复杂性科学视域下本科人才培养新模式——以工程教育人才培养为例

周开发，曾玉珍

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 图书馆，重庆 400074）

教改探索

复杂性科学视域下本科人才培养新模式
——以工程教育人才培养为例

周开发1，曾玉珍2

（1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 图书馆，重庆 400074）

为了应对信息化和全球化的挑战，基于复杂性科学和解空间理论，构建融合研究性学习模式的本科人才培养新模式。解空间映射分析表明，这种新模式在保留传统模式重视逻辑与技术分析的基础上，突出在自然与社会领域中复杂问题求解能力的培养，强调在非线性迭代的问题求解中持续提升有效交流、批判性思维、信息素养、团队合作和学术研究等核心素养。它是一个开放、容错的复杂性学习环境。

本科教育；人才培养模式；复杂性科学；范式；解空间

近几十年来，高校都在努力探索人才培养模式、课程体系、教学内容、教学方法和手段的改革，以期持续提高人才培养质量。然而，教学改革效果却不甚明显，教学质量持续下滑，人才培养质量与家长期望、社会需求相差甚大。高校教学改革的困境究竟在哪里？教学改革的出路又在何方？本文首先介绍复杂系统理论的核心内容和复杂性学习的基本内涵，其次描述解空间理论及7种解答类型。然后，应用解空间映射方法，分析传统工科人才培养模式的缺点与困境。最后，基于复杂学习理论和解空间理论，提出整合RBL的工科人才培养新模式。

一、两种科学范式：简单性范式与复杂性范式

与自然和社会复杂系统类似，高等教育系统是由众多要素组成的复杂系统，并且各要素在多个组织层面和不同时空尺度上相互作用。这些多样的要素和丰富的相互作用，是系统运作的重要组成部分，必须给予充分关注、支持并予以改进和完善。然而，教育研究与管理者最近才开始借鉴其他领域复杂系统的研究和应用成果，探索高等教育系统的复杂现象。

复杂性科学是研究自然和社会系统中各种复杂现象的跨学科领域。它兴起于20世纪80年代，是当代自然科学的前沿领域之一，并日益渗透到哲学、人文社会科学、教育学等领域。为解决复杂系统问题，复杂性科学提供了一套新的概念框架，如非线性、混沌、涌现、自组织、不可逆、不确定性等，以取代传统的线性、还原、可逆、确定性等概念框架。

复杂性科学的建立引发了科学范式的革命。传统科学的简单性范式是基于17世纪牛顿力学的还原论与确定论的信念，核心理念是“世界由个体（部分）构成”。复杂性科学的新范式是基于洛伦兹、普利高津、圣塔菲学派、莫兰等人的学说，打破牛顿力学以来主宰世界的确定性科学，抛弃还原论适用于所有学科的梦想，应用复杂性思维模式解决自然和社会中的复杂问题。进入21世纪后，后现代哲学的兴起引发了复杂性思维转向，即从线性思维转向非线性思维，从还原论思维转向整体论思维。表1对两种范式进行了对比，它们之间存在许多显著的差异，这对理解高等教育系统至关重要［1］。

表1 简单性范式与复杂性范式的对比

对于复杂非线性系统，如果采用简单线性的观点看待它，就会误解系统的特性与行为，错误预测系统的结果，导致严重的问题。对于两个表面看似相同，但实质上一个是简单的系统，另一个是复杂的系统，如果采用相同的方式对待它们，就会导致完全错误的结果。所以，如果用处理简单系统的方法来应对复杂系统问题，我们可能永远不会得到正确的解答。然而，当复杂的高等教育系统遇到困境与挑战时，我们却仍然抱着牛顿的线性因果、还原论和确定性范式不放，这正是高校教学改革失败的原因所在。

二、复杂适应系统、混沌理论与复杂性学习

（一）复杂适应系统的主要特性

复杂适应系统理论是复杂性科学的主要理论之一，主要研究具有自组织行为主体之间的相互作用，探究系统复杂性及其涌现产生的机理。通过与环境及其他主体间的交互作用，主体在适应环境与主动学习过程中不断改变自身的行为模式，以便在动态进化过程中更好地生存和发展。复杂适应系统的主要特性有8个［］（见表2）。

