世界一流工程學科研究生課程體系的生態(tài)布局與衍生邏輯
——以加州理工學院機械工程學科為例

王紅雨，馬夢迪，閆廣芬

(天津大學 教育學院,天津 300350)

一、問題的提出

2017年2月，教育部發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》，緊循以基礎科學支撐技術創(chuàng)新的邏輯，將建設“新工科”視為引領高等教育變革的重要力量。[1]同年9月，教育部、國家發(fā)展改革委、財政部印發(fā)《關于公布世界一流大學和一流學科建設高校及建設學科名單的通知》，工程學科在“一流學科建設名單”中占比最高，這更是標志著我國工程學科的建設邁入了一個新的戰(zhàn)略實施階段。在“新工科”“雙一流”等政策的引領下，各高校工程學科改革如火如荼。時至今日，改革在取得一些成效的同時仍有諸多問題亟待解決：中國高等教育學會工程教育專業(yè)委員會秘書長陸國棟指出，各高等工程學科“重科研而輕教學”，“水課”較多，“精課”較少，“金課”缺失的現(xiàn)象比比皆是。[2]課程建設不足成為制約一流工程學科生成與長遠發(fā)展的不利因素，在一定程度上制約著“新工科”建設由“轟轟烈烈”的項目建設走向“扎扎實實”的長效機制。作為人才培養(yǎng)的最小單位，課程是教學活動的最基本構(gòu)成元素，其“傳遞固有知識”的本質(zhì)屬性決定了其是研究生教育“創(chuàng)造全新知識”的重要基礎，教學對科研與生俱來的支持與反哺功能從根本上決定了課程建設同樣是創(chuàng)建一流學科、培養(yǎng)學術創(chuàng)新型人才中的應有之意。為此，從課程建設的微觀視角探討“新工科”建設的提升路徑與長效機制無疑是一種有益的探索。

加州理工學院(以下簡稱Caltech)是世界聞名的科學與工程學院，也是精英教育的典范學府之一。自建校以來，其畢業(yè)生共有38人問鼎諾貝爾獎，獲獎率近千分之一，為世界高校諾獎密度之冠。[3]機械工程學科則是Caltech的支柱性學科，該學科以培育未來的領導者和解決當今世界的關鍵技術障礙為使命。在機械工程學科近期畢業(yè)的研究生中，大約30%的學生獲得終身制的學術職位，50%進入工業(yè)界開展應用與研發(fā)，還有20%開展博士后研究項目，[4]毫無疑問，如此精英化的人才培養(yǎng)質(zhì)量與其高水平課程建設密切相關。因此，筆者以Caltech機械工程學科為例，管窺其研究生課程體系的生態(tài)布局與衍生邏輯。

二、生態(tài)布局：在“五位一體”中全面推進

Caltech機械工程學科研究生課程體系是推動其學科優(yōu)化的有效動力，在課程目標、課程結(jié)構(gòu)、課程內(nèi)容、教學手段、課程資源以及課程評價五位一體的協(xié)同發(fā)展中，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)。

(一)面向未來社會需求的“倒看板”①式課程目標

高等教育帶有與生俱來的滯后性特征，這種屬性從根本上決定了各學科在辦學過程中必須超越當下，著眼于未來，設定“倒看板”式課程目標正是這種原則的具體體現(xiàn)。這是學校以未來社會需求為基準，不斷逆推各環(huán)節(jié)人才培養(yǎng)標準，并最終落腳至前瞻性課程目標的過程。Caltech教育目的面向未來社會需求，致力于以扎實的基礎知識為工具來研究具有挑戰(zhàn)性和前瞻性的相關議題，通過教研融合的方式來推進知識創(chuàng)新并造福人類社會。[5]在此核心使命的引導下，機械工程學科的培養(yǎng)目標是讓學生在專業(yè)實踐與科學創(chuàng)新方面滿足跨學科技術時代的人才需求，[6]不斷培養(yǎng)學生的專業(yè)獨立性、創(chuàng)造力、領導力以及持續(xù)學習能力。這一培養(yǎng)目標又被進一步分解并落實到不同的研究生課程目標中，以“機械原型”課程為例，該課程根據(jù)獲得技術、培養(yǎng)能力的最終“看板”，將3D打印技術、激光切割技術和水射流切割技術等前沿科技融入到課程內(nèi)容之中，使學生獲得諸如設計詳細圖紙、構(gòu)建零件與裝配體參數(shù)化模型等基本技能的同時，更切身感悟到前沿科技的重要影響與發(fā)展趨勢、提高實踐操作力與思維創(chuàng)新力。[7]這樣的課程目標不僅考慮到課程內(nèi)容如何為經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展服務，還兼顧到學科自身該如何根據(jù)未來需求進行改革，使學生適應未來變化、面向未來技術和產(chǎn)業(yè)，為實現(xiàn)Caltech最終的教育目的奠定基礎。

