财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 李泽湘:新工科教育的背景和使命

李泽湘:新工科教育的背景和使命

 

内容回顾
 
在第一堂课程《 制造业破局和学院派创业》中,李泽湘主要介绍了大湾区和中国制造业的现状和面临的挑战,并指出我们需要根本性的创新,需要把科技与市场紧密融合起来去打造新的品牌。而在这方面,年轻的学院派创业者,因为没有经验,也就没有了思想的包袱和禁锢,所以更有优势去打破传统的框架,他们也是推动制造业破局必不可少的主力军。
 
要做好这样的创新,我们必须要了解产业的趋势,也就是要了解大势,明白有哪些好的资源,我们才可以做起来。当然其中最关键的,就是我们的教育要采取什么样的改革,才能培养这一类的科创人才。
 
李泽湘
 
撰文 | 李泽湘
 
内容摘要
 
我们意识到,教育无论是新工科还是传统工科,都是及其复杂和大滞后的系统。它对个人、企业、社会、国家的发展和未来走向都影响巨大。要把新工科教育做好和做到位、极不容易。不是几句口号、几次动员会、几个工程甚至也不是短时间内就能搞好的。我们需要把新工科教育的来龙去脉、与传统工科教育的关系, 以及世界上都有哪些好的探索和实践理清楚。发展新工科教育的天时、地理、人和都有哪些?在此基础上, 如何进行顶层设计和配置合理的资源, 使得新工科教育探索不至于半途而废?新工科教育是一个全新的概念,需要设立一些教育实验平台, 小范围试错和迭代。总结经验,再逐步推广。就像当年小岗村农村经济改革和深圳市场经济改革一样。本文将论述新工科教育的使命和定位。阐述新工科教育与传统教育的共同点与不同点,同时总结回顾传统工科在国内外演变的过程。然后是新工科教育在国外,港科大,松山湖基地等采取的探索。最后,从发展新工科教育的初心提出新工科教育迭代的依据和标准,给出新工科教育发展的方向。
 
文章导览
 
1. 新工科教育的使命:科创
 
美国是如何从农业国走到今天?
 
培养人才提出哪三个问题?
 
我们应该把握怎样的机会?
 
2. 新工科教育的定位:培养科创人才
 
科创人才需要具备哪些素质?
 
人才评估标准有哪些?
 
创业人才培养是怎么样的一个生态?
 
3. 传统工科(现代工程)的发展和新工科教育的兴起
 
欧美教育改革经历了怎样的进程?
 
两次工业革命,两次战争对教育有怎么样的影响?
 
美国的经验给中国带来什么样的帮助?
 
新工科教育怎样开始?
 
4. 新工科教育的探索
 
目前新工科教育有哪些案例?
 
给我们提供了什么方向?
 
5. 新工科教育评估与迭代
 
怎么样评估新工科教育是否做好?
 
新工科教育的使命:科创
 
首先,我们调查了世界最大经济体—美国的经济发展和GDP增长。美国2018年的GDP超过21万亿美元,人均达到6.3万美元。其中,经济和科创发展最强劲的硅谷,也是众多科技巨头公司诞生地,占地1.8万平方公里,拥有700多万人口(与长沙市情况相近),人均GDP达到11万美元。反观我们中国,作为世界第二大经济体,2019年GDP大约14万亿美元,人均约一万美元。
 
那么我们来看看美国是如何走到今天这一步的(见图 1)。
 
1765年是人类历史一个重要的转折点,瓦特对蒸汽机的研究取得了突破性进展,他将冷凝器与气缸分离,使得气缸温度可以持续维持在注入蒸汽的温度,并在此基础上很快建造了一台实用样机。第一批新型蒸汽机于1776年制造成功并开始批量投入应用。同年(1776),美国独立, 并经历八年独立战争至1783年结束。追溯历史,美国从独立开始,逐步发展经济,经历了几个重大的阶段:首先是1765年到1850年的第一次工业革命,之后进入以电和内燃机为代表的第二次工业革命(1850-1914)。1914年,爆发了第一次世界大战,直到第二次世界大战1945年结束。战后,进入了以三极管,个人计算机为代表的信息时代,直到如今的智能时代。
 
独立初期的美国以农业为主,人均GDP 约2千美金。跟随着第一次工业革命,美国的经济也开始了工业化发展。但是当时英国对技术保护很严格,不仅外界买不到机器,就连技术图纸也很难从海关带出,不比今天美国对我们的技术封锁等级低。
 
美国著名工程师富尔顿(Fulton, 1765-1815)在拿破仑的支持下,研制蒸汽船,初试非常成功,不料1803年在塞纳河试航时失败了。1804年,富尔顿转为效忠英国,发明了世界上第一个现代海军 “鱼雷”(现代“水雷”)。1806年,他回到了美国纽约,带着自已的设计图纸,招募了一些工人,在 Hudson River 附近开始了自己的事业。并且于1807年在纽约使用英国的机器制成以蒸汽机作为动力,可以在河流上使用的船 “克莱蒙特号”,该船上安装上了一台当时最好的瓦特蒸汽机。
 
罗威尔(Francis Cabot Lowell,1775-1817,马萨诸塞州的罗威尔市以他名字命名),将工业革命引入美国发挥了重要作用。他18岁从哈佛大学毕业之后,开始从事贸易行业。美国在政治独立之后,手工业还是大量依靠进口,所以罗威尔意识到贸易救不了美国,美国需要本土的手工业产业。所以他自己去英国做工人,秘密学习,熟记纺织设备的建造及工作原理,在1812战争(拿破仑战争)开始时回到美国研发纺织设备。所有的设备都是在他没有任何笔记,全凭记忆和理解的情况下,生产出来的。
 
接着诸如1832年 Baldwin 的火车,1872年卡耐基从英国引进高炉炼钢的技术等等。但是这些都属于引进,消化,吸收,再创新的例子。光靠这些,不足以支撑美国的经济发展到今天。更重要的是需要原创的技术。
图1 美国创新与经济增长进程
 
图中红框是我们整理出来的美国代表性的原创技术和产业,诸如1845年Morse 的电报,1848年 Francis 的汽轮机,1867年 Ends 用钢铁造大桥,之后Bell的电话,Edison 的照明,Tesla的交流电, 怀特兄弟的动力飞行,Forest开创的收音机产业, Ford 的汽车,Burton 的炼油技术。再后来1945年的计算机,三极管等,最后到硅谷时代兴起(大家可以去查阅相关的故事)。美国也依靠经济和工业的发展,逐步提升,从人均GDP两千美元一直到现在的六万多美元。所以我们说,美国的经济能达到今天的水平,是通过创新实干得来的。
 
对于产品创新的方法和流程我们也都知道:首先产生创意,然后做出样机,进入市场,根据市场数据反馈进行学习,再对整个流程不断进行迭代 (如图2)。
图2 产品创新迭代
 
从美国和其他发达经济体的经验,我们问这么一个问题 (科创之问):能不能利用大湾区或者中国制造业强大的供应链体系,打造一批世界品牌?大湾区的首要定位是成为国际重要的科创中心。要实现这一目标,我们必须要回答前面的科创之问。学院派创业者应该成为回答科创之问的主力军,而且也有优势成为主力军。
 
科创之问之外,还有两个非常著名的问题。一个是英国剑桥的生物学家李约瑟,在研究了中国发展史之后,提出了著名的李约翰之问:“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献,但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生”?
 