表2 复杂适应系统的主要特性

（二）混沌理论

混沌理论是研究系统从有序状态变为无序状态的一种演化学说，探讨确定性非线性动力系统中内在随机过程形成的途径和机制。如表3所示，混沌理论有5个基本特点［3］。

表3 混沌理论的基本特点

（三）复杂学习理论

在教学环境的创设过程中，受到推崇的学习理论有Watson的行为主义、Piaget的建构主义、Salomon的分布式认知理论、Lave的情境学习理论和Siemens的关联主义学习理论［］。图1是学习理论的分类，前4种称为传统学习理论，最后一种是数字时代的学习理论。

图1 学习理论分类

从表4列出的5种学习理论的含义、特点及复杂性来看，不同的学习理论其目的常常相同，即帮助学生获得有效交流、创造性地解决问题、批判性思维及信息素养和团队合作等能力。传统学习理论重视在真实情境中解决复杂问题的能力，提倡社会学习和投入学习环境的构建。然而，它们对现代网络与数字技术条件下学习过程的复杂性考虑不足，将学习的发生局限在学习者个体内部。数字时代的关联主义学习理论注意到了学习过程的复杂性，认为保持学习能力比掌握知识更为重要，并将学习看作是内容、观点或信息连接整合的过程，强调学习工具与平台的积极作用。然而，新兴的关联主义学习理论还缺少实证研究的支持，对正式与非正式学习环境下学习过程的复杂性考虑不足，其可操作性也有待进一步探讨。

表4 5种学习理论含义、特点及复杂性

基于复杂性科学的基本思想，并融合传统学习理论与关联主义学习理论，我们提出了复杂学习理论。它将学习看作复杂自适应系统，以实现学习者的主动适应、自主进化、自我转变、自我超越和自主创生。表5描述了复杂学习理论的特性与含义［5－6］。

表5 复杂学习理论的特性与含义

续表

三、问题域与解空间

问题域是指确定问题、约束求解的所有信息，包括问题背景与初始状态、求解目标、限制与障碍、求解规则等。Jonassen按问题背景连续谱的方式将问题分为3类：难题、良构问题和劣构问题［7］。根据问题内在要素之间关系的复杂程度，Gattie将问题分为简单性问题、认知不充分问题和复杂性问题3类［8］。这种分类没有明确的定义，只是代表在问题连续谱上的复杂程度。

简单性问题又称良构问题，它是学生最常遇到的问题，如教材每章布置的各种习题。这类问题可以严格地用数学进行描述，变量和初始条件已知，求解目标已定，求解规则与原理受限，有正确且唯一的答案。

认知不充分问题又称劣构问题，通常涉及特定的情境，与人类生产、技术、环境、经济、文化等系统有关，在日常生活实践中时常遇到。这类问题描述不清晰，初始信息不完整，系统起始变量未知，解答也是不可预测的。这类问题的解决需要整合多个领域的知识，不受课堂学习内容所限。

复杂性问题涉及经济、政治、法律、道德、文化、科技等复杂系统中的相互关系与动态演变，往往与个人或整体的利益、人类行为管理等有关。这类问题与真实世界高度相关，非常现实有趣。但是，这类问题需要逐步确立问题边界与求解目标，以获取和评价相关信息，探求创造性求解方法。问题的答案存在多选性、不一致性、不确定性甚至无解。

（二）求解方法

在学习、工作和生活中，问题具有强大的驱动作用。如果意识不到或认为没有问题，人们一般不会花时间、精力和资源来思考并解决问题。在解决问题的过程中，必须考虑对问题本身的描述、解决问题的方法以及解答的恰当性。与问题本身相关的考虑称为问题域，与求解方法相关的考量称为方法域，与求解答案相关的分析称为解空间。

（一）问题域

从认识论角度来看，问题求解方法可分为还原论方法、综合论方法和整体论方法。还原论方法是目前科学研究中最基本、最常用的方法。它主张把系统层层分解为各个组成部分，再对各组成部分进行求解，最后将这些解答组合起来构成整个系统的解答，即系统整体等于系统内部各部分之和。

20世纪初以来，随着系统科学的兴起，整体论方法日益受到关注。它主张整体是由部分构成的，离开部分整体就不复存在；部分是整体的部分，离开了整体部分就不称其为部分。也就是说，系统中的各部分构成一个有机整体。但是，对于高度复杂的系统，将整体简化为分离的组成部分之和是行不通的。

