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林建华:中国工程教育需要变革

林建华 | 中国教育在线/摄
 
摘 要
 
随着经济和社会需求的变化,工程教育模式越来越丰富,新工科建设也成为近年来的热门话题。
 
从现代工程教育的起源说起,本文介绍了工程教育模式的变迁和各国工程教育的基本概况,并就现实提出了对中国工程教育改革和新工科建设的一些看法和建议。
 
撰文 | 林建华
 
中国工程教育的起源可以追溯到清末的洋务运动。甲午战争之后,最先建立的几所现代学校,都是以理工和实用为主的。20世纪50年代初,经过院系调整,我国的工程教育体系基本建立了起来。改革开放以来,我国高等教育取得了长足的发展和进步,工程教育规模已居世界第一位,但质量并不高,根据2009年《世界竞争力年鉴》的报道,工程师总体合格程度仍处于世界末端。
 
总体看,我国工程教育仍以传统工程领域为主,不仅缺少在大数据、物联网、人工智能、网络安全等新经济领域的布局,在信息技术、新材料、电力装备、高档数控机床等领域人才缺口也很大。同时,在工程教育内容、模式、教学方法、学习方式等方面都存在问题,重知识轻能力、重课堂轻实践、重成绩轻育人等一直没有很好解决。
 
近年来,新工科建设成为热门话题。仅2017年一年,教育部就连续召开了三次与工程教育相关的会议,形成了新工科建设的 “复旦共识” “天大行动” 和 “北京指南”。在教育部的部署和指导下,各学校纷纷行动,针对新兴产业领域,建立新的工程专业,组建未来技术学院,全面推进工程教育的改革创新。与此同时,对新工科的教育学研究也逐步展开,开始探讨新工科建设的内涵,以及工程教育的演化历史和未来趋势。
 
最近,我们承担了中国工程院关于世界顶级工学院的咨询项目,本研究将概要地介绍工程教育的三种主要模式,并结合新工科建设,对中国工程教育改革提出一些初步的看法。
 
工程教育模式的变迁
 
如果从拿破仑建立高等专科工程学校算起,世界工程教育已经有两百多年的历史了。在整个发展进程中,工程教育模式经历了三次重要的转型。工程教育是与国家经济社会发展直接相关的教育,必然会随着产业的发展变化不断地演化。在机器工业时代,工程教育以工程技术为主。在信息时代,工程问题变得更加复杂,很多都需要在科学上的突破,才能真正解决。到了今天,工程问题已不再仅仅是技术的或科学的问题了,而是与人、社会、自然紧密联系在一起的,只有在更广的视野下,才能真正理解工程问题的关键和核心。
 
工程技术教育模式
 
现代工程教育最早出现在大革命时期的法国。鉴于传统大学的陈腐保守,拿破仑关闭了法国的大学,重新建立了高等专科学校体系,巴黎高科就是其中最为著名的一个。拿破仑信奉实用主义,认为大学教育要直接服务国家和社会。新式学校一扫旧大学经院主义陈腐风气,启用优秀人才,重视科学和技术的教育和训练等。
 
拿破仑的高等教育变革,为法国带来了教育和学术的繁荣,不仅培养了一大批优秀的工程技术人才,也大大提升了法国的科学研究水平。但拿破仑对大学的集权管理模式,以及对学生的军事化管理,将教师纳入政府公务员体系等做法,伤害了大学的自治和学术自由传统,使大学失去了应有的内在活力。因此,法国在教育和学术上的领先地位没有维持多久,就被德国所超越。
 
1870年普法战争失败后,法国对高等教育进行了反思,恢复了综合性大学体系。拿破仑的实用主义工程教育模式,对世界高等教育产生了很大的影响。欧洲国家的工科大学、美国的《莫雷尔法案》和赠地学院,与此都有千丝万缕的联系。
 
