論跨學(xué)科能力培養(yǎng)與我國工程實踐教育改革

陳亞玲

摘要：即將來臨的工業(yè)4.0時代提出了未來工程師兼具多學(xué)科知識和系統(tǒng)思維素質(zhì)要求，同時，這也向當(dāng)前的高等工程教育提出了變革的挑戰(zhàn)。在學(xué)科制度下，高等工程教育的實踐教育具有在知識基礎(chǔ)和組織建制等層面開展跨學(xué)科教育的獨特優(yōu)勢。筆者所在大學(xué)根據(jù)現(xiàn)代工程的實踐本質(zhì)較早開展實踐教育改革，創(chuàng)設(shè)了多學(xué)科交叉融合的工程生態(tài)環(huán)節(jié)，實施多元項目教學(xué)，有效破除了學(xué)科壁壘對跨學(xué)科人才培養(yǎng)的障礙，取得了顯著的改革效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0 跨學(xué)科；學(xué)科制度；工程教育；實踐教育

德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的提出迅速引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和一些主要國家的戰(zhàn)略追隨。與此相應(yīng)，即將來襲的第四次工業(yè)革命要求未來工程師必須具備跨學(xué)科的知識視野和系統(tǒng)的思維習(xí)慣，這對當(dāng)前高等工程教育提出了緊迫的變革要求。我國高校的跨學(xué)科教育在近二三十年的探索中，著力在理論教學(xué)層面探索知識的交叉性和綜合性，但囿于學(xué)科制度知識和組織的雙重規(guī)限，跨學(xué)科教育遇到諸多困難。實踐教育在高等工程教育中是與理論教學(xué)并重的教育內(nèi)容和手段，它不僅在知識層面應(yīng)和了以跨學(xué)科為主要特點的知識生產(chǎn)模式Ⅱ的要求，而且在組織層面具有打破學(xué)科壁壘的獨特優(yōu)勢。南京理工大學(xué)在大工程觀的理念指導(dǎo)下，開展實踐教育改革，構(gòu)建了多學(xué)科交叉融合工程實踐平臺，實施多元項目教學(xué)，破除學(xué)科壁壘，還原現(xiàn)代工程的生態(tài)環(huán)境，切實培養(yǎng)了學(xué)生跨學(xué)科的綜合素質(zhì)。

一、未來工程師的素質(zhì)要求與我國高校的跨學(xué)科教育現(xiàn)狀

數(shù)年來，工業(yè)界一直處于一場重大而根本性的變革之中。德國提出的“工業(yè)4.0”概念向我們展示了未來工業(yè)界的場景，即利用基于信息物理融合系統(tǒng)的智能化，工業(yè)生產(chǎn)組織方式由集中式控制向分散式增強型控制轉(zhuǎn)變，最終建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。[1]在將來這種具有顯著系統(tǒng)性和綜合性特點的工程環(huán)境中，具備跨學(xué)科合作的能力將越來越重要，世界范圍內(nèi)工程師的培養(yǎng)將從以跨學(xué)科為主要特點的第五代工程師向既有“知識雜交”的能力，又必須有系統(tǒng)工程的全局思維（系統(tǒng)思維）的第六代工程師轉(zhuǎn)換。[2]

這種轉(zhuǎn)換涉及到工程師培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型，第六代工程師的培養(yǎng)需要“另一種教育”?！霸谶^去幾十年，不斷專業(yè)化的過程中缺少這樣一種教育：理解全局，能領(lǐng)導(dǎo)和負(fù)責(zé)一個復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)。這也許不是一個關(guān)于新的科系或者新的大學(xué)專業(yè)的問題，而實際上是一個現(xiàn)存科系及專業(yè)彼此滲透貫穿的問題?！盵3]可見，這“另一種教育”的實質(zhì)是以培養(yǎng)多學(xué)科的知識積累和跨學(xué)科的思維能力為目標(biāo)的跨學(xué)科教育。

