基于多目標的未來橋梁工程師培養(yǎng)與課程體系建設

楊孟剛,何旭輝

(中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075)

航空工程的先驅者、美國加州理工學院教授馮·卡門有句名言:“科學家研究已有的世界,工程師創(chuàng)造未有的世界?！蔽磥磉@些為我們創(chuàng)造世界的工程師究竟應該具備怎樣的素養(yǎng)?作為培養(yǎng)人才的高校,該建立什么樣的培養(yǎng)模式和課程體系才能滿足未來工程師的培養(yǎng)要求?

所謂人才培養(yǎng)模式是指在一定的現代教育理論和思想指導下,按照特定的培養(yǎng)目標和人才規(guī)格,以相對穩(wěn)定的教學內容和課程體系、管理制度和評估方式,實施人才教育的過程總和。簡單來講,就是人才的培養(yǎng)目標以及實現這些培養(yǎng)目標的方法或手段。目前,發(fā)達國家的工科人才培養(yǎng)模式大致分為兩種:一是以美國為代表的通才培養(yǎng)模式(Generalist Training Model),主要特征是將科學教育、人文教育、學科基礎教育相結合,目的是培養(yǎng)學科領域內的通用工程科學人才;二是以德國為代表的開放層次式專才培養(yǎng)模式(Professional Training Model),將人才的培養(yǎng)分為三個層次即綜合研究型、應用科技型、職業(yè)技術型,目的是培養(yǎng)實用性較強和知識面較寬的高級工程科學與工程人才。近年來,隨著社會需求和工程領域的發(fā)展,兩種人才培養(yǎng)模式相互借鑒,并逐漸趨于融合。

我國的工程教育發(fā)展歷程相對較曲折。早期,我國高校工程科技人才培養(yǎng)的課程體系受蘇聯影響深刻。1952年全國性的院系調整后,成立了一批專科性的工科院校,這些院校注重工程技術和工程實際,培養(yǎng)了一大批工程技術人才,建立起完善的工業(yè)體系。但由于過于強調“知識本位”的課程理念,人才培養(yǎng)重在學生對專業(yè)知識的了解和掌握,造成了對于工程意識和工程能力培養(yǎng)重視不夠。1978年改革開放以后,為了克服工科院校專業(yè)口徑過于狹窄的問題,我國工程教育一邊倒地學習美國模式,課程設置一律按寬口徑的通才培養(yǎng)模式來設置,結果從一個極端跳到了另一個極端。1998年教育體制改革后,工科院校劃歸教育部門管理,大多數工科院校都向綜合性大學轉型,工程教育全面進入了科學范式的時代。這次改革雖然解決了高等學校條塊分割的問題,促進了行業(yè)背景高校的發(fā)展,加劇了工程教育科學化的程度,但同時也造成了工程教育與行業(yè)企業(yè)的脫節(jié),導致原有的特色工科專業(yè)在不斷地消失,使得行業(yè)企業(yè)的用人需求與高校培養(yǎng)的人才結構存在一定的矛盾。

自20世紀90年代開始,我國的交通基礎設施建設發(fā)展較快,主要的高速公路網已逐步形成,且公路交通行業(yè)仍方興未艾;近十年來,我國的高速鐵路發(fā)展尤為迅猛,八縱八橫的高速鐵路網正在建設中;同時,“一帶一路”也為我國交通基礎設施行業(yè)的發(fā)展帶來了更多的機遇與挑戰(zhàn)。如何為現階段我國交通建設行業(yè)培養(yǎng)對接需求的橋梁工程師,是一個急需解決的問題。事實證明,按照蘇聯的工程專科人才培養(yǎng)模式是行不通的,完全照搬美國的通才培養(yǎng)模式也是不合適的,德國的層次式人才培養(yǎng)模式值得借鑒。結合中國的教育國情以及目前的行業(yè)發(fā)展需求,筆者認為,中南大學作為一所綜合性大學,橋梁工程師的培養(yǎng)應該是“多目標”(Multi-Objective)的,課程體系的建設也應圍繞“多目標”培養(yǎng)展開。

