工程師的誕生
——記北京航空航天大學(xué)的一項(xiàng)探索

文/喬熙 陳曉麗

可同時(shí)載人載物的便攜式交通工具，協(xié)助跨越小型障礙物的便攜式斜坡，方便老年人、殘疾人在家中上下樓的水動(dòng)力/空氣動(dòng)力電梯，防止下車開車門時(shí)不慎致人傷亡的智能車門，幫助貧困地區(qū)農(nóng)民利用風(fēng)能提升地下水的風(fēng)車動(dòng)力傳輸系統(tǒng)……

學(xué)生在進(jìn)行《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》作品展示暨匯報(bào)

這些聽起來兼具實(shí)用性和科技感的產(chǎn)品，全部出自北京航空航天大學(xué)國際通用工程學(xué)院（以下簡稱國通學(xué)院）大一學(xué)生在《通用工程及多學(xué)科設(shè)計(jì)導(dǎo)論》課上的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。國通學(xué)院于2015年入選由國家外國專家局和教育部共同實(shí)施的“高校國際化示范學(xué)院推進(jìn)計(jì)劃”，2018年加入美國工程院大挑戰(zhàn)學(xué)者計(jì)劃（NAEGlobal Challenges Scholars Program,GCSP），是北航“新工科”國際教育教學(xué)改革的示范和品牌學(xué)院。

國通學(xué)院從2017年9月開始招收本科生，《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》課程是該學(xué)院探索“新工科”人才培養(yǎng)模式的一次試驗(yàn),也體現(xiàn)了對(duì)標(biāo)國際，培養(yǎng)通曉國際規(guī)則，能參與國際競爭的國際通用型工程師的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》課程模擬真實(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)流程，由來自加拿大多倫多大學(xué)的Kamran教授擔(dān)任課程負(fù)責(zé)人，向?qū)W生提出五個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜且綜合性強(qiáng)的選題。50個(gè)學(xué)生分為10個(gè)小組，每組選擇一個(gè)題目，合作完成一個(gè)項(xiàng)目作品，并配一位項(xiàng)目導(dǎo)師。

課程設(shè)置： 以需求為導(dǎo)向

《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》基于實(shí)踐，注重全面能力素養(yǎng)和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法。

1.評(píng)委老師認(rèn)真聽取學(xué)生的作品展示匯報(bào)

2.Kamran教授與學(xué)生及項(xiàng)目作品合影

這門課沒有教材，也沒有試卷，而是模擬一種真實(shí)工業(yè)界的環(huán)境。Kamran教授一直把自己稱為大客戶，提出設(shè)計(jì)要求，讓學(xué)生自主解決客戶的問題。

張以遠(yuǎn)是國通學(xué)院 2017級(jí)學(xué)生，在這門課程中得到了最高分，他和組員的課題是設(shè)計(jì)一款可載物的便攜私人交通工具。

課程持續(xù)一年，第一階段進(jìn)行背景調(diào)查、問題綜述和需求分析，通過500份問卷的調(diào)查結(jié)果，張以遠(yuǎn)小組得出了“大家很需要，特別是學(xué)生黨和上班族”的結(jié)論。第二階段開始設(shè)計(jì)制作。從用頭腦風(fēng)暴到確定最優(yōu)方案，從組裝部件到用大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)一體機(jī)分析可能性，從一版設(shè)計(jì)到終版設(shè)計(jì)，通過反復(fù)研究和調(diào)整，張以遠(yuǎn)小組最終設(shè)計(jì)制作出了一款有著超強(qiáng)的載物能力，有代步，旅行箱與電動(dòng)助力旅行箱三種使用形態(tài)的便攜交通工具，解決了載人與超大載物量不能兩全的痛點(diǎn)。