與國外工程師培養(yǎng)正處于結(jié)束第五代、走向第六代的趨勢相比，當(dāng)前我國的工程師培養(yǎng)仍停留在第三代工程師即“非常專業(yè)化”的階段。在創(chuàng)新型人才和現(xiàn)代工程師培養(yǎng)的理念影響下，如何讓本科學(xué)生獲得寶貴的跨學(xué)科經(jīng)歷，從1980年代以來我國高校陸續(xù)進行了不懈的探索?；谥R的交叉性和教育的研究性，這些探索可以歸納如下：

設(shè)置跨學(xué)科專業(yè)課程，這又可分為兩種，一種是在某門課程內(nèi)容方法上進行跨學(xué)科設(shè)計；一種是由不同學(xué)術(shù)傳統(tǒng)或不同學(xué)科教授進行跨學(xué)科合作教學(xué)；設(shè)立跨學(xué)科項目的課程與課程體系，把多個科系開設(shè)的與該項目領(lǐng)域相關(guān)的課程資源組合起來，構(gòu)成一個跨科系的課程體系；開設(shè)通識教育課程，在工程教育領(lǐng)域，除了原有人文、社會科學(xué)和自然科學(xué)類的通識課程基礎(chǔ)外，還開設(shè)了工程技術(shù)類通識課程；在組織結(jié)構(gòu)上，一些高校開設(shè)人才培養(yǎng)特區(qū)——試（實）驗班，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展為學(xué)院，如“茅以升班”、“竺可楨學(xué)院”、“致遠學(xué)院”等。

學(xué)科制度作為一種知識—權(quán)力體制，學(xué)科新人的規(guī)訓(xùn)、高級專門人才的塑造，均受其學(xué)科共同體認(rèn)可的行為規(guī)則的約束，規(guī)則內(nèi)的行為和活動受到許可和鼓勵，反之，則受到排斥和打擊?？鐚W(xué)科教育不僅是知識體系間的交流與合作，同時需要相應(yīng)的制度保障、資金支持、人員配置與認(rèn)知活動相互配合。因此，跨學(xué)科活動體制化的運作方式是比跨學(xué)科的認(rèn)識進路更為復(fù)雜的課題。[4]

·學(xué)科與專業(yè)·論跨學(xué)科能力培養(yǎng)與我國工程實踐教育改革

我國高校所展開的上述跨學(xué)科教育固然取得了積極的效果，但在學(xué)科制度的知識和組織的雙重規(guī)限下，其活動范圍和實施效果大受影響，一些學(xué)校所開展的跨學(xué)科教育僅僅是提供為數(shù)不多、且不作任何專業(yè)相關(guān)性限定的自由選修課，學(xué)習(xí)效果不好。而課程結(jié)構(gòu)設(shè)計合理并有組織建制的各類“試驗班”，其實質(zhì)是實行一種校內(nèi)教育雙軌制，不僅其課程結(jié)構(gòu)模式與全校本科課程結(jié)構(gòu)之間存在著矛盾和沖突，而且大學(xué)內(nèi)部的體制性障礙使其難以有效發(fā)揮其應(yīng)有的作用，試驗班的示范意義和推廣價值受到質(zhì)疑。[5]

工程具有綜合性，現(xiàn)代工程更是一個綜合性的大系統(tǒng)，它本身就包涵了學(xué)科的會聚和綜合，體現(xiàn)了不同專業(yè)包括基礎(chǔ)專業(yè)的綜合、科學(xué)理論和技術(shù)手段的綜合、與社會科學(xué)和人文科學(xué)體系之間的綜合等等。然而，在學(xué)科制度的剛性影響下，當(dāng)前以學(xué)科專業(yè)為基本單元組織教學(xué)活動、單一的學(xué)科專業(yè)的設(shè)置與工程的本質(zhì)不相適應(yīng)，我國的工科教育如何從原來學(xué)科的分析轉(zhuǎn)到以綜合為主的思想上來，這個問題一直沒有得到重視，更談不上解決。而在工程教育里面，這是個非常重要、亟待解決的問題。[6]

