美國工程本科教育的創新探索與實踐*
——美國工程教育協會研究結果評介

張 煒

習近平總書記指出：“中國發展需要世界人才的參與，中國發展也為世界人才提供機遇。必須實行更加積極、更加開放、更加有效的人才引進政策，用好全球創新資源，精準引進急需緊缺人才，形成具有吸引力和國際競爭力的人才制度體系，加快建設世界重要人才中心和創新高地?！睘榇?，有必要了解美國工程人才培養的情況，在人才引進時心中有數、有的放矢。同時，我國高等教育改革已進入“深水區”，難以在西方國家找到參照系，西方高等教育的一些經驗在我國出現了“撞墻”現象。中美兩國工程教育存在諸多差異，應加強比較分析、知己知彼，絕不可盲目迷信、照搬照抄。本文引用美國工程教育協會(American Society for Engineering Education,ASEE)發布的研究報告，梳理其中有關觀點與爭論，為進一步了解美國工程教育創新提供一些素材。

一、美國現代工程教育的起步發展與20世紀的探索

19世紀初，伴隨工業革命從歐洲傳入美國，對于現代工程人才提出了新需求和新要求，促使一些高校創新傳統教育模式，高等工程教育快速崛起，也不斷根據行業需求和特點進行創新，加強分層定位和多元發展，創新工程教育的重要性更加凸顯。

(一)起步與發展

19世紀20年代，美國至少新建了9所工程技術學院。同時，弗吉尼亞州立大學于1825年開始招生，該校的學生可以選擇所希望從事的職業方向進行學習。這些高校實施一些開國元勛所希望的全新的、美國式的“有用的教育”，工程教育的創新成果快速擴散，但也遭到傳統文理學院和精英階層的質疑和詬病。1862年，莫里爾贈地法案(Morrill Land-Grant Act)頒布，聯邦撥付經費給州政府建高校，要“有助于對農業和機械技藝的貢獻”，從法律層面為工程教育的發展奠定了基礎。

1893年，美國成立了工程教育促進協會(Society for the Promotion of Engineering Education,SPEE)，為工程教師交流教學心得和思想提供了場所?！岸稹逼陂g，又組建了工程院校研究協會(Engineering College Research Association,ECRA)，尋求政府更多的資助和支持，收集和出版工程教育研究學術信息。1946年，SPEE和ECRA合并，成立美國工程教育協會(American Society for Engineering Education,ASEE)，組織開展了一系列調研和研討會，出版了若干研究報告。ASEE將1893年作為自己的創立時間，已成為一個擁有眾多個人、機構和公司會員的全球協會，通過推進創新、追求卓越(excellence)和各個層次的工程教育，尋求在培養工程專業人才方面具有權威(preeminent authority)。

1918年，卡內基基金會(Carnegie Foundation)發布“工程教育研究”報告，通過對美國工程院校的教學方案、課程體系和教學方法的研究，發現了一些存在的問題，如很多高校采用從理論到應用的線性教學法，導致畢業生缺乏以科學和工程原理為基礎的知識，建議同時講授理論與實踐，開展案例教學，將發電機作為“案例”，在其運行中闡釋物理學原理，繼而進一步講授基礎物理學或數學原理；學生不只是觀察發電機如何運行，還必須動手操作和出現故障時進行修理。時任卡內基基金會主席普利切特(Henry S.Pritchett)將此稱之為教學法創新。該報告還指出，已有工程院校的創新過程緩慢，但如果課程改革涉及教學規則的大變革，又會影響到正在實施的教學。因此，新設立學院開展教學創新更為容易，一批社區學院和專門學院應運而生。

“二戰”之前，美國大學就對區域工業發展做出了貢獻，與行業有不少聯系?！岸稹逼陂g，一些大學教師參與“曼哈頓計劃”等軍事項目，讓更多的人認識到大學科研能夠解決國家面臨的經濟、社會和安全問題，加之“人造衛星沖擊波”(The Sputnik Shock)，導致1958年美國國防教育法的出臺，成為莫里爾法之后又一個聯邦專門資助教育的法案，政府大幅增加大學科研經費投入。1957—1967年，美國R&D經費平均以每年15%的速度增長，10年幾乎增長了4倍，達到150億美元，也在一定程度上促進了工程教育的創新。

