林建华：中国工程教育需要变革
撰文 | 林建华
中国工程教育的起源可以追溯到清末的洋务运动。甲午战争之后，最先建立的几所现代学校，都是以理工和实用为主的。20世纪50年代初，经过院系调整，我国的工程教育体系基本建立了起来。改革开放以来，我国高等教育取得了长足的发展和进步，工程教育规模已居世界第一位，但质量并不高，根据2009年《世界竞争力年鉴》的报道，工程师总体合格程度仍处于世界末端。
总体看，我国工程教育仍以传统工程领域为主，不仅缺少在大数据、物联网、人工智能、网络安全等新经济领域的布局，在信息技术、新材料、电力装备、高档数控机床等领域人才缺口也很大。同时，在工程教育内容、模式、教学方法、学习方式等方面都存在问题，重知识轻能力、重课堂轻实践、重成绩轻育人等一直没有很好解决。
近年来，新工科建设成为热门话题。仅2017年一年，教育部就连续召开了三次与工程教育相关的会议，形成了新工科建设的 “复旦共识” “天大行动” 和 “北京指南”。在教育部的部署和指导下，各学校纷纷行动，针对新兴产业领域，建立新的工程专业，组建未来技术学院，全面推进工程教育的改革创新。与此同时，对新工科的教育学研究也逐步展开，开始探讨新工科建设的内涵，以及工程教育的演化历史和未来趋势。
最近，我们承担了中国工程院关于世界顶级工学院的咨询项目，本研究将概要地介绍工程教育的三种主要模式，并结合新工科建设，对中国工程教育改革提出一些初步的看法。
如果从拿破仑建立高等专科工程学校算起，世界工程教育已经有两百多年的历史了。在整个发展进程中，工程教育模式经历了三次重要的转型。工程教育是与国家经济社会发展直接相关的教育，必然会随着产业的发展变化不断地演化。在机器工业时代，工程教育以工程技术为主。在信息时代，工程问题变得更加复杂，很多都需要在科学上的突破，才能真正解决。到了今天，工程问题已不再仅仅是技术的或科学的问题了，而是与人、社会、自然紧密联系在一起的，只有在更广的视野下，才能真正理解工程问题的关键和核心。
现代工程教育最早出现在大革命时期的法国。鉴于传统大学的陈腐保守，拿破仑关闭了法国的大学，重新建立了高等专科学校体系，巴黎高科就是其中最为著名的一个。拿破仑信奉实用主义，认为大学教育要直接服务国家和社会。新式学校一扫旧大学经院主义陈腐风气，启用优秀人才，重视科学和技术的教育和训练等。
拿破仑的高等教育变革，为法国带来了教育和学术的繁荣，不仅培养了一大批优秀的工程技术人才，也大大提升了法国的科学研究水平。但拿破仑对大学的集权管理模式，以及对学生的军事化管理，将教师纳入政府公务员体系等做法，伤害了大学的自治和学术自由传统，使大学失去了应有的内在活力。因此，法国在教育和学术上的领先地位没有维持多久，就被德国所超越。
1870年普法战争失败后，法国对高等教育进行了反思，恢复了综合性大学体系。拿破仑的实用主义工程教育模式，对世界高等教育产生了很大的影响。欧洲国家的工科大学、美国的《莫雷尔法案》和赠地学院，与此都有千丝万缕的联系。
20世纪初，这种实用主义教育在苏联发挥到了极致。为加快工业化进程，苏联对旧大学进行了彻底的改造，按产业领域设置大学，按生产岗位划分专业，对学生实行高度专业化的教育和培养。在计划经济体系中，学生如同特定岗位上的 “螺丝钉”，根据需要安排在企业或研究机构中。从实用主义的观点看，苏联的工程人才培养是很成功的。专业选择与岗位就业一致、理论学习与技能训练契合，在进入实际工作岗位之前，学生就已经做好了充分的职业准备。
这种专业化的教育模式，在苏联工业化的早期发挥了巨大作用，不仅为国家培养了大批紧缺的专业人才，也为战胜纳粹德国奠定了强大的学术和工业基础。二战之后，这种专业化教育模式被推广到了东欧，20世纪50年代初，中国也按这种模式对大学进行了彻底改造。
工程技术教育是工业化时代的产物。当时，工程和技术都是以经典力学和电学为基础的，而这些科学原理大多都是在几十年甚至上百年前发现的。工程技术与现代科学像是两股道上跑的车，各自独立，并不往来。工程技术人员当然要学习和掌握科学原理，去设计、发明和制造新的产品，解决生产中的实际问题。科学家的研究多是以个人兴趣导向，专注探究未知世界，对实际应用并不关心。
事实上，早期的发明家大多也是单打独斗，有些还是自学成才的业余发明家。直到第一次世界大战前后，一些大公司才开始建立自己的研发机构，但主要是为了开发技术，提高企业利润。工业化时期的这种实用主义文化传统，对大学教育产生了很大影响。