一、橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)的內涵和體現

(一)“多目標”培養(yǎng)的內涵

通才培養(yǎng)模式重在強調科學教育,忽視了工程實踐,這種“科學范式”教育模式培養(yǎng)的全才型工程師最大的優(yōu)點是知識面廣、科學思維能力強、工作適應面寬,最大弊端是知識體系寬而不專、廣而不深、學而不精,無法短時間內滿足企業(yè)行業(yè)高精工程技術人才的需求。我國早期的專才培養(yǎng)模式則與之正好相反,過于注重工程技術和工程實際,弱化了科學能力的培養(yǎng),這種“技術范式”培養(yǎng)的專才型工程師的最大優(yōu)點是專業(yè)技術能力強,能很快適應企業(yè)行業(yè)的高級技術性工作,最大不足是專業(yè)知識面窄,缺乏全面統(tǒng)籌和交叉科學的思維能力。

結合我國目前交通行業(yè)的實際情況,現階段我國社會與企業(yè)對人才需求多樣化,既需要寬口徑專業(yè)的全才型工程師,也需要窄口徑、“一門精”的專才型工程師,這就對高校人才培養(yǎng)模式提出了更高的要求。目前,我國的高等教育改革正處于向德國層次式人才培養(yǎng)模式轉化的轉型期,且大多數綜合性大學都是由行業(yè)特色的工科院校重組轉型而來,學校的行業(yè)特色與企業(yè)的人才需求仍有著很強的一一對照關系。因此,目前我國的綜合性大學仍需擔負起培養(yǎng)通才和專才的雙重任務,這就要求課程體系(Curriculum System)的建設必須兼顧這兩方面的要求,同時在課程設置上還要體現學生對本專業(yè)方向的興趣點和行業(yè)需求。

綜上所述,具體到橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)(Multi-Objective Training)的內涵,主要體現在兩個方面:一是課程體系的“多目標”,即土木工程橋梁方向的課程體系應兼顧通才和專才的培養(yǎng)模式,簡單地說,就是橋梁方向畢業(yè)的學生,不僅要懂橋梁工程(專才),還要懂土木工程(二級通才),甚至要懂工程(一級通才);二是課程設置的“多目標”,即橋梁方向的課程設置要涵蓋未來從事橋梁工作(包括規(guī)劃、設計、建造、維養(yǎng)等)和繼續(xù)深造讀研的各方面課程。這兩個方面“多目標”的內涵其實分別對應課程體系的縱向和橫向設置,歸根到底均可通過課程體系的建設來實現。

(二)國內外知名高?！岸嗄繕恕迸囵B(yǎng)的體現

以美國和中國土木工程排名分別靠前的各兩所高校以及中南大學為例,對比列出了這五所大學土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(Educational Objectives),見表1。由于現在國內外高校均按大類專業(yè)招生,橋梁工程僅是土木工程專業(yè)的一個方向,而培養(yǎng)方案是按大類專業(yè)制定的,因此這里僅能比較各個大學土木工程的培養(yǎng)目標,只能體現“多目標”培養(yǎng)內涵的第一個方面。

表1 國內外知名大學的培養(yǎng)目標

由表1可知,美國的伊利諾伊大學香檳分校和加州大學伯克利分校采用的是通才培養(yǎng)模式,重在培養(yǎng)學生運用基礎理論和工程知識解決土木工程問題的科學思維能力(Scientific Thinking)、終身學習能力(Lifelong Learning)、從業(yè)能力(Professional Practice)、繼續(xù)更高學位深造能力(Advanced Degrees)以及應具備的良好職業(yè)道德(Professional Ethics)、社會領袖潛能(Leadership Roles)、社會服務意識(Service to Society)等。而國內大學幾乎都兼顧了通才與專才的培養(yǎng)模式,即除了上述已提到的通才培養(yǎng)目標外,還需培養(yǎng)學生能勝任一般土木工程項目(包括橋梁、隧道、道路、建筑結構等)的規(guī)劃、設計、建造、管理等專業(yè)技能工作,這體現在學生完成土木工程基礎理論知識的學習后,需進一步完成專業(yè)方向的選擇和學習,即由通才培養(yǎng)進入到專才培養(yǎng)模式,表1中的同濟大學和中南大學的培養(yǎng)模式就是如此,清華大學略偏向于通才培養(yǎng)模式。這種兼顧通才與專才的培養(yǎng)模式與我國目前現階段土木交通行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展需求相適應。

