美國本科階段工程教育改革思考

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摘要:美國本科階段工程教育的改革引領著世界工程教育的發展。通過深入考察近30年美國工程教育改革的研究與實踐進展，發現美國本科階段工程教育改革的總體趨勢是“科學導向”向“工程設計導向”的轉變，其原因在于商戰促使工程教育界認識到工程設計是工程的核心。美國關于工程設計教育的研究大致分為宏觀層面的理念構建、中觀層面的課程改革和微觀層面的設計學習3個階段，其工程設計教育改革實踐也在理論研究的推助下持續向前推進，美國“工程設計導向”的工程教育改革趨勢充分說明工程設計及工程設計教育的重要性，為中國工程教育改革提供了思路。

關鍵詞:美國;工程教育;改革趨勢;“科學導向”;“工程設計導向”

工程教育的發展離不開科學的推動。美國以及西方許多國家本科階段的工程教育自20世紀50年代起日益形成“科學導向”的模式，強調科學基礎，忽視工程實際問題的解決。20世紀80年代，美國工程教育領域發起了“回歸工程運動”(ReturntoEngineeringMovement)，開始對“科學導向”的工程教育模式進行改革。縱觀近30年美國本科階段工程教育的研究與實踐，“工程設計導向”的改革趨勢日趨明顯，工程設計成為本科階段工程教育的核心要素。

一、“工程設計導向”的原因分析

(一)商戰引發工程教育界對工程設計的關注

20世紀70年代，在愈演愈烈的商戰中美國三大支柱產業收益連年下跌，在國際競爭中逐步處于劣勢，如圖1所示。［1］為提高產業競爭力，維護世界經濟霸主地位，美國經過大量研究論證，發現產品成本的70%由設計階段決定，有效的設計能夠提高質量、減少成本、縮短生產周期，更好地滿足顧客的需求。美國認真審視自己的工程設計狀況，指出政府、企業界、教育界存在的九大問題。其中，教育界存在的問題主要是:(1)高校名義上承擔責任，實際上并沒有做好工程設計教育。設計教育沒有受到應有的重視，工科教師普遍認為設計難教，僅有的設計教師沒有工程設計背景，高校不能培養企業需要的工程設計人才。(2)高校關于工程設計的研究正在復興，但還遠遠不夠。(3)目前的工科課程不關注整個產品實現過程，大部分課程只強調小部分傳統的、技術性的設計過程。課程從整體來看缺乏現代設計活動學科交叉的特點，而且課程也沒有教授目前多數有競爭性的企業正在進行的設計活動。結果導致工科畢業生在實際設計活動中缺乏團隊精神，不能很好地應用他們的科學、數學和分析知識，不能真正理解制造過程、成本和產品生命周期等概念。［2］這些問題歸因于20世紀50年代美國工程教育界發生的重大轉折:極其強調數學和自然科學在工程教育中的地位，在工科課程計劃中大幅度增加科學教育的比重，削減了設計類科目及學時。商戰凸顯出工程設計的重要性，工程教育界開始重新關注工程設計。

(二)工程設計是工程的核心

工程設計和工程有著同樣漫長的歷史。工程設計的涵義及其與工程的關系也在不斷發展變化。現代工程與社會建立了密切的聯系，受到系統工程學和社會建構論的影響，過程主義的工程本質觀出現。取得職業身份的工程師們更傾向于把工程定義為一種設計的過程，認為設計是工程的核心，真正的工程師是設計師，強調工程的創造性本質。［3］120—121美國工程師普遍認為專業工程師的特質在于“設計”。工程教育家Smith把工程定義為建筑、裝置或系統地滿足特定條件的最優化設計方式，并進一步指出，在寬泛的意義上，工程的本質就是在觀念中設計裝置、程序、系統，有效地解決問題，滿足需要。［3］120—121美國許多著名的學者都對工程設計的定義進行了闡述。比較有代表意義的如Simon指出“凡是以將現存情形改變成想望情形為目標而構想行動方案的人都在搞設計”［4］;Dym在Simon的基礎上提出自己對設計的理解:“設計是對物品規范系統化的、智能的生產和評估，使物品外形和功能達到規定目標并且滿足一定的約束條件”［5］;Bucciarelli認為，工程設計是處于真實情境中，涉及社會過程，持有不同觀點、來自工程或非工程的不同學科的人，一起工作解決復雜的技術問題，來滿足社會和消費者的需要［6］。可以看出，美國學者對于工程設計的定義都較為籠統，這也反映出工程設計的復雜性。在現代工程活動中，設計工作絕不是一個“局域性”或“局部性”的環節，而是一個影響到工程活動的“全過程”和“全局”的起始性、滲透性、貫穿性環節，具有特殊的重要性。［7］