20世纪初,这种实用主义教育在苏联发挥到了极致。为加快工业化进程,苏联对旧大学进行了彻底的改造,按产业领域设置大学,按生产岗位划分专业,对学生实行高度专业化的教育和培养。在计划经济体系中,学生如同特定岗位上的 “螺丝钉”,根据需要安排在企业或研究机构中。从实用主义的观点看,苏联的工程人才培养是很成功的。专业选择与岗位就业一致、理论学习与技能训练契合,在进入实际工作岗位之前,学生就已经做好了充分的职业准备。
 
这种专业化的教育模式,在苏联工业化的早期发挥了巨大作用,不仅为国家培养了大批紧缺的专业人才,也为战胜纳粹德国奠定了强大的学术和工业基础。二战之后,这种专业化教育模式被推广到了东欧,20世纪50年代初,中国也按这种模式对大学进行了彻底改造。
 
工程技术教育是工业化时代的产物。当时,工程和技术都是以经典力学和电学为基础的,而这些科学原理大多都是在几十年甚至上百年前发现的。工程技术与现代科学像是两股道上跑的车,各自独立,并不往来。工程技术人员当然要学习和掌握科学原理,去设计、发明和制造新的产品,解决生产中的实际问题。科学家的研究多是以个人兴趣导向,专注探究未知世界,对实际应用并不关心。
 
事实上,早期的发明家大多也是单打独斗,有些还是自学成才的业余发明家。直到第一次世界大战前后,一些大公司才开始建立自己的研发机构,但主要是为了开发技术,提高企业利润。工业化时期的这种实用主义文化传统,对大学教育产生了很大影响。
 
人们普遍认为,工程教育的目的就是培养特定岗位的工程技术人员,他们需要掌握基本的科学原理,但没必要去了解科学的前沿和学术的思维方式。在培养方案中,对工程技术应用、实际操作技能的要求远高于思辨与探究,更不用说人文素养和社会科学知识了。
 
工程科学教育模式
 
第二次世界大战不仅是一场正义与邪恶的较量,也一场科学技术的战争。
 
在战争初期,纳粹德国在军事装备、军事战略上都占有优势。凭借强大的工业基础,特别是一大批来自大学科学家的卓越工作,同盟国不仅在常规军事装备上超越了德国和日本,还在最新科学发现的基础上,发明了先进的雷达、精准的雷管、高效的战舰、自动火炮控制系统和高性能的战机,当然还有威力巨大的原子弹和高效的密码破译技术。
 
二战之后,范内瓦·布什在《科学:无尽的前沿》中,系统总结了美国战时研究的成功经验,阐述了前沿科学对和平时期保持美国战略优势的重要意义。根据布什的建议,在20世纪50年代,美国建立了国家自然科学基金会,支持大学的学术研究。从大学的角度看,国家科研基金的设立是一件具有深远影响的事件,标志着大学的科学研究从个人属性转变为国家属性,从此,世界各国的研究型大学体系逐步建立起来。
 
二战期间,科学家与工程师之间的卓越合作,给予人们一个重要启示:科学研究与工程技术不再是两股道上跑的车,它们已经非常紧密地融合在一起了。在新的科学发现不断涌现的时代,工程师不能再仅仅拘泥于技术,而需要理解科学新发现的工程意义,并应当参与到从科学发现,到工程技术发明,再到产品创造的全过程。
 
这种认识导致了20世纪50年代美国的工程教育变革,即从工程技术向工程科学转变。钱学森先生是最早认识到这一趋势的学者之一。1947年,钱学森分别在上海交通大学、浙江大学和清华大学做了关于工程科学的演讲,明确提出要关注工程科学的人才培养。但在内战正酣的局势下,他的这些思想显然无法在中国实现。
 
20世纪中叶是科学发现和技术进步的黄金时代,很多重大技术应用都是前沿科学与工程紧密结合的结果。半导体材料是贝尔实验室的一项重大科学发现,半导体材料很快就作为整流器件用于实际。随后,大规模集成电路的发明和应用,催生了计算机和信息产业。激光发现和应用也是科学与工程结合的一个范例。激光原理是20世纪初由爱因斯坦提出的。但直到20世纪50年代,人们才真正实现了激光输出。今天,激光技术已广泛用于生产、生活的各个方面。
 