這種以需求為導(dǎo)向，首先從項(xiàng)目出發(fā)去思考問題的思路，不同于傳統(tǒng)的科研思路?！艾F(xiàn)在很多科研都是博士生、碩士生根據(jù)一個(gè)已有的技術(shù)，尋找它應(yīng)用的領(lǐng)域，但是比較難落地，沖擊這個(gè)市場的痛點(diǎn)。但是這個(gè)項(xiàng)目不是給學(xué)生技術(shù)基礎(chǔ)，而是先給出了痛點(diǎn)讓學(xué)生解決?！睆堃赃h(yuǎn)說，“這樣更實(shí)用，而且相對(duì)來說門檻更低，同學(xué)們能夠天馬行空，不會(huì)受所學(xué)知識(shí)或現(xiàn)有工具的約束，再加上學(xué)院特別支持，提供足夠的經(jīng)費(fèi)，所以有什么想法都可以做得出來?！?/p>

理解了“工程師”

“在通常情況下，本科學(xué)習(xí)進(jìn)入到高年級(jí)階段會(huì)有一部分學(xué)生進(jìn)入到老師的課題組或?qū)嶒?yàn)室，在學(xué)有余力的情況下還會(huì)參加各類學(xué)術(shù)科技競賽的時(shí)候，才會(huì)面臨需要解決這種綜合問題。很多工科學(xué)生重知識(shí)輕能力，學(xué)習(xí)了很多知識(shí)，但是讓他真正做一個(gè)東西時(shí)卻做不出來，不能理論聯(lián)系實(shí)際。這門課程的創(chuàng)新之處在于從大一開始、持續(xù)一年的時(shí)間，在全英文的環(huán)境下，拓展學(xué)生的全球視野，打破現(xiàn)有知識(shí)體系架構(gòu)，讓學(xué)生有更多的自主能力，學(xué)以致用，去解決實(shí)際的工程問題。在國內(nèi)，北航是第一個(gè)做這種嘗試和創(chuàng)新的?！眹▽W(xué)院院長文東升說。

國通學(xué)院副院長趙海云說：“很多學(xué)生高中學(xué)的都是書本知識(shí)，大一直接來做項(xiàng)目，比較吃力，而國外的基礎(chǔ)教育在這方面對(duì)接得比較好。這門課也讓大一新生完成了從高中到大學(xué)的過渡。”雖然都是做科研，張以遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)高中的做法和大學(xué)的做法大有不同?！案咧芯褪恰鏄犯摺?，參加中國青少年機(jī)器人競賽和關(guān)于高層建筑作業(yè)機(jī)器人的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，核心都是用樂高機(jī)器人做的?！睆堃赃h(yuǎn)總結(jié)，“到了大學(xué)以后，我發(fā)現(xiàn)科研不是玩玩具了，以前玩的教育機(jī)器人封裝集成度很高，現(xiàn)在則完全是白手起家，需要購買各種部件，自己攢在一塊。再往后就是等到真的有實(shí)力的時(shí)候，可能就是自己定制的一些東西了。”

據(jù)國通學(xué)院學(xué)生工作負(fù)責(zé)人趙秋迪老師介紹，21世紀(jì)工程師應(yīng)該是具備動(dòng)手實(shí)踐能力、能夠應(yīng)對(duì)重大挑戰(zhàn)、改變世界的人。但目前傳統(tǒng)教育模式下通過大學(xué)四年培養(yǎng)出來的大部分工科畢業(yè)生到了業(yè)界，還得重新學(xué)習(xí)和接受再培訓(xùn)，大學(xué)的工科教育和工業(yè)界之間存在溝壑需要填補(bǔ)。這種基于動(dòng)手實(shí)踐的能力，從大一開始培養(yǎng)，然后讓學(xué)生帶著這種習(xí)慣，進(jìn)行大學(xué)四年的學(xué)習(xí)。

經(jīng)過一年的實(shí)踐，張以遠(yuǎn)對(duì)“工程師”這三個(gè)字也逐漸有了自己的理解?！肮こ處熞尲夹g(shù)為人所用，從而改善人的生活，需要有很扎實(shí)的東西，很踏實(shí)、很認(rèn)真地做工程?！盞amran教授要求每個(gè)同學(xué)記錄工作日志?！氨热邕@一天，我進(jìn)行了任務(wù)討論和分組，在小組里成立了電控組，機(jī)械搭建結(jié)構(gòu)組，引導(dǎo)大家完成工作?！睆堃赃h(yuǎn)說，“越來越像一個(gè)工程，剛開始可能散，后來就習(xí)慣了。”