同样,在2005年,时任国务院总理温家宝在看望钱学森的时候,钱学森提出了对教育最大的一个问题,也就是著名的钱学森之问:“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”
 
钱学森可能知道教育问题产生的源头以及解决方法,但之前我们也有提到,教育是一个复杂庞大的系统,不是简单一个人能解决的。它需要整个国家一起来思考,共同努力回答。
 
钱学森之问与李约瑟之问一脉相承,这两个问题也和我们的科创之问相辅相成,都是对中国科技创新的挑战。
 
在简述了三个问题之后,我们再来看看中国的GDP,用2011年美金价格来衡量,我们目前离人均1万美金还差一些。不过这也是我们现在的一个基础。那么之后的40年,我们需要做什么去带动我们的经济,怎样打造出一批批新的品牌?
图3 中国人均GDP
 
综合之前的经验(见第一课内容),有几个很重要的因素,首先要抓住需求,尤其是新兴市场的需求。从欧洲工业革命开始,到美国的中产兴起,再之后日本的中产爆发,如今中国也有3到4亿中产崛起 (图4),所以我们有足够大的市场需求,就看怎么样去把握了。第二是把握好大方向,必须要把市场的需求与科技尤其是硬科技深度的融合起来。在此之外,我们还应该清楚今天要做的事情与美国之前经历的有什么同与不同。换句话说,我们已经经过了互联网时代,也经过了移动互联网时代,再经过过去40年的发展,我们有了大湾区这样的得天独厚的制造生态链,有能力和速度去迭代产品,这就为后面的物联网时代,智能时代,机器人时代打下良好的基础。
图4 中国品牌消费市场崛起
 
新工科教育定位
 
新工科教育的定位,要致力于培养和提供大量的科创人才,为回答前面的三个问题提供最重要和最宝贵的人力资源支撑。这牵设四个基本的环节:一要培养创新者基本素质 二要学会产品迭代的方法(见第一课)。三要掌握一套做硬科技创业不可回避的流程包括从概念到设计,到验证,小批量到最后量产。四要学会系统思维。应用系统思维去理清和解决创业过程中的关键子问题,建立自己的竞争优势。其中最重要的就是如何寻找和定义问题。
图5 创业流程
 
我们先来探讨下什么叫创新者素质。硅谷著名的风险投资公司 红杉资本在
 
过去40多年的投资经验和百亿美金学费的基础上,总结起来优秀创业者的20条特征:
图6 红杉20条创业者素质
 
华为经过这些年的摸索,也做出了一套自己的标准 (图7):可以看出,每一类都分了四个级别。一级是执行性人才,二级以上才达到开创性人才的标准。
图7 华为人才标准(二级或二级以上才能称为开创新人才)
 
哈佛大学的 Tony Wagner 教授在调研了大量的创新者,企业高管和教育家之后,对怎么培养创新者有独特和深刻的了解。他认为, 从教育的角度看,创新者需要具备以下四条素质:
 
1. 必须要有好奇心,养成问问题的习惯,并且渴望通过问问题把它弄懂弄透。
 
2. 必须要有团队合作能力。无论做产品还是做研究,都要和不同专业,背景,观念,价值观的人一起合作共事,每个人都可以从不同角度对一个问题提供不同的看法。通过团队合作融合大家的观点才能把一个复杂问题弄清楚。
 
3. 跨界能力。就像乔布斯在斯坦福大学毕业典礼时所说,苹果打造创新的产品靠的是把之前看似毫不相关的点连接起来(Connecting the dots)。
 
4. 快速行动和动手能力。一个好的创业者,想到了就应该马上去做。有人问我怎么样选学生?我的回答是:给学生一件事情去做,看他能不能快速的反馈,能不能举一反三。如果能做到这一步,说明这个学生具备创业者最基本的素质。
 
可以看出,Tony Wagner 教授从教育的角度论述创新者的素质,跟红杉以及华为开创者人才的标准是非常相似的。哈佛大学研究创新四十多年的教授 Teresa Amabile 还说到:创新者的素质并不是先天就有的,而是可以引导和培育的。同样,Olin工学院创校校长 R. Miller 强调人才培养的五个思维:跨学科思维,动手思维,企业家思维,伦理道德思维和全球思维。除了这5个思维之外,他们也有自己培养人才的9条标准:
 
1) Develop and apply knowledge, skills and approaches and methods 理解和应用知识;
 
2) Think critically 批判性思维;
 
3) Develop and apply creativity 创造力;
 
4) Develop and apply self-directed learning abilities 自学习能力;
 
5) Prioritize doing good in the world 不作恶;
 
6) Design and implement processes to achieve desired outcomes 设计思维;
 
7) Communicate effectively 高效交流;
 
8) Collaborate successfully 合作能力;
 
9) Develop personal and professional identity 个人和职业认知。
 
美国权威的工程教育认证委员会 (Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET) 在2000年终于跟进和修改了工科人才标准, 简称 ABET 11条:
 
a) 认识、提出和解决问题能力;
 
b) 灵活运用数学、科学及工程知识的能力;
 
c) 能有效的使用现代工程技术、工具与方法;
 
d) 设计、操作实验以及分析和解释数据的能力;
 
e) 实用系统设计能力;
 
f) 交叉团队合作能力;
 
g) 终身学习能力;
 
h) 有效的沟通和表达能力;
 
i) 明白职业规范、具有良好职业道德;
 
j) 具备全面现代社会知识;
 
k) 能理解工程社会影响的渊博知识。
 
我们也可以把这十一条归为四个类别,分别是:提出和定义问题能力;分析和解决问题能力;生活技能;职业操守。
 
Olin9条和ABET11条的最大区别在于对发现和定义问题(设计思维能力)的侧重度。爱因斯坦曾经说过,“如果我有一个小时去拯救世界, 我会花55分钟去定义问题,5分钟去找解决方案”。源于传统工程教育标准的 ABET 11条看来更适合华为的1级人才标准,而 Olin9条瞄准的是华为2级甚至更高。孔子言,“取乎其上,得乎其中;取乎其中,得乎其下;取乎其下,则无所得矣”。新工科教育的标准的制如何定是乎不言而喻。
 
明确了人才培养的目标和标准,下面的关键是如何去制定以课程体系为核心的培养方案、以及如何去评估和迭代(就像我们创新产品似的)?
 
我们知道Olin有套完整的课程体系来支撑他们人才培养的标准。并且达成目标的方法不局限于单模式。在学习方法方面,有项目制学习、设计思维训练;、引导式学习、合作学习动手实践学习、场景式学习、集成学习等。教学的方法更多的采用跨学科的教师团队来指导和引导学生,以学生为中心,让企业积极参与进来。哈佛大学商学院的 Teresa Amabile 教授花了四十多年,研究创新是怎么样发生的。开始时候她总觉得创新就是少数的几个天才的事情,但是后面经过大量的研究,她发现只要掌握好的方法,有一个好的环境,普通人也可以具备创新能力,或者大幅度提升创新能力。当然这里需要三个方面的因素:首先要具备一定的专业技术知识,尤其是在知识经济的今天。关键是怎么样去学习知识,怎么去应用知识?第二要具备创新思维,也就是 Tony Wagner 提到的创新者四条素质。第三,还需要内在和外在的驱动力。外在驱动力固然重要, 但关键还是内在的驱动力。创新创业之路漫长而曲折、只有对此充满了激情与热爱的人才能不畏艰难、抵达胜利的彼岸。除此之外,好的环境有如创新的催化剂,鼓励团队合作、学科交叉、 包容和理解失败。在不断的迭代和试错过程中,给创新者赋能。Tony Wagner 教授还提出了创新者培养生态三部曲:1. 首先要多玩,在玩的时候找到喜爱的东西。在发现爱好的过程中,去学习掌握知识。当然在这个阶段避免不了今天喜欢这个,明天喜欢那个。这也不是坏事,我们可以从一个兴趣,到另外一个兴趣,学习和拓展知识面,直到最终找到真正的爱好和激情。这种激情,可以促使我们有个使命感,觉得能够改变自己,改变社会,给人类带来益处。而有了这种使命感,就会不遗余力去做好了。所以说创新不是一个人的事情,需要父母,导师,企业等来构成整个生态。
 