(二)對工程人才的整體要求

伴隨科學知識快速發展，將知識應用于生產和服務以促進經濟社會增長的需求不斷擴大，導致美國接受過技術培訓的勞動力嚴重短缺。教育界、政府和專業團體的預測結果都顯示，對于工程技術人才的需求將達到前所未有的規模，不僅需要現有高校拓展工程教育，還需要建立更多新的高校。同時，如何保持工程教育的高質量，始終是各界非常關注的問題。

1952年，ASEE組建了工程教育評價委員會(Committee on Evaluation of Engineering Education)，于1954年內部發行評價報告并征求意見，并在次年公開發表。報告指出，面對工程領域的新形勢和新挑戰，工程教育必須致力于人的全面發展，包含專業技能和社會責任，提出了10條建議：(1)加強數學、物理和化學等基礎類課程；(2)辨識和集成工程類課程作為公共專業核心課，并充分利用基礎科學成果進行教學；(3)集成基礎科學和工程科學的學習，增強學生工程分析、工程設計和工程系統的專業背景，培養和刺激他們的創造性和想象性思維；(4)因材施教，開發每一個學生的特殊才能，為天才學生提供靈活性的選修課組合；(5)將人文和社會科學融入工程課程；(6)提高學生的口語、寫作和圖形化等交流能力；(7)鼓勵實驗；(8)加強研究生教育以吸引優秀學生和培養師資；(9)引育結合和提高薪酬，加強師資隊伍建設；(10)在擴大工程教育規模之前應先落實以上措施。

上述多數建議今天仍然可以經常聽到，但由于在操作層面缺乏分類指導的舉措，實際影響有限。質量標準與培養定位密切相關，正如美國高質量教育委員會指出，一所高校的高質量教育是 “為全體學生規定了高標準和目標，然后想方設法協助學生達到這些目標”。

(三)統一目標與分層培養

20世紀上半葉，關于統一工程教育目的和標準的呼聲高漲，但在實踐中工程教育的多樣性，成為工程教育創新的新挑戰。創新是具體的，“在不同語境下具有不同的含義”，應避免泛泛而談，不同層次和類型的高校，其工程教育的目標定位和質量要求應有所不同。為此，ASEE和卡內基基金聯合資助開展調研，于1968年發布了《工程教育的目標》，試圖平衡上述兩種觀點，既要科學統籌標準和目標，又要有利于靈活性和多樣性。

一方面，伴隨工程教育的知識廣度不斷拓展，涉及的專業學科越來越多，工程教育應當作為一種自由科學(Liberal Science)教育，發展工程教育的通識教育哲學，使得工程教育的課程核心涵蓋自然科學、人文社會科學、交流藝術以及數學、工程科學和分析，包括經濟學與管理學的相關教育，培養學生對于真實和當代社會問題的敏感性。

另一方面，伴隨技術需求水平不斷提升和學科交叉的進展，科學知識與技術能力快速發展,變得更加復雜，對于工程技術的要求越來越高，工程畢業生專業技術的深度需求也在提高。因此，在拓展工程教育科學知識的廣度時，為工程教育本科生提供廣博的通識教育和專門的技術教育，而不能忽視未來工程師在其專業范圍內高水平技術優勢的需要，加強通識教育不應以犧牲專業技術勝任力為代價。

如何統籌上述兩種不同意見，報告建議將專業技術教育的大部分內容推遲到高年級甚至研究生階段。研究生教育不僅可以為技術和非技術課程提供更多時間，也可以促使學生有更多的時間來研判自身的特殊需求，成長為高層次專業人才。報告建議工程院校應盡可能地對科研與教育目的進行整合，從聯邦政府和其它渠道爭取對教師和學生科研的支持，鼓勵和吸納更多來自于其它高校的畢業生攻讀研究生。相應地，研究生教育很快在一些工程學科專業獲得立足點，并在一些新設工程院校成為普遍要求。一些學生很快認識到了研究生學位的價值，工業界和政府等用人單位也開始聘用高學歷的工程師。從1950年至該報告發表期間，年授予碩士學位數量增長了2.8倍，博士學位的數量增長了4倍，并在之后保持了這一趨勢。1970-1971學年以來的近50年間，在工程領域授予博士與碩士學位的增幅(見圖1主坐標)略高于學士學位。