(二)“均布—貫通”式課程結(jié)構(gòu)

“均布”指向?qū)W科內(nèi)部不同屬性知識間的橫向關系，這直觀體現(xiàn)在為保證學生全面、自由發(fā)展而設定的均衡、調(diào)和的課程類型及其分布比例上。圖1所示。從類別上看，課程一般均包含四類知識形態(tài)，分別是基礎學科知識、專業(yè)支撐學科知識、專業(yè)相關學科知識及綜合實踐知識，四者共同構(gòu)成嚴密合理的知識體系；從學分比例上看，Caltech機械工程學科將基礎學科知識、專業(yè)支撐學科知識及綜合實踐知識列入必修屬性，占全部學分權(quán)重的70%～80%以夯實學生的專業(yè)素養(yǎng)；專業(yè)相關學科知識則多列入選修之中，占比20%～30%以拓展學生多維發(fā)展的可能。這不僅體現(xiàn)了知識在性質(zhì)上由基礎到高深、由既有到探究的變化，還保證了機械工程學科研究生課程結(jié)構(gòu)的多樣性和異質(zhì)性。如此的學分布局使學科內(nèi)部不同屬性的知識類型能夠彼此支撐、互相提供發(fā)展動力，更促使學生在獲得較為全面知識素養(yǎng)的同時，扎實推進學科知識的縱深發(fā)展。

圖1 Caltech機械工程學科研究生課程設置概況②

“貫通”則指向縱向的不同培養(yǎng)層次，它既體現(xiàn)在不同階段的課程銜接之中，又體現(xiàn)在本學科與相關學科于某一課程主題上的系列化及深化?！般暯印奔斜憩F(xiàn)在Caltech機械工程學科“碩—博”課程主題的承接之中，如關于“力學”這一主題，碩士階段要求學生必修“流體力學”“結(jié)構(gòu)和固體力學”等核心課程，博士階段則開設“計算流體動力學”等高階課程，如此的課程設置使學生能夠在不同階段獲得對某一主題課程螺旋上升式的認識?！吧罨眲t體現(xiàn)在以下三個方面：(1)通過難度提升進行深化。Caltech機械工程學科“本—碩—博”核心課程循序漸進、由淺入深，其本科一年級的專業(yè)核心課涉及面較廣，包括數(shù)學、物理、化學、生物等基礎科目構(gòu)成的主干課程及實踐課程。此后三年，課程設置的口徑逐漸變窄，更注重學生學科專業(yè)素養(yǎng)的夯實。在“碩—博”課程中，其專業(yè)核心課程相同，且大部分以本科階段的先修課程為基礎，這使“碩—博”課程在避免成為“補本”課程的同時較本科階段來說有了更加復雜、深入的模塊與方向。(2)通過不同研究視角進行深化。如圖2所示，碩博階段的“控制”課程模塊建立在本科數(shù)學課程與控制與動力系統(tǒng)課程的基礎上，由“控制”“非線性控制”以及“航空航天控制系統(tǒng)”等具有相通聯(lián)系形式的課程共同構(gòu)成了研究視角多元但研究對象同一的課程群體。不同學科課程間的相互作用不僅促進著課程模塊的協(xié)同進化，也讓學生更為深入地進行專業(yè)學習。(3)通過實踐進行深化。相較于碩士階段而言，博士階段更注重實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這就要求博士生將先前獲得的多學科知識進行融合滲透，再將其運用至實踐情境。因此，Caltech在此階段專門設計了綜合實踐課程模塊，給予博士生們大量時間獨立研究、撰寫論文。課程主題的持續(xù)銜接與課程難度的持續(xù)深化使該學科學生的專業(yè)知識不斷鞏固加深，這是Caltech機械工程學科人才輩出的關鍵之所在。