如今我们的幼儿园、小学、中学提供大量的补习班,却是和这个创新生态三部曲的原则相违背。Montessori 学校也提出,要大家尽情的玩,通过玩,去探索、实验、试错从而找到自己的兴趣,再从兴趣里找到自己的定位与使命。正如乔布斯所说,如果要取得伟大的成就,必须要找到自己喜爱的事情。
图8 创新者培养生态和环境
 
传统工科教育的发展和新工科教育的兴起
 
我们先了解下传统工科教育的发展历程,这也让我们能更深刻的理解新工科教育的背景、使命和未来走向。前面我们提到过1765年瓦特发明蒸汽机标志着人类从农业社会进入到工业社会的转折点。我们也不仅要弄清楚转折点之后的故事,更要从转折点开始,理清之前发生了什么,为什么会产生这个转折(回顾下李约翰之问)。
图9 工程教育的发展和演变过程
 
我们选择从1450开始。1453年东罗马帝国首都君士坦丁堡(现在的土耳其首都)被奥斯曼帝国攻陷,奥斯曼成功统治地中海东部及巴尔干半岛,丝绸之路被隔断。为了继续引进东方的丝绸、茶叶等产品,欧洲开始航海探索,寻求重新建立一条贸易的路径,也是航海时代的开始。同时一大批学者离开这里,去到了意大利(也带去了穆斯林从亚历山大图书馆留存的古希腊文明),拉开了文艺复兴的序章。达芬奇就是文艺复兴时期艺术、建筑、军事、机械、和科学发展的重要标志。那个时候的中国,还处在明朝时期,先后经历了明代宗土木堡事件和明英宗夺门之变,整个社会依然处于内忧外患,动荡不安。大约一百年之后,伽利略标志着现代科学的诞生和科学方法的开始。同时开普勒也是科学革命的关键人物。他的著作《新天文学》、《世界的和谐》、《哥白尼天文学概要》成就了最为人知的开普勒定律,牛顿也受开普勒的启发,想出了后来的牛顿万有引力定律。还有著名的微积分,也是牛顿因为英国的大瘟疫事件宅在家里,得出的结论。
 
经过了科学革命以及科学方法的运用,造就了我们前文提到过的瓦特发明蒸汽机。当时的中国,处于乾隆时代,也算是中国较为鼎盛的时期。可是同美国的华盛顿总统相比,他们做着截然不同的事情,对后续的影响也是各不相同。
 
第一次工业革命主要是蒸汽机的研制和应用。1765年,瓦特把当时格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机(Newcomen steam engine)的效率提升了5倍,标志着第一次工业革命的开始。这些技术被应用在矿山,工厂,纺织,轮船,火车等各个行业,所以这是一个蒸汽机+的时代。
 
这次工业革命,从英国向周边国家辐射。法国处于近水楼台先得月,系统地“获取”了英国各项技术,派出大量人员去英国考察学习,还开办了军事和工艺类学校来传播技术。受益于工业革命,法国变得强大起来。1806年秋天,第四次反法同盟爆发,法军同时在耶拿和奥尔斯塔特大败普军,取得了德国大部分地区控制权。受到战争的打击,普鲁士人痛定思痛,把这种危机转化成机遇,开始推广工业革命,并且组织建立了新型的大学,洪堡大学也因此诞生。普鲁士王国通过建立洪堡大学,来培养技术工人。工业革命和教育的成果,体现在1870年的普法战争,普鲁士大获全胜并统一德国。工业革命之前,人口组成以农民为主, 有少量的工匠。后来随着科学方法的诞生,有了科学家。工业革命开始之后,社会需要大批工人以及技师来应对工业的发展。大西洋彼岸的美国,一方面受到英国工业革命的影响。另一方面,也吸收欧洲尤其德国洪堡模式的优点。洪堡模式的主要特点, 一是通过分科培养来大批量培育产业人才, 二是开展科学研究和学术自由 (主要在理学院和医学院),通过考试来检验效果, 再通过控制老师来控制学生的质量。根据当时工业革命的要求, 学生只需要按照要求把事情做好即可。
 
美国麻州众议员 Horace Mann 非常欣赏洪堡大学的体系,于1843年将其引进到了美国, 以此模式建立了霍普金斯大学(1876)和芝加哥大学 (1890)。当时对于如何分科教育有过激烈的争论。最后, 美国成立了一个由哈佛大学和芝加哥大学校长参与的十人委员会(Committee of Ten, 1893),决定分五科(数学,科学,英语,历史,外语)来学习。
图10 洪堡教育理念从德国到美国(1843)和到中国(1907)的演变。
 
洪堡教育模式被蔡元培1907年引进到中国并在北京大学推广开来。清华大学在1931年经过梅贻琦的改革,也采用了这种模式。有人把洪堡教育模式比喻成装配线形式的教育。
 
可以大批量培养产业工人(也叫技工),每个学生要重复学好一些知识点,尽可能不要出错,当然也不需要创新。而美国地理学家 William Barton Rogers 觉得工业革命虽然产生了工人和科学家。但是工人和科学家脱节。他希望能创造一个新的工种:工程师, 衔接科学家与技工(Technician)。所以在1861年他给麻州政府写了一个建立培养工程师的学校的报告,也就是MIT的雏形。报告中提到培养的工程师第一要认识到知识的价值,二是通过动手去学习,三要有专业技能。从MIT的logo可以看出,手脑并用,理论实际相结合。但是由于美国发生内战 (1861-1865),学校并没有立即运营。时隔四年之后,也就是1865年,第一批学生才入学。当时还处于第一次工业革命和第二次工业革命的过渡时期,学校只开设了三个专业:机械,土木和矿业。机械负责蒸汽机的修理和研制,土木负责铺路修桥,而矿业则为了挖矿。
 
第二次工业革命 从1850年开始至1914年第一次世界大战爆发。第二次工业革命紧跟着第一次工业革命,并且从英国向西欧和北美蔓延。第二次工业革命以电力和内燃机的应用为代表,包括电灯、电报,电话、无线电、飞机,汽车等,是一个电+和内燃机+的时代。1876年,爱迪生建立了一种新型研发机构,即著名的爱迪生实验室,发明了包括其名下的1093项专利和这些专利的商业应用。爱迪生不止是个发明家,且善于学习。在他实验室汇集了一批物理学家,数学家,冶金学家,化学家、技工和熟练工人,有机地融合了科学家、技工和资本, 建立了实验平台和产业化体系,改变了以前小作坊式的技术创新,成为了现代工业技术研究的一个转折点。爱迪生实验室的创新模式影响了一大批类似的实验机构,包括1907年成立的贝尔实验室(Bell Lab),以及二战期间的MIT Radiation Lab 和原子弹研究工程 Manhattan Project。第二次工业革命使得电力技术应用越来越广,包括1882年 爱迪生的第一家商业发电厂和1875年贝尔在电报的基础上发明的电话(Acoustic Telegraph)等。贝尔还去 MIT 介绍过电话技术, 促使 MIT 在1882年9月成立了电机系、并且由 Charles Cross 开设了美国第一个电机工程课程。 第二次工业革命时期, 中国还在延续一千多年的科举体系,教学依然采用古老的方式(推荐观看央视纪录片《科举》)。这种文化根深蒂固也着实影响了我们后续的发展。经历了第二次鸦片战争的惨痛失利和太平天过运动,曾国藩等人开启了洋务运动(1861-1895),师夷长技以制夷,并派出首批幼童留学美国。虽然洋务运动没能救得了大清王朝,但是对于之前清政府抵制夷人,闭门造车,已经是进步了一大截。
 
