21世纪的工程教育重构

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  引言
  
  工程教育与产业正面临着新挑战。有人认为这是工程教育的危机,也有人认为这是我们步入21世纪为工程教育带来的机遇。客观地讲,没有人对工程教育的现状以及短期内面临的问题十分满意。正如狄更斯在《双城记》开头中写到,“现在是最好的时候,也是最糟的时刻”。
  作家兼记者Thomas Friedman提出“世界是扁平的”。经济全球化使科技对现代社会的影响正以不可预期的速度加剧。互联网为产品和服务提供了新的市场,同时全球廉价的受过教育的劳动力可以为我所利用。这对世界发达地区以及发展中地区的财富分配产生了深远的影响,尤其将改变发达国家的社会经济结构。毫无疑问,教育关系到一个民族的繁荣,但是很多人例如Landes,认为是知识和技术决定了社会发展的程度。因此,工程教育是保障一个民族人民富裕的关键所在。
  现代的工程师产生于18世纪初期,与巴黎综合理工学院和英格兰工程专业协会同期出现。如今的工程教育方法,包括课程设置是20世纪初期建立的。而从那以后,课程内容显然发生了显著的变化。美国工程教育的上一次变革发生于半个多世纪前,当时科学在教育体系中的地位显著增加。尽管从那以后工程教育的确发生了一些变化,但这些变化并不显著,当今的工程教育结构和课程内容与20世纪60年代十分相近。
  重新审视工程教育并进行再一次大调整早就到时候了。无数的组织、团体已经提出了这样的需求和其对国家竞争力的重要性,因为国民总体生活水平与大量培养有充分创新力的工程师的教育能力息息相关。其中美国、日本和中国制造业的发展的数据对比尤为令人关切。更值得重视的是,一个民族致富是与其生产为其他民族所需产品的能力相关。
  显然,在过去20年内,世界发生了根本性的变化。计算机彻底改变了人们工作和生活的方式。尤其改变了人们处理信息和数据的能力。朗讯技术公司首任董事长兼首席执行官Henry B.Schacht2001年在WPI的一次讲话说到,将来,为了完成各种实际任务,我们能够无限迅速地处理信息、存储无限量的数据并瞬间实现数据传输,目前人类正朝着这一目标快速发展。
  互联网出现后,知识普及,人人都能通过网络获知任何信息,知识不再为专家“专有”。高中生也能像教授一样在维基百科上发表文章。这种变化已经波及到工业界,并产生了信息和学术工作原创和所有权问题。原来需要利用大量资源合作完成的产品创造,普通人通过计算机就能完成。在数字媒体的各个方面我们已经达到“想到就能做到”的程度。由于计算机速度和软件升级,这种趋势仍将继续下去。大约20年后基本可以做到,高中生用一台笔记本电脑,只需花一点时间就能制作整部虚拟演员的动画电影,与目前由少数专业电影制作人制作的质量相当。工程产品的创造也发生了同样的变化。通过网络邮购零部件现在已经是常事,尽管邮寄周期还有点长。用户给厂家发送订购零部件的电子文档,厂家生产制造后邮寄给用户,这种电子制造模式已经出现。
  经济全球化影响着每个人。劳动强度高、技术含量低的产业早已向一些劳动力成本低的国家转移,这种转移是使大量产品降价的主要原因,并使服务业相对于物质产品的生产更加重要。如今,低收入国家的教育水平已提高,而这种低廉人才又可以服务于全世界,因而这种转移到海外的产业的性质也在慢慢改变, 从技术含量低发展到技术含量高。技术很快成为一种商品,可以由任何低成本的地方提供。问题已经不再是会不会做,而是取决于谁做得更便宜更好。
  20世纪初劳动力的机械化、交通运输的发展, 以及而后发生的信息技术变革以及经济全球化带来了史无先例的机遇与挑战。积极的一面是,物质财富的增加(有史以来第一次)使消灭极度贫困成为可能;而消极的一面是,人类对原料和能源的消耗(有史以来第一次)可能不可挽回的摧毁整个地球的环境。因而这个新世界的工程学是让人亦喜亦忧的事业。
  