（三）解空间

解空间被定义为问题域和求解方法的二元函数［7］（如图2）。水平轴代表问题域，问题难度由左向右逐渐增大，从简单性问题经过认知不充分问题到复杂性问题。纵向坐标代表方法域，方法复杂度由下向上逐渐增大，从还原论方法经过综合论方法到整体论方法。

图2 解空间

根据求解方法与问题域的匹配特征，可将系统问题的解答分为7种类型（如图3）。恰当解是指用适当的求解方法来处理相应的问题类型，它包括还原恰当解、综合恰当解和整体恰当解。其中，还原恰当解指用还原论方法求解简单性问题；综合恰当解指用综合论方法求解认知不充分的系统问题；整体恰当解指用整体论方法求解复杂性问题。

非恰当解是指应用不适当的求解方法来处理某种问题类型，它包括过度简化解、不充分解、过度哲学解和无效率解。其中，过度简化解指用还原论方法求解复杂性问题和部分认知不充分的系统问题；不充分解指用综合论方法求解复杂性问题；过度哲学解指用整体论方法或部分综合论方法求解简单性问题；无效率解指用综合论方法求解简单性问题。

图3 解空间的7种解答类型

四、传统工程教育人才培养模式的困境

无论是专才培养模式还是通才培养模式，最终都要通过人才培养方案来体现。规范的人才培养方案有两个核心成分，即课程体系的结构模式和各门课程的教学进程安排。下面通过解空间对课程体系及各门课程作映射分析，探讨传统人才培养模式存在的主要缺陷与改革困境。

（一）传统工程教育人才培养模式在解空间中的映射

一般工科专业培养方案的课程体系结构模式如图4所示。通常课程体系结构分为7大类：计算机和外语等一般工具类、人文艺术类、社会科学类、数学类、自然科学基础类、工程技术类和工程设计类。一年级以数学、物理、计算机基础等技术性课程为主，再加上外语、政治等非技术性课程，选修课基本上是边缘性课程；教学方法以教师讲授为主，实验课从属于理论课，以演示性实验为主。二年级以专业基础等技术性课程为主，外语、政治、人文选修等非技术性课也占相当的比例；教学方法仍以教师授课为主，实验课主要从属于理论课。三年级以学科基础平台课程为主，辅以相应的课程设计（实习），另外学生还可以选修部分跨学科课程。四年级主要是专业方向平台课程，还有毕业实习和毕业设计（论文）。

图4 一般工科专业人才培养方案的课程体系结构图

根据培养方案，每门课程涉及的问题及其求解方法分别映射到解空间（如图5）。其中，①②③④分别为一、二、三、四年级的技术课程，△1△2△3分别为一、二、三年级的非技术课程或跨学科课程，■代表毕业设计（论文），箭头→是从大学一年级入学到四年级毕业的培养全路径。

图5 传统工程教育课程体系在解空间的映射

由图5可见，在整个大学4年的课程学习过程中，问题求解路径是一条直线，从合适的还原解开始，到不充分解结束。其中，一年级的课程主要解决的是简单性问题，采用的解题方法是还原分析方法，所以在解空间中其解是合适的还原解。如果将这个解法应用到认知不充分问题或复杂性问题，就会产生过度简化解。二、三、四年级的课程逐渐涉及认知不充分问题，然而所采用的方法仍然是严格的逻辑与技术分析，所以在解空间中是不充分解。一、二、三年级的非技术课程和跨学科课程，散乱地分布在解空间的各个区域，有些是合适解，有些是过度简化解，有些是不充分解，还有些是无效率解。由于没有进行系统整合，所以它们与技术课程之间缺乏紧密的关联性，处于专业教学的边缘状态。

（二）传统培养模式的缺陷与困境

根据图5的映射分析，我们可以发现，传统的培养模式存在以下缺陷：

1.问题域偏窄

在大学4年中，学生解答的问题主要是结构良好的教科书问题，只在三、四年级遇到少量认知不充分问题，几乎未涉及与现实紧密相关的复杂性问题。也就是说，大学4年课程内容的跨度不够大，问题的挑战性不足。