圖2 Caltech機械工程學科“本—碩—博”核心課程拓撲圖③

(三)關注交叉知識、前沿議題與方法探究的課程內(nèi)容

課程教學是培養(yǎng)研究生各項能力的重要環(huán)節(jié)，課堂傳授的知識對于提高研究生綜合素質(zhì)來說至關重要。Caltech機械工程學科縱橫交叉的課程結(jié)構(gòu)覆蓋了包羅萬象的知識網(wǎng)絡，讓學生在新興交叉領域關注熱點研究、學習實踐方法，鍛煉其發(fā)現(xiàn)問題的探究意識，培養(yǎng)其解決問題的動手能力。

1.關注交叉領域

機械工程學科之教師具備多元化學科背景，這使得跨學科教學成為可能，其課程內(nèi)容首先體現(xiàn)出關注交叉領域之特征。

互聯(lián)網(wǎng)時代，微信、微博、手機客戶端等新媒體形式和平臺使人民獲取信息渠道變得更加多元，傳統(tǒng)的報紙、出版物等紙媒在人民群眾的受歡迎程度越來越低。黨的十九大報告中要求“要高度重視傳播手段建設和創(chuàng)新，提高新聞輿論傳播力、引導力、影響力、公信力?！彪S著各種新興媒體的出現(xiàn)，居民群眾獲取信息的方式日益多樣化，需求和個性日益差異化。針對不同人的閱讀習慣，有機整合全區(qū)宣傳活動相關平臺及資源，開拓思路，實現(xiàn)傳統(tǒng)媒體與新興媒體有機銜接，借力“微信”、客戶端等自媒體宣傳引導，進一步提升“六走進”系列主題活動的效果。

機械工程學科的交叉課程主要有三種類型：(1)通識知識與學科知識的交叉。以問題為中心進行“通專結(jié)合”的課程設置已日益成為培養(yǎng)交叉學科研究生的普遍選擇。[8]“20世紀和21世紀的新媒體藝術”一課便將學科知識之“專業(yè)”與人文領悟之“通識”結(jié)合起來，該課程需要學生對19世紀末至今的主要藝術展覽、藝術家及藝術著作進行調(diào)查與解讀，并運用其學科知識與專業(yè)技術來設計原創(chuàng)的新媒體藝術作品，以透過作品來展現(xiàn)人文層面的體悟。[9]這樣的課程不僅有利于學生實踐應用本學科知識，更實現(xiàn)了專業(yè)知識向通識人文的有效遷移，以此達到通識素養(yǎng)與學科素養(yǎng)的有效結(jié)合。(2)本學科知識與相關學科知識的交叉。相近學科之間具備知識可遷移的明顯特點，例如機械工程與航天航空、應用物理學、土木工程間知識交叉產(chǎn)生的“結(jié)構(gòu)和固體力學”課程，與材料科學、醫(yī)學工程知識交叉產(chǎn)生的“材料的機械性能”課程等均是此方面的代表。這些學科的有機結(jié)合一方面促進了邊緣、交叉學科的發(fā)展，另一方面又通過交叉學科方向課程引導學生找到自己的研究旨趣所在。(3)實踐取向下的知識交叉。這是一種試圖重建學科的嘗試，即通過“基于問題的實踐”方式把一切類似、相近的知識群與問題群比合而觀，以此將人為分類所造成的學科分割現(xiàn)象重新還原為其原本統(tǒng)整的知識姿態(tài)。例如“設計和制造”課程通過一系列簡短的設計項目和強調(diào)物理概念的設計競賽來教授基本概念，[7]把課程所囊括的一切類似的學科群加以整合，使機械工程設計、制造和視覺傳達等廣域知識在實踐的基礎上相互滲透、重組優(yōu)化，促使學生更完整、系統(tǒng)地吸收學科知識。不同學科間以及學科內(nèi)部的通融交叉打破了學科壁壘和知識界限，進而創(chuàng)建了有效的學術交流平臺，不斷推動著Caltech機械工程學科產(chǎn)出突破性科研成果。