圖1 美國工程教育授予學位數量(個)

報告還建議，應更加充分地利用繼續教育實施工程教育，根據需求設立和維持符合質量要求的非全日制學位項目，為在職人員提供更多的學習機會。同時，工程院校應更多地與工業界、政府和工程社團開展合作，并優化配置外部教育資源，擴大工程領域所有教育層次和所有領域的教育機會，制定更具彈性的培養方案，培養更多的工程技術員和技術專家(technicians and technologists)、以及碩士學位以上的人才，促進社區學院低年級學生進入工程本科教育的數量和比例不斷擴大，以滿足各種背景學生的需要。

但遺憾的是，ASEE的上述工作似乎并未得到應有的重視，直到20世紀70年代，只有少數工程教師關注教學及其研究，也只有少數教師加入ASEE，報告的影響力似乎并不是很大。

二、新世紀工程教育創新的任務要求與文化營造

美國工程教育從19世紀初的興起，經歷了20世紀中期的爭論，到20世紀末本土工程人才的萎縮，引發了對于新世紀工程教育更多深入的思考與研究。開展工程教育是對傳統博雅教育的創新，但如果培養的人才缺乏人文社會科學知識和交流能力，又不是 “健全”(whole)的人，體現出美國現代大學辦學理念中“基礎”與 “效用”兩種創新文化的張力，也深化了對于創新的任務要求與主體責任。

(一)工程教育的多樣性與要求

20世紀90年代，美國逐漸失去了在鋼鐵、汽車、家用電器等方面的統治地位，也對其工程教育話語權和影響力帶來沖擊。1994年，ASEE發布《格林報告——面向變化世界的工程教育》，指出美國已有300多所工程院校(Engineering Colleges)，盡管已經有效地服務于國家，但必須繼續創新以更好地與國家需求完全保持一致。

報告指出，所有工程院校都應反思傳統教育模式，更新課程設置方法，并創新招生制度，從女性、少數族裔學生等“代表性不足”的人口群體中招收和保留更多的學生，更好地服務國家工業競爭力。

在肯定多樣性為美國工程本科教育帶來實力的同時，報告提出工程本科教育不能單純培養學生的智力和技術能力，而是要堅持廣博的核心課程內容，并要符合工程技術認證委員會(Accreditation Board for Engineering and Technology,ABET)的最低標準要求。工程院校應與產業界保持密切關系，培養學生作為團隊成員開展工作，能夠有效溝通交流，知曉工程專業活動的經濟、社會、環境和國際事務。

(二)營造工程教育創新文化

2009年，ASEE發布《營造工程教育學術和系統創新文化》報告，認為美國技術創新歷史悠久，相關領域學者與實踐者合作得很好，也說明植根于學術理論的實踐創新會更加有效；建議要像技術創新那樣，推動美國工程群體的對話，深入討論如何為工程教育創新營造充滿活力的學術文化，實踐者和研究者應共建合作共事、充滿活力的創新共同體，進一步鼓勵和拓展合作伙伴網絡，共同開拓知識和實踐新領域，將工程教育創新理論轉化為實踐行動，避免陷入“死亡之谷”(Valley of Death)。

為此，應不斷促進工程教育的變化，需要明確變化“什么”(what)、“如何”(how)變化、以及“誰”(who)來驅動變化。關于變化“什么”的問題，報告認為課程、教學和評價三個因素共同構成了創新環境的核心，但在理論和實踐方面還有很大差距，建議基于工程學習與基礎科學，共同推進研究性學習(Inquiry-based Learning)和經驗性課程體系(Experiential Curricula)，更為有效地推進工程教育的發展。

聚焦“如何”變化，報告推薦應用“教育實踐與研究持續循環”(continual cycles of educational practice and research)的創新模型，以此進一步提升工程教育的知識體系，基于期望解決重要問題，通過研究與實踐緊密結合，來促進更為有效和可復制的教育創新。