人们普遍认为，工程教育的目的就是培养特定岗位的工程技术人员，他们需要掌握基本的科学原理，但没必要去了解科学的前沿和学术的思维方式。在培养方案中，对工程技术应用、实际操作技能的要求远高于思辨与探究，更不用说人文素养和社会科学知识了。
第二次世界大战不仅是一场正义与邪恶的较量，也一场科学技术的战争。
在战争初期，纳粹德国在军事装备、军事战略上都占有优势。凭借强大的工业基础，特别是一大批来自大学科学家的卓越工作，同盟国不仅在常规军事装备上超越了德国和日本，还在最新科学发现的基础上，发明了先进的雷达、精准的雷管、高效的战舰、自动火炮控制系统和高性能的战机，当然还有威力巨大的原子弹和高效的密码破译技术。
二战之后，范内瓦·布什在《科学：无尽的前沿》中，系统总结了美国战时研究的成功经验，阐述了前沿科学对和平时期保持美国战略优势的重要意义。根据布什的建议，在20世纪50年代，美国建立了国家自然科学基金会，支持大学的学术研究。从大学的角度看，国家科研基金的设立是一件具有深远影响的事件，标志着大学的科学研究从个人属性转变为国家属性，从此，世界各国的研究型大学体系逐步建立起来。
二战期间，科学家与工程师之间的卓越合作，给予人们一个重要启示：科学研究与工程技术不再是两股道上跑的车，它们已经非常紧密地融合在一起了。在新的科学发现不断涌现的时代，工程师不能再仅仅拘泥于技术，而需要理解科学新发现的工程意义，并应当参与到从科学发现，到工程技术发明，再到产品创造的全过程。
这种认识导致了20世纪50年代美国的工程教育变革，即从工程技术向工程科学转变。钱学森先生是最早认识到这一趋势的学者之一。1947年，钱学森分别在上海交通大学、浙江大学和清华大学做了关于工程科学的演讲，明确提出要关注工程科学的人才培养。但在内战正酣的局势下，他的这些思想显然无法在中国实现。
20世纪中叶是科学发现和技术进步的黄金时代，很多重大技术应用都是前沿科学与工程紧密结合的结果。半导体材料是贝尔实验室的一项重大科学发现，半导体材料很快就作为整流器件用于实际。随后，大规模集成电路的发明和应用，催生了计算机和信息产业。激光发现和应用也是科学与工程结合的一个范例。激光原理是20世纪初由爱因斯坦提出的。但直到20世纪50年代，人们才真正实现了激光输出。今天，激光技术已广泛用于生产、生活的各个方面。
20世纪中叶，美国的一批顶级工学院，陆续从传统的工程技术教育转向了工程科学教育。钱学森先生很早就曾阐述过工程科学人才培养的理念和思想。他认为，工程科学人才不仅需要具备坚实的科学基础、学术研究的素养和能力，还要对实际工程有很强的感知和实践能力。从国外一些顶尖工学院的本科教学计划看，理科类课程的确比较多，也比较重，而工程类的课程以工程原理、标准和规范为主，更多是通过参与实际项目，对学生进行工程思维和方法的训练。
总体来看，工程科学人才的适应性和创造性更强，特别是需要在科学原理上创新的复杂工程问题，工程科学人才更具优势。从就业情况看，工程科学的毕业生很多都继续深造，最终从事学术工作，当然，更多的是在公司或研究机构从事研发和其他类型的工作。
工程教育转型、政府对科研的大量投入、研究型大学的兴起等等，对于美国的科学发展和高新技术产业的兴起都是至关重要的。工程科学人才培养模式，随后为欧洲和其他国家接受，成为工程人才培养的共识。但同一时期，苏联、东欧国家和中国的工程教育并没有大的变化，仍然是以工程技术为主传统教育模式。
而且，在国家的统一计划下，科学研究主要由专门的研究机构承担。这种人才培养与学术研究相分离的方式，使大学的工程教育远离科学发现的前沿。由于真正能够理解最新科学发现工程意义的人才非常缺乏，在信息技术、生物医学的新浪潮中，东方阵营处于了落后地位。
进入21世纪，信息技术和知识经济高速发展，人们的生活方式、价值取向、消费需求和产业形态都发生了巨大变化。很多传统行业，尽管拥有悠久的历史，却被那些跨界的新业态所颠覆。产业变革不再是单纯的技术创新，还需要对人们生活方式和价值追求的深刻理解，才能设计和创造出引领消费的新产品、新服务和新商业模式。社会和产业的快速变化，对大学工程教育提出了新的要求：培养能够引领产业变革的工程人才。