2.關注前沿問題

Caltech機械工程學科的課程內(nèi)容立足時代前沿，關注研究熱點。例如“機器人”課程重點介紹機器人操作和傳感領域機器人研究的社會前沿，如“移動機器人”“多腿步行機”和“導航系統(tǒng)中的視覺使用”[7]等都是當今社會炙手可熱的前沿議題；“閉環(huán)流量控制”課旨在向?qū)W生介紹控制和應用于流動現(xiàn)象、流體系統(tǒng)的理論方法以及實踐方面的最新進展，[7]使學生在實驗室工作中關注方法論前沿；“研究生工程研討會”則由教師以講座的形式介紹具體研究領域的已有成果，引導學生關注科技前沿，如近期研討會的主題涉及“細胞—納米材料相互作用的機制”“硅光子學的革命”“懸浮液尺寸的顆粒分離”等。[10]不同類型的前沿課程微觀且具體，更與學生的研究實踐息息相關，這在引導學生創(chuàng)造性地思考，提高其學術敏銳性與學術探究能力方面具有重要意義。

3.關注方法類課程的學習

Caltech機械工程學科開設了一批方法類課程，不僅強調(diào)基礎性方法的學習，還特別強調(diào)不同方法與不同實踐情境的緊密結(jié)合?；A性方法強調(diào)純粹方法及其支撐性理論的學習，例如博士課程中“計算固體力學”一課在回顧碩士階段學習過的變分原理、有限元分析等理論的基礎上，介紹在固體力學和多尺度力學問題中所使用的光譜方法、原子建模和原子連續(xù)耦合等實用技術；[7]情境性應用的方式則是驗證方法類課程學習的最佳途徑，例如“非線性控制”課程通過前期的基礎知識學習，將理論應用于實際并在實踐中學習控制約束方法，“機器人系統(tǒng)的控制方法”就是其中的一個課程單元。[11]這類課程對研究生的學習和科研起到了實際的促進作用，使研究生在學習過程中有效運用所學知識，在科研中保證研究的信度和效度。

(四)高水平的課程資源支持

一流學科的建設不僅要在課程設置上下功夫，還須注重配套資源之建設。導師是研究生成長發(fā)展的第一責任人，研究生學術水平的提高離不開優(yōu)秀的導師培養(yǎng)；而要完成教學知識的實踐，又離不開高水平研究中心及實驗室的資源支持。為此，Caltech機械工程學科形成了一批高水平師資團隊與一流的研究實驗中心。

Caltech絕大部分教授都來自于美國及其他國家或地區(qū)的一流高校與研究機構(gòu)(如圖3)，高水平的師資隊伍使科研創(chuàng)新成果在第一時間轉(zhuǎn)化為課堂教學內(nèi)容成為可能。有研究表明，獲得博士學位的導師更傾向于在博士生培養(yǎng)中采用規(guī)范的課程教學模式。[12]規(guī)范的課程教學模式尤其注重突出學生的探究主體地位，教師在精心設計課程目標與內(nèi)容的同時，更需要為學生的探究活動創(chuàng)設適當?shù)奶骄壳榫巢⑻峁┫鄳奶骄抠Y源。這種課堂教學模式不僅幫助學生系統(tǒng)掌握學科知識，更充分培養(yǎng)了其溝通交流、動手實踐等軟能力。卓越的教學實踐也讓機械工程學科的眾多教師多次獲得加州理工學院研究生會(GSC)指導獎、加州理工學院聯(lián)合學生(ASCIT)卓越教學獎等榮譽。這些獎項名額有限，旨在表彰那些“作為教師和導師的角色對加州理工學院研究生產(chǎn)生非凡影響的人”，[13]由此可見Caltech對該學科教師教學成果的充分肯定。