2.方法域偏低

在大学4年中，学生掌握的解题方法主要是逻辑和技术分析方法，处理问题的思维模式根本上是还原论方法。当解答的问题是简单的良构问题时，还原论方法是合适的，但当解答的问题是复杂的劣构问题时，还原论方法就不适合了。所以，大学4年中学生所掌握的解题方法过度集中于还原论方法，几乎未涉及综合论方法和整体论方法。这就造成学生毕业后面对技术、经济、文化、道德等复杂的现实问题时，常常束手无策。

3.技术课程和非技术课程缺乏有机整合

无论是必修的还是选修的非技术课程，如道德、法律、经济学、心理学、文化、哲学、批判性思维等课程，与技术课程的发展路径几乎没有多少关联性。从课程内容和解决分析问题的方法两个方面，非技术课程都没有融入学生的核心能力发展之中。这就造成工科学生将非技术课程当作完成规定学分的一项硬性任务或有趣的知识，而没有当作是技术课程的有效补充。因此，非技术课程一直被边缘化。

4.学习环境简单且封闭

在大学4年中，学生主要接受的是以传授知识为目的、教师课堂讲授为主导的单向线性信息传递模式。所有的作业都是有标准答案的教科书式习题，学生处于无错学习环境中。师生之间的学术交往仅限于课堂之中，课堂讨论的问题也主要是确认事实的简单问题。因此，学生难以得到系统且反复的学术训练和高级的思维培养。

多年来，学者已经指出传统培养模式的缺陷，并进行了广泛的探索，如重点课程建设、精品课程建设、公开视频课、特色专业建设、微课、慕课等，无一不寄予着教学改革的厚望，但所尝试的改革举措却收效甚微。因为我们总是错误地用线性的思维来解决非线性的问题，用处理简单系统问题的方法来理解复杂系统现象。单纯地对一门一门独立的课程进行改革，无法消解整个传统培养模式的系统缺陷。

埃德加·莫兰曾经批评道：“今天，教育的问题被趋向于划归为一些可量化的项目：‘更多的经费’‘更多的教员’‘更少的约束’‘更少的课程教材’‘更少的负担’……但是如果仅有这些改革，那么它们只不过是遮蔽更重要的思想改革的小改小革。事实上，现有的改革规划在围绕着这个看不见的黑洞旋转。”［］换句话说，我们现在需要的是一种思想方式的改革，一种思维范式的革命。

五、复杂学习环境下的工科人才培养新模式

（一）复杂学习环境下的人才培养模式及解空间映射

根据解空间分析，传统的工科人才培养模式的根本问题是，课堂教学的还原论范式与毕业后求解现实社会问题的整体论范式之间存在冲突。为了调和这两者之间的冲突，本研究构建了融合RBL的工科人才培养新模式（如图6）。RBL是指研究性学习（Research－based Learning）。该模式与传统教学模式融为一体，在开放式学习环境中不断迭代学生的核心能力发展，使学生在动态演化过程中发展适应未来社会的问题解决能力。

图6 融合RBL的工科人才培养新模式

融合RBL新模式是为了弥补传统教学模式忽视培养学生解决真实问题能力的缺陷。RBL在大学不同的阶段将采用不同的教学形式。一年级主要是通过开设新生研讨课，培养学生提问与讨论、批判性思维、小组合作学习、有效交流等高级学习技能，使学生从中顺利过渡到大学的生活。二年级主要是通过基于问题（Problembased Learning）的学习策略，培养学生的学术兴趣、探究精神、创造性解决问题的技能等。三年级主要是通过基于项目（Project－based Learning）的学习，进一步培养学生的科学素养、研究方法和解决复杂性问题的技能。大学二、三年级的学术训练，目的是使学生从单纯的课堂学习逐步进入学术研究领域。基于问题和基于项目的学习，既可以在原来的课程内容基础之上整合劣构问题和复杂性问题的探究，也可以开设全新设计的课程来进行系统思维与模型思维训练。四年级主要是通过实践环节和研究性服务学习（Research Service Learning，简称RSL），培养学生应用所学知识解决真实世界中的复杂问题的能力，实现与社会的无缝连接。与一般的服务学习不同，RSL强调学生要应用专业知识与技能解决社区遇到的实际问题，从而实现在研究中巩固学习，在学习中激发创新。