并不是所有的人都赞成这种说法。人们更愿意相信，引领产业变革的杰出人才并不是大学培养的，而是实际摔打磨炼出来的。这无疑是对的，但这丝毫不能降低工程教育对人的成长的基础性意义。大学教育的根本任务是 “解放” 学生的心智，释放内在潜力，使他们为未来做好更准备。为未来产业变革做好准备，显然也是大学教育的重要任务之一。
2009年，世界经济论坛曾发布了一份创新创业教育和创业型大学的报告，对培养新型创业人才的状况做了系统梳理。实际上，工程引领与创新创业的基本思想是相通的，都是一种能够把想法变为行动的素养和能力，而且，这种素养和能力并非企业家独有，对于在任何岗位上工作的人，都是非常需要的。
从教育和成长理念看，工程技术和工程科学属于专业教育。而工程引领既需要较强的科学和技术的知识基础，也更加关注学生的社会体验和人文素养，因而是一种专业教育与通识教育相结合的教育模式。近年来，一些发达国家的大学，开始从不同的角度进行工程引领型人才培养的尝试。由于理解不同，各学校的培养方式各有千秋，但还是形成了一些基本共识。
一是加强人文和社会科学素养。未来的工程不仅是科学与技术的结合，更需要对人、社会和自然有深刻的理解，才会有更广阔的视野，以及批判、质疑和创造精神，才能敏锐发现新问题和新机遇。在加州理工学院、斯坦福大学的教学计划中，人文和社会科学课程已超过总学分的1/4。而在工程教育领域享有盛誉的哈维·穆德学院，更声称自己是一所独特的博雅工程教育的学校。
二是知行合一。对工程引领型人才而言，最重要的不是他们知道什么，而是创造性地思维和行动。瑞士洛桑理工学院和美国新建的奥林工学院做了很好的尝试，他们把工程项目融入教学计划，使学生在项目的研究和实践中，发现知识和理论的魅力，从而更加主动地学习和实践。共同参与和组织工程项目，对学生的团队合作、勇敢面对失败以及领导和管理能力都是很好的磨炼。
三是产教融合。在知识开放时代，社会蕴藏着丰富的教育和学术资源，其中很多是高校无法提供的。北美一些高校实行多年的产教融合的教育模式（COOP），在新的历史条件下，显示出培养学生全面素养的独特优势。加拿大滑铁卢大学一直实行COOP教育，由于毕业生在行业中的卓越表现，滑铁卢大学被美国硅谷列为十所最受欢迎的大学之一，这也是最受欢迎的大学中唯一的美国之外的大学。
工程技术、工程科学、工程引领是三种不同的工程教育模式。这些教育模式是在不同的历史条件下和社会环境中，逐步产生和发展起来的，但每种模式都有各自的社会需求，并不意味着后者可以替代前者。实际上，世界各国的工程教育都不是单一模式，而是根据产业发展的实际状况和需求，将上述三种工程教育合理地组合在一起。
工程技术人才是制造业的基础。工程技术教育是一种大众化教育模式，与职业教育一起，为制造业提供人才支撑。工程科学和工程引领都属于精英教育，主要是一些顶级工学院采取的教育模式。一般地说，这两类人才的数量需求不会太大，但竞争异常激烈，只有那些最顶尖的才能脱颖而出。为了直观理解世界各国工程教育状况，本研究把上述三种工程教育模式作为典型，构建起如图1所示的示意图。
早期，各国工程教育都以工程技术为主。20世纪中叶，北美和欧洲的大多数顶级工学院基本完成了向工程科学的转型。对于研究型大学而言，向工程科学教育的转型是有很强的内在驱动力的。加强学生的科学素养和能力，对学者而言，既驾轻就熟，也符合自己的学术发展诉求。而工程引领人才培养所关注的侧重点有很大不同，不仅是科学知识和技能，还要培养学生的独立思考、批判性思维和创造性行动的能力。这对教师提出了更高的要求，无论是教育观念，还是教学方法，都要改变。
因此，向工程引领的转换并不会自然发生，反而会遇到教师的抵抗。建立新学校、聘任有教育改革热情的教师，从根本上重塑工程教育，是建立工程引领人才培养的有效途径。奥林工学院就是一所专为推动工程教育改革而设立的新学校。经过了20年的努力，奥林工学院的改革取得了非常好的成效，毕业生得到了广泛认可。一些老牌的工学院，如伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、麻省理工学院等，也开始借鉴奥林工学院的经验，开展工程教育改革。
工程教育的发展演化一直与产业发展密切相关。美国制造业曾经很强。随着经济全球化，大量制造业转移国外，美国成为以高技术新兴产业和服务业为主的国家。由此引发的就业市场变化，对美国高等教育产生了很大影响。学生选择工程领域的意愿下降，理工科生源不足，已成为美国大学面临的严重问题。