二、橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)的必要性

(一)符合我國本科人才培養(yǎng)的思路

高等學校土木工程專業(yè)指導委員會制定的《土木工程專業(yè)本科教育(四年制)培養(yǎng)目標和畢業(yè)生基本規(guī)格》明確提出了培養(yǎng)目標為:培養(yǎng)適應社會主義現代化建設需要,德智體全面發(fā)展,掌握土木工程學科的基本理論和基本知識,獲得工程師基本訓練,并具有創(chuàng)新精神的高級專門人才;畢業(yè)生能從事土木工程的設計、施工與管理工作,具有初步的項目規(guī)劃和研究開發(fā)能力。同時,又在培養(yǎng)方案的序言中指出,專業(yè)指導委員會鼓勵各院校在堅持寬口徑專業(yè)基本要求的基礎上,根據院校條件,制定自己的培養(yǎng)計劃并組織實施,創(chuàng)造出鮮明的院校特色。

目前,國內大多數高校是在寬口徑的基礎上,在高年級柔性設置專業(yè)方向,體現各自的專業(yè)特色,并通過優(yōu)化知識、能力、素質結構,建立有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和專業(yè)技術應用能力的課程體系,實現“寬口徑、厚基礎、高素質、強實踐”(Wide Caliber,Solid Foundation,High Quality and Professional Practice)的人才培養(yǎng)思路。

中南大學的橋梁工程是我國較早的國家重點學科,具有鮮明的專業(yè)特色和行業(yè)影響;學生在學習完土木工程基礎理論后選擇進入橋梁方向的學習,其畢業(yè)后既學到了土木工程寬口徑的基礎知識,更是收獲了橋梁工程這個特色專業(yè)的精髓,真正做到了通才與專才的橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)。

(二)與國際CDIO工程教育理念相一致

美國的工程教育經歷了由最初的技術范式向科學范式的轉變。其最初注重工程實際,由于后來出現了實踐與理論的觀點分歧,工程教育開始變得過于強調工程科學和理論,而忽視了工程實踐和工程設計。到了20世紀80年代,工科畢業(yè)生的工程素質屢屢遭到行業(yè)企業(yè)的質疑,工程教育偏離工程實踐帶來的嚴重性漸漸地為教育界所重視。美國工程教育界開始對科學范式進行檢討和反思,提出了要回歸工程的改革口號。

從2000年起,美國的麻省理工學院(MIT)聯合瑞典的三所大學(Royal Technical University,Chalmers University of Technology和Linkoping University)組成研究小組,經過四年的探索研究,創(chuàng)立了CDIO工程教育理念,實現了工程教育的螺旋式回歸。CDIO工程教育理念強調過程式課程學習,學習對象是工程,課程學習過程即為工程的生命周期。CDIO工程教育模式把工程的生命周期劃分為構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運行(Operate)四個階段。筆者認為應該增加第五個階段:維養(yǎng)(Maintain)。這是因為,當一個工程經歷完前四個階段后,為保證其在設計生命周期內安全可靠地運行,常規(guī)和適當的維養(yǎng)是必不可少的。因此,工程的生命周期應由構思、設計、實現、運行和維養(yǎng)五個階段組成。這五個階段總體上與中南大學土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標中的“能勝任一般土木工程項目的規(guī)劃、設計、建造、管理、養(yǎng)護、維修等工作”這一目標內容是相對應一致的。以橋梁工程師的培養(yǎng)為例,中南大學橋梁方向課程的設置覆蓋了橋梁工程生命周期的構思、設計、實現、運行和維養(yǎng)這五個方面,因此中南大學橋梁工程師的培養(yǎng)是“多目標”的,體現了其內涵的第二個方面,也與國際CDIO工程教育理念是相一致的。