作為小組組長，張以遠(yuǎn)曾經(jīng)“差點(diǎn)把隊(duì)伍帶崩了”。“之前我老用自己的那套思維去要求別人，告訴他們?cè)趺醋觥Ｓ行┙M員很有想法，感覺我給他們強(qiáng)加一些違背他們想法的東西。后來就崩掉了，有一次我定一個(gè)點(diǎn)來開會(huì)，只有我一個(gè)人來了?！睆堃赃h(yuǎn)說，現(xiàn)在的他會(huì)更多關(guān)注個(gè)人感受，跟每個(gè)人去交流，了解并尊重他們的想法。

《通用工程及多學(xué)科工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》部分項(xiàng)目作品及實(shí)物展示

由于高中做過機(jī)器人，張以遠(yuǎn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的感覺較強(qiáng)，有位組員則特別重視理論基礎(chǔ)?！坝袝r(shí)候我說可行，他說還得研究驗(yàn)證一下；有時(shí)候他要這樣做，我說你不行，然后我倆會(huì)爭論。雖然剛開始會(huì)有沖突，到后來我就退讓一步，讓他多做一些理論計(jì)算這方面的事情，到后來兩個(gè)人都“綻放”了，都做得很好?！?/p>

國通學(xué)院課程助教付尊儒介紹這門課程最大的特色是老師作為觀察者，沒有強(qiáng)制性的命令，任務(wù)由學(xué)生自主安排完成。在和團(tuán)隊(duì)、導(dǎo)師、助教等不同角色的溝通、互動(dòng)中，學(xué)生提高了在工業(yè)產(chǎn)品實(shí)際制作過程中跟人打交道的能力。

“通過這門課的鍛煉，第一，培養(yǎng)了學(xué)生在國際大背景下的溝通與交流能力；第二，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；第三，提升了學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)力。這是他們的進(jìn)步?！眹▽W(xué)院科技輔導(dǎo)員周思齊說。

獲取知識(shí)：被動(dòng)到主動(dòng)

獲取知識(shí)是一種能力。這門從問題出發(fā)的項(xiàng)目課程，使學(xué)生在獲取知識(shí)上由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)。

Kamran教授給學(xué)生很高的自由度，通過提供框架、布置任務(wù)，引領(lǐng)課程的進(jìn)展?！巴ǔＶ唤o一個(gè)梗概，雖然會(huì)進(jìn)行一些解釋，但他的解釋往往是單方向的，而不是多層面的。但是他鼓勵(lì)我們從多層面去把他的框架填圓滿，填飽滿。”張以遠(yuǎn)說，“相當(dāng)于他給你一個(gè)骨頭，你把肉填上，可以自己去發(fā)揮自己想象力?！?/p>

副院長趙海云總結(jié)：“這門課不是強(qiáng)調(diào)最后要做出一個(gè)多么高精尖的成果，而是通過學(xué)生和學(xué)生之間，學(xué)生和老師之間基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程，提高解決復(fù)雜綜合問題的能力?！?/p>

“課程負(fù)責(zé)人只是在第一節(jié)課提出他的課程架構(gòu)和對(duì)學(xué)生的要求，后面的事情基本上由學(xué)生自主完成，各組分別和自己的項(xiàng)目導(dǎo)師約時(shí)間開會(huì)，自己去買材料，去用預(yù)算。”國通學(xué)院本科教學(xué)秘書譚力老師說。