二、“工程設計導向”的研究與實踐

(一)“工程設計導向”研究進展

美國關于工程設計教育的研究大致可以分為3個階段:宏觀層面的理念構建研究階段、中觀層面的課程改革研究階段和微觀層面的設計學習研究階段。

1．宏觀層面的理念構建研究階段(20世紀七八十年代)此階段研究的重點是論證工程設計在工程中的重要性，以及本科階段開展工程設計教育的必要性與可行性。持否定態度的學者主要認為工程設計不能算是一門真正的學科，因為它缺乏數學的支撐，更像是一門藝術而非科學;工程設計往往是依靠直覺，工程設計教育沒有充分的理論基礎，師資隊伍也沒有保證。［8—9］持肯定態度的學者認為工程設計理論更關注設計過程而非產品，而設計過程是可教授的。［10］隨著計算機科學特別是人工智能的發展，可以用符號表述出許多傳統算法不能表達的東西，實現并展示工程設計，這證明了工程設計并不是憑借看不見摸不著的直覺。20世紀70年代以來涌現了一批有重要影響的設計學家和著作，促進了工程設計科學的發展，使工程設計成為一門學科而不再僅是費時難教的技能。Henderson于1980年發表《當然，設計可以教授》一文，該文通過對學生修完工程設計課程后的收獲進行實證研究，得出設計可以教授的結論。［11］

2．中觀層面的課程改革研究階段(20世紀八九十年代)在確立了工程設計教育的可行性和重要地位后，各個高校通過多樣化的方式進行“工程設計導向”的改革，相關研究主要是基于現有的工程設計學理論如工程設計過程模型等，結合研究者自身的教學經驗，嘗試提出有效的設計教學方法，改革工程設計課程。此階段涌現了大量的研究成果，對“工程設計導向”的改革實踐起到了積極的推動作用。Turns等選取1994—2001年10種工程教育期刊和2種重要的工程教育會議論文集，篩選出題目中包含“工程設計”的文章共273篇，從設計教學的對象、設計教學方法、設計教學目標及要求、課程評價和設計的定義五方面對選出的文章進行了文本分析。［12］具體來看，此階段的研究內容主要包括以下方面:(1)論證工程設計教學的有效性。例如:Atman和Bursic選取10位大一年級學生作為研究對象，一半學生在閱讀工程設計過程內容之前解決三項開放性的工程設計問題，另一半讀完之后完成同樣的問題。然后分析實驗組和對照組，發現工程設計過程的相關知識對于學生定義問題、分析問題和解決問題確實有一定的幫助。［13］(2)探討工程設計教學方法。學者們普遍認為以項目為中心的學習(project-centeredlearning)是比較有效的設計教學方法。可以通過設計項目訓練學生的設計思維，了解設計過程并提高學生的工程設計能力。［14—15］(3)大一年級貫穿設計體驗。研究者意識到本科低年級教學環節與工程實際脫節，開始探討與大四年級的頂層設計(“capstonedesign”)相對應的大一年級底層設計(“cornerstonedesign”)。一些學者提出大一年級學生應該面對真實的工程問題，理解工程師究竟在做些什么。［16］同時，大一年級開設工程設計課程有助于緩解工科學生的流失，對今后學生的學習也有很大幫助。［17］一些高校嘗試在大一年級讓學生以團隊合作的形式通過真實的工程設計項目體驗產品設計的完整過程，深刻理解工程設計的開放性與復雜性。［18］這一階段的研究在理論方面主要依托工程設計科學研究取得的一些成果，包括設計過程的發現與描述、基于企業最優的設計實踐建立規范的設計活動模型、設計過程的自動化模型開發、開發設計語言及陳述、開發設計分析工具、發展用于工業和民生的設計。［19］工程設計的相關理論為設計教育研究提供了方法和視角，但是并不能很好地解釋工程設計學習，即工程設計者如何習得知識和技能并將其轉化為生產力和創新。此外，此階段關于課程評價的研究較少，不能很好地評價某種工程設計課程對于學生的設計學習所起到的作用。建議使用的教學方法多是作者的自身經驗總結，并沒有認知科學和教育心理學的相關理論作為支撐。設計教育研究出現瓶頸，在指導實踐方面存在一定的局限性。

