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1、 跨学科合作的工科人才培养新模式工程教育的探索性多案例研究 摘要：当前高等教育体系仍主要集中在单一学科的人才培养模式上，但跨学科教育愈来愈受到重视，尤其在工程教育领域，跨学科合作的人才培养模式已成为未来工程教育发展的大趋势。本文通过对伦敦大学学院、奥尔堡大学、普林斯顿大学、麻省理工学院、多伦多大学和麦克马斯特大学近年来开展的工程教育改革进行探索性案例研究，分析总结了跨学科工程教育的人才培养模式。关键词：跨学科，多学科，工程教育，人才培养模式，创新创业基金项目：中国工程院重点咨询课题“面向可持续发展的工程科技人才需求与培养模式战略研究”（2020-XZ-30）进入21世纪，随着在工程实践中面临越
2、来越多的复杂问题的挑战，工程师必须采用跨学科合作的方法来应对全球挑战，任何一门学科都无法单独解决这些挑战带来的相关问题。挑战的复杂性部分归因于如能源、交通、通讯、医学等不同行业不同专业技术间的相互融合，这种趋势导致了复杂的社会技术系统（socio-technical systems）内部越来越相互依存。这需要跨学科的团队来应对气候变化、全球不平等、大流行病等问题所带来的挑战。对于工程来说，跨学科不是也从来不是一种选择。工程教育需要向这方面转换，进行跨学科合作的人才培养。一、什么是跨学科教育？1.跨学科的概念当前高等教育人才培养模式主要还是基于传统的学科导向（discipline-oriente
3、d），即学生在获得某一特定专业领域的知识和技能后，毕业后还从事这一专业领域的工作。如果一项工程同时需要解决机械、电气、土木和化学方面的问题，一个普遍的方法就是将具有这些技能的人组成一个多学科的团队。这是标准的“多学科”（multidisciplinary）方法。然而对于复杂的大型工程，需要整合所有人的学科知识、技能和经验，并综合为一个“知识共同体”来解决更棘手的问题。这一过程要求团队成员摆脱基于单一学科的理解，在综合各学科的基础上对问题形成新的认知，并充分接受这个新的综合知识体系作为解决问题的基础。这种方法称为“跨学科”（interdisciplinarity）。在21世纪，“跨学科”一词已经
4、具有普遍的积极价值，因为它经常被用作“创新研究”和“综合解决方案”等概念的同义词。“跨学科”与“多学科”有什么区别呢？有学者认为，在多学科团队中，团队成员以平行或不同的时间顺序工作，并在工作期间停留在各自的学科基础上；多学科团队受益于不同的学科知识，但不创造新的知识体系。在跨学科合作中，团队成员通过分析、综合和协调不同的学科找到一个整体的最终结果；跨学科团队成员共享一个概念框架，并致力于运用不同的学科方法、理论和概念去解决问题。美国国家科学院、工程院和医学院在共同发表的促进跨学科研究报告中，对“多学科”和“跨学科”两个概念进行了清晰的阐述。多学科指的是，A、B两个学科联合解决共同的问题，工作完
5、成后不加改变的分开；跨学科指的是，A、B两个学科联合解决共同的问题，互动中形成一个新的研究领域或学科C（见图1）。图1多学科与跨学科的区别2.什么是跨学科教育？跨学科教育（interdisciplinary education）是一个教育过程，学习者从两个或多个学科中学习，以提高他们对某一学科或问题的理解，并最终超越任何单一学科所能达到的程度。通过跨学科教育，学习者整合和发展来自各个学科的信息、概念、方法和程序，以获得新的知识、理解和技能，从而能够解释或解决问题。这种学习形式必然是主动的、自我导向的学习。跨学科教育最早出现在美国高等教育领域，随着世界各地大学的数量和规模不断增长，跨学科教育作为
