回归工程设计：美国高等工程教育改革的重要动向

项聪

本论文系广东省教育体制综合改革推广项目“拔尖创新人才培养模式改革”、广东教育教学成果奖（高等教育）培育项目“实践驱动的卓越人才培养课程体系的研究与构建”的部分研究成果。 摘要：自20世纪80年代末90年代初以来，美国高等工程教育改革表现出“回归工程设计”的重要趋向：一是重新认识工程设计的教育价值，二是以“设计”为主线重构课程体系，三是在教学过程中推行“基于设计的工程学习”。这为我国推进“卓越工程师教育培养计划”试点工作提供了重要的启示和借鉴。

关键词：工程设计;美国;高等工程教育美国高等工程教育曾经在偏重理论还是偏重实践之间如同“钟摆”一般摇摆不定。[1]自20世纪80年代末90年代初提出要“回归工程”以来，美国高等工程教育积极推进改革，虽然各出其招，但形成了某些共同趋向，值得我们关注和借鉴。

一、美国高等工程教育改革的关键动因

促使美国高校反思工程教育改革的动因有许多，但归结起来，主要来源于三个层面：

1.在学生层面，美国学生“逃离工科”现象明显。在美国，越来越多的优秀高中生不愿意报读大学理工科专业而是选择攻读法律、医学、金融等专业，同时一些已经在大学攻读理工科专业的学生也经常中途辍学或转到别的非理工专业学习。造成学生“逃离工科”这一现象归因于两个方面：一是理工科专业课程偏难且相对比较枯燥，无法吸引高中生的学习兴趣，也让一些大一新生难以保持在本专业持续学习的兴趣;二是工业界把工程师看成是“可消费的商品”（consumable commodities），在他们的技能变得落后时就随意抛弃他们或引入海外更便宜的工程服务来替代，导致工程师在社会上的地位明显不如医生和律师。[2]因此，美国高等工程教育需要采取措施提高工科课程对学生的吸引力，把优秀学生留在工科专业。

2.在高校层面，专业教育深受科学主义思潮影响。自19世纪后期以来，由于自然科学的发展、兴盛，科学主义作为一种重要的哲学思潮开始影响专业教育。尤其到了20世纪前期，科学主义已在专业教育中占据了一个牢固的位置，工程学院日趋“科学化”：“……20世纪以来自然科学几乎将人工物科学从专业学院课程中驱逐出去的做法的确使人啼笑皆非。这种动向在第二次世界大战后的二三十年内达到了高潮。工程学院逐渐变成了数理学院，医学院变成了生物科学学院，商学院变成了有限数学学院。”[3]一些有识之士对工程教育偏重于数学、科学和技术专业方面的理论教学而忽视设计、团队合作和沟通等方面的实践基础知识提出了批评，如大卫·哥德伯格（David E. Goldberg）认为美国工科学生正在丧失必要的基础：归纳或提出好问题的能力;掌握常见系统、组件、组件技术的能力;建模能力;分解问题的能力;收集数据的能力;可视化表达解决方案和想法的能力;书面和口头的沟通能力。[4]因此，美国高等工程教育需要改革课程体系，为工科学生补回“正在丧失的基础（the missing basics）”。

3.在国家层面，制造业竞争力下降。美国制造业竞争力的下降，对本国经济实力起到极大削弱作用，这引起美国朝野的担心。2009年4月，美国总统奥巴马在上任之初就提出“重振制造业”的重大战略，随后出台了一系列实施计划，如“先进制造伙伴计划”、“先进制造业国家战略计划”等等。2012年美国商务部在向国家经济委员会提交的《美国竞争力和创新能力》咨询报告中指出，提升美国竞争力和创新能力的三大支柱为基础研究、教育和基础设施;其中教育方面要加强科学、技术、工程和数学方面的人才培养。[5]在这一大背景下，美国高等工程教育必须为国家发展战略培养出更多优秀的工程人才。