  历史环境
  
  历史表明美国是从很多不同的土壤得到她的根和果实,特别是从法国和英国的文化继承而来的。 最早的工程教育开始于法国。路易十五成立了民间工程团体,以监视桥梁和公路的设计和建造。1716年,他建立了名为CorpsdesPonts etChaussees的组织,随后成立了学校以培养这方面的人才。1747年,有史以来,第一所工程院校Ecole des Ponts et Chaussees在巴黎成立了, 由此引发了其他工程技术类院校的建立。著名的巴黎EcolePolytechnique学校是1749年由拿破仑成立的。法国人认为工程学是一门高贵的学科,可以为他们的社会培养未来的政治家和领导者。“Ingenieur”一词来源于“genie”,意思是“天才”,而不是源于发动机(engine)的含义。著名的数学家拉普拉斯写到Ecole Polytechnique的目标是培养年轻人“注定成为一个民族的精英,并在国家里拥有较高的地位”。多年来,这些Grandes Ecole的毕业生在法国的社会经济阶层中占据最高的位置,证实了他们的“力量”。
  英国的工程学发展历程则完全不同。英国上层社会认为年轻人应该接收正统的教育,在教堂或者军队工作。工业革命期间没有真正有价值的由政府成立的高等工程技术教育机构,直到20世纪初期,剑桥和牛津大学才有工程科学的一席之地。工业革命多是由个人独创和企业家推动的, 知识是通过在车间和建筑现场的实践而获得的。“当学徒”是年轻人学习工程技术的途径。正如SamuelFlorman所描述的,“在法国,工程学具有专业的荣誉感,得到公众的尊敬;而在英国,工程学是最初修筑运河的海军的一种职业”。正是法国所强调的理论基础和英国强调的实践精神影响着美国的工程教育发展。有可能人们会对这种理论与实践的结合在20世纪美国工程领域的成功中的重要作用有所争论,因为整个世纪都在寻求理论与实践结合很好的工程教育家。
  既然过去的工程教育是为适应社会的需要而变化,为适应21世纪的需要,这种变化仍要继续。我们可以粗略总结一下工程教育主要趋势为以下的分类(更详尽的分类请参考文献)。
  9世纪和20世纪上半叶:专业的工程师——工程学作为一个独特的专业,早期的工程专业致力于为毕业生提供大量的动手实践型训练。而科学知识和数学建模也慢慢地受到重视。
  20世纪下半叶:科学式工程师——到20世纪中期,成功的核能源技术以及苏联第一颗人造卫星的成功研制所带来的技术进步,要求工程师精通科学和数学理论。工程教育的课程设置应这种需求而变。其课程设置在很大程度上一直延续至今, 虽然逐渐增加了一些设计的内容。在20世纪90年代初期,除了注重科学理论之外,许多学校开始注重非专业技能的培养,如团队工作和沟通能力。
  21世纪:企业家型工程师——世界的飞速发展以及20世纪90年代初期的工程教育变化,导致工程教育 的重大变革。新的教育体系将继续以科学和数学理论为基础,而更注重培养工程师的职业角色和新的素质能力以适应新世界的需求。
  