圖3 Caltech機械工程學科師資來源分布圖

如果說一流的師資隊伍是必備的教學人力資源，那么一流的研究中心及實驗室的建設則是不可或缺的教學環(huán)境資源。吉姆霍爾設計與原型實驗室是機械工程學科的主要實驗室，其占地5854平方英尺，配備有大小型機床、手動工具和各種制造材料，同時提供有限數(shù)量的緊固件等相關硬件。[14]該實驗室為“工程設計導論”“工程設計實驗室”等專業(yè)課程提供全面支持。作為一個開放的教學環(huán)境，本學科的任何學生、教師和工作人員均可以在這里為已經(jīng)獲批的研究計劃配備專屬設備和信息資源。此外，機械工程學科的教師還參與了各種以研究中心為載體的研究計劃，這些計劃是Caltech最令人興奮的“前沿”計劃，如“計算地質(zhì)力學”，該計劃在火星探測器探測、滑坡模擬、液化模擬等領域與世界各地的頂級實驗者合作進行基本實驗，使其研究模型具有預測性，體現(xiàn)學院最高的學術水平和成就。正是這些卓越教師團隊與研究環(huán)境的存在，才使得Caltech的學術研究始終立于不敗之地。

(五)復診式課程評價

表1 Caltech課程評價之字母等級表[15]

三、衍生邏輯：明確學科目標、多元課程內(nèi)容、保障學術自由

Caltech在學科建設過程中，始終服務國家與社會的未來需求，尊重知識的生成邏輯，堅持特色的辦學理念，并融入到課程體系建設當中。這個形成知識系統(tǒng)及組織系統(tǒng)的過程就如同動植物攝入能量、繁衍生息以形成生態(tài)系統(tǒng)的過程，其中，學科目標為動力促進學科演化成長、授課內(nèi)容的多元特色為能量保證資源輸入、課程主體的學術研究為根基提供學科立身之本。

(一)以服務未來需求為動力，明確學科目標的發(fā)展定位

高等教育的發(fā)展歷史已然證明，大學只有適應社會政治經(jīng)濟的發(fā)展，為未來生活持續(xù)提供高品質(zhì)人才方可基業(yè)長青，這一點在以“實用主義”和“工具理性”為價值追求的工程教育領域尤為凸顯，“如何培養(yǎng)適應未來實踐需求的工程人才”成為工程學科發(fā)展中的重要議題。Caltech機械工程學科在美國工程與技術鑒定委員會(ABET)所指出的“工程人才必須具備鑒別、闡述和解決工程問題的能力以及在工程實踐中使用技術、技能和現(xiàn)代工具的能力”的原則指導下，[16]設置了“讓學生在快速發(fā)展的跨學科技術時代為研究和專業(yè)實踐做好準備”的學科發(fā)展目標。該目標表明，Caltech的培養(yǎng)體系是面向未來需求的一個連續(xù)系統(tǒng)，在這個過程中，學生的準入、能力的培養(yǎng)以及最終教育目的的達成都圍繞未來需求展開。同時，為幫助學生夯實基礎知識、增強創(chuàng)新及實踐能力，機械工程學科設置了關注交叉知識、前沿議題與方法探究的課程內(nèi)容，并配之以定制化的教學手段與高水平的課程資源。如此，整個學科的課程體系猶如幾個齒輪組成的傳動結(jié)構(gòu)(如圖4)，經(jīng)學科目標因勢而動，可帶動與其高度耦合的機械工程研究生課程目標及其實踐的共同發(fā)展。

圖4 Caltech機械工程學科目標聯(lián)動作用示意圖

(二)利用基于問題的課程模塊以保證課程內(nèi)容的多元特色

Caltech機械工程研究生課程內(nèi)容的多元特色，離不開其以問題為中心而劃分的課程模塊。例如為解決動力系統(tǒng)的若干問題，該學科設置了“非線性動力學”“線性系統(tǒng)理論”課程；為更好地研究機器學習和機器人技術交叉的自治基礎知識，又以“機器人”“自治”等課程形成模塊。這些以問題為中心的課程模塊與不同類型的學科知識緊密聯(lián)系、相互融合，例“自治”課程由計算機科學、電氣工程、機械工程等學科聯(lián)合開課，并以某一個問題為主線，將散落在各個學科集群中的多門課程進行整合，實現(xiàn)了知識在學習過程中的交叉與重構(gòu)，[17]由此構(gòu)成了一個“基于問題、關涉學科”的金字塔型課程結(jié)構(gòu)(如圖5)。其中，基礎學科課程面向全校開設，在課程體系中起基礎支撐作用，大多為研究生階段核心課程模塊的先修課程；與機械工程相關的學科課程則促進知識的遷移與融合，成為課程體系的中堅力量；機械工程的專業(yè)支撐課程及綜合實踐環(huán)節(jié)則立于“金字塔”的尖端位置，且博士課程較碩士課程來說更注重夯實基礎及綜合實踐，這使得學生在理論學習和專業(yè)實踐過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、探究未知，以此引領學科發(fā)展、保持學科特色。