3．微觀層面的設計學習研究階段(2000年至今)隨著工程教育從知識導向到能力導向的轉變，工程設計教育進入了重視學生設計能力培養的新階段。工程設計教育研究開始關注學生做設計的心智過程，即學生如何處理工程設計問題并具備設計能力。鑒于工程設計科學與工程設計教育之間存在的距離，Eastman于2001年所著的《設計知識與學習:設計教育中的認知》提到了設計教育中的認知概念框架，試圖從四方面建立認知科學為基礎的設計教育理論。從此工程設計教育研究開始對工程設計認知密切關注。［19］這一階段比較有代表性的是華盛頓大學工程學習教學中心關于設計教育的實證研究和斯坦福大學設計研究中心關于設計教育的理論研究。華盛頓大學工程學習教學中心的研究者們利用“發聲思考”方法，考察工程本科生和專家如何解決工程設計問題。主要通過錄下學生和專家“出聲”的思想，基于設計中最基本的操作單元對音像帶進行分析，取得數據，從而對比大一學生、大四學生以及經驗豐富的設計者之間設計行為的差異及變化。該團隊在3套數據的基礎上完成了6項相關研究。該團隊對設計學習的研究成果如何運用于實際的設計教學中也做了系列研究。斯坦福大學設計研究中心主要致力于工程設計教育的理論研究，將設計科學與認知科學結合起來，為工程設計教育實踐提供更好的指導。例如:NeeleyJr．鑒于以往工程設計教育領域對設計的一些本質屬性如設計過程中人的特性、動力、適應性等特征關注不夠，在仔細分析已有設計模型的基礎上，提出自適應設計理論。［20］該理論并非對已有的設計過程、階段進行詳細解釋，而是強調對設計者和設計本身的關注，將設計者的思考過程整合到設計活動過程中，從設計思維與認知的角度更加深刻地闡述設計及其過程。2010年斯坦福大學研究團隊出版《設計思維:理解—拓展—應用》一書，對工程設計思維進行深入剖析并建立了相關模型。此階段的研究成果主要包括:(1)工程設計課程評價。傳統的、單一的評價方法對于設計課程已經不再適用，為了評價教學方法和課程內容的有效性，應綜合采用多種方法，如封閉性調查法、開放式問卷法、概念地圖法、觀察訪談法等。［21］Safoutin等在布魯姆的目標分類法基礎上，按照設計活動包含的各個要素及其子要素建構課程目標，提出了基于設計的課程分析框架，用于評估課程計劃和學習效果，他們還對大一年級的4個設計項目進行了實證研究，按照提出的框架構建目標，在課程結束后通過問卷調查檢測學生每一項教學目標完成的程度，并將學生調查的結果與教師相比較。［22］(2)建立工程設計課程體系。“工程設計導向”的改革需要改變原有的以科學為中心的課程體系設置，突出工程設計課程的重要性。這就需要建立工程設計課程體系，將設計體驗作為主線貫穿本科各個階段。一些學者采用比較研究、案例研究的方法探討如何在本科階段建立一體化的工程設計課程，實現工科課程計劃的轉型。［23—24］(3)有效培養工程設計能力。2004年在日本召開的國際工程設計教育研討會上，經過專家學者的討論，對以下幾種工程設計能力達成共識，即識別并明確地表達問題;創造力;不同的科學技術知識的整合及應用;用制圖、命題、方程式、編制程序等方式表達和描述問題;從經濟、安全、倫理、環境影響等角度思考問題;在以上約束條件下對問題求解;規劃并追隨規劃;交流;團隊合作。如何有效培養工程設計能力的研究也日益增多。學者們運用實證研究方法深入分析教學對于培養設計能力的作用。