20世纪中叶,美国的一批顶级工学院,陆续从传统的工程技术教育转向了工程科学教育。钱学森先生很早就曾阐述过工程科学人才培养的理念和思想。他认为,工程科学人才不仅需要具备坚实的科学基础、学术研究的素养和能力,还要对实际工程有很强的感知和实践能力。从国外一些顶尖工学院的本科教学计划看,理科类课程的确比较多,也比较重,而工程类的课程以工程原理、标准和规范为主,更多是通过参与实际项目,对学生进行工程思维和方法的训练。
 
总体来看,工程科学人才的适应性和创造性更强,特别是需要在科学原理上创新的复杂工程问题,工程科学人才更具优势。从就业情况看,工程科学的毕业生很多都继续深造,最终从事学术工作,当然,更多的是在公司或研究机构从事研发和其他类型的工作。
 
工程教育转型、政府对科研的大量投入、研究型大学的兴起等等,对于美国的科学发展和高新技术产业的兴起都是至关重要的。工程科学人才培养模式,随后为欧洲和其他国家接受,成为工程人才培养的共识。但同一时期,苏联、东欧国家和中国的工程教育并没有大的变化,仍然是以工程技术为主传统教育模式。
 
而且,在国家的统一计划下,科学研究主要由专门的研究机构承担。这种人才培养与学术研究相分离的方式,使大学的工程教育远离科学发现的前沿。由于真正能够理解最新科学发现工程意义的人才非常缺乏,在信息技术、生物医学的新浪潮中,东方阵营处于了落后地位。
 
工程引领教育模式
 
进入21世纪,信息技术和知识经济高速发展,人们的生活方式、价值取向、消费需求和产业形态都发生了巨大变化。很多传统行业,尽管拥有悠久的历史,却被那些跨界的新业态所颠覆。产业变革不再是单纯的技术创新,还需要对人们生活方式和价值追求的深刻理解,才能设计和创造出引领消费的新产品、新服务和新商业模式。社会和产业的快速变化,对大学工程教育提出了新的要求:培养能够引领产业变革的工程人才。
 
并不是所有的人都赞成这种说法。人们更愿意相信,引领产业变革的杰出人才并不是大学培养的,而是实际摔打磨炼出来的。这无疑是对的,但这丝毫不能降低工程教育对人的成长的基础性意义。大学教育的根本任务是 “解放” 学生的心智,释放内在潜力,使他们为未来做好更准备。为未来产业变革做好准备,显然也是大学教育的重要任务之一。
 
2009年,世界经济论坛曾发布了一份创新创业教育和创业型大学的报告,对培养新型创业人才的状况做了系统梳理。实际上,工程引领与创新创业的基本思想是相通的,都是一种能够把想法变为行动的素养和能力,而且,这种素养和能力并非企业家独有,对于在任何岗位上工作的人,都是非常需要的。
 
从教育和成长理念看,工程技术和工程科学属于专业教育。而工程引领既需要较强的科学和技术的知识基础,也更加关注学生的社会体验和人文素养,因而是一种专业教育与通识教育相结合的教育模式。近年来,一些发达国家的大学,开始从不同的角度进行工程引领型人才培养的尝试。由于理解不同,各学校的培养方式各有千秋,但还是形成了一些基本共识。
 
一是加强人文和社会科学素养。未来的工程不仅是科学与技术的结合,更需要对人、社会和自然有深刻的理解,才会有更广阔的视野,以及批判、质疑和创造精神,才能敏锐发现新问题和新机遇。在加州理工学院、斯坦福大学的教学计划中,人文和社会科学课程已超过总学分的1/4。而在工程教育领域享有盛誉的哈维·穆德学院,更声称自己是一所独特的博雅工程教育的学校。
 
