評價欠缺等問題。VIP項目實施嚴格的“同行評議”制度以及由學生自檢、社會評估、團隊評估及職業評估構成的評價體系，啟示我們針對跨學科項目的建設注重全方位的系統評估，構建內外部評價相結合、常規檢測與制度化檢測相結合、學生與教師評價兩手抓的教學評估體系。

（五）尋求跨學科項目的多渠道經費支持

跨學科項目的運作往往受到經費限制而遭遇困難，尋求多渠道的經費支持是保證充足經費來源的重要途徑。VIP項目的運作得到了眾多高等教育機構、科研機構和企業的支持，包括佐治亞研究聯盟、佐治亞工程科技學院等5個重點支持機構，“赫爾姆斯利慈善基金”和“美國國家科學基金會” 2個外部同行評議資助機構，哈里斯公司、思科系統等4個合作支持方，以及沃倫·巴特斯捐贈基金等在內的校友會捐贈基金。[35]此外，VIP項目還爭取到了美國創新與競爭力提升的教育項目信托“赫爾姆斯利信托基金”500萬美元的資助，用于實施STEM教育的系統性變革以及工程自主學習模式的變革。[36]

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（責任編輯 陳志萍）