(三)可滿足工程教育的行業(yè)人才培養(yǎng)需求

工程教育的最終目標是培養(yǎng)工程師。根據行業(yè)企業(yè)的人才需求,可將工程師的培養(yǎng)目標分為研究型(Research)、設計型(Design)、生產型(Production)、服務型(Service)四類。以橋梁工程為例,研究型是指主要從事橋梁工程科學問題的研究與探索,包括橋梁工程中的一些理論問題以及先進技術、新型材料的應用等,往往需要聯合理論分析和試驗研究來解決,該項工作對應的行業(yè)企業(yè)主要是相關高校和科研院所;設計型是指主要從事橋梁工程設計,包括公路橋梁、鐵路橋梁、城市橋梁、軌道交通橋梁及其各種橋型的設計工作,該項工作對應的行業(yè)企業(yè)主要是設計院所;生產型是指主要從事橋梁工程的建造及橋梁相關產品(支座、伸縮縫、欄桿、拉索等)的制造,該項工作對應的行業(yè)企業(yè)主要是各類型施工企業(yè)和橋梁相關產品制造企業(yè);服務型是指主要從事橋梁工程建造過程和正常運營期的監(jiān)測、橋梁檢測與評估等工作,該項工作對應的行業(yè)企業(yè)主要是各類型檢測公司。

為滿足行業(yè)企業(yè)對不同類型工程師的人才需求,高等院校需設置包括研究、設計、生產、服務這四個方面的相關課程。中南大學橋梁工程“多目標”培養(yǎng)的課程體系可完全滿足工程教育的行業(yè)人才培養(yǎng)需求。

(四)體現著名教育學家對人才培養(yǎng)的期望

當今社會工程實踐規(guī)模宏大,傳統(tǒng)領域依然勢頭強勁,新興領域不斷涌現,且各領域相互融合、相互滲透,復雜工程和大規(guī)模工程屢見不鮮,致使對工程人才提出了多層次和多樣性的需求。2007年,原中國工程院常務副院長潘云鶴院士在《中國高等教育》上提出了“工程教育要走寬、專、交的培養(yǎng)道路”。他建議,大學低段所涉知識面要寬,中段所選學科要專,高段則要注意與知識的交叉相結合。后來,北京工業(yè)大學原校長左鐵鏞院士非常認同這個提法,因為當代科技發(fā)展的總趨勢是高度分化又高度綜合,或者是在高度分化基礎上的綜合。因此,對工程人才的要求也越來越高,并認為“未來的工程人才必須是集知識、素質和能力于一身的高水平人才”。

上海交通大學的劉西拉教授對21世紀的工程人才應具備的知識(Knowledge)、能力(Ability)和素質(Quality)進行了詮釋,認為未來的工程師應具有“結構工程、系統(tǒng)工程和社會工程”方面的廣博知識,具有“適應、合作、創(chuàng)造、表達、組織”等多方面的能力以及具有“強烈的社會責任感、強烈的競爭意識、辨證的思維方法和踏實苦干的作風”等素質。

著名橋梁專家、同濟大學項海帆院士在其2011年出版的專著《橋梁概念設計》中提出,目前現階段我們橋梁工程師的使命和任務可歸納為以下幾個方面。

(1)橋梁工程師不僅是項目的規(guī)劃者、設計者和建造者,還應當是全壽命的經營者和維護者;

(2)橋梁工程師應當具有可持續(xù)發(fā)展的理念,成為自然環(huán)境的保護者和節(jié)約資源與能源的倡導者;