  21世纪的工程师
  
  一百年后工程教育应是什么样我们现在无法预言,但就目前而言,产业界和教育界的领导层就工程教育展开了深入探讨后提出“创新”是工程专业人才培养的中心主题。这是由于技术已成为一种商品,常规的工程技术服务可在世界任何地方从低成本的提供者那里获得。因而,工程教育的价值不应仅局限于教授工程技术和技能, 而要有更高的目标。技术正变成商品并不意味着未来的工程师不需要掌握技术,恰恰相反,他们必须更精通技术,而不应像现在的那些为了谋生而完成一些范围很窄工作的工程师那样。21世纪的工程师必须能不断地搜集信息,并能采取一系列决策行动,包括决定什么样的工具才能解决所面临的问题。未来的工程师应具备的技术能力、与人沟通和合作能力、创新能力可以大致归纳如下:
  ●无所不知——能迅速找到有关任务的信息,并知道怎样评价和处理这些信息。创新型工程师必须能够将信息转化为知识。
  ●无所不能——掌握工程专业的基本要素,以便能够快速判断需要做什么,迅速获得所需工具,并能熟练使用这些工具。
  ●能与任何地方的任何人合作——具有沟通技巧、团队合作能力,理解全局以及现实的问题以有效地与其他人合作。
  ●具有想象力,并能将梦想变成现实——具有企业家的创业精神,想象力和管理技能,能够识别需求、提出新的解决方案、并一竿子插到底。
  如何将年轻人培养成具备这些素质的人才?这些关于素质和能力的一般的描述有什么具体的意义吗?回答是肯定的。首先应将这些目标转化为明确的课程需求,之后我们就能来操作去实现这些目标了,或至少我们能知道从哪里入手。达到第一个目标——无所不知——相对简单。我们现在能通过网络“搜索(Google)”任何概念。我们可能瞬间获得大量的相关信息。搜索引擎越复杂,信息相关性也会随之增加。这种瞬时获取信息能力的作用是无论怎样强调都不为过的。人人都“比自己现在所知道的”还要懂得多,因为除了自己已经掌握的知识外,我们还有能力到别的地方就某一问题去找到更多的信息。如果电脑出现了问题,大多数人都知道如何办,但是并不是自己会解决电脑的问题,而是知道找谁来解决。互联网的使用使我们的触角在理论上能达到现存的任何一条信息,而当获得信息成为很简单的事,作为对专业工程师的基本要求,是他们必须能够辨别信息的质量并从中发现有用的知识集。因而,教会学生如何处理大量信息并判断所得信息的适用性和质量,将是对工程教育提出的挑战。
  工程师从来都是在应对不断出现的新的挑战过程中学到新的知识和能力。层出不穷的各种可用工具几乎能完成任何工作,这种形势令工程教育家们重新考虑:应该让学生掌握什么样的专业基础。计算机程序可在虚拟世界中做任何工作,从简单的计算到复杂系统的仿真以及完整的工程产品的设计,赋予现代工程师拥有前辈们未敢想象的力量。而工程师不仅应知道如何使用这些工具,而且应能够判定哪种工具是完成任务的最佳首选,并能以审慎的眼光来判断其结果。“人难免有错,计算机能把事情弄得更糟”,所以依赖计算机进行分析和设计时,专业的判断力是非常重要的。当培养工科学生面对真实的工程实际已成为现代工程教育的核心时,重新审视讲授工程科学基础知识的方法和内容是非常必要的。了解现象产生的范围和在多维的复杂情况下知识的分布与关联是很关键的系统工程的能力。
  除了必须掌握的技术技能的变化外,工程师的非技术职业技能必须适应现代工程实际的运作模式。美国已经在把广义的交流沟通技能纳入课程体系方面取得了巨大的。目前,大多数工程专业要求毕业生精通口头和书面的交流,且能在各种团队里展开工作,工程专业可能比任何其他专业都需要准确和高效的交流,对于共同进行的设计工作,彼此之间必须互相理解以确保功能的实现。令人惊讶的是,沟通能力的要求并不是由工程类院校近年来开始强调的(如工程认证机构向他们提出这样的要求),而是从来都有某种实际需要提醒教育家们工程师也需要交流!然而,在一个扁平的世界,沟通能力具有更加广泛的意义。工程师不仅要经常为不同国家生产和销售的产品提供服务,而且产品的设计开发越来越多的由在不同国家、具有不同文化背景的人组成的团队完成的。这种合作中显然会产生大量的误解和冲突。作为这种多国合作生产的例子,我们可以引用博士伦公司的CEO Ron Zarella先生在美国乌斯特工学院召开的国际化论坛期间的讲话“我们生产一种产品为旋转式牙刷,牙菌斑清除装置的电控设计在德国和日本完成,电池由日本提供,马达在中国生产,充电器在香港制造,精密铸塑成型的塑料件在乔治亚洲的亚特兰大生产,刷头在俄亥俄州制造,最终在墨西哥完成组装。”
  让年轻的工程师适应“扁平世界”的工作,对于工程教育来说已不应只是少数有条件的学生到海外去学习或实习一个学期的特殊课外活动项目,而必须成为工程院校的课程设置和计划的必要部分,使所有学生必须在学习期间就培养一种服务于全球的观念和技能, 使他们在刚参加工作就能够胜任国际化的任务。
  由于技术逐渐变为一种普通的商品,未来的工程师将不仅仅局限于完成技术工作。过去,有一些杰出的工程师,他们拥有想象力、远见卓识、钻研能力和毅力,他们的创造性工作改变了我们的生活方式;而同时代的那些平凡的不具有以上素质的工程师则从事常规的技术工作来谋生。未来的年轻工程师们必须个个是非常出色的工程师,他们不可能只靠从事年复一年没有什么改变的常规的技术工作就享受高收入带来的舒适生活。将来,越来越多的工程师都要有责任提出新的创意和解决方案,并将创新做到底。对国家和个人而言,创新已被认定为未来繁荣的最重要因素之一。未来的工程师不但必须创新,而且还必须能够将创新付诸实现。因而,将来工程教育必须使工程师有能力发现新创意并具备整合资源来实现其创意的技能。结论
  没有大批具备知识和创新能力的人才,像美国这样的一个先进社会将无法保持现有的竞争力和目前的生活水平。早期,Noah Webster曾说过,只有人民有经济上和教育上的长远目标,民主才能延续、盛行下去,而这两者又是紧密关联的。要培养工程师迎接明天的挑战,我们必须首先认识到世界仅几十年间发生的深刻变化。因此,我们必须从新的视角来重新审视我们的教育机制、课程设置和计划,面对任何必须的、超出渐变范畴的工程教育改革。
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