二、美国高等工程教育改革的重要动向：回归工程设计美国工程教育界在20世纪80年末至90年代初提出工程教育要“回归工程”。如麻省理工学院工学院院长乔·莫西斯（Joel Moses）在该学院1994-1998年长期规划中提出“大工程观”（Engineering with a big E），指出工程师除了要关注生产制造过程中的设计、销售之外，还应该关注更广泛的内容，如工程师本人所服务的企业、顾客、公共政策、环境等等。[6]美国工程教育学会也于1994年发布《面向变化世界的工程教育》（Engineering Education for a Changing World），提出工程教育不仅要教工程理论基础知识、经验和实践，而且还要提高这些内容的相关性（要与学生的生活、职业相关）、吸引力（要把有才华的学生吸引并留在工科专业）和关联性（通过整合活动，与企业和政府的需求形成关联）[7]。进入21世纪，美国工程院于2004-2005年期间先后发布了《2020年的工程师：新世纪工程的愿景》[8]和《培养2020年的工程师：为新世纪变革工程教育》[9]两份报告，提出要面向未来培养工程师。这两个报告为美国高等工程教育改革指明了方向。

综合美国高等工程教育改革的诸多举措，从中可以梳理出其中的重要趋向，即回归工程设计。具体表现如下：

1.重新认识工程设计的教育价值

美国自然科学基金会曾斥巨资组建了若干工程教育联盟（Engineering Education Coalitions，EEC）项目（包括Ecsel、Synthesis、Gateway、Succeed、Foundation以及Greenfield）。这些项目的主要目标有三个：一是大幅提升工程教育质量和工程学位的数量（包括女性和未被充分代表的少数民族）;二是设计、实施、评价和推广若干能对本科工程教育产生影响的新结构和新方法;三是在所有类型的工程机构（不管大型或小型）之间建立新的联系。以Ecsel联盟为例，它们开展了实质性的改革与试验，把设计贯穿于整个本科教育。[10]

从工程创新人才培养角度来看，工程设计的教育价值体现在四个方面：一是能够促使工程教育更容易被大众（包括学生和家长）所理解和重视[11];二是能够把工程教育提升到更高的学术水平和技术水平，即通过为学生提供一个由清晰设计目标所驱动的项目，让他们在接触和解决现实生活中的问题和困难过程中得到锻炼，从而逐步成长为可以解决复杂和多学科的问题的工程师[12];三是能够为课程的设计及组织提供坚实的框架，即促使工程教育课程体系成为学生所期待的一系列技能与经验的总和，即工程项目=∑（技能+经验），而不是一系列学生必须学习的课程或科目[13];四是能够加强学生的工程伦理教育。在工程实践中，工程师并不是一个人在工作，而是作为复杂关系网络中的一部分存在和运作着;这些复杂关系包括与其它个人、组织或团体的关系。换言之，工程设计伦理归根结底是“工程师的伦理”。[14]因此美国高校普遍认为，加强学生的工程伦理教育不应在个体维度花费太多时间，而应该把重点放在社会维度，[15]即应该在工程设计过程中加强学生的工程伦理教育，即要让学生从以往基于“做好一份工作”的角度进行决策向基于“作为公民”的角度（充分考虑政治、社会、组织、法律等方面的因素）进行决策。[16]

2.以设计为主线重构课程体系

美国高校认识到，工程教育内部存在某种竞争，即一方面引入越来越多的数学或计算机相关的学科，另一方面又想为学生提供纯粹的经验性技术（empirical technical）以及设计知识和经验;而竞争的结果则是讲授经验性工程信息的学时数减少，导致毕业生通常会使用计算机，却不能制订最终的工程目标;因此工程教育必须为经验性知识的教学提供必要的时间和设施。[17]具体而言，为了提高学生的工程专长，工程教育需要通过课程层面的教学设计（curriculum-level instructional design），让学生积累一系列的学习经验，从而帮助他们构建深层次的概念性知识、提升能够熟练运用关键技术和专业技能的能力。[18]而参与工程设计无疑是学生开展经验性知识学习的最佳途径。