二是知行合一。对工程引领型人才而言,最重要的不是他们知道什么,而是创造性地思维和行动。瑞士洛桑理工学院和美国新建的奥林工学院做了很好的尝试,他们把工程项目融入教学计划,使学生在项目的研究和实践中,发现知识和理论的魅力,从而更加主动地学习和实践。共同参与和组织工程项目,对学生的团队合作、勇敢面对失败以及领导和管理能力都是很好的磨炼。
 
三是产教融合。在知识开放时代,社会蕴藏着丰富的教育和学术资源,其中很多是高校无法提供的。北美一些高校实行多年的产教融合的教育模式(COOP),在新的历史条件下,显示出培养学生全面素养的独特优势。加拿大滑铁卢大学一直实行COOP教育,由于毕业生在行业中的卓越表现,滑铁卢大学被美国硅谷列为十所最受欢迎的大学之一,这也是最受欢迎的大学中唯一的美国之外的大学。
 
各国工程教育基本概况
 
工程技术、工程科学、工程引领是三种不同的工程教育模式。这些教育模式是在不同的历史条件下和社会环境中,逐步产生和发展起来的,但每种模式都有各自的社会需求,并不意味着后者可以替代前者。实际上,世界各国的工程教育都不是单一模式,而是根据产业发展的实际状况和需求,将上述三种工程教育合理地组合在一起。
 
工程技术人才是制造业的基础。工程技术教育是一种大众化教育模式,与职业教育一起,为制造业提供人才支撑。工程科学和工程引领都属于精英教育,主要是一些顶级工学院采取的教育模式。一般地说,这两类人才的数量需求不会太大,但竞争异常激烈,只有那些最顶尖的才能脱颖而出。为了直观理解世界各国工程教育状况,本研究把上述三种工程教育模式作为典型,构建起如图1所示的示意图。
 
早期,各国工程教育都以工程技术为主。20世纪中叶,北美和欧洲的大多数顶级工学院基本完成了向工程科学的转型。对于研究型大学而言,向工程科学教育的转型是有很强的内在驱动力的。加强学生的科学素养和能力,对学者而言,既驾轻就熟,也符合自己的学术发展诉求。而工程引领人才培养所关注的侧重点有很大不同,不仅是科学知识和技能,还要培养学生的独立思考、批判性思维和创造性行动的能力。这对教师提出了更高的要求,无论是教育观念,还是教学方法,都要改变。
 
因此,向工程引领的转换并不会自然发生,反而会遇到教师的抵抗。建立新学校、聘任有教育改革热情的教师,从根本上重塑工程教育,是建立工程引领人才培养的有效途径。奥林工学院就是一所专为推动工程教育改革而设立的新学校。经过了20年的努力,奥林工学院的改革取得了非常好的成效,毕业生得到了广泛认可。一些老牌的工学院,如伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、麻省理工学院等,也开始借鉴奥林工学院的经验,开展工程教育改革。
 
工程教育的发展演化一直与产业发展密切相关。美国制造业曾经很强。随着经济全球化,大量制造业转移国外,美国成为以高技术新兴产业和服务业为主的国家。由此引发的就业市场变化,对美国高等教育产生了很大影响。学生选择工程领域的意愿下降,理工科生源不足,已成为美国大学面临的严重问题。
 
据统计,2017年获得学士学位的学生中,学习工程领域的不足5%。而且,入学时选择工程专业的学生,大约只有一半能够从该专业毕业,很多中途转到其他专业。这种状况对大学是一个巨大的挑战和压力,也是美国工程教育改革的重要诱因之一。
 
与美国不同,多数欧洲国家非常小心地保持了自己的制造业基础,工程技术人才的需求也比较稳定,因而工程教育变革的压力相对要小一些。德国一直保持了完善的工业大学和职业教育体系,学生的技能训练很严格很规范。法国的大学体系主要承担高等教育普及的任务,精英工程师培养是在高等专科学校中进行的。近年来,除了加强科学素养和学术训练,高等专科学校开始关注学生的综合素养和实践能力,以培养引领产业变革的优秀人才。
 