圍繞“誰”來驅動變化，報告指出，盡管有許多利益相關者，但工程教育創新的主要責任在于教師和管理者，二者均應贊同更具彈性的課程體系，更好地設計項目和更為有效地適應環境。同時，應完善教師在教與學兩個方面的職業發展路徑，確保教師聘任過程、聘用標準以及薪酬結構等能夠明確地考慮其教育創新的業績。

報告建議，各創新主體應共同努力，營造工程教育的學術文化和系統創新環境，高校教師、系主任和院長應支持和認同教育創新，將工程教育實踐與研究結合起來，促進教師經驗和水平的提升，通過集成不同課程、創業實踐和服務活動促進學生學習，培養具有全球視野的未來教師、工程師和領導者；ASEE應進一步開發國家資源，促進和擴散創新成果；國家工程院(National Academy of Engineering，NAE)應設立工程教育處、舉辦高水平學術會議、拓展“工程教育大挑戰”的內容；ABET應加強過程評價、更加聚焦學習成效；各專業工程協會應促進工程教育創新、擴大合作；工業界應主動加強與高校的聯系，提供學生實習實訓的條件；資助機構應增加投入資金、擴大資助對象的多樣性、延長項目周期、支持評估研究、加強教師培養。

為此，需要將更多的相關學習內容集成到工程教育課程體系的基本要素之中，學生應當獲得科學和數學的基礎知識，理解社會科學、人文和藝術，強調創業、設計和領導力，以及在一個或多個工程學科專業獲得完整的訓練(圖2)。

圖2 工程教育的課程集成

(三)推進有影響力的創新

ASEE組織對72所院校110個系的訪談和定量反饋及其分析，獲得了關于工程教育的教學與學習、教師培養與聘用、以及設施與支持等方面的觀點與實踐的信息，于2012年發布《有影響力的創新：營造工程教育學術和系統創新文化》報告，指出工程教育已經成為美國國家創新能力的關鍵因素，可以為美國工程教育的國際形象感到自豪，但不應沾沾自喜，不能認為過去取得的成績和經驗一定能夠在未來繼續有效，有許多因素組合在一起限制了創新影響的擴大，也缺乏創新擴散和轉化的有效舉措。

報告認為，已有工程教育創新的方法，大多基于教師個人經驗的直覺，而根植于經過確認的學習理論和教學法實踐的工程教育創新還不多見，特別是很多創新一旦實施，就不問后果，很少評估其實現目標的有效性。

創新能夠激勵工程教育的有效和高效，不僅要充分認識工程教育創新的必要性，還要能夠更好地對學生學習和表現產生顯著的影響。正如20世紀五六十年代將工程科學知識轉變為工程教育的課程內容以應對當時所面臨的挑戰，當代的“人造衛星時刻”(Sputnik Moment)也要求工程教育加快轉型，并廣泛和有效實施，進一步提升理念、方法或技術，促進創新能夠激勵工程教育的有效和高效。

報告重申，“誰/什么/如何”分析框架是一個經過時間檢驗的模型(Time-tested Model)，位于工程教育文化創新的核心，值得在工程教育創新領域進一步推廣和應用。教育界、工業界、政府和相關工程組織等創新主體應加強合作，確保培養更多年輕人具有作為工程師的想象力和激情，維持國家的技術優勢。

三、面向未來的工程本科教育創新的分析框架與視角

美國工程教育在不斷創新中，逐漸形成了 “大工程觀”的發展理念以及注重理論知識傳授和實踐技能養成的 “工程系統學”，面向需求培養未來工程師的共識有所增強。在美國國家科學基金會(National Science Foundation,NSF)的支持下，ASEE開展了一系列關于面對21世紀的工業所需要的工程本科教育新戰略的研究，實施工程教育轉型(Transforming Undergraduate Education in Engineering，TUEE)項目，旨在清楚地認識工程畢業生應當擁有的質量，以及如何促進課程、教學法和學術文化的變化，開展三年行動和五年規劃。

(一)加快工程本科教育轉型及工業界的看法

2013年，ASEE發布《工程本科教育轉型報告之一：綜合和集成行業視角》，主要聽取工程教育的主要顧客——用人單位意見。來自工業界的34位代表認為，工程教育已經發生了一系列巨大變化，“唯一不變的就是改變”(the only constant is change)，希望加快工程本科教育的轉型。該報告引起了國內學者關注，引用了關于工程畢業生與未來工程師的預期目標嚴重脫節，學生在項目管理、綜合能力和全球視野等方面表現不佳等觀點。