二、實踐教育及其在跨學(xué)科工程人才培養(yǎng)中的價值

工程的本質(zhì)是人類為滿足生存與發(fā)展需要，而改造已有世界、創(chuàng)造未有天地的實踐活動，實踐性是工程最基本的屬性。工程實踐在內(nèi)容上包括工程項目的實際考察、工程設(shè)計、參與施工、參與運行管理和工程維護等。在人、自然和社會組成的這個復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)的工程實踐相比，未來的工程實踐具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性、多樣性、綜合性、應(yīng)變性、創(chuàng)新性、全球化、可持續(xù)發(fā)展等特點，未來的工程師需要具備整體的思維，利用新工具和不斷增長的工程學(xué)知識，考慮社會訴求和限制條件，在復(fù)雜的背景下與工程師和非工程師團隊合作，結(jié)合傳統(tǒng)和創(chuàng)新的方法解決未知的復(fù)雜問題，實現(xiàn)技術(shù)與社會系統(tǒng)的和諧。[7]

工程的實踐性決定了實踐教育是工程教育中不可或缺的重要內(nèi)容和手段。理論與實際相結(jié)合，對工程教育來說，主要不是結(jié)合于理論，而是結(jié)合于實際，用字當(dāng)頭，實踐第一，這既是工程創(chuàng)新的精髓，也是工程教育的精髓。[8]在工程教育中，實踐教育主要包括校內(nèi)的實驗、校外的實習(xí)、見習(xí)，以及校內(nèi)外結(jié)合的研發(fā)、設(shè)計項目等。實踐教育面向工程實踐，具有直接現(xiàn)實性，同時，它的實踐性可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力、創(chuàng)新精神和高尚品格等。另外，實踐教育具有綜合性，給學(xué)生提供一個綜合運用多種知識、鞏固和深化所學(xué)理論、鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的廣闊天地。綜合性表現(xiàn)為三個方面：一是學(xué)科內(nèi)部知識的綜合運用，二是跨學(xué)科知識的綜合運用，三是知識與以直接經(jīng)驗為主導(dǎo)的活動之間的綜合運用。[9]所以，對工程教育來說，實踐教育不應(yīng)局限于技術(shù)內(nèi)容上的實踐教學(xué)，還應(yīng)該作為學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的手段。

學(xué)科制度作為一種高度制度化的知識生產(chǎn)形式，知識生產(chǎn)模式的變革必將深刻影響高校目前的教育教學(xué)活動。20世紀(jì)60年代以來悄然形成的知識生產(chǎn)模式Ⅱ，聚集于問題、基于應(yīng)用的訴求導(dǎo)向使其天然具有跨學(xué)科性，大學(xué)也變得更具疏松性，不再是知識生產(chǎn)的唯一機構(gòu)，政府和企業(yè)都成為知識生產(chǎn)的利益相關(guān)者。在人才培養(yǎng)上，與知識生產(chǎn)模式Ⅰ框架下的高度學(xué)科性和人才培養(yǎng)的封閉性相比，新的知識生產(chǎn)模式要求人才培養(yǎng)走向“開放體系”，著重培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科和超學(xué)科能力。近些年引人矚目的高等工程教育改革先鋒歐林工學(xué)院認(rèn)為高等工程教育要做到以學(xué)生為中心，就必須不設(shè)置院系。[10]然而，就絕大多數(shù)高校而言，在當(dāng)前學(xué)科制度形成的院系主導(dǎo)的權(quán)力框架下不可能摒棄院系建制，這種“開放體系”可以在實踐教育部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)。

根據(jù)實踐教育的理念、教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施和內(nèi)涵、實踐教學(xué)方法、實踐教學(xué)對象和實踐教學(xué)管理，我國工程實踐教育經(jīng)歷了金工實習(xí)、現(xiàn)代工程實踐教學(xué)和現(xiàn)代工程實踐教育三個階段。[11]由于長期以來重“學(xué)”輕“術(shù)”，實踐教育得不到重視，淪為理論教學(xué)的附屬品。如中國工程院在2010年發(fā)表了題為《人才創(chuàng)造未來，創(chuàng)新引領(lǐng)世界》的關(guān)于工程科技人才培養(yǎng)的研究報告，該報告指出了我國工程教育及人才培養(yǎng)中存在的幾個突出問題，其中包括：（1）工程教育中工程性缺失和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱問題長期未能得到解決；（2）工科專業(yè)課程體系嚴(yán)重落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需要。[12]因此，大力加強實踐教育是我國政府和各高校近年來著力解決的問題，一些高校的工程訓(xùn)練中心作為開展工程實踐及教學(xué)的校內(nèi)平臺，在回歸工程、注重實踐的理念指導(dǎo)下，所開展的工程訓(xùn)練切實地培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科能力和工程創(chuàng)新能力，其經(jīng)驗值得剖析和推廣。