6、一个新兴的教育实践逐渐在中国、印度、新加坡、南美和欧洲等国家发展起来。这有两个方面的原因：首先，互联网的普及（或是说某种程度上现代技术的本质）以史无前例的方式使思想的组合空间得以爆发；其次，“复杂的现实世界问题”的出现，例如气候变化、可持续发展、人机交互等，显然比大多数高校的院系更具跨学科性。目前，在工科专业领域实施跨学科教育还没有一套成熟的方法，但跨学科工程教育已经引起了工业界、学术界以及教育界的广泛关注。欧美国家的一些高校已经开始积极地进行尝试，其中比较典型的有：英国伦敦大学学院综合工程计划、丹麦奥尔堡大学基于问题的大型项目跨学科教育、美国普林斯顿大学凯勒工程教育创新中心、美国麻省理工学院
7、新工程教育转型计划、加拿大多伦多大学跨学科工程教育与实践研究所和麦克马斯特大学枢轴项目。本研究通过对上述大部分院校进行实地调研，对工学院院长和项目（中心）主任进行深度访谈，并结合文献数据和调研访谈资料的分析整理，探索性的解释与跨学科工科人才培养模式研究目标相关的调查数据，由此形成本文研究成果。下面分别对六所案例院校的跨学科工程教育进行分析介绍。二、跨学科合作的工科人才培养模式分析（一）伦敦大学学院的综合工程计划2010年之前，伦敦大学学院（University College London）工学院本科生课程的特点是“非常注重工程科学，非常传统，很少有小组工作或实践工作”。工程教育改革的种子是在
8、2011年初播下的，时任工学院院长越来越认为需要对本科教育采取完全不同的方法。在随后的三年里，工学院开展了针对本科的工程教育改革“综合工程计划”（Integrated Engineering Programme），并于2014年9月正式启动。1.综合工程计划参与综合工程计划（IEP）的专业有：机械工程、电子电气工程、土木工程、化学工程、计算机科学、生物化学工程、生物医学工程、管理科学、机械与商业金融专业。综合工程计划的课程结构主要包括三个模块、一个项目以及辅修课程。模块1为工程挑战模块，工程挑战的题目来自具有全球影响力的“全球大挑战”（Global Grand Challenges）计划；模块
9、2为设计与专业技能；模块3为数学建模与分析。“如何改变世界”项目，将设定一个与联合国可持续发展目标（SDGs）紧密相关的现实任务，学生团队将与工业界一起设计一个工程解决方案。近年参与“如何改变世界”项目的行业合作伙伴包括：英国政府交通部、英国奥雅纳工程顾问公司、英国无国界工程师组织、摩托罗拉解决方案公司和劳埃德银行集团。学生除了可以在上述三个模块中深入了解某些学科领域的知识外，还将学习辅修课程，目前有超过15门课程可供选择，包括人工智能和海洋工程、计算机编程、环境工程、现代外语、创业教育、工程数学和生物力学的现代应用等。综合工程计划教学框架的设计是为了应对21世纪工程科技的发展，以及行业对具有
10、创新思维毕业生的需求。这些毕业生不仅在学科专业方面技术卓越，而且拥有更广泛的知识基础，并习惯于与其他专业领域的专家一起工作，有效地沟通他们的想法。2.综合工程计划的特点灵活实用的管理方式。综合工程计划的成功实施归因于许多因素，其中管理层灵活的领导方式起到了主要作用。这种方式提供了“在项目愿景和使命之间的平衡，以及使这项工作发挥作用的实用主义。”这种领导风格被视为授权各部门“从下往上”推动改革，以充分反映各个院系特殊的需求、专业背景及其文化。通用的课程结构模式。所有工学院的学生在前两年的学习中都采用一个通用的课程结构，这个课程结构的核心是真实的场景项目，要求学生解决真正的工程问题。项目通常与不同
11、行业、地区以及社区合作，不同学科背景的学生团队不仅要考虑解决方案的技术性，还要考虑对社会、环境和公共政策的影响。这不仅可以使学生们“打破学科的藩篱”，对工程学科的角色和地位有批判性的认识，同时还可以掌握“与来自不同领域的人有效合作”的工具。工程教育改革的实体平台。综合工程计划项目团队和新成立的校级工程教育中心（UCL Centre for Engineering Education），确保了伦敦大学学院拥有一个坚实的平台，可持续地推进跨学科工程教育改革。作为综合工程计划的主要设计者和推动者，工程教育中心链接了工程学院和教育学院的师资及教育资源。综合工程计划项目团队也因此项目，获得了英国高等教育