按 Rogers 当时的设想,技工可以用已有的科技,做一些创新,科学家推进科学进步,而工程师则应该是二者的桥梁,不仅使用已有技术,而且可以应用科学去开发新技术。换句话说,工程师不会等待有了科学之后才去使用,而是可以自己走在科学的前沿。很可惜,MIT从1865年招收第一批学生直到1930年代初,Rogers 的这个梦想没有实现。学校还是以培养技工为己任, 只要懂得修理和维护机器设备就好了。有个很有趣的例子,1936年钱学森去MIT拿到硕士学位后就离开去了加州理工,师从德国来的冯卡门教授。他自己回忆道,当时在MIT的一年时间,并没有学到太多。真正Rogers梦想的实现,则归功于 Vannevar Bush 教授对 MIT的改变。
图11 Vannevar Bush(1890-1974)
 
Vannevar Bush ( 1890-1974)博士毕业于MIT(1916)。博士之后的头几年,他先后为 Tufts,美国国家学院和MIT等工作,折腾了一段时间 (明显的创业者素质),期间他还联合创办了 Raytheon 公司,如今美国最著名的导弹公司。他在MIT任教时(1919-1938),首倡工程教育的研究文化。他最为著名的科研成果就是与著名数学家 Nobert Wiener 研制了首台机械式模拟计算机(英国的计算机鼻祖Charles Babbage 虽然提出了计算机构想、但并没能做出来)。同时他还担任二元代数课的教学,为信息论工作奠定了基础。之后他担任电机系主任,MIT工学院首任院长(1932-38),教务长。可以说,MIT 正是在Bush的领导下建立了跨学科的研究文化。1938年去到卡耐基科学研究所担任主任,这是美国资助科研经费最多的机构。此时他对美国科学研究的影响,可以说是最高级别的。同年八月份他又被任命为 NACA(NASA前身)的主任。在一战期间,Bush 发现科学家和军事之间的断隔。他也意识到二战不可避免,而这次战争也是科技的战争。所以给时任总统罗斯福写信,并用15分钟说服罗斯福批准成立美国 NDRC (相当于国防科工委这样的机构),把高校、企业、政府、军方等机构组织在一起,针对二战需要的技术进行研究。对二战影响最大对研究项目包括原子弹工程 Manhattan Project,MIT Radiation Lab 等。Manhattan Project 汇集了各类各样的科学家和技工,人数达到13万之多。战争结束后,Bush发表文章 ‘Science:The Endless Frontier ’,建议政府不应该停止对科学的资助,并推动成立美国科学基金会。这篇文章也被李政道引用,用于推动中国成立自然科学基金委员会。Bush 同时还训练出来一批知名学生:F. Terman(1924年毕业)后面担任斯坦福大学工学院院长和教务长,被称为硅谷之父。H. Hazen(1931年毕业) 是伺服机构(Servomechanism)的创始人。G. Brown(1938年毕业)是第一台数控机床的创始人,也是现代工程教育的奠基者。Bush 在1927年开始构建微分分析器时,意识到工程的进步离不开数学,这也为后来 G.Brown 的教育理念埋下种子。同样还有被誉为信息论之父的 C. Shannon,哈佛大学的哈沃德·加德纳称香农的硕士论文“可能是本世纪最重要、最著名的硕士学位论文”。Bush还有两名中国学生,顾毓琇和李郁荣,也同样非常有名,这两位学生也为中国的现代教育建设做出了杰出的贡献。
图12 Bush与几位弟子一起做实验
图13 Bush在Berkeley Lawrence Lab商讨Radiation Lab筹建事宜
 
我们来介绍一下 MIT Radiation Lab 以及它对现代工程教育的影响。在二战时期,德军潜艇以“海狼”而闻名于世,一度给英国的海上运输造成了极大破坏,从英国到美国的运输船只都被德国潜艇拦截,相当于将英美两国隔离起来。所以丘吉尔找到罗斯福寻求帮助,希望美国可以把英国最早研究出来的雷达进行进一步改进并且批量生产。于是罗斯福把任务交给了Bush。Bush 去到 Berkeley Lawrence Lab(拥有大批诺奖得主,第一台回旋加速器诞生地)找了诸如 A. Campton(芝大物理学诺奖)、 J. Conant (哈佛校长)、 K. Campton(MIT校长, A. Campton 哥哥),还有罗兰远距离导航系统的发明者 Alfred Loomis,一起构思组织了跨学科的团队,由李·阿尔文·杜布里奇(Lee Alvin DuBridge)担任主任(1946年任加州理工校长),以物理学家,数学家为主导,技工、工程师为配角,来研究微波与雷达的实验室。高峰时期实验室有4000多研究人员,有9位先后获得诺贝尔奖。从事地面,机载,船载、预警、火炮联网等方向的研究。MIT Radiation Lab 生产了美国一半以上的雷达,为赢得二战胜利做出了重要贡献,所以有句话说,原子弹结束了二战,雷达赢得了二战。
图14 Gordon Brown(1907-1996)
 
在 MIT Radiation Lab 基础上,Bush 的弟子G. Brown 教授, 同时也是首台数控机床研制者,MIT电机系系主任(52-59)和工学院院长(59-68)意识到之前技工式的工程教育让工程师在二战的工程研究中处于配角地位。物理学家、数学家反而成为了无线电、雷达等重要工程项目的主要推动者。回看当年MIT创始人Rogers在创校方案 Rogers Report 的设想和Bush的教育理念, MIT 成立了一个由 Brown 教授牵头的委员会, 检讨工程教育、并于 1950年提出了教育改革方案两个基本原则(The Brown Report 1950):
 
1. 科学主导工程,工程师首先要被培养成科学家,强调教学中数学和科学的地位。
 
2. 实验与课堂教学紧密结合。
 
在Gordon Brown 主持下, MIT电机系对课程进行了改革、并形成了今天我们所熟悉的课程方案:
图15 G. Brown教改后的工程教育课程体系
 
从第一年级起, 学生有两到三年的数学课, 一到一年半的物理课。二年级起, 开始专业基础课, 三、四年级专业和选修课。同时有大约八门人文课程(每学期一门)。最后1年毕业设计。每个学期5门课,四年总共40门课,120学分。这个方案在MIT 工学院推广后也几乎被全球所有的工学院采纳。这个课程体系的另一特点是先学理论,再动手做。专业基础课和专业课一般都会配有相应的实验(见Brown Report的第二原则)。最后 毕业设计的宗旨是通过一个项目把之前所学的内容融合起来(项目题目通常由老师定)。在推动工程教育改革的同时, MIT 把办学的重点放到了研究生教育。本科生的职业技能要吗是通过研究生阶段学习后得到加强,要吗是去企业通过企业内部培训获得 (美国大企业有很好的培训机制)。
图16 现代工程教育发展
 
起源于MIT的现代工程教育,尤其是研究生工程教育、适应了战后经济和产业的发展,对于推动美国经济和科技发展起到了举足轻重的作用。MIT,Stanford 和Berkeley 的创业者主要以教授、博士生和研究生为主体,技术主导型的企业为多。
 
