美国本科阶段工程教育改革思考

摘要:美国本科阶段工程教育的改革引领着世界工程教育的发展。通过深入考察近30年美国工程教育改革的研究与实践进展，发现美国本科阶段工程教育改革的总体趋势是“科学导向”向“工程设计导向”的转变，其原因在于商战促使工程教育界认识到工程设计是工程的核心。美国关于工程设计教育的研究大致分为宏观层面的理念构建、中观层面的课程改革和微观层面的设计学习3个阶段，其工程设计教育改革实践也在理论研究的推助下持续向前推进，美国“工程设计导向”的工程教育改革趋势充分说明工程设计及工程设计教育的重要性，为中国工程教育改革提供了思路。

关键词:美国;工程教育;改革趋势;“科学导向”;“工程设计导向”

工程教育的发展离不开科学的推动。美国以及西方许多国家本科阶段的工程教育自20世纪50年代起日益形成“科学导向”的模式，强调科学基础，忽视工程实际问题的解决。20世纪80年代，美国工程教育领域发起了“回归工程运动”(ReturntoEngineeringMovement)，开始对“科学导向”的工程教育模式进行改革。纵观近30年美国本科阶段工程教育的研究与实践，“工程设计导向”的改革趋势日趋明显，工程设计成为本科阶段工程教育的核心要素。

一、“工程设计导向”的原因分析

(一)商战引发工程教育界对工程设计的关注

20世纪70年代，在愈演愈烈的商战中美国三大支柱产业收益连年下跌，在国际竞争中逐步处于劣势，如图1所示。［1］为提高产业竞争力，维护世界经济霸主地位，美国经过大量研究论证，发现产品成本的70%由设计阶段决定，有效的设计能够提高质量、减少成本、缩短生产周期，更好地满足顾客的需求。美国认真审视自己的工程设计状况，指出政府、企业界、教育界存在的九大问题。其中，教育界存在的问题主要是:(1)高校名义上承担责任，实际上并没有做好工程设计教育。设计教育没有受到应有的重视，工科教师普遍认为设计难教，仅有的设计教师没有工程设计背景，高校不能培养企业需要的工程设计人才。(2)高校关于工程设计的研究正在复兴，但还远远不够。(3)目前的工科课程不关注整个产品实现过程，大部分课程只强调小部分传统的、技术性的设计过程。课程从整体来看缺乏现代设计活动学科交叉的特点，而且课程也没有教授目前多数有竞争性的企业正在进行的设计活动。结果导致工科毕业生在实际设计活动中缺乏团队精神，不能很好地应用他们的科学、数学和分析知识，不能真正理解制造过程、成本和产品生命周期等概念。［2］这些问题归因于20世纪50年代美国工程教育界发生的重大转折:极其强调数学和自然科学在工程教育中的地位，在工科课程计划中大幅度增加科学教育的比重，削减了设计类科目及学时。商战凸显出工程设计的重要性，工程教育界开始重新关注工程设计。

(二)工程设计是工程的核心

工程设计和工程有着同样漫长的历史。工程设计的涵义及其与工程的关系也在不断发展变化。现代工程与社会建立了密切的联系，受到系统工程学和社会建构论的影响，过程主义的工程本质观出现。取得职业身份的工程师们更倾向于把工程定义为一种设计的过程，认为设计是工程的核心，真正的工程师是设计师，强调工程的创造性本质。［3］120—121美国工程师普遍认为专业工程师的特质在于“设计”。工程教育家Smith把工程定义为建筑、装置或系统地满足特定条件的最优化设计方式，并进一步指出，在宽泛的意义上，工程的本质就是在观念中设计装置、程序、系统，有效地解决问题，满足需要。［3］120—121美国许多著名的学者都对工程设计的定义进行了阐述。比较有代表意义的如Simon指出“凡是以将现存情形改变成想望情形为目标而构想行动方案的人都在搞设计”［4］;Dym在Simon的基础上提出自己对设计的理解:“设计是对物品规范系统化的、智能的生产和评估，使物品外形和功能达到规定目标并且满足一定的约束条件”［5］;Bucciarelli认为，工程设计是处于真实情境中，涉及社会过程，持有不同观点、来自工程或非工程的不同学科的人，一起工作解决复杂的技术问题，来满足社会和消费者的需要［6］。可以看出，美国学者对于工程设计的定义都较为笼统，这也反映出工程设计的复杂性。在现代工程活动中，设计工作绝不是一个“局域性”或“局部性”的环节，而是一个影响到工程活动的“全过程”和“全局”的起始性、渗透性、贯穿性环节，具有特殊的重要性。［7］