圖5 Caltech機械工程學科研究生課程結(jié)構(gòu)示意圖

(三)保障師生的學術自由以促進課程主體間的協(xié)同發(fā)展

Caltech機械工程學科師生作為課程實踐的雙元主體，有其各自充分的學術自由，這是Caltech最顯著的辦學特色。所謂學術自由，是指創(chuàng)造高深知識的研究主體在遵從一定倫理道德和法律的條件下，自由地選擇研究對象、自由地開展研究過程、自由地發(fā)表研究結(jié)果而不受來自任何方面限制或干擾的權(quán)力。[18]教師享有教學自由，廣泛的“教”的自由體現(xiàn)在他們可以自行選擇教科書、在教學過程中自主制定教學計劃和講授方法、向?qū)W生公布自己的研究成果等方面，Caltech的教學、學習和推廣中心(CTLO)對教師的這些權(quán)利予以充分保障，例如它為教師所開展的全校范圍內(nèi)的教學和學習慶祝活動——Teach Week。[19]在這個充滿活力的短期系列講座中，教師們將分享他們在課堂上開發(fā)和實施的新想法，包括主動學習實驗、社區(qū)參與式學習以及通過虛擬現(xiàn)實方式學習等。如此教法，使教師與課程、科研與教學充分融為一體，從而在一定程度上緩解教師“重科研輕教學”的現(xiàn)象，使其走向更為自由、民主的學術部落。

研究生也有“學”的自由，他們可就感興趣的領域自由選擇課程、在課堂中自由發(fā)問、在論文寫作上自主選擇研究方法與工具。Caltech研究生學術委員會(GSC)還組織了“帶一位教授吃午餐”的計劃，即每位研究生每月可以申請與一位教授在午餐時進行交流，教授在申請人員中隨機選擇8～12名學生共進午餐。[20]這為研究生提供了與其部門以外的教師討教經(jīng)驗和自由交流的機會。唯有如此保障師生的學術自由，Caltech才能吸納到更多優(yōu)秀的教師及學生，并促使其形成個性化的研究方向和獨特的思維方式，從而推動學科的發(fā)展與進步。

中國工程院院士李培根指出，“新工科”計劃的推進關鍵在于培養(yǎng)當代中國工程學生的新型工程素養(yǎng)，而培養(yǎng)這種“新”的第一著眼點則在于課程的改革與重構(gòu)。[21]但縱觀我國工科研究生課程系統(tǒng)，仍存在很多不足。有研究指出，當前我國高等工程院校研究生課程體系龐雜零散，課程結(jié)構(gòu)碎化老化，課程知識遲滯落后，授課形式單一同質(zhì)，課程師資則亟待高水平建設與后備有力梯隊的儲備，[22]面對以上問題，“新工科”建設如何從課程實踐的微觀視角落到實處、從轟轟烈烈的項目建設階段走向扎扎實實的持續(xù)性、深入性的推行階段？也許，Caltech機械工程學科的發(fā)展經(jīng)驗可為我們提供一些借鑒。

注釋：

① “看板”概念最早來源于日本豐田企業(yè)的一種管理手段，是用于標記產(chǎn)品信息與生產(chǎn)順序的視覺工具?！暗箍窗濉奔词且宰罱K市場需求為標準不斷逆推各階段產(chǎn)品生產(chǎn)標準的一種管理方式。

②③由筆者根據(jù)Caltech官網(wǎng)(https://www.caltech.edu/)內(nèi)容整理而來。