我们系统梳理下从1930年开始到今天的工程教育演变过程。1927年Bush开始研究模拟计算机,1940年成立 MIT Radiation Lab, 再到50年代 G. Brown 的工程教育改革。在Brown教育模式 往其他大学推广的同时,工业界也发生了一系列变化。1946年第一台数字电子计算机 ENIAC在宾夕法尼亚大学亮相,1947年半导体三极管在Bell Lab出现。三级管之父威廉··肖克利(W. Shockley)将晶体管技术带到硅谷,成立了肖克利实验室(Shockley Semiconductor Laboratory )。以Bob Noyce 和 Gordon Moore 为首的 “八个叛徒” (“Traitorous Eight”)从肖克利实验室辞职后成立了仙童(Fairchild)半导体公司, 后面又创办了英特尔 公司。集成电路被应用到各种各样的仪器,包括大型计算机、收音机和电视等。1977年, 乔布斯与 沃滋尼克 创办苹果公司并推出了Apple II, 开创了个人电脑的时代,微软的软件产业也油然而生。之后硅谷兴起,进入了互联网时代。随着电子计算机的发展,CMU在1965年成立了计算机系,工科学生也开始需要学习编程等基础课。 同样,各种各样的仿真工具诞生,这些工具可以在某种程度或者某些方面来帮助实验。随着越来越多的课程加入,仿真也就逐步替代了实际的动手操作,课程里的动手环节被逐步削减。因为在当时,大家都会觉得上的课程越多,学到的知识也就越多,越有用,所以难免学生会超负荷工作。
 
CMU在1995年又做了个系统的调研,通过了解追踪毕业的学生,发现课学的越多,学生取得的成就越差。所以又进行第二次改革,从每个学期5门课变成4门,减少了毕业要求的课程数量。这个教改得出一个很重要的经验,就是学的多不见得好。在实际应用中,如果学习的内容没法消化,就相当于浪费。
 
新工科教育的一个重要节点是2007年苹果推出智能手机,对整个产业界和教育界产生具大影响, 同时也开启了对传统教育模式的反思。从 Sony的 Walkman 被苹果的iPod击垮,到后来 Nokia,Motorola 等手机巨头也同样被苹果打败,高通的前主席P. Jacbos博士说到,他和很多行业高管长时间夜不能寐。以前高通通过 Nokia 和 Motorola 等客户支付的专利费躺在床上就可以数钱,但是后面这些客户都被与手机不沾边的苹果公司打败。他开始思考这种现象,分析乔布斯的特点和苹果公司的不同。从中他意识到传统的工程教育必须改革(他自己在加州大学伯克利分校获得本科,研究生和博士学位)。“未来的产业领袖如果只是会专业技术已经不足以应对创新经济时代的挑战。他们必须学会如何在跨学科团队工作,如何快速迭代产品,从设计到制造。如何把技术与艺术融合起来,如何理解国际市场不同的需求”。2014年, 他给伯克利捐了一笔钱成立了一个新的本科学院 Jacobs Institute of Design Innovation,开启了伯克利的新工科教育探索。同一年, Dyson 也在帝国理工建立了与传统设计学院完全不一样的新型工程设计学院,Dyson School of Design Engineering。反观MIT,早在1985年,建筑学院利用其在设计领域的优势建立了一个跨学科的研究生培养平台, MIT Media Lab. 该实验室招收来自设计、工程、科学、艺术等领域的学生。学生根据自己爱好,组成跨学科项目组,探索产品定义、迭代和制作。其口号是 Design and Demo. MIT当时的工学院院长很想在本科推行 Media Lab 的改革,但遇到极大阻力。最后说服新加坡政府于2009年成立新加坡设计科技大学(SUTD)。
 
离苹果最近的斯坦福大学,于2005年成立了d.school,也在推动类似的教育改革。
 
当然,最有代表性,也最为系统全面的改革还是1997年成立的欧林Olin工学院。以上是一些新工科教育改革的实例。
 
为什么说这些改革就像当年的G. Brown的改革一样,对整个工程界和社会都会带来很大的改变?在二战及二战后直到 1980年代, 大学的科研经费主要来源于政府和军方。问题主要是针对战争、军事、冷战或太空竞争的各类需求。但是随着个人计算机,互联网以及消费市场的兴起,科研经费和研究问题的来源已经从政府和军方转移到企业、民用和消费市场。比如苹果一年的科研经费已经超过美国的国防先进研究计划署 (DARPA)的预算。同样现在的企业对传统模式培养出来的毕业生也有新的衡量和评判,像谷歌已经从之前招名校研究生和博士生到现在15%的新员工不再有大学学历。同时, 也不再需要提供成绩单。(推荐Tony Wagner腾讯讲座)。企业更在乎员工的创新能力,而不是学位或者学校的排名。
 
美国科技企业和主要高校在新工科教育领域的改革对中国工程教育和产业的发展有什么影响?中国的高等教育,尤其是工程教育应该如何改才能适应中国经济、产业和未来的需求?
 
我们先来看看中国工程教育的发展历程。
 
1872年到1875年,清政府先后派出四批共120名幼童赴美国留学,1881年由于项目中断有94名回到中国。而这些留学生对中国的工程教育也扮演了重要的角色。梁诚,第四期学生,17岁回国, 1903年至1908年间担任晚清驻美国公使。他曾为清廷争回部分庚子赔款,这笔款项支持了逾千名学生赴美留学。他当年所设的游美肄业馆,后改称清华学堂(清华大学前身),也被称为清华之父。唐国安,第二期学生,1910年任外务部考工司主事,主要负责选派留学生,1912年5月清华学堂改办清华学校,担任了清华第一任校长,在任期间选派大批学生赴美留学,包括胡适、赵元任、竺可桢、梅贻琦等。
图17 梅贻琦(1889-1962)
 
梅贻琦,作为第一批庚款留学生,1911年入美国伍斯特理工学院研究电机工程。1916年回到清华担任物理系教授。1931年起担任清华大学校长。西南联合大学成立后,他以校务委员会常委身份主持校务。梅贻琦先生是清华大学(含北京、新竹)历史上任期最长的校长(1931年 - 1948年、1955年 - 1962年),被清华人尊称为 “永远的校长”。在他担任校长期间,清华大学也突飞猛进,他也留下了至今在教育界仍然振聋发聩的名言 “大学者,非谓有大楼之谓也,有大师之谓也”。
 
我们熟知清华在人文方面,有国学四大导师梁启超、陈寅恪、王国维、赵元任。理学方面也有一批很有名的数学和物理学家。那么工程方面,就要说到前面V. Bush的两位学生了。
图18 顾毓琇(1902-2002)
 
顾毓琇,无锡人,1915年,13岁的他考入清华学校中等科,1923年毕业,此后留学美国麻省理工学院,获电机工程学士、硕士、博士学位 (1923-29,三麻,类似清华三清),也是第一个拿到MIT博士学位的中国人。1929年归国后,他历任浙江大学电机工程系教授兼主任,国立中央大学工学院院长,国立清华大学电机工程系教授兼主任(1932-33)、工学院创院院长(1933-37)。创办清华大学无线电研究所和航空研究所并任所长。他历任国民政府教育部次长、国立中央大学校长、上海市教育局局长、国立政治大学校长。其间,他还曾兼任国立音乐学院院长、中大教授,国立交通大学教授。他也培养出一大批对中国科学发展起到关键作用的学生,包括钱学森,钱伟长,吴健雄等。江泽民也算是他运算微积分课程的学生。
图19 李郁荣(1904-1989)
 