12、促进机构2017年度卓越教学合作奖。综合工程计划改变了伦敦大学学院工程教育的方式。综合工程计划通过一种创新的跨学科方法，修订了伦敦大学学院工学院现有的8个本科课程，解决了行业对提高学生就业能力的需求。综合工程计划提出的“基于问题”和“主动学习”的教学框架，不仅鼓励了整个院系教师在教学中更具创造性，也使得学生深切地感受到了一个工程师在职业生涯早期阶段是如何影响行业和社会的。通过实施综合工程计划，伦敦大学学院在教育工作者、专业机构和行业之间建立了一种全新的合作方式。在高等教育进入工程领域之间建立了良好的联系，不断满足了社会对工程科技人才的需求。更为重要的是，积极地吸引和培养本国工程人才，推动了工程
13、师主动参与英国经济的发展。（二）奥尔堡大学基于PBL的大型项目跨学科教育自建校以来，奥尔堡大学就一直将“基于问题的学习”（Proboem-based Learning，PBL）作为整个学习过程中的教学方法，所有课程都以问题的学习为基础，并聚焦于跨学科。随着人类面临气候变化和环境问题带来的全球性挑战，奥尔堡大学认为教育必须跨越学科界限，并通过“大型项目”合作来应对重大挑战。奥尔堡大学为提高各专业之间的跨学科水平（尤其是工程专业），从2000年初，开始进行基于PBL的跨学科教育。近年来这一方法得到了进一步扩展，并将重点聚焦在解决人类社会可持续发展问题上。2019年秋季，奥尔堡大学正式开展“大型项目
14、”（Megaprojects）的跨学科教育。1.基于PBL的大型项目跨学科教育“大型项目”是奥尔堡大学与奥尔堡市政府合作开展的一项典型的政产学研跨学科项目，学科范围涉及整个大学的所有院系，项目选取的是基于联合国17个可持续发展目标的全球性问题。国际社会面临的全球性挑战复杂且相互关联，要找到解决这些复杂问题的可行办法就需要来自不同领域的专家共同努力，这就是奥尔堡大学在五个院系开展大型项目跨学科教育背后的理念。大型项目是一个总体框架（见图2），每个“大型项目”关注三个重点领域，重点领域是与大型项目有关的主题的细分，它们以问题为导向，侧重于联合国17个可持续发展目标。每个重点领域最多包含两个挑战，每
15、个挑战又细分为若干个项目。每个大型项目的持续时间为23年。图2大型项目结构图目前，第一批与奥尔堡市合作的两个大型项目已经确定，为“简化可持续生活”和“循环区域”。“简化可持续生活”项目将挑战分解为三个重点领域：废物、绿色消费和交通。奥尔堡市政府希望更大限度的鼓励市民减少垃圾产生，提高垃圾分类能力，以及使可持续交通更有吸引力。在“循环区域”项目中，奥尔堡市政府设定了使北丹麦地区成为世界上第一个循环区域的目标。“循环区域”项目将挑战分为三大重点领域：体制改革、知识共享和循环经济实践。这两个大型项目的交付日期为2021年，届时最终方案将提交给奥尔堡市政府。2.奥尔堡大学跨学科工程教育的特点秉承奥尔堡
16、大学的DNA基因基于问题的学习（PBL）。奥尔堡大学是世界上采用基于问题的学习进行教学的最好大学之一，通过基于PBL的大型项目跨学科教育，学生们可以从真实的、基于问题的大型项目中识别和分析问题，并提出解决方案。学生与外部合作伙伴在具有真实挑战的自然合作中提供的解决方案始终有一个中心要素即基于解决实际的问题。完善的管理服务系统。为保证大型项目跨学科教育全面有序地开展，大型项目明确了各个应用部门及其职责，包括项目经理、主办院系、协调人、工作组、指导委员会。大型项目的项目经理是一个关键角色，负责大型项目的全面协调、过程管理和项目规划。每个大型项目还必须明确固定在一个主办院系，并负责指派一名协调人。指导委员会负责处理大型项目的总体决策，根据需要每年至少召开两次指导委员会会议。可持续发展的实体中心。为培养具有可持续发展视野和创新思维的工程师，奥尔堡大学于2014年正式