報告認為，當前工程教育對于滿足工業需求是不適宜和不協調的(out of sync)。例如，教育工作者經常提到當代工程師需要“軟技能”(Soft Skills)，卻很少詳細解釋軟技能的具體內容。高校只是促銷生產產品，但從不看顧客基礎，并不認真跟蹤畢業生的職業生涯，因而對于工程師的成功要素并不清楚，也不了解究竟是哪些要素塑造了理想的工程人才。一名跨國工程企業的招聘人員曾經拒絕了一名來自前10工程學院的申請者，其GPA接近完美，但在描述團隊項目時，表現出對于基本科學(Underlying Science)的無知。

報告凝練了開展工程活動所需的核心勝任力，并構建了T字型(T-shaped)工程畢業生所需技能和專業質量二元模型，即跨域的(across domains)廣泛知識與在單一領域的高深專業性，以及在工作場所與他人合作的能力，具體包括36種知識(knowledge)、技能(skills)和能力(abilities)，合在一起簡稱KSAs，并強調應當基于畢業生在企業獲得成功而不是在學校的績點(GPAs)來實施工程教育，建議高校與企業就KSAs的主要內容形成共識、使用“共同語言”。

報告強調，培養KSAs是學生、家長、中小學(K-12)、高校和工業界的共同責任，但主要還是高校的責任。高校需要調整教師獎勵結構，把更多的經費放在教學上，促進更多的跨學科教學，采用基于問題的學習(problem-based learning)、加入實際操作的案例，為學生提供更多的選擇，以增強學生的知識基礎，提高在硬科學和工程科學基礎方面的能力和責任感，更好地評價反映當前和新興的工程實踐，以及學生如何使用獨特的或有創意的技能來實現目標。

除了課堂教學，高校還應在課程之外設立創新基地來培養學生的創新創業能力，校園的孵化器公司能夠為學生在業務開辦中提供機會，使得他們有機會較早開始學習實際的創新；歡迎企業聯系學生、共享實驗室、在企業實驗室應用學者的理論和共享經驗、參與并提供案例教學、擔任學生導師和分享實驗室經驗，并在本科生課程中反復讓學生面對開放性設計問題、探索感興趣的事物。

報告建議工業界需要認識到分享開發T字型工程師的責任，與學術界加強合作，應借鑒德國企校(industry-university)合作的經驗，充分認識對未來工程師培養的重要責任，為學生培訓提供場地，與學術界一起營造學生的經濟和商務空間，在培訓學生項目管理、鼓勵適度冒險等方面發揮主要作用，歡迎教師到企業實習，鼓勵學生具有真正的實踐經歷，以及知曉校企之間存在的差異和障礙；教師應參與企業實習，將工業需求和研究項目轉化為課程內容和教學方式，將實際鮮活的案例研究帶入課堂，為學生提供更多的實習機會，并為設計項目配備企業導師。

(二)T字型二元結構與分析框架

2017年，ASEE發布《工程本科教育的轉型報告之二：關于未來工程師的見解》，國內有文獻介紹了該報告列出的21 世紀美國工程本科教育改革三大目標，即“面向產業、面向全球、面向未來”。

在報告之一的基礎上，課題組向165位學生發放了調查表，就36種KSAs在其未來工程領域成功的重要性、在其所在學校的重要性、以及所在學校的教育質量情況進行評價，81%的學生做了回復，結果如表1所示。

表1 學生們對于KSAs的評價

學生們對于KSAs重要性的評價，除了一項(硬科學和工程科學基礎)之外都高于所在高校。學生評價非常重要在90%以上的有23項，其中良好的交流能力達到100%，得到99%的學生認可的KSAs還有6項。

相反，學生們認為不重要的KSAs的百分比只有安全知識一項達到了兩位數(12%)，接下來是兩個6%。其中關于情商，學生認為所在高校也將其重要性放在較低程度。在前一階段調查中，工業界的代表認為父母對于子女的情商具有最為重要的影響，在本次調查中，學生們認為情商難以在課堂上教授，但可以在團隊合作、課外活動、校企合作和其它社會事務中予以鼓勵，還可以集成到道德因素之中。