因此，美国知名大学纷纷以设计为主线重构课程体系，具体措施包括：（1）普遍加强了面向大一新生的设计课程建设[19]，以便学生进入顶石设计（Capstone Design）之前积累足够的设计经验[20][21][22][23][24]。如美国犹他大学（University of Utah）为促使学生所学知识能够螺旋式进入初级课程（包括“机电一体化”这门包含了长达一年的设计项目的课程）以及高级的毕业设计项目课程，在工程教育大学阶段前两年实施了“螺旋式”课程体系：第一年的课程以机电一体化和机器人技术为主题形成课程序列，同时强调工程电子表格计算、软件技能、硬件、生产技能、编程和控制;大二年级的课程以可持续发展为主题形成课程序列，同时强调数值方法和热力学。[25]（2）以工程设计贯穿本科课程体系，从而帮助学生获得一系列更加整合的设计经验[26]。如麻省理工学院机械工程系在课程设置中运用CDIO理念，把工程设计的各要素融合到课程体系，分层次、有计划地培养学生的工程设计能力。[27]“C”代表构思（Conceive），“D”代表设计（Design），“I”代表实现（Implement），“O”代表运作（Operate），因此CDIO意味着，学习者通过构思、设计、实现和运作一件产品或作品，有效地学习工程设计。（3）把工程设计向研究生教育阶段延伸。美国一些高校认识到，顶石设计对工程人才固然重要，但仍存在两个不足：一方面，顶石设计安排在最后一个学期或学年，但由于学生前期缺乏足够的专业设计实践体验，因此无法体会到顶石设计的本质;另一方面，尽管大多数学生在顶石设计阶段通过参与现实的设计活动、与企业工程师交流，获益良多，但仍无法获得成功的、完整的设计经验，其中一个关键原因是很多学生在顶石设计完成后就毕业了，没有机会参加后续的设计改进、实现或商业推广，也就无法体验到由于设计过程迭代特性以及完整的设计生命周期所带来的压力。因此工程教育需要进一步完善工程设计课程设置，将课程按如下顺序开设：工程制图→产品解剖→制造过程→机械设计→产品测试→顶石设计→科技型创业→工程设计管理。[28]而后面两个环节（科技型创业、工程设计管理）则需要放在研究生教育阶段完成。

3.推行基于设计的工程学习

唐纳德·A·舍恩指出，类似设计的工程实践活动无法通过课堂教学传授给学生，其主要原因有五个方面：一是对设计的描述以及与其对应的行动中识知（knowing-in-action）之间的差距必须通过行动中反思（reflection-in-action）加以弥补;二是必须通过行动中的检验，从整体上掌握设计;三是设计依赖于对设计特点的辨别，而这种能力只能在行动中获得;四是学生最初可能对设计的描述感到困惑、模糊、不确定、不完整，只有通过在行动中暴露出正确或错误理解的对话才能明确这些描述的意义;五是由于设计是一个创造性的过程，设计者通过这个过程逐渐学会运用全新的方法观察和行动，所以任何预兆的描述都不能代替在做中学。[29]在现实中，作为工程教育的利益相关者——学生们，也经常极力地强调“他们自身的角色在整个教育系统中的重要性，以及教育技术和真实工作案例在提高工程教育质量方面所发挥的价值”。[30]实证研究也表明，工程设计确实有助于提升学生认知能力和专业认同，即在认知能力方面，学生获得了学科知识、工程判断能力、技术性的问题解决能力、批判思维和创造能力;在专业认同方面，工程设计通过安排学生在所处社会的框架和价值观之中开展有效实践，从而给他们提供了自信。[31]

因此，美国高校在校内积极推进“基于设计的学习”，即让学生参加开放式项目，通过完成一件作品，既培养其建模、仿真和建造能力，又能锻炼他们的团队合作和沟通能力。如西北大学（Northwestern University）为学生提供三类设计项目（教师创立的项目、学生创立的项目、顾客创立的项目），并采取“两段式”教学：对于诸如设计伦理、项目管理、沟通和团队合作等设计过程的关键内容，由工程学院教师以团体形式讲授;而在具体设计工作过程中，他们给学生团队指派一名“项目导师”或教练，指导学生完成设计项目。[32]通过工程设计项目，学生既积累了知识，掌握了设计领域的专长，又在设计过程中通过解决新问题生成了新的知识与思路。当然，在设计“基于设计的工程学习”时应该关注更为普遍的设计元素，以更好地培养学生由新手成为专家。[33]实践证明，学习者在“基于设计的工程学习”中，通过特定的活动，可以逐步发展专长。[34]与新生相比，高年级学生能够聚集更多的信息、提出更多的设计方案、在设计各步骤之间更频繁地转换以及在设计过程的最后步骤中更为深入。[35]

三、启示与借鉴

我国于2010年启动“卓越工程师教育培养计划”，拉开了我国工程教育新一轮改革的序幕。但是“卓越工程师”培养的适切路径在何方？如何能够真正提高我国工科学生的实践创新能力？这都是我国高校培养工程人才所要关注和解决的核心问题。上述美国高等工程教育改革的动向，值得我们思考与借鉴。