据统计，2017年获得学士学位的学生中，学习工程领域的不足5%。而且，入学时选择工程专业的学生，大约只有一半能够从该专业毕业，很多中途转到其他专业。这种状况对大学是一个巨大的挑战和压力，也是美国工程教育改革的重要诱因之一。
与美国不同，多数欧洲国家非常小心地保持了自己的制造业基础，工程技术人才的需求也比较稳定，因而工程教育变革的压力相对要小一些。德国一直保持了完善的工业大学和职业教育体系，学生的技能训练很严格很规范。法国的大学体系主要承担高等教育普及的任务，精英工程师培养是在高等专科学校中进行的。近年来，除了加强科学素养和学术训练，高等专科学校开始关注学生的综合素养和实践能力，以培养引领产业变革的优秀人才。
需要指出的是，上述的三种工程教育模式都是指较为典型的理想情况。从实际中抽象出的典型和理想模式，对于揭示工程教育的规律、理解发展的历程，是十分必要，也是很有益的。但任何学校的教育模式，都不可能是单纯的或理想的，而是以某种模式为主，再融入其他模式的元素。如我国的工科大学多以工程技术模式为主。
近年来，一些学校实施了 “强基计划”，加强学生的理科基础和科学研究训练，因而多少带有一定的工程科学成分。同样，美国和欧洲顶级工学院的教育模式，大多都是工程科学，但他们也非常关注学生的人文素养和工程实践，因此也多少带有了工程引领教育模式的特征。
中国的工程教育源于苏联。20世纪50年代初院系调整，按产业领域重新设置了高校，按产业流程的岗位重新设置了专业，形成了非常典型的实用主义教育体系。改革开放后，通过大学合并和学科调整，高校的学科综合性得到加强，学术研究能力和水平大大提升。
在人才培养上，通过调整专业设置、拓宽专业基础、加强素质教育等措施，改善了学生的人文素养和学术视野。但总体看，我国的工程教育仍然以工程技术为主，即使是一流的工学院，也没有完全实现向工程科学的转型。
中国是一个大国，各类工程人才都很需要，需要大批优秀的工程技术人员，也需要大量精于实际操作的能工巧匠。因而从就业的角度看，中国大学工程教育变革的压力并不大。但这并不意味着我们可以高枕无忧。恰恰相反，近年来一些新兴技术产业，如大数据、人工智能、生物医药等，以及众多 “卡脖子” 关键技术，已经对我国的工程教育提出了新的要求。新兴产业面临的这些问题，并不是单纯的工程技术可以解决的，必须在数学方法、科学研究和系统集成等方面有新的发现。而这些工作，不仅需要优秀的科学家，还需要能够融合科学发现与工程技术的工程科学人才。
在工程引领人才的培养上，我们才刚刚起步。在国家的大力倡导下，各高校在创新创业课程与实践方面，做了一些有益的尝试。但工程引领人才的培养，并不是上一些创新创业课，或参加一些创业实践就能实现的，而是要把学生的批判性思维能力、发现问题和解决问题的能力以及勇于开拓的行动能力，融入整个学习和成长的过程中。显然，工程引领人才的培养不能局限在书本中、课堂上或校园里，而是要打破边界，充分调动学校的和社会的各类教育和学术资源，让学生在创造中学习，在实践中成长。
中国的工程教育应当是多样化和多层次的，既需要精于实操的工程技术人才，也需要良好科学素养、能够解决复杂问题的工程科学人才，还需要能够引领产业变革的工程引领人才。地方大学工学院，应当专注工程技术人才培养，结合本地产业实际，加强与产业的合作，提高工程技术人才的培养质量。部属院校工学院，应当尽快实现向工程科学的转变，培养学生更强的科学基础、创造性思维、探求未知能力。与此同时，各高校都应当发挥各自的优势，积极探索工程引领人才培养的方法和路径，努力培养和造就一批能够引领产业变革的优秀人才。
经过两百多年的发展和演化，工程教育逐渐形成了三种不同的培养模式。这些模式的目标不同，教学内容和学习方法也不同。从整体看，我们不仅要改革工程技术教育，提高工程技术人才的质量和水平，还应当关注工程科学人才和工程引领人才的培养。在后两类工程人才培养上，我们不仅有较大的差距，在很多方面可能才刚刚开始。因此，新工科建设应当是反思中国工程教育的一次绝好机会。如果我们能够借助新工科建设，能够明确各自定位，实现工程教育的改革与创新，将会是一件对中国高等教育发展具有历史意义的重要事件。
制版编辑 | 卢卡斯