三、南京理工大學(xué)工程實踐教學(xué)改革案例分析

南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心成立于2007年，其前身亦是學(xué)校的實習(xí)工廠。由于較早認(rèn)識到我國高等工程人才培養(yǎng)中存在的實踐性不足、工程性缺失等問題，在2002年學(xué)校以畢業(yè)設(shè)計為切入點，組織機電一體化、工業(yè)設(shè)計、市場營銷、會計等專業(yè)的學(xué)生建立跨學(xué)科畢業(yè)設(shè)計團隊，模擬產(chǎn)品從市場調(diào)研、開發(fā)到投入市場的基本過程。2003年，學(xué)校聯(lián)合企業(yè)，設(shè)立創(chuàng)新人才基金，組織跨學(xué)科畢業(yè)設(shè)計團隊面向企業(yè)“真題真做”。

在這些教學(xué)改革和探索的基礎(chǔ)上，工程訓(xùn)練中心在組建之初即定位為一個橫跨學(xué)院的教學(xué)單位，目標(biāo)是構(gòu)建功能明確、關(guān)聯(lián)學(xué)科協(xié)同、交叉整合、生態(tài)良好的工程人才成長平臺，使“交叉學(xué)科方法”成為工程訓(xùn)練中心發(fā)展方法和工程科技人才培養(yǎng)模式。圍繞這個目標(biāo)，在近10年的探索中，學(xué)校構(gòu)建了多學(xué)科交叉的工程實踐平臺，實施項目教學(xué)，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新能力的工程實踐教學(xué)體系。

1.構(gòu)建多學(xué)科交叉的工程實踐平臺

學(xué)校以工程整體化思維為指導(dǎo)，從“軟”“硬”兩個方面構(gòu)建關(guān)聯(lián)學(xué)科交叉整合的工程實踐平臺，將現(xiàn)代工程多學(xué)科的知識背景以及政治、經(jīng)濟、文化等非技術(shù)要素融入進來，形成現(xiàn)代工程學(xué)科“生態(tài)”環(huán)境，幫助學(xué)生在工程實踐中還原被學(xué)科割裂開來的工程整體原貌。

在“硬”條件建設(shè)上，①學(xué)校不囿于已成定勢的教育資源配置格局，通過跨學(xué)科專業(yè)合作，共建物流工程、工業(yè)自動化仿真、機器人綜合技術(shù)、創(chuàng)意設(shè)計等13個專業(yè)綜合實驗室；②通過校企合作，一方面引進企業(yè)資源共建正泰電工工業(yè)設(shè)計中心、漢機滾動功能部件、城市軌道交通設(shè)計等8個校企合作實驗室；另一方面通過資源外延拓展，結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”項目實施，與南京理工大學(xué)12個國家級工程實踐教育中心形成有機聯(lián)動，建立校外企業(yè)聯(lián)合實驗室，充分利用校外企業(yè)工程實踐教育資源，保障工程教學(xué)與企業(yè)需求實際相結(jié)合；③通過國際產(chǎn)學(xué)研合作，與德國KUKA建立智能焊接聯(lián)合研究室、與日本SMC建立南京氣動技術(shù)中心、與美國PTC共建PTC學(xué)院、與德國CONCEPT Laser公司共建金屬增才制造技術(shù)聯(lián)合實驗室等，充分利用國際優(yōu)質(zhì)工程資源。目前學(xué)校已建成具有機械、電子、材料、自動化、車輛、交通、測控儀器、工程管理、藝術(shù)設(shè)計等多學(xué)科背景的工程實踐教學(xué)平臺。

在“軟”條件建設(shè)上，學(xué)校非常重視工程文化的建設(shè)，通過團隊文化、安全文化和軍工文化的教育、大學(xué)生科技作品展示、技術(shù)演進史展示等方式，積極營造良好的工程文化氛圍。