李郁荣,顾毓琇在MIT的师弟,也是庚款留学生之一,同样在MIT获得了学士、硕士、博士学位(1924-30)。他读完硕士后,MIT数学系教授诺伯特·维纳(Wiener)找到Bush,希望能推荐一个学生帮他把他的想法实现。经Bush 推荐, 李郁荣开始了与Wiener教授长期的合作研究,他们共同研制的李-维纳网络,获得美国专利。在此过程中,李郁荣和Wiener配合默契,把Wiener的思想理论发扬光大,在工程界推广,立下汗马功劳。毕业之后, 1934年受顾毓琇邀请,到清华电机系担任教授。所以清华电机系早期的课程体系,实验设备都和李郁荣密切相关。
图20 1936年清华电机系成员与Wiener合影
图21 李郁荣,A. Bose和Wiener讨论Lee-Wiener网络场景
 
李郁荣促成了Wiener1935年访问清华大学并继续与之进行合作研究。以下是他给Wiener教授的书信内容节选:
 
“清华工学院以拥有的设备和装置而自豪。数学系的图书馆与MIT的一样完善。任之恭博士认为物理系的图书馆要比哈佛大学的更加完善一些。我相信,您会发现这些图书馆为研究工作准备了充分的资料”
 
同样顾毓琇也写信邀请 Wiener:
 
“维纳教授
 
请允许我代表清华大学数学系、物理系和电机工程系的教职员工,欢迎您和夫人即将来我校工作,我们对您的到来都十分高兴,希望您能早一天来到清华。我和李博士为您的住宿等事宜已经做出了初步的安排。我们保证未来一年您会在清华住得很好。您一到上海或天津,请打电报告知您乘火车来北平的具体时间,我们会到车站迎接您。我校电机工程系正在考虑购买一台小型积分仪或微分分析仪。请您与布什教授联系一下,让贵方的电机工程研究小组的专家为我们制做一台仪器,并请告诉我们所需费用情况, 我们希望您在清华大学期间能帮助我们将此设备建立起来。梅校长刚刚已经打电报给您,谈到有关您和夫人旅行费用的事宜,此费用六月份由我校负责为您报销,单程旅费总计1040美元。随信寄上给杰克逊教授和布什教授的两封信,请代我转交一下为盼。
 
致以最美好的祝愿。Y. H. Ku”
 
信中内容可以看出,学科交叉在当时清华是很普遍的一件事情。而且从给Wiener教授的路费1040美元来看,这在当时是天文数字。毛主席在北大做图书馆员的基本工资只有8美元,梁思成在清华教授300美元已经是天价,MIT的教授也只有125美元,所以我们可以说,清华在当时既有钱,又有人(有大楼也有大师)。
 
Wiener回国后,还鼓动著名数学家、普林斯顿高等研究院终身教授约翰·冯·诺伊曼到清华访问,诺伊曼夫妇对此很感兴趣。1937年5月4日,诺伯特·维纳专门就此事同时致函李郁荣、梅贻琦和熊庆来,郑重推荐约翰·冯·诺伊曼作为清华大学的访问教授。然而,由于七七事变,日本全面侵华,遂成为泡影。
 
同样很遗憾,1937年李郁荣在去杭州参加亲戚婚礼时卢沟桥事变发生,只好躲在上海避难。八年期间通过开古董店维持生计,他的科研工作被迫中断。后来致信Wiener并且于1941年拿到了MIT任教的聘书,无奈珍珠港事件突发,到1946年初才得以重返麻省理工学院,开始致力于探讨通讯中的统计理论,成为了统计通信方面的开山鼻祖。他也和Wiener, Shannon一起奠定了MIT二战后电机系的基础。在MIT李郁荣也培养出了一批高水平的学生,Amar Bose(1956年毕业)音响设备巨头公司Bose创始人, Irwin Jacobs(1959年毕业)高通创始人, G. Zames (1960)鲁棒控制的创始人。
图22 李郁荣回到MIT与Wiener,Shannon组织通信研究讨论会
 
我们能看出,当时清华电机系的起步水平还是挺高的。很可惜因为战争原因大部分设备和人才都流失了,一部分人带着一部分设备去了西南联大。虽然说西南联大在人文、理科等领域取得了非常了不起的成就(如陈省身的Gauss-Bonnet 定理),但是西南联大在硬科技领域和当时30年代的清华是无法相比的。
图23 中国现代工程教育发展
 
图23上部分总结了美国工程教育的发展。我们现在梳理中国工程教育的发展(图23下半部分)。中国现代工程教育的发展从1932年顾毓琇回到清华开始,李郁荣(1934年)和Wiener(1935年)来到清华建立电机系为起点。1937年至1945年整合到西南联大。1950年院系调整,工科与文、理分家、失去了重要人文和科学支撑以及学科交叉机遇。1966年十年文革;1978年改革开放,迎来了科学春天,科技复兴。1990年开始高校合并,1999年大学扩招。虽然办学经费和规模得到了大幅提升,但也带来很多问题。一是管理体系臃肿, 行政化和唯论文化现象严重。二是表合实不合,阻碍学科交叉的障碍并没有实质性减少。1990年吴家玮教授创办香港科技大学,把梅贻琦、顾毓琇、李郁荣在1930年代开启但没完成的事业、借助香港回归、小平南巡,留学生归国和香港资金及政策支持, 把起源于德国、发展于美国的研究型大学尤其是现代工程教育模式在香港落地结果、同时也推动了香港高等教育过去二十年的长足发展。2004年港科大开始探索新工科教育。2012年以港科大为模板深圳成立南方科技大学。这就是中国工程教育发展的大体脉络。
 
我们再进一步分析下中国传统(或现代)工程教育的一些问题, 能帮助我们进一步理解钱学森之问的本质。从钱学森的求学(MIT和加州理工)、研究 (工程科学、系统科学、工程控制论等)和工作(两弹一星等)背景,可以看出他说的创新人才应该是现代工程背景下的创新人才。当然这类人才在新工科背景下也可能会非常出色(好比Shannon与乔布斯)。
 
创新首先要有非常好的学科交叉平台和环境支撑(见Amabile 的创新图,图8)。但我们现在的大学,尤其是理工科大学,结构又是如何呢?学校首先被分割成理学部、工学部和商学部(叫部或群的都有,本质相同)等。
 
工学部下面又细分成 自动化学院、通信学院、光电学院、计算机学院、软件学院等(这些都隶属于之前或国外的电机系)。学院下面进一步细分成多个系或二级学科。每个系或二级学科就是一个小山头。隶属于这个山头的老师和同学跟其他山头老死不相往来(学生虽然几年后就毕业了,但接触的全是本家山头的东西)。
 
我们再看看每家山头给学生提供的课程内容。按G. Brown 现代工程教育理念, 先理论,再动手,40门左右课程(CMU 教改后变成了 32门课,甚至 30门课也可毕业)。前面一部分还行, 后面一部分就难说了。一个根本原因就是随着知识的爆炸,越来越多的课程被挤进来。每个老牌教授 (或者教学指导委员会)都觉得自己的课程重要,一课都不能少。知识经济吗,肯定是课程越多越好。图24 列出了几所重点大学信息专业学生所修课程数目。相信 李郁荣或者 G. Brown 看了这个课程表一定会晕过去 (即使是Shannon 这种超级学霸也不一定承受得了啊)。每个学期要上七、八门或更多的课程,最后的结果肯定是囫囵吞枣。实验和动手部分要么被仿真替代或者走个形式了(canned-type of experiments)。
 
毕业设计只有一学期,也是形式化。老师把之前做过的题目让学生重复一遍,也就你好我好大家好了。
 
再一个就是教与学的单一模式。这一方面局限于千年科举的影响。更主要的还是大规模流水线生产的最好方法就是老师写版书(时髦的放ppt),学生死记硬背,只要考试时能把老师教的复述出来就好。对此现象,Stanford d.school 教授 Ed Carryer 曾说到,“在传统教育模式中,我能够应对考试,也能回答老师的问题,但是实际生活中我无法设计任何新的东西”。
 
