论跨学科能力培养与我国工程实践教育改革

陈亚玲

摘要：即将来临的工业4.0时代提出了未来工程师兼具多学科知识和系统思维素质要求，同时，这也向当前的高等工程教育提出了变革的挑战。在学科制度下，高等工程教育的实践教育具有在知识基础和组织建制等层面开展跨学科教育的独特优势。笔者所在大学根据现代工程的实践本质较早开展实践教育改革，创设了多学科交叉融合的工程生态环节，实施多元项目教学，有效破除了学科壁垒对跨学科人才培养的障碍，取得了显著的改革效果。

关键词：工业4.0 跨学科；学科制度；工程教育；实践教育

德国“工业4.0”战略的提出迅速引起了世界范围内的广泛关注和一些主要国家的战略追随。与此相应，即将来袭的第四次工业革命要求未来工程师必须具备跨学科的知识视野和系统的思维习惯，这对当前高等工程教育提出了紧迫的变革要求。我国高校的跨学科教育在近二三十年的探索中，着力在理论教学层面探索知识的交叉性和综合性，但囿于学科制度知识和组织的双重规限，跨学科教育遇到诸多困难。实践教育在高等工程教育中是与理论教学并重的教育内容和手段，它不仅在知识层面应和了以跨学科为主要特点的知识生产模式Ⅱ的要求，而且在组织层面具有打破学科壁垒的独特优势。南京理工大学在大工程观的理念指导下，开展实践教育改革，构建了多学科交叉融合工程实践平台，实施多元项目教学，破除学科壁垒，还原现代工程的生态环境，切实培养了学生跨学科的综合素质。

一、未来工程师的素质要求与我国高校的跨学科教育现状

数年来，工业界一直处于一场重大而根本性的变革之中。德国提出的“工业4.0”概念向我们展示了未来工业界的场景，即利用基于信息物理融合系统的智能化，工业生产组织方式由集中式控制向分散式增强型控制转变，最终建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。[1]在将来这种具有显著系统性和综合性特点的工程环境中，具备跨学科合作的能力将越来越重要，世界范围内工程师的培养将从以跨学科为主要特点的第五代工程师向既有“知识杂交”的能力，又必须有系统工程的全局思维（系统思维）的第六代工程师转换。[2]

这种转换涉及到工程师培养的转型，第六代工程师的培养需要“另一种教育”。“在过去几十年，不断专业化的过程中缺少这样一种教育：理解全局，能领导和负责一个复杂技术系统的开发。这也许不是一个关于新的科系或者新的大学专业的问题，而实际上是一个现存科系及专业彼此渗透贯穿的问题。”[3]可见，这“另一种教育”的实质是以培养多学科的知识积累和跨学科的思维能力为目标的跨学科教育。

与国外工程师培养正处于结束第五代、走向第六代的趋势相比，当前我国的工程师培养仍停留在第三代工程师即“非常专业化”的阶段。在创新型人才和现代工程师培养的理念影响下，如何让本科学生获得宝贵的跨学科经历，从1980年代以来我国高校陆续进行了不懈的探索。基于知识的交叉性和教育的研究性，这些探索可以归纳如下：

设置跨学科专业课程，这又可分为两种，一种是在某门课程内容方法上进行跨学科设计；一种是由不同学术传统或不同学科教授进行跨学科合作教学；设立跨学科项目的课程与课程体系，把多个科系开设的与该项目领域相关的课程资源组合起来，构成一个跨科系的课程体系；开设通识教育课程，在工程教育领域，除了原有人文、社会科学和自然科学类的通识课程基础外，还开设了工程技术类通识课程；在组织结构上，一些高校开设人才培养特区——试（实）验班，并在此基础上发展为学院，如“茅以升班”、“竺可桢学院”、“致远学院”等。