1.对“回归工程”的关键路径要有深刻的认识。应该说，我国高等工程教育还是比较关注美国改革动向，早在1996年国家教委工程教育考察团在赴美考察报告中已经注意到了美国工程教育“回归工程”动向[36]。但后来无论国内高校还是研究学者更多地把“回归工程”看作是工程教育的应有之义，并普遍从一个比较宏观的角度予以关注和讨论，而对“回归工程”的关键路径缺乏深入研究。实际上，设计作为过程，是一个个体反思、知识应用、社会互动等子过程相互交织、彼此重叠的复杂的行动过程;设计作为活动，是工程的本质及核心所在，使工程区别于科学;设计作为方案，就是在包括设计情境和使用情境在内的人类活动情景中，解决物理结构与意向功能如何在人工物上统一的问题。因此，工程教育要“回归工程”，说到底，就是要回归“设计”这一工程的本质。[37]换言之，工程教育“回归工程”的关键路径在于“依托工程设计”。

2.对工程教育课程体系要进行科学的“设计”。正如奥托·罗姆派尔曼（Otto Rompelman）等人建议，工程教育应该引入工程设计中的强大工具和系统方法，比如课程及课程体系的建设就可以作为一个设计问题来处理。[38]在科学主义看来，知识是客观的，因而它又是绝对的、永恒的、具有普遍的价值。在科学主义观照下的工程教育中，科学知识处于最高层次;技术知识，被视为科学知识的一种退化形式，处于最低层次;而工程知识尽管也被视为科学知识的另一种退化形式，但根本没有作为独立知识形态的合法地位。由此，工程教育课程体系普遍呈现为“直线式结构”，即按基础科学课程、应用科学课程、实践课程等先后顺序开出。然而，知识具有多元性、情境性、动态性、默会性等特点，在工程实践中更是如此。因此，高校应该以设计为主线重构工程教育课程体系：一是在开发单门工程教育课程时，应尽可能把科学知识、技术知识、工程知识予以相互融合;二是以系列设计类课程为主线，把大学一年级到大学四年级（甚至研究生阶段）的课程有机地串联起来，让学生通过难度递增的设计任务的训练与实践，使他们的知识、能力与素质逐步得以提升;三是积极通过校企合作，为学生的课程学习提供必要的、真实的工程环境支持。

3. 对“基于设计的工程学习”的内在机理需要进一步研究。如上所述，美国高等工程教育重新认识到了工程设计的教育价值，以“设计”为主线优化课程体系并在教学过程中推行“基于设计的工程学习”，取得了一定进展和成效。然而，这些改革探索更多地停留在操作层面，“基于设计的工程学习”的内在机理仍缺乏深入分析。工程活动有自身的属性和内在规定，因此，“基于设计的工程学习”跟一般意义上的“基于设计的学习”是否存在差别？它是如何发展和变迁的？它的构成要素有哪些？其影响因素又有哪些？它具有什么特征？如何构建适宜的学习环境以支撑这种学习模式等等，均需要进一步深入研究。就我国高等工程教育改革而言，虽然在“回归工程设计”方面相对落后了，但如果组织一定的研究力量去深入剖析“基于设计的工程学习”的内在机理，做到“知其然，更知其所以然”，那么我国高等工程教育改革在借鉴美国经验的同时，还是能够发挥后发优势的。

参考文献：

[1]Terry S. Reynolds，Bruce E. Seely. Striving for Balance： A Hundred Years of the American Society for Engineering Education[J]. Journal of Engineering Education. 1993， （3）： 136-151.

[2]James J. Duderstadt. Engineering for a Changing World：a Roadmap to the Future of Engineering Practice， Research， and Education[R]. The University of Michigan， 2008： 3.

[3]司马贺. 人工科学[M].武夷山译.上海：上海科技教育出版社， 2004： 103-104.

[4]David E. Goldberg. The Missing Basics & Other Philosophical Reflections for the Transformation of Engineering Education[J]. The Future of Engineering Education and Practice. 2009， （3）： 3.

[5]U. S. Department of Commerce. The Competitiveness and Innovative Capacity of the United States[R]. 2012： vi-vii.

[6]Joel Moses. Engineering with a Big E：Integrative Education in Engineering[R]. MIT， 1994： 3.