美国一所中学 Lawrenceville School,针对灌输式学习方式做了一个有趣的实验。在暑假开始之前,对一门科学科目进行考试,全班取得B+成绩。三个月后,对同样考题做一个简化版,全班的成绩竟然是F。灌输式教学模式世界各地都有,也不是完全不能用、但不能走极端。
 
哈佛大学教授 Paul Bottino 也说:“传统的通过灌输式的教与机械记忆式的学所掌握的知识已经没有太多的价值了。真正有价值的是你如何利用你所掌握的知识去做有价值的事情。” 灌输式的教学模式让学生保留的知识很有限,只有真正通过动手,通过实践,才能学会并掌握这些知识。正如那句话所说:告诉我,我会忘记;教导我,我可能记得;让我深入其中,我才能真正的学到并且运用。
 
总结起来,传统工程教育面临普遍性的挑战有四点:专业细分化;知识碎片化;实验形式化;方法单一化。这是我们在传统工程教育所处的现状。这也是为什么,钱学森通过给总理提出钱学森之问,让我们认识到问题的存在和严重性,并且去探索问题的解决方法。
图24 我国大学电子信息专业课程学分数量
 
新工科教育探索
 
苹果、谷歌、高通、华为、大疆、戴森和腾讯等科技公司的经历,创新教育研究者 T. Wagner, R. Miller, E. Carryer 和 T. Amabile 等人的经验,以及创新人才培养机构 MIT Media Lab, Stanford d.school, Berkeley Jacobs Institute 和 Olin 工学院的实践清楚的告诉我们基于 Brown Report 的传统工程教育模式, 哪怕登峰造极者如MIT, Stanford 和 Berkeley, 也已经不能满足创新经济发展对高端人才的需求了。新近出来的MIT新工科教育改革报告(见[14],与 1950年 G. Brown 报告一脉相承)也清晰指出这一点。图15结构的课程体系很难培养出红杉20条, Wagner4条或者Olin9条标准的创新人才。
 
MIT Media Lab 前任主任 Joi Ito 教授(他自己先后从塔夫茨大学和芝加哥大学休学,博士没毕业)在他的Tedtalk里说到:“今天硬件的价钱很便宜,3D打印以及制造技术也很方便,知识获得都在手机和互联网上,只要你想学,知道目标在哪里,你就可以学会。” 在他担任 Media Lab 主任时,他把原来的口号由Demo or Die 改成 Deploy or Die。他认为,光是把原型机做出来还不够, 还应该通过创办公司,把自己设计的东西推向市场。这样学生才能真正掌握 P. Jacobs 博士所提出的 创新本领(创业是检验新工科教育的最高标准!)
 
要在现有的课程体系去做根本性改革是非常困难的,甚至不可能的。每个老师都不希望自己的课程被改掉(写了几十年自认为很得意的板书改没了, 这咋行?)。
 
MIT机械系的经验可以借鉴。但前提是他们的本科生一直有动手的传统(该校女生还可以打铁,这在其他地方绝无仅有)。MIT 机械系D. Wallace 和 M. Yang 教授为本科生开设了两门很有特色的产品设计课程,极受学生欢迎。一门一年级学生的玩具设计课程, 另外一门是四年级学生的毕业设计课程。毕业设计课程的答辩已成为MIT的狂欢节,学生会有强烈的参与感和成就感,据说每年都会有两个团队去创办公司。
 
另一个模式就是 Stanford 的 d.school 模式。D. Kelley 教授曾帮助苹果设计第一代鼠标产品, 与乔布斯保持过长期合作,同时创办了著名的设计咨询公司IDEO。2005年, 他在斯坦福大学创办了d.school。这个新学院的使命在于挖掘人的创造能力,更强调这里是一个环境,一个社区,一个改变人思维的地方。学院的宗旨在于给年轻人赋能,包括以下核心能力:
 
· Navigate ambiguity;
 
· Learn from others(People & context);
 
· Synthesize information;
 
· Experiment rapidly;
 
· Move between concrete and abstract;
 
· Build and craft intentionally;
 
· Communicate deliberately;
 
· Design your Design Work。
 
 
图25 史丹福机电一体化设计课程学生和老师
 
尽管录取标准也不低, 斯坦福学生动手能力仍普遍不足(K12 教育的缺失)。我专门采访过上 Ed Carryer 教授机电一体化产品设计课程的本科生。他们觉得这门课让他们掌握了如何去寻找和定义问题, 如何异想天开,通过动手把想法变成现实。怎么应用知识,怎么团队合作。这门课让他们对自己变得更自信,给他们赋能了。
 
我自己于1992年加入香港科技大学。以前上课也采用传统模式,板书(+ ppt),作业加考试三板斧。后面发现学生对这种模式越来越不感兴趣。第一星期如果有一百学生来上课的话, 到期中就变成了五十,而到期末最多也就 四分之一的学生。很困惑、很不理解(后面才听说有放水一招来吸引学生,但即使知道,也不会用, 误人误己)。2004年,为参加亚太机器人比赛 Robocon, 我开设了一门项目课程。这门课学生要学会定义问题(搞清楚比赛规则),然后以团队形式利用各种工具,把系统进行分解(机械、电子、软件等),设计、和制造每个子系统,集成、测试和不断迭代。学生还去深圳买零部件,做PCB 和机械加工(熟悉深圳的供应链)。这种新颖的学习模式把学生的积极性充分激发出来。学生没日没夜的泡在实验室、赶都赶不走。不少学生后面跟我讲这门课让他们学到了比科大四年还多的东西。这门课也走出了汪滔、王铭钰、陶师正、潘宗良等一批创业者。这门课严格意义上来讲还只是一门工程设计课程(主题由大赛组委会给,而非学生自己定义),不能给学生提供系统的训练。后面我也见到许多 Robocon 背景的创业者,在创业这条路上磕磕碰碰,犯很多没必要的错误。后面在这门课的基础上,我们为科大工学院一年级学生开设了一门机器人项目课程。局部的改变了之前先学(很多)理论再(少少)动手的情况。这门课同时也被广东工业大学,湖南大学、宁波工程学院和常州大学的机器人学院采用。港科大后面在大疆的支持下,设立了一个新的学科部,综合系统与设计学科部(ISD), 每年30个学生。期望能更全面的探索新工科教育。
 
无论是 Berkeley 的 Jacobs Institute,Stanford 的 d.school,港科大的ISD、 还是MIT的 Media Lab, 其工科教育改革还是多方面受到母体的约束, 这好比在国企推行承包责任制意义、有效果但很难彻底。
 
唯一系统、全面把新工科教育做到位的是美国波士顿附近的欧林工学院Olin College of Engineering。我花了很长的时间去了解Olin,也把其改革方案称之为 The Olin Way(该校前面一条马路名字)。
 
Olin 的发展背景我就不多做介绍了(见[1]、[13]等文)。
 
首先Olin很清楚培养什么样的人,Olin的人才标准Olin9条前面已经详细介绍过。
 
我通过采访学生,走访课堂,看老师如何授课,与毕业生和企业界的人士交谈,同校长和行政人员交谈,也邀请Olin校长来大湾区传授经验,并且派我们的人员去参与Olin学习班,深度了解Olin的创新。Olin校园虽然不大,但是留给人的印象很深刻。这里有一个完全不同的创新环境与氛围。实验室与教室整合在一起,教室里到处贴着学生的想法和成果。
 