学科制度作为一种知识—权力体制，学科新人的规训、高级专门人才的塑造，均受其学科共同体认可的行为规则的约束，规则内的行为和活动受到许可和鼓励，反之，则受到排斥和打击。跨学科教育不仅是知识体系间的交流与合作，同时需要相应的制度保障、资金支持、人员配置与认知活动相互配合。因此，跨学科活动体制化的运作方式是比跨学科的认识进路更为复杂的课题。[4]

·学科与专业·论跨学科能力培养与我国工程实践教育改革

我国高校所展开的上述跨学科教育固然取得了积极的效果，但在学科制度的知识和组织的双重规限下，其活动范围和实施效果大受影响，一些学校所开展的跨学科教育仅仅是提供为数不多、且不作任何专业相关性限定的自由选修课，学习效果不好。而课程结构设计合理并有组织建制的各类“试验班”，其实质是实行一种校内教育双轨制，不仅其课程结构模式与全校本科课程结构之间存在着矛盾和冲突，而且大学内部的体制性障碍使其难以有效发挥其应有的作用，试验班的示范意义和推广价值受到质疑。[5]

工程具有综合性，现代工程更是一个综合性的大系统，它本身就包涵了学科的会聚和综合，体现了不同专业包括基础专业的综合、科学理论和技术手段的综合、与社会科学和人文科学体系之间的综合等等。然而，在学科制度的刚性影响下，当前以学科专业为基本单元组织教学活动、单一的学科专业的设置与工程的本质不相适应，我国的工科教育如何从原来学科的分析转到以综合为主的思想上来，这个问题一直没有得到重视，更谈不上解决。而在工程教育里面，这是个非常重要、亟待解决的问题。[6]

二、实践教育及其在跨学科工程人才培养中的价值

工程的本质是人类为满足生存与发展需要，而改造已有世界、创造未有天地的实践活动，实践性是工程最基本的属性。工程实践在内容上包括工程项目的实际考察、工程设计、参与施工、参与运行管理和工程维护等。在人、自然和社会组成的这个复杂生态系统中，与传统的工程实践相比，未来的工程实践具有系统性、复杂性、多样性、综合性、应变性、创新性、全球化、可持续发展等特点，未来的工程师需要具备整体的思维，利用新工具和不断增长的工程学知识，考虑社会诉求和限制条件，在复杂的背景下与工程师和非工程师团队合作，结合传统和创新的方法解决未知的复杂问题，实现技术与社会系统的和谐。[7]

工程的实践性决定了实践教育是工程教育中不可或缺的重要内容和手段。理论与实际相结合，对工程教育来说，主要不是结合于理论，而是结合于实际，用字当头，实践第一，这既是工程创新的精髓，也是工程教育的精髓。[8]在工程教育中，实践教育主要包括校内的实验、校外的实习、见习，以及校内外结合的研发、设计项目等。实践教育面向工程实践，具有直接现实性，同时，它的实践性可以培养学生的实践操作能力、创新精神和高尚品格等。另外，实践教育具有综合性，给学生提供一个综合运用多种知识、巩固和深化所学理论、锻炼和培养学生实践能力的广阔天地。综合性表现为三个方面：一是学科内部知识的综合运用，二是跨学科知识的综合运用，三是知识与以直接经验为主导的活动之间的综合运用。[9]所以，对工程教育来说，实践教育不应局限于技术内容上的实践教学，还应该作为学生综合能力培养的手段。

学科制度作为一种高度制度化的知识生产形式，知识生产模式的变革必将深刻影响高校目前的教育教学活动。20世纪60年代以来悄然形成的知识生产模式Ⅱ，聚集于问题、基于应用的诉求导向使其天然具有跨学科性，大学也变得更具疏松性，不再是知识生产的唯一机构，政府和企业都成为知识生产的利益相关者。在人才培养上，与知识生产模式Ⅰ框架下的高度学科性和人才培养的封闭性相比，新的知识生产模式要求人才培养走向“开放体系”，着重培养学生的跨学科和超学科能力。近些年引人瞩目的高等工程教育改革先锋欧林工学院认为高等工程教育要做到以学生为中心，就必须不设置院系。[10]然而，就绝大多数高校而言，在当前学科制度形成的院系主导的权力框架下不可能摒弃院系建制，这种“开放体系”可以在实践教育部分环节实现。