(二)“工程設計導向”改革實踐

在理論研究的推動下，工程設計教育改革實踐持續向前推進。1990年9月美國科學基金會(NSF)資助了ECSEL和SYNTHESIS兩個工程教育改革聯合體，通過校際協作和聯合攻關，前者意在將工程設計教育通盤考慮并貫穿于本科教育全過程，后者旨在開發一種創新的綜合課程結構模型。美國工程和技術鑒定委員會(ABET)從1996—1997年度鑒定周期起，將原來一年的工程科學和半年的工程設計，融合為一年半的工程主題，按照工程主題標準對教學計劃中的設計成分進行評價，從而引導工科院校在本科階段全面貫穿工程設計的體驗。從美國近期的報告中可以看出，“工程設計導向”已經成為工程教育改革的趨勢。2007年美國科學理事會(NSB)的研究報告《大力推進工程教育改革》(MovingForwardtoImproveEngineeringEduca-tion)提出進行以設計為核心、以學生為本的課程結構及內容改革。［25］2008年《杜德斯達特報告》第4章中提到工程師應具備工程設計的能力，并指出一些工科教育計劃已經建立或者轉型，使得工科課程計劃在所有層面上都貫穿設計的體驗，通過課題或基于工作室的活動來完成它。①大學層面的工程教育改革也體現出“工程設計導向”的趨勢。素有“世界理工大學之最”的麻省理工學院，非常注重本科階段的工程設計教育，以機械工程系為例，其本科階段的教育目標強調“學生能夠運用所學知識進行建模、測量、設計機械部件及系統”“學生能夠有效地構思、執行工程設計任務，并且做好團隊合作與溝通工作”。麻省理工學院機械工程系從大一年級到大四年級都開設不同類型的工程設計課程，其內容主要有:(1)為社區顧客設計玩具。其中包括了解社區顧客需求、頭腦風暴進行初始設計、繪制草圖制作模型、細節設計、建模、為社區顧客展示設計產品、交流溝通等過程。(2)設計機器人并參加比賽。比賽的內容每年都不相同，要求學生在預定時間和預算內完成機器人的設計，強調堅固耐用和工藝性。(3)以15～19人的大團隊形式完成一項產品設計，課程結束后學生要向近1000人包括設計師、企業家、學術人員和校友等展示自己的設計成果。(4)設計一款高質量低成本的產品。課程將工程與管理整合在一起，決定制造的速度、成本、質量和靈活性。課程的主要內容是設計一款對消費者負責任的產品。學生在上完本門課之后應該有能力和信心去制造企業用不熟悉的過程制作他從未見過的產品，并作出明智決策。建于1997年的富蘭克林•W•歐林工學院(FranklinWOlinCollegeofEngineering，以下簡稱“歐林工學院”)以推動美國傳統高等工程教育徹底、系統地改革為目標，確立了“歐林三角”這一別具一格的課程理念，尤為關注學生工程設計能力的培養。

歐林工學院課程類別對應于歐林三角，包括四類課程:藝術、人文社會科學、創業類;科學類;工程類和數學類。在工程類課程中，設計流(designstream)是非常重要的一部分，在修讀要求中單獨列出并做出明確規定:第一學年開設“設計本質”(De-signNature，課程代碼ENGR1200)，強調工程設計的原理和方法，把學生帶到工作室環境中并鼓勵他們嘗試將想法轉化為模型。第二學年開設“用戶導向的協同設計”(User-OrientedCollaborativeDesign，課程代碼ENGR2250)，強調通過與用戶的互動及合作，開發真實產品的概念與模型。第三學年，學生必須從六門深度設計課程(DesignDepthCourse)中選擇一門修讀。學生在深度設計課程中接觸的是學科跨度較寬、項目主題較大的設計，包括系統、部件或流程的再造。第四學年的高級畢業設計(SeniorCap-stonePrograminEngineering，簡稱SCOPE，課程代碼4190)是設計流的終點，也是人才培養的最后環節。位于美國中西部印第安納州的普渡大學以其雄厚的工科實力所著稱。該校機械工程系本科階段重點突出四大類專業課程:系統、測量和控制類課程;機械科學類課程;熱力、流體科學類課程和工程設計類課程。這樣的分類是基于機械工程領域專家學者對于機械工程本科階段教學內容理解和課程安排的共識，即系統、測量和控制，機械科學，熱力、流體科學作為機械工程本科階段課程的三大基礎，而設計則更為綜合，是上述三類課程的有機結合。