(3)橋梁工程師應當參與基礎設施建設的決策,并通過不斷創(chuàng)新建造優(yōu)質和耐久的工程,成為提高人民生活質量的積極推動者;

(4)橋梁工程師應當成為人們免遭自然災害、突發(fā)事件、工程事故和其他風險的護衛(wèi)者;

(5)橋梁工程師還應當具有團隊合作精神和職業(yè)道德,成為抵制各種腐敗現象的模范執(zhí)行者。

綜合這些著名教育學家的觀點可得到:21世紀的未來工程人才必須是集知識、素質和能力于一身的具備“寬基礎、精專業(yè)、融交叉”的高水平人才,這體現出本文“多目標”培養(yǎng)內涵的第一個方面;項海帆院士提出的橋梁工程師使命和任務的第1點與本文“多目標”培養(yǎng)內涵的第二個方面相呼應,第2至5點體現為第一方面的內涵。

三、基于“多目標”培養(yǎng)的橋梁工程課程體系

課程體系是大學人才培養(yǎng)的主要載體,也是人才培養(yǎng)目標得以實現的橋梁,其決定培養(yǎng)對象所能具有的知識、能力、素質結構以及教育理想能否得以實現。因此,課程體系的建設是大學人才培養(yǎng)目標實現的一項關鍵任務。清華大學教育研究院、工程教育研究中心副主任林健教授認為卓越工程師培養(yǎng)的課程體系應達到四個方面的價值取向:(1)滿足培養(yǎng)目標需要的根本價值;(2)體現學科專業(yè)領域整體的繼承和發(fā)展價值;(3)反映參與高校人才培養(yǎng)的特色價值;(4)體現學生主體發(fā)展的最終價值。中南大學橋梁工程結合我國國情和工程人才培養(yǎng)目標,以這四個方面的價值取向為導向,探索出了一套基于多目標培養(yǎng)的橋梁工程課程體系。

(一)橋梁工程縱向課程體系

中南大學土木工程專業(yè)旨在培養(yǎng)以國家重大需求為導向,面向工業(yè)界、面向未來、面向世界的土木工程行業(yè)精英和領軍人才。橋梁工程是中南大學土木工程一級學科下的一個特色方向,其縱向課程體系(表2)以通識教育和學科教育為基礎,強調通識教育、學科教育與專業(yè)教育相融合,并注重個性培養(yǎng);同時在專業(yè)教育中,以土木工程專業(yè)核心課程為主導,并在此基礎上進行土木工程及橋梁工程專業(yè)課程的學習。

表2 中南大學土木(橋梁)工程縱向課程體系

在表2中,通識教育和學科教育這兩個模塊的學分占據總學分的近一半,其課程也需兩學年修完,且這些課程是大多數工程專業(yè)(包括土木工程、機械工程、交通工程、材料工程、安全工程等)的必修課程,該階段的課程體系可實現工程人才(稱為“一級通才”)的培養(yǎng)。專業(yè)教育模塊中的專業(yè)核心課程主要包括工程測量、地質、土力學、基礎工程、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、土木工程施工、工程管理等,是土木工程專業(yè)各個方向都要學習的專業(yè)基礎課程;土木工程專業(yè)必選課程包括橋梁工程、隧道工程、鐵道工程、房屋工程和道路工程等,要求必選本專業(yè)方向外的三門,因此,通識教育+學科教育(工程一級通才)+土木工程專業(yè)核心課程+土木工程專業(yè)必選課程就構成了土木工程人才(稱為“二級通才”)的培養(yǎng)模式。在此基礎上,通過橋梁工程專業(yè)必選課程和選修課程學習以及適當的個性培養(yǎng),即可實現橋梁工程專才的培養(yǎng)。