根据实践教育的理念、教学基础设施和内涵、实践教学方法、实践教学对象和实践教学管理，我国工程实践教育经历了金工实习、现代工程实践教学和现代工程实践教育三个阶段。[11]由于长期以来重“学”轻“术”，实践教育得不到重视，沦为理论教学的附属品。如中国工程院在2010年发表了题为《人才创造未来，创新引领世界》的关于工程科技人才培养的研究报告，该报告指出了我国工程教育及人才培养中存在的几个突出问题，其中包括：（1）工程教育中工程性缺失和实践教学环节薄弱问题长期未能得到解决；（2）工科专业课程体系严重落后于产业发展的实际需要。[12]因此，大力加强实践教育是我国政府和各高校近年来着力解决的问题，一些高校的工程训练中心作为开展工程实践及教学的校内平台，在回归工程、注重实践的理念指导下，所开展的工程训练切实地培养了学生的跨学科能力和工程创新能力，其经验值得剖析和推广。

三、南京理工大学工程实践教学改革案例分析

南京理工大学工程训练中心成立于2007年，其前身亦是学校的实习工厂。由于较早认识到我国高等工程人才培养中存在的实践性不足、工程性缺失等问题，在2002年学校以毕业设计为切入点，组织机电一体化、工业设计、市场营销、会计等专业的学生建立跨学科毕业设计团队，模拟产品从市场调研、开发到投入市场的基本过程。2003年，学校联合企业，设立创新人才基金，组织跨学科毕业设计团队面向企业“真题真做”。

在这些教学改革和探索的基础上，工程训练中心在组建之初即定位为一个横跨学院的教学单位，目标是构建功能明确、关联学科协同、交叉整合、生态良好的工程人才成长平台，使“交叉学科方法”成为工程训练中心发展方法和工程科技人才培养模式。围绕这个目标，在近10年的探索中，学校构建了多学科交叉的工程实践平台，实施项目教学，提升大学生工程创新能力的工程实践教学体系。

1.构建多学科交叉的工程实践平台

学校以工程整体化思维为指导，从“软”“硬”两个方面构建关联学科交叉整合的工程实践平台，将现代工程多学科的知识背景以及政治、经济、文化等非技术要素融入进来，形成现代工程学科“生态”环境，帮助学生在工程实践中还原被学科割裂开来的工程整体原貌。

在“硬”条件建设上，①学校不囿于已成定势的教育资源配置格局，通过跨学科专业合作，共建物流工程、工业自动化仿真、机器人综合技术、创意设计等13个专业综合实验室；②通过校企合作，一方面引进企业资源共建正泰电工工业设计中心、汉机滚动功能部件、城市轨道交通设计等8个校企合作实验室；另一方面通过资源外延拓展，结合“卓越工程师教育培养计划”项目实施，与南京理工大学12个国家级工程实践教育中心形成有机联动，建立校外企业联合实验室，充分利用校外企业工程实践教育资源，保障工程教学与企业需求实际相结合；③通过国际产学研合作，与德国KUKA建立智能焊接联合研究室、与日本SMC建立南京气动技术中心、与美国PTC共建PTC学院、与德国CONCEPT Laser公司共建金属增才制造技术联合实验室等，充分利用国际优质工程资源。目前学校已建成具有机械、电子、材料、自动化、车辆、交通、测控仪器、工程管理、艺术设计等多学科背景的工程实践教学平台。

在“软”条件建设上，学校非常重视工程文化的建设，通过团队文化、安全文化和军工文化的教育、大学生科技作品展示、技术演进史展示等方式，积极营造良好的工程文化氛围。

2.实施多元项目教学

学校以工程实践能力、多学科背景及整体性思维方式、职业道德和社会责任感为目标，以工程创新实践为导向，构建以基础实习项目、创新训练项目、创新竞赛项目、创新性实验项目和企业实战项目等为核心内容的工程创新项目教学体系。项目教学按照选定项目、制定计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价6个基本步骤实施。项目教学具有两个显著特征，一是联合企业参与，导师团队合作开发；二是以项目为载体，学生团队合作学习。