Olin于1997年注册成立,两年后校长到位,2000年启动校园建设, 教师团队在准备课程体系前,先花两年时间走访了五十多家学校, 详细了解别人工科教育改革的经验和碰到的问题。2001年招聘第一批学生,Olin 称之为合伙人,共同参与课程设计实验(这叫与用户共同设计 UOCD)。2002年正式开学(2016年录取率为1/12)。第一批学生2006年毕业,至今有一千多名校友,每年招收学生80名。教师共有37名,配备行政人员75名。Olin的毕业生极受企业欢迎, 平均起薪高于MIT。其中20% 毕业生创业,50% 进入著名大学读研深造。即使不创业从事其他事业的学生,有了这段经历也表现得很好。Olin的学生男女比例1:1,颠覆了我们对于偏工科学校女生不多的印象。他 们的经验也告诉我们,女生在团队合作中有优势。Olin的学生在申请学校之前很多都有参加过中小学机器人比赛经历、清楚自己要学什么。学校也并不依赖SAT成绩来录取学生,而是通过推荐等渠道,使得学生有机会参加面试。面试的内容是用两天的时间来参与一组项目,与学校的老师和高年级同学互动,观察学生的表现,最后才决定录取。入学后四年的课程有大概有25-35个项目课程,最后的毕业设计由企业提供,外加五万多美元的经费赞助,设计结束后还要在重要场合展示项目。
 
学校没有院系之分,大部分课程都是团队教学模式,老师只是一个作为一个引导者,并不像传统的讲课模式。
 
同时,老师的评估也有一套与传统不一样的标准,新的评估体系没有终身制,需要综合考察老师对社会的影响,对学生的成就,以及如何扩大学校的影响等方面,并不局限于传统的研究,教学,服务。
 
实现Olin的培养目标,最重要的就是有一套专门的课程体系,没有课程体系作为框架载体,再好的目标也不可能实现。Olin的课程设计围绕数学,科学,工程,设计,场景和课外六个方向。
图26 Olin课程设计
图27 Olin课程表
 
Olin的课程结构与传统工科课程结构完全不同。每个学期四门课,每门课都是通过项目把多方面内容融合,其中红色的都是产品设计课程。可以看出产品设计课程在整个教学体系里占有非常重要的位置和比重。比如大学一年级的Design Nature,由两个模块构成,第一个模块为了训练观察力,让学生去自然界寻找喜欢的动物,观察其特点并且解释功能,最后做一款实体去验证构思。第二个模块做一个产品,比如小学生互动的玩具,学生们需要分组去调研,采访小孩,老师以及小孩的家人,通过观察小孩怎么玩来定义问题,设计产品,最后由小孩体验并评分。每一门课程的定位和目标都跟整个课程体系的目标相适应。
 
第二类课程就是数学、科学和工程基础课程。通过项目载体融合起来,不只是简单学会课程内容,更重要通过课程培养思维方法并学会怎么应用,怎么学习。
 
有一门课程叫QEA,工程量化分析,通过这门课程掌握多元微积分和基础物理等基础科学知识,通过使用正确的工具培养动手能力,团队合作等。课程有四个模块,第一个模块的内容是做一艘满足要求的船。如果学生凭经验立马动手就做,就像山寨创业者一样,大部分都会失败。这时候老师就会强调科学方法的重要性,并且开始把相关的基本知识,为什么需要数学物理来设计等等告知学生,引导学生用这种方法分析设计,再去做,大部分都能成功。通过这种模式的课程,学生掌握了科学方法,学会了使用工具,提升了职业技能,也知道怎么去学习,如何去应用。课程并不强调要做产品出来,而是要把科学方法,数理基础和工程融合起来。
 
第三类课程是人文,社会,管理,艺术等相关课程,也是同样通过项目载体融合。
 
我们可以用图 28 的模型来概括传统工科与新工科教育对学生创新能力的提升帮助。Olin利用崭新的机制,创始人和创始团队的vision, 产业对创新人才的渴望, 波士顿的地利,美国对教育创新的政策支持、还有Olin 基金会的强大财源, 经过近二十年不断迭代和试错, 在新工科教育领域树立了一个闪亮的标杆。
 
希望我们一些有条件的大学也能做一些大胆的探索实验,哪怕规模小一点。尤其是一些经济条件好的地方政府,在创办新的理工科大学时,可以把Olin模式考虑进去。小而精,新模式,引领地方的科创经济上台阶。
图28 教育模式对学生赋能曲线
 
新工科教育评估与迭代
 
[15] 给出了一个设计项目课程的框架。它分四部分。第一,选定目标与标准(Goals);第二,制定系列活动 Activities;第三,梳理活动产生的结果(Products)。第四,评估结果(Assessments),迭代,直到达成目标(见图 29)。
图29 GAPA
 
GAPA框架不只可以用来设计一门项目课程,也可以用来设计一个program,比如一个新工科Program。
图30 检验新工科教育的产业创新体系
 
Olin 9条对于新工科教育的单个产品(毕业生)的标准已经很清楚了。但对于这个群体我们是否能用文章开头的科创之问来作为检验标准呢?(这肯定是个大滞后系统,需要十年、二十年, 也就是我们常说的十年树木,百年树人)。回答科创之问不止是我们的初心,也是我们这一代人义不容辞的责任。何不把民族的复兴, 李约翰之问,钱学森之问与新工科教育的使命融合起来呢?记住孔老师名言, “取乎其上,得乎其中;取乎其中,得乎其下;取乎其下,则无所得矣”。
 
后面两文我们讲介绍新工科教育两类核心课程的设计与实践, 以及松山湖机器人基地为科创人才实现梦想提供的支持。
 
鸣 谢:
 
香港科技大学梁浩博博士根据网课撰写文字稿,松山湖机器人基地同事为本文改进提供参考建议。
 
作者单位:
 
松山湖机器人基地、香港科技大学、南方科技大学
 
参考文献
 
[1] A Whole New Engineer, D Goldberg and M. Somerville, Three Joy Associates, Inc. 2014
 
[2] “The Olin curriculum, Thinking towards the future”, M. Somerville, et al, IEEE Trans on Education, pp. 198-205, 2005.
 
[3] Creating Innovators, the Making of Young People Who Will Change the World, Tony Wagner, 2012, Harvard University.
 
[4] Mindset, Changing the way you think to fulfil your potential, Dr Carol S. Dweck, Random House, 2006.
 
[5] GRIT, The POWER of PASSION and PERSEVERANCE, Angela Duckworth, SCRIBNER, 2016
 
[6] The Art of Innovation, Tom Kelley,Profile Books, 2016.
 
[7] “Rethinking faculty development and assessment at Olin College”, R. Christensen, et al, 016.
 
[8] “My education at Olin College”, R. Schutzengel, Physics Today, 2014.
 
[9] “The current and future role of technology and innovation centres in the UK”, a report by Dr Hermann Hauser for Lord Mandelson, Secretary of State Department for Business Innovation & Skills, 2009.
 
[10] The global state of the art in engineering education, New Engineering Education Transformation, Dr Ruth Graham, MIT 2018.
 
[11] “Remaking Engineering Education for the Innovation Economy”, Dr Richard Miller, Presentation at HKUST IAS Distinguished Lecture Series, Dec. 12, 2018.
 
[12]The integration of the humanities and arts with sciences, engineering and medicine in higher education. Consensus study report, the National Academies of Sciences, Engineering and Medicine.
 
[13] 颠覆创新人才培养的欧林经验, 李泽湘,知识分子, 2019-05-06
 
[14] The global state of the art in engineering education, March 2018. Dr. Ruth Graham[14] [15] Reimaging and enpowering Design of Projects: A Project-Based Learning Goals Framework, J. D. Stolk and R. Martello, Olin College of Engineering, 2018
 

 



推荐 1