普渡大學機械工程系工程設計類課程主要包括兩個方面:(1)半開放的設計項目的完成。學生從備選項目中根據自身興趣挑選一項完成。包含問題表述、用戶與市場調研、信息搜集、初步設計、頭腦風暴、初步評估、設計挑選、材料清單、性能分析、最終設計評審等要素，基本涵蓋了工程設計的全過程。(2)典型設計項目的完成。包括典型的運動學項目、典型的動力學項目、典型的應力項目、疲勞失效項目、機械零件設計項目。這些典型項目并不是簡單的驗證型設計實踐，而是與生活非常貼近的如棒球投擲裝置、公交車擋風玻璃雨刮裝置、食品攪拌器軸等的設計。在訪談時該系的副系主任Jones做了這樣的比喻:“如果把機械工程系的課程體系看作是一個三腳椅，那么三大類基礎課程可以看作是三條腿，缺少一個則三角椅不能平穩支撐，而設計類課程則是三條腿上面的平臺，有了它，椅子的功能才得以實現。”美國“工程設計導向”的改革實踐不止體現在對工程設計類課程的重視與改革，還包括其他課程或培養環節的配合。例如:麻省理工學院在本科階段為學生提供許多參與課外工程設計項目的機會;歐林工學院除設計流之外的其他許多工程類課程中都貫穿有設計的體驗;普渡大學的社區服務工程項目(EngineeringProjectsinCommunityService，EP-ICS)包含許多工程設計的成分，此外，大一年級的工程導論課程和大二年級的國際化工程討論班課程的主要目標就是讓學生了解工程師是如何工作、思考、交流，并嘗試培養學生像工程師一樣思考問題。需要說明的是，美國在“工程設計導向”的工程教育改革中并沒有削弱基礎科學知識的分量，依舊認為基礎知識決定了學生未來的發展潛力與創造能力。“工程設計導向”的工程教育改革并非是對科學的否定，而是強化工程教育的工程屬性，提高學生解決實際工程問題的能力。

三、啟示與思考

20世紀90年代初浙江大學的研究團隊意識到英美國家工程設計教育的復興運動將成為工程教育革命的前奏曲，對工程設計教育作了系列研究。王沛民在1989年《工程教育的目標、模式、核心:問題與思考》一文中就鮮明地提出:工程教育的核心不是科學教育，不是普通文科教育，不是技術技能教育，也不是三者簡單的加和;工程教育的核心是設計教育。［26］進入21世紀后，美國的回歸工程運動、大工程觀、CDIO工程教育模式成為中國工程教育研究領域關注的熱點。雖然中國近十幾年的研究沒有對工程設計教育再做專門的討論，但回歸工程、大工程觀、CDIO教育模式，都與“工程設計導向”密切相關。回歸工程就是要糾正工程教育過分科學化的傾向，突出工程自身的特點，實際上就是向“工程設計導向”轉變。大工程觀強調工程的系統性、復雜性、綜合性，這些特性集中體現在現代工程設計的內涵中。CDIO模式中的“D”正是指工程設計，“設計－實現”經驗是CDIO專業計劃的一個重要特征，也是CDIO教育理念的核心部分。中國工程院在《走向創新———創新型工程科技人才培養研究》的研究報告中指出:工程設計能力是創新型工程科技人才應該具備的重要能力，中國的工程科技水平要進一步趕超世界先進水平，必須大力提高工程設計水平。擁有高水平的設計和開發(D＆D)人才，特別是培養和重用創造性設計人才，是產業與工程創新取得成功的根本所在。［27］應該關注美國“工程設計導向”的工程教育改革進展與趨勢，深刻認識工程設計及工程設計教育的重要性，以推動中國工程教育向前發展。

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作者：王敏 雷慶 單位：北京航空航天大學人文社會科學學院