创新性实验项目主要指那些产生显著变化的新成果的实验，如新产品的开发和设计、新工艺的创造和使用、新技术的发明和应用、复杂产品或项目的集成等。在这类具有多专业背景的学生团队的设计性项目学习中，学校通过“1+X”教学模式，即以“1”个设计性项目为驱动，采用网络课程、开放性实验、专题讲座、团队研讨等“X”种辅助形式，来拓展学生的实践能力，并以团队合作方式完成项目的设计与制作。

企业实战项目是联合知名企业，在校内建立校企联合研究室，形成“孵化基地”，组成不同学科专业的教师团队和学生团队，面向企业开展真题真做的创新实践活动。近几年，学校依托校企合作实验室开展了“地铁自动售票系统研制”、“智能开关”等项目的设计研究，每年进入研究室参与企业实战设计和工作的学生近600人。为扩大项目来源，学校于2012年建立了“接受企业向大学生发布研究课题”的机制，进一步扩大合作企业的行业领域与范围，主动寻找企业实战项目，定期面向学生发布。

学校立足工程的本质特征，把握高等工程教育的规律和趋势，创新实践教育的思路及方法，取得了显著的教学效果。学生的工程创新能力得到有效增强，学生面向企业开展“地铁自动售票系统研制”等22个项目的设计研究，近四年，参与企业实战设计和工作的学生达到2200多人，获得实用新型专利和发明专利100多项。利用国际化平台资源，与国外大学生合作完成了“中欧微纳小卫星设计”、“中美48小时快题设计”等项目，展现了优秀的设计才能。学生在国内外高层次竞赛中表现卓越，获得国际设计奖6项，获“挑战杯”、“飞思卡尔杯”大学生智能车竞赛、工程训练综合能力竞赛等国家级特等奖、一等奖28项。超过60%的毕业生进入“世界500强”和“中国500强”等知名企业，同时还涌现了一大批科技创业的成功典型。南京理工大学的实践教学改革也受到国内外高校的高度评价和认可，2014年获得国家级教学成果二等奖。

（感谢南京理工大学工程训练中心为本论文的写作接受访谈和提供资料！）

参考文献：

[1]http：//www.baizhuwang.com/news/show-12467.html.

[2]刘西拉.第六代工程师的四大素质[EB/OL]，http：//www.univs.cn/newweb/channels/campus2009/2011-04-07/1302142556d973392.html，2011-04-07.

[3][德]乌尔里希﹒森德勒主编.工业4.0：即将来袭的第四次工业革命[M].邓敏，李现民，译.北京：机械工业出版社，2015：24-25.

[4]赵军.学科制度视野下社会科学跨学科研究路径探索[J].南京理工大学学报（社科版），2014（2）.

[5]姜凤春.我国研究型大学本科课程结构变革研究——以各类“试验班”为例[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2012（8）.

[6]朱高峰.论工程的综合性[J].高等工程教育研究，2011（2）.

[7]崔军.回归工程实践——我国高等工程教育课程改革研究[D].南京大学，2011：240-241.

[8]姜嘉乐.工程教育永远要面向工程实践——万钢校长访谈录[J].高等工程教育研究，2006（4）：1-7.

[9]王正明，彭安臣.实践教育：内涵、特征与改革策略[J].高校教育管理，2012（6）.

[10]王孙禺，曾开富.针对理工教育模式的一场革命[J].高等工程教育研究，2011（4）.

[11]傅水根，我国工程实践教学发展的三阶段与两点论[J].教指委通讯，2009（6）.

[12]中国工程院.人才创造未来，创新引领世界——关于工程科技人才的调查报告[EB/OL].http：//education.news.cn/2010-06/10/c_12204587_2.htm，2010-06-10.

（责任编辑刘第红）