在這一年里，張以遠(yuǎn)覺得很多東西“都挺意想不到的”。“導(dǎo)師提綱挈領(lǐng)，很多東西都靠自己去摸索，其實(shí)挺折磨人的，但是回頭看會(huì)發(fā)現(xiàn)自己成長得特別多，因?yàn)楹芏喽际菑臒o到有?！薄霸瓉硎歉嬖V學(xué)生這個(gè)知識(shí)很重要，是必修課，大家都學(xué)，所以你要學(xué)，但是學(xué)生不知道為什么要學(xué)，以后會(huì)用在什么地方，有什么樣的作用?，F(xiàn)在則是在實(shí)踐的過程中，在問題的“倒逼”下，學(xué)生主動(dòng)檢索文獻(xiàn)，搜集資料，向老師請(qǐng)教?！壁w秋迪說，“怎么設(shè)計(jì)、制作產(chǎn)品？怎么跟人溝通？成本多少？最后結(jié)果又是怎樣？在制作或者應(yīng)用過程中可能會(huì)出現(xiàn)什么樣的問題……以問題為導(dǎo)向獲取知識(shí)，是一個(gè)全開放的過程。所有的東西其實(shí)我們沒有提供，但是所有東西我們又提供了，關(guān)鍵在于創(chuàng)造一個(gè)環(huán)境、提供一個(gè)平臺(tái)，學(xué)生可以自由創(chuàng)新、盡情發(fā)揮?！?/p>

導(dǎo)師與學(xué)生的日常學(xué)習(xí)討論

“這門課不是強(qiáng)調(diào)最后要做出一個(gè)多么高精尖的成果，而是通過學(xué)生和學(xué)生之間，學(xué)生和老師之間基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程，提高解決復(fù)雜綜合問題的能力?！?/p>

“課程負(fù)責(zé)人只是在第一節(jié)課提出他的課程架構(gòu)和對(duì)學(xué)生的要求，后面的事情基本上由學(xué)生自主完成，各組分別和自己的項(xiàng)目導(dǎo)師約時(shí)間開會(huì)，自己去買材料，去用預(yù)算。”

在設(shè)計(jì)制作可載物代步工具的過程中，其中一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是張以遠(yuǎn)小組通過自學(xué)克服的?！拔覀円晃唤M員通過查資料、問學(xué)長，用兩周時(shí)間搞明白了有限元分析，學(xué)完以后很快教給我們組其他人。通過有限元分析，可以模擬顯示人踩在上面的時(shí)候，箱體所發(fā)生的形變和位移?！睆堃赃h(yuǎn)說，“Kamran教授經(jīng)常鼓勵(lì)我們?nèi)プ约喝ヌ剿鲗W(xué)習(xí)各種技術(shù)，他看到我們組用了有限元分析，喜出望外。”

建模、設(shè)計(jì)、展示，做排版怎么顯示出重點(diǎn)？PPT怎么吸引人？等等各方面能力，都在自學(xué)的過程中得到鍛煉。

帶著這門課上設(shè)計(jì)制作的作品，張以遠(yuǎn)參加了北航的招牌科技創(chuàng)新競賽——“馮如杯”科技作品競賽，榮獲節(jié)能減排專項(xiàng)全校第九名的好成績，之后又晉級(jí)全國大學(xué)生節(jié)能減排科技競賽，從海內(nèi)外400多所高校的近4000件作品項(xiàng)目中脫穎而出，榮獲國家三等獎(jiǎng)。趙秋迪說:“我們學(xué)院學(xué)生在大一年級(jí)這門課程里做出的項(xiàng)目，就是未來我們參賽獲獎(jiǎng)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)課題等的種子。大一時(shí)，這個(gè)課、程給他們提供了一個(gè)基礎(chǔ)和土壤。到了大二大三，隨著學(xué)生知識(shí)和想法的拓展，再對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)，之后可以很從容地參加國際國內(nèi)比賽，如果想創(chuàng)業(yè)，我們還可以進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)化?！?/p>

課程結(jié)束后，張以遠(yuǎn)剛剛步入大二，他又開始準(zhǔn)備參加美國工程院大挑戰(zhàn)學(xué)者計(jì)劃(NAE-GCSP)。該項(xiàng)目是針對(duì)美國國家工程院（NAE）提出的“14項(xiàng)工程大挑戰(zhàn)”而實(shí)施的拔尖工程人才培養(yǎng)新戰(zhàn)略。各個(gè)學(xué)校的學(xué)生，通過國際化的平臺(tái)進(jìn)行交流，解決一些社會(huì)存在的問題，比如經(jīng)濟(jì)地利用太陽能，管理氮循環(huán)，恢復(fù)和改善城市基礎(chǔ)設(shè)施等。