需要指出的是,上述的三种工程教育模式都是指较为典型的理想情况。从实际中抽象出的典型和理想模式,对于揭示工程教育的规律、理解发展的历程,是十分必要,也是很有益的。但任何学校的教育模式,都不可能是单纯的或理想的,而是以某种模式为主,再融入其他模式的元素。如我国的工科大学多以工程技术模式为主。
 
近年来,一些学校实施了 “强基计划”,加强学生的理科基础和科学研究训练,因而多少带有一定的工程科学成分。同样,美国和欧洲顶级工学院的教育模式,大多都是工程科学,但他们也非常关注学生的人文素养和工程实践,因此也多少带有了工程引领教育模式的特征。
 
我国工程教育需要变革
 
中国的工程教育源于苏联。20世纪50年代初院系调整,按产业领域重新设置了高校,按产业流程的岗位重新设置了专业,形成了非常典型的实用主义教育体系。改革开放后,通过大学合并和学科调整,高校的学科综合性得到加强,学术研究能力和水平大大提升。
 
在人才培养上,通过调整专业设置、拓宽专业基础、加强素质教育等措施,改善了学生的人文素养和学术视野。但总体看,我国的工程教育仍然以工程技术为主,即使是一流的工学院,也没有完全实现向工程科学的转型。
 
中国是一个大国,各类工程人才都很需要,需要大批优秀的工程技术人员,也需要大量精于实际操作的能工巧匠。因而从就业的角度看,中国大学工程教育变革的压力并不大。但这并不意味着我们可以高枕无忧。恰恰相反,近年来一些新兴技术产业,如大数据、人工智能、生物医药等,以及众多 “卡脖子” 关键技术,已经对我国的工程教育提出了新的要求。新兴产业面临的这些问题,并不是单纯的工程技术可以解决的,必须在数学方法、科学研究和系统集成等方面有新的发现。而这些工作,不仅需要优秀的科学家,还需要能够融合科学发现与工程技术的工程科学人才。
 
在工程引领人才的培养上,我们才刚刚起步。在国家的大力倡导下,各高校在创新创业课程与实践方面,做了一些有益的尝试。但工程引领人才的培养,并不是上一些创新创业课,或参加一些创业实践就能实现的,而是要把学生的批判性思维能力、发现问题和解决问题的能力以及勇于开拓的行动能力,融入整个学习和成长的过程中。显然,工程引领人才的培养不能局限在书本中、课堂上或校园里,而是要打破边界,充分调动学校的和社会的各类教育和学术资源,让学生在创造中学习,在实践中成长。
 
中国的工程教育应当是多样化和多层次的,既需要精于实操的工程技术人才,也需要良好科学素养、能够解决复杂问题的工程科学人才,还需要能够引领产业变革的工程引领人才。地方大学工学院,应当专注工程技术人才培养,结合本地产业实际,加强与产业的合作,提高工程技术人才的培养质量。部属院校工学院,应当尽快实现向工程科学的转变,培养学生更强的科学基础、创造性思维、探求未知能力。与此同时,各高校都应当发挥各自的优势,积极探索工程引领人才培养的方法和路径,努力培养和造就一批能够引领产业变革的优秀人才。
 
经过两百多年的发展和演化,工程教育逐渐形成了三种不同的培养模式。这些模式的目标不同,教学内容和学习方法也不同。从整体看,我们不仅要改革工程技术教育,提高工程技术人才的质量和水平,还应当关注工程科学人才和工程引领人才的培养。在后两类工程人才培养上,我们不仅有较大的差距,在很多方面可能才刚刚开始。因此,新工科建设应当是反思中国工程教育的一次绝好机会。如果我们能够借助新工科建设,能够明确各自定位,实现工程教育的改革与创新,将会是一件对中国高等教育发展具有历史意义的重要事件。
 
本文系作者2021年6月18日在兰州大学召开的 “大学转型发展” 研讨会上的主旨报告,原文刊载于《中国高教研究》2021年第7期第15-19页,《知识分子》获权转载。
 
作者简介
 
林建华,北京大学未来教育与管理研究中心主任、化学与分子工程学院教授。



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