2.實施多元項目教學(xué)

學(xué)校以工程實踐能力、多學(xué)科背景及整體性思維方式、職業(yè)道德和社會責(zé)任感為目標(biāo)，以工程創(chuàng)新實踐為導(dǎo)向，構(gòu)建以基礎(chǔ)實習(xí)項目、創(chuàng)新訓(xùn)練項目、創(chuàng)新競賽項目、創(chuàng)新性實驗項目和企業(yè)實戰(zhàn)項目等為核心內(nèi)容的工程創(chuàng)新項目教學(xué)體系。項目教學(xué)按照選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價6個基本步驟實施。項目教學(xué)具有兩個顯著特征，一是聯(lián)合企業(yè)參與，導(dǎo)師團隊合作開發(fā)；二是以項目為載體，學(xué)生團隊合作學(xué)習(xí)。

創(chuàng)新性實驗項目主要指那些產(chǎn)生顯著變化的新成果的實驗，如新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計、新工藝的創(chuàng)造和使用、新技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用、復(fù)雜產(chǎn)品或項目的集成等。在這類具有多專業(yè)背景的學(xué)生團隊的設(shè)計性項目學(xué)習(xí)中，學(xué)校通過“1+X”教學(xué)模式，即以“1”個設(shè)計性項目為驅(qū)動，采用網(wǎng)絡(luò)課程、開放性實驗、專題講座、團隊研討等“X”種輔助形式，來拓展學(xué)生的實踐能力，并以團隊合作方式完成項目的設(shè)計與制作。

企業(yè)實戰(zhàn)項目是聯(lián)合知名企業(yè)，在校內(nèi)建立校企聯(lián)合研究室，形成“孵化基地”，組成不同學(xué)科專業(yè)的教師團隊和學(xué)生團隊，面向企業(yè)開展真題真做的創(chuàng)新實踐活動。近幾年，學(xué)校依托校企合作實驗室開展了“地鐵自動售票系統(tǒng)研制”、“智能開關(guān)”等項目的設(shè)計研究，每年進入研究室參與企業(yè)實戰(zhàn)設(shè)計和工作的學(xué)生近600人。為擴大項目來源，學(xué)校于2012年建立了“接受企業(yè)向大學(xué)生發(fā)布研究課題”的機制，進一步擴大合作企業(yè)的行業(yè)領(lǐng)域與范圍，主動尋找企業(yè)實戰(zhàn)項目，定期面向?qū)W生發(fā)布。

學(xué)校立足工程的本質(zhì)特征，把握高等工程教育的規(guī)律和趨勢，創(chuàng)新實踐教育的思路及方法，取得了顯著的教學(xué)效果。學(xué)生的工程創(chuàng)新能力得到有效增強，學(xué)生面向企業(yè)開展“地鐵自動售票系統(tǒng)研制”等22個項目的設(shè)計研究，近四年，參與企業(yè)實戰(zhàn)設(shè)計和工作的學(xué)生達到2200多人，獲得實用新型專利和發(fā)明專利100多項。利用國際化平臺資源，與國外大學(xué)生合作完成了“中歐微納小衛(wèi)星設(shè)計”、“中美48小時快題設(shè)計”等項目，展現(xiàn)了優(yōu)秀的設(shè)計才能。學(xué)生在國內(nèi)外高層次競賽中表現(xiàn)卓越，獲得國際設(shè)計獎6項，獲“挑戰(zhàn)杯”、“飛思卡爾杯”大學(xué)生智能車競賽、工程訓(xùn)練綜合能力競賽等國家級特等獎、一等獎28項。超過60%的畢業(yè)生進入“世界500強”和“中國500強”等知名企業(yè)，同時還涌現(xiàn)了一大批科技創(chuàng)業(yè)的成功典型。南京理工大學(xué)的實踐教學(xué)改革也受到國內(nèi)外高校的高度評價和認(rèn)可，2014年獲得國家級教學(xué)成果二等獎。

（感謝南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心為本論文的寫作接受訪談和提供資料?。?/p>

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（責(zé)任編輯劉第紅）