關于KSAs的教育質量，學生們普遍評價不高。評價為非常好和好的，只有團隊工作/跨學科工作過半(58%)，接下來是辨識、形成和解決工程問題的能力(48%)，領導力(47%)，值得高校深刻反思。

在報告之一的基礎之上，ASEE基于本次調查結果，細化了“T字型專業”(T-shaped Professional)二元結構模型，強調工程畢業生既要擁有深厚的領域知識(domain knowledge)，也應具有廣博的專業技能(professional skills)。如圖3所示，縱向包括工程、技術、科學和人文等領域的知識，而橫向則代表專業技能，常常稱之為軟技能，包括不同背景團隊成員合作共事、項目管理、領導力、行政管理、以及情商等。保持上述知識與技能的平衡有助于開闊未來工程師的眼界和勝任工作。

圖3 工程畢業生知識-技能二元結構模型

(三)專業勝任力模型

2018年，ASEE發布了《工程本科教育的轉型報告之四：教師和專業社會的觀點》，該報告基于36位工程專業協會的代表和高校教師的研討。報告指出，關于工程教育改革的努力并沒有在大范圍取得成效。為此，報告更加聚焦工程師所需要的勝任力、以及打造勝任力需要的課程體系。

報告提出，當代工程師應具有“能做”(can do)和“會做”(will do)的勝任力?！澳茏觥眲偃瘟Πこ處熗瓿晒ぷ魉璧闹R和技能，可以稱之為工程勝任力(Engineering Competence)；“會做”勝任力是專業工程師應具有的個性和態度的特性(traits)，可以稱之為個人內在勝任力(Intrapersonal Competence)。另外，工程師還應具有第三種勝任力，即人際交往勝任力(Interpersonal Competence)，將T字型模型拓展為三維模型(見圖4)，使得模型與36種KSAs之間的關系和邏輯更加清晰。

圖4 工程師的勝任力細分結構圖

同時，上述勝任力模型與2009年的課程集成模型也密切相關。一方面，三種勝任力主要對應不同的課程內容；另一方面，三種勝任力又是相互聯系和密切相關的，不能將其割裂開來(見圖5)，強調創新和批判性思維應當包含在所有、或幾乎所有的工程課程之中，從一年級到頂點課程(capstone)。

圖5 工程師的勝任力與課程體系示意圖

綜上，ASEE成立70多年來的研究與成果值得關注，但也要看到其局限性。例如，調查的樣本較小，樣本選取的隨機性和代表性不足。同時，較少涉及成功實踐的經驗總結與凝練，缺乏充分的案例分析，也沒有針對美國工程技術人才短缺的問題深入開展研究和提出針對性的建議。工程教育是一種專業教育，也具有職業教育的類別特征，不同國家、不同類型高校的工程教育各有特色。

習近平總書記指出：“要探索形成中國特色、世界水平的工程師培養體系，努力建設一支愛黨報國、敬業奉獻、具有突出技術創新能力、善于解決復雜工程問題的工程師隊伍?！?培養卓越工程人才，需要卓越工程教育。工程的本質屬性、工程系統環境的復雜變化及其相互作用，促使工程教育成為一個高度集成的復雜系統，也不斷面臨新的挑戰與機遇。創新是解決發展不平衡不充分矛盾的一個重要優化過程，針對當前工程教育本科畢業生的多種走向，就業、創業、深造等不同目標，大學生和用人單位的要求有所不同，應基于當代工科人才屬性的拓展，不斷創新工程教育的意識、觀念和思維方式，明確和聚焦討論對象，辨識復雜性和多樣性發展趨勢，把創新融入教學、科研和社會服務全過程，加強分類指導、因校制宜和因材施教，實施多樣性的培養模式，采用多元化的評價標準。堅定自信自強，堅持黨的教育方針，辦好中國特色的工程教育，深化工程教育改革，積極探索實行高校和企業聯合培養高素質復合型工科人才的有效機制，實現產學研深度融合，解決工程技術人才培養與生產實踐脫節的突出問題，培養出更多的卓越工程師，辦好中國特色的高等工程教育。