綜上所述,在中南大學“通識教育+學科教育+專業(yè)教育+個性培養(yǎng)”這個縱向鏈條的本科教學課程體系(Curriculum System)中,完整體現了工程(一級通才)、土木工程(二級通才)、橋梁工程(專才)的三級人才培養(yǎng)模式(圖1),也即本文提出的橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)內涵的第一方面,也完全符合我國本科人才培養(yǎng)的思路。

圖1 橋梁工程縱向課程體系與三級人才培養(yǎng)模式

(二)橋梁工程橫向課程設置

縱向課程體系體現在通才與專才的培養(yǎng),而橫向課程的設置則主要是不同專才的培養(yǎng),也即為行業(yè)企業(yè)培養(yǎng)不同類型的專業(yè)人才。中南大學橋梁工程專業(yè)課程群(Curriculum Group)的設置包括橋梁工程必選課程和橋梁工程選修課程。橋梁工程必選課程有混凝土橋、鋼橋和橋涵水文這三門課程;橋梁工程選修課程主要有橋梁概念設計、橋梁文化與創(chuàng)新、橋梁振動、橋梁建造與維養(yǎng)、土木工程檢測、彈性力學及有限元等多個課程,和同濟大學橋梁工程的課程設置既有相似之處,也有區(qū)別所在。學生在完成必選課程的學習后,可根據自己的興趣和將來想要從事的專業(yè)工作選擇不同的選修課程。如果將來想從事設計工作,則可以選擇橋梁概念設計和橋梁文化與創(chuàng)新課程;如果想從事生產型施工工作,則可以選擇橋梁建造與維養(yǎng)課程。橋梁工程必選課程+選修課程的不同組合與行業(yè)人才需求的類型對應關系如圖2所示,這種人才需求的培養(yǎng)類型總體上與CDIO工程教育模式的四個方面也是一致的。因此,通過橫向課程群的設置,可實現中南大學橋梁工程的不同類型專才的培養(yǎng),也即本文提出的橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)內涵的第二方面。

圖2 橋梁工程橫向課程群與不同類型專才對應關系

此外,在專業(yè)實踐環(huán)節(jié)中,畢業(yè)設計/論文的課題有研究論文型、各類橋梁設計型、施工方案論證型、檢測評估與加固設計型等,這與行業(yè)人才需求的幾種類型是相對應的。另外,學生也可根據自己未來從事的工作選擇去研究所、設計院、施工單位、管養(yǎng)部門和檢測公司等單位參加生產實習。因此,專業(yè)實踐環(huán)節(jié)也體現出橋梁工程師“多目標”培養(yǎng)的內涵。

四、結語

(1)在總結美國、德國、蘇聯的工科人才培養(yǎng)模式以及我國工程教育發(fā)展歷程的基礎上,結合我國的教育國情以及目前的交通行業(yè)發(fā)展需求,提出了未來橋梁工程師的培養(yǎng)應是基于“多目標”的,主要體現在兩個方面:一是課程體系的“多目標”,即橋梁工程的縱向課程體系應兼顧工程人才(一級通才)、土木工程人才(二級通才)和橋梁工程人才(專才)的三級人才培養(yǎng)模式;二是課程設置的“多目標”,即橋梁工程的橫向課程設置目標是培養(yǎng)研究、規(guī)劃、設計、建造、維養(yǎng)等不同方面的橋梁專業(yè)人才。

(2)基于多目標的未來橋梁工程師培養(yǎng)符合我國本科人才培養(yǎng)的思路,與國際CDIO工程教育理念是相一致的,可滿足工程教育的行業(yè)人才培養(yǎng)需求,同時還體現了著名教育學家對人才培養(yǎng)的期望。

(3)以橋梁工程師多目標培養(yǎng)思路為指導,建立了基于中南大學“通識教育+學科教育+專業(yè)教育+個性培養(yǎng)”這個縱向鏈條的橋梁工程本科教學課程體系,并制定了橋梁工程專業(yè)橫向課程群,完整構建了三級人才和不同橋梁專業(yè)人才的培養(yǎng)模式,從而可實現基于多目標的未來橋梁工程師培養(yǎng)。