图7 新的工程教育课程体系在解空间的映射

虽然只有少数大学生毕业后会从事高深的学术研究，然而每个大学生都应该接受正规的学术训练，因为在这个训练过程中，学生获得的是应对未来世界挑战的核心能力与解决真实复杂性问题的技能。核心能力的培养不能采用线性的一次性的训练模式，因为它与许多操作性技能类似，不能依靠教授而主要应通过学生的不断体验来获得。所以，只有在开放的、迭代的学习环境中，通过不断解决逐渐变得复杂的真实问题，促使学生的核心能力得以提升。

将新模式中所有课程映射到解空间（如图7），理论上应涌现出一条非线性回归的问题解决路径。由图7可知，在大学4年中，课程的问题类型已覆盖了问题全域，即从简单论良构问题到复杂论真实问题。解决问题的方法也覆盖了方法全域，即从还原论的分析方法到整体论的系统方法。非技术性课程也整合进了非线性学习路径之中，与技术性课程融为一体。另外，学生的学术训练更为系统和深入，因为核心能力是在解决问题的迭代循环过程中进行容错培养的。

（二）新模式的特点

融合RBL的工科人才培养新模式，一方面保留了传统模式注重逻辑与技术分析的优点，另一方面克服了传统模式与现实严重脱节的问题。与传统模式相比，新模式具有以下特点：（1）创建复杂学习环境。新的学习环境是开放的、容错的、迭代的，问题解决路径是一个复杂的非线性过程。（2）培养学生求解真实世界复杂问题的能力。即以培养学生解决真实的复杂性问题作为核心目标之一，让学生在解决问题的过程中提升价值观、积极情感、专业知识和核心技能。（3）发展学生的综合素质。相对知识而言，更加重视有效交流、批判性思维、信息素养、团队合作等能力素质的养成，并认识到这一养成是一个非线性迭代的演化过程。

六、结语

21世纪是一个快速多变、复杂多样、危机四伏的时代。自然科学和社会科学领域中的简单问题已基本得到解决，而复杂系统问题却层出不穷。继续用还原论方法已经无力应对高等教育教学中的复杂性问题。我们必须抛弃传统的简单线性范式，采用复杂的非线性范式。教学模式和学习设计应该建立在复杂性范式及网络信息技术基础之上，重点引导学生深度学习，转变心智模式。在教学过程中，激发师生之间、生生之间的互动涌现，帮助学生达到最佳的认知状态。为此，本文在分析传统培养模式不足的基础上，提出复杂学习理论，强化大学生有效交流、批判性思维、信息素养、团队合作等核心素养的培育，增强学生求解复杂真实问题的能力，以应对信息化和全球化时代的挑战。

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（责任编辑 张海生）

A New Talents Training Mode of Undergraduate Education from the——Perspective of Complexity Science Taking the Talents Training of Engineer Education as an Example

ZHOU Kaifa1，ZENG Yuzhen2

（1．Civil Engineering School，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2．Library，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

In order to meet the challenges of informationization and globalization，based on the complexity science and solution space theories，a new talents training mode integrating research based learning mode was constructed.Through the analysis of solution space mapping，the results show that based on the traditional model focusing on the logic and technology analysis，this new model highlights the complex problem solving skills in natural and social fields，and emphasizes on the developing student’s core competencies，such as the effective communication，critical thinking，information literacy，teamwork，academic research and analysis in the nonlinear regression problem solving path.It is an open and fault－tolerant lear ning environment.

undergraduate education；talents training model；complexity science；paradigm；solution space

G642.0

A

1673－8012（2017）02－0091－10

10.15998／j.cnki.issn1673－8012.2017.02.012

2016－07－22

重庆市教育科学“十二五”规划重点资助项目“探究性学习环境下混合教学模式的研究与实践”（2015－GX－02）；重庆市研究生教育教学改革研究一般项目“基于国家创新体系的重庆高校跨学科研究生培养模式的研究与实践”（yjg133084）

周开发（1963—），男，江西贵溪人，重庆交通大学土木工程学院副教授，主要从事高等教育哲学和弹塑性力学研究；曾玉珍（1964—），女，江西吉安人，重庆交通大学图书馆副研究馆员，主要从事图书馆学和信息素养教育研究。

周开发，曾玉珍.复杂性科学视域下本科人才培养新模式［J］.重庆高教研究，2017，5（2）：91－100.

format： ZHOU Kaifa，ZENG Yuzhen.A new talents training mode of undergraduate education from the perspective of complexity science——taking the talents training of engineer education as an example［J］.Chongqing higher education research，2017，5（2）：91－100.