[7]ASEE. Engineering Education for a Changing World[R]. 1994： 1-5.

[8]NAE. The Engineer of 2020： Visions of Engineering in the New Century[R]. National Academies Press， 2004： 1-118.

[9]NAE. Educating the Engineer of 2020：Adapting Engineering Education to the New Century[R]. National Academies Press， 2005： 1-46.

[10]H. Roberts Coward，Catherine P. Ailes，Roland Bardon. Progress of the Engineering Education Coalitions[R]. SRI International， 2000： 1-48.

[11]Robert C. Wicklein. Five Good Reasons for Engineering Design as the Focus for Technology Education[J]. The Technology Teacher， 2006（7）：25-29.

[12]Márcia Longen Zindel，Joo Mello Da Silva，Joo Carlos Félix de Souzaet al. A New Approach in Engineering Education： The Design-Centric Curriculum at the University of Brasília-Brazil[J]. International Journal of Basic & Applied Sciences. 2012， （5）： 97-102.

[13]Clive L. Dym. Design， Systems， and Engineering Education[J]. International Journal of Engineering Education. 2004， （3）： 305-312.

[14]Josep M. Basart， Montse Serra. Engineering ethics beyond engineersethics[J]. Science and engineering ethics， 2013，19（1）：179-187.

[15]Michael Davis. Engineering Ethics， Individuals， and Organizations [J]. Science and engineering ethics， 2006，12（2）： 223-231.

[16]Bridget Bero，Alana Kuhlman. Teaching Ethics to Engineers： Ethical Decision Making Parallels the Engineering Design Process[J]. Science and Engineering Ethics. 2011， 17（3）： 597-605.

[17]B. Z. Sandler. Engineering Design as an Intellectual Problem [J]. European Journal of Engineering Education. 2002， （2）： 157-172.

[18]Thomas A. Litzinger，Lisa R. Lattuca，Roger G. Hadgraftet al. Engineering Education and the Development of Expertise[J]. Journal of Engineering Education. 2011， （1）： 123-150.

[19]Sheppard， S，Jenison， R. Freshman engineering design experiences： an organizational framework [J]. International Journal of Engineering Education.1997：（3）：190-197.

[20]Clive L. Dym. Teaching Design to Freshmen： Style and Content[J]. Journal of Engineering Education. 1994， （8）： 1-8.

[21]S. Sheppard，R. Jenison. Freshman Engineering Design Experiences： An Organizational Framework[J]. International Journal of Engineering Education. 1997， （3）： 190-197.

[22]S. Sheppard，R. Jenison. Examples of Freshman Design Education[J]. International Journal of Engineering Education. 1997， （4）： 248-261.

[23]Patrick Little，Joseph King. Selection Criteria for Cornerstone and Capstone Design Projects[J]. International Journal of Engineering Education. 2001， （4）： 406-409.

[24]John M. Starkey，Satish Ramadhyani，Robert J. Bernhard. An Introduction to Mechanical Engineering Design for Sophomores at Purdue University[J]. Journal of Engineering Education. 1994， （4）： 317-324.

[25]National Academy Of Engineering. Infusing Real World Experiences Into Engineering Education[M]. National Academies Press， 2012： 12.

[26]V. Wilczynski，S. M. Douglas. Integrating Design Across the Engineering Curriculum： A Report From the Trenches[J]. Journal of Engineering Education. 1995， （3）： 235-240.

[27]雷庆，王敏. 从课程视角看工程设计能力培养[J]. 高等工程教育研究. 2011， （05）： 152-156.

[28]Barry I. Hyman. From Capstone to Cornerstone： A New Paradigm for Design Education[J]. International Journal of Engineering Education. 2001， （4）： 416-420.

[29]唐纳德·A·舍恩. 培养反映的实践者——专业领域中关于教与学的一项全新设计[M].郝彩虹等译. 北京： 教育科学出版社， 2008： 147-148.

[30]Cristina Pomales-Garcia， Yili Liu. Excellence in Engineering Education：Views of Undergraduate Engineering Students [J]. Journal of Engineering Design， 2007（7）： 253-262.

[31]Koduvayur Krishna Chandran. Modelling of the Curriculum within Engineering Design Education[D].University of Surrey， 1988： 51-52.

[32]Ann F. McKenna，J. Edward（下转第75页）2015年第8期高 教 探 索Higher Education Exploration