二、“工程设计导向”的研究与实践

(一)“工程设计导向”研究进展

美国关于工程设计教育的研究大致可以分为3个阶段:宏观层面的理念构建研究阶段、中观层面的课程改革研究阶段和微观层面的设计学习研究阶段。

1．宏观层面的理念构建研究阶段(20世纪七八十年代)此阶段研究的重点是论证工程设计在工程中的重要性，以及本科阶段开展工程设计教育的必要性与可行性。持否定态度的学者主要认为工程设计不能算是一门真正的学科，因为它缺乏数学的支撑，更像是一门艺术而非科学;工程设计往往是依靠直觉，工程设计教育没有充分的理论基础，师资队伍也没有保证。［8—9］持肯定态度的学者认为工程设计理论更关注设计过程而非产品，而设计过程是可教授的。［10］随着计算机科学特别是人工智能的发展，可以用符号表述出许多传统算法不能表达的东西，实现并展示工程设计，这证明了工程设计并不是凭借看不见摸不着的直觉。20世纪70年代以来涌现了一批有重要影响的设计学家和著作，促进了工程设计科学的发展，使工程设计成为一门学科而不再仅是费时难教的技能。Henderson于1980年发表《当然，设计可以教授》一文，该文通过对学生修完工程设计课程后的收获进行实证研究，得出设计可以教授的结论。［11］

2．中观层面的课程改革研究阶段(20世纪八九十年代)在确立了工程设计教育的可行性和重要地位后，各个高校通过多样化的方式进行“工程设计导向”的改革，相关研究主要是基于现有的工程设计学理论如工程设计过程模型等，结合研究者自身的教学经验，尝试提出有效的设计教学方法，改革工程设计课程。此阶段涌现了大量的研究成果，对“工程设计导向”的改革实践起到了积极的推动作用。Turns等选取1994—2001年10种工程教育期刊和2种重要的工程教育会议论文集，筛选出题目中包含“工程设计”的文章共273篇，从设计教学的对象、设计教学方法、设计教学目标及要求、课程评价和设计的定义五方面对选出的文章进行了文本分析。［12］具体来看，此阶段的研究内容主要包括以下方面:(1)论证工程设计教学的有效性。例如:Atman和Bursic选取10位大一年级学生作为研究对象，一半学生在阅读工程设计过程内容之前解决三项开放性的工程设计问题，另一半读完之后完成同样的问题。然后分析实验组和对照组，发现工程设计过程的相关知识对于学生定义问题、分析问题和解决问题确实有一定的帮助。［13］(2)探讨工程设计教学方法。学者们普遍认为以项目为中心的学习(project-centeredlearning)是比较有效的设计教学方法。可以通过设计项目训练学生的设计思维，了解设计过程并提高学生的工程设计能力。［14—15］(3)大一年级贯穿设计体验。研究者意识到本科低年级教学环节与工程实际脱节，开始探讨与大四年级的顶层设计(“capstonedesign”)相对应的大一年级底层设计(“cornerstonedesign”)。一些学者提出大一年级学生应该面对真实的工程问题，理解工程师究竟在做些什么。［16］同时，大一年级开设工程设计课程有助于缓解工科学生的流失，对今后学生的学习也有很大帮助。［17］一些高校尝试在大一年级让学生以团队合作的形式通过真实的工程设计项目体验产品设计的完整过程，深刻理解工程设计的开放性与复杂性。［18］这一阶段的研究在理论方面主要依托工程设计科学研究取得的一些成果，包括设计过程的发现与描述、基于企业最优的设计实践建立规范的设计活动模型、设计过程的自动化模型开发、开发设计语言及陈述、开发设计分析工具、发展用于工业和民生的设计。［19］工程设计的相关理论为设计教育研究提供了方法和视角，但是并不能很好地解释工程设计学习，即工程设计者如何习得知识和技能并将其转化为生产力和创新。此外，此阶段关于课程评价的研究较少，不能很好地评价某种工程设计课程对于学生的设计学习所起到的作用。建议使用的教学方法多是作者的自身经验总结，并没有认知科学和教育心理学的相关理论作为支撑。设计教育研究出现瓶颈，在指导实践方面存在一定的局限性。

3．微观层面的设计学习研究阶段(2000年至今)随着工程教育从知识导向到能力导向的转变，工程设计教育进入了重视学生设计能力培养的新阶段。工程设计教育研究开始关注学生做设计的心智过程，即学生如何处理工程设计问题并具备设计能力。鉴于工程设计科学与工程设计教育之间存在的距离，Eastman于2001年所著的《设计知识与学习:设计教育中的认知》提到了设计教育中的认知概念框架，试图从四方面建立认知科学为基础的设计教育理论。从此工程设计教育研究开始对工程设计认知密切关注。［19］这一阶段比较有代表性的是华盛顿大学工程学习教学中心关于设计教育的实证研究和斯坦福大学设计研究中心关于设计教育的理论研究。华盛顿大学工程学习教学中心的研究者们利用“发声思考”方法，考察工程本科生和专家如何解决工程设计问题。主要通过录下学生和专家“出声”的思想，基于设计中最基本的操作单元对音像带进行分析，取得数据，从而对比大一学生、大四学生以及经验丰富的设计者之间设计行为的差异及变化。该团队在3套数据的基础上完成了6项相关研究。该团队对设计学习的研究成果如何运用于实际的设计教学中也做了系列研究。斯坦福大学设计研究中心主要致力于工程设计教育的理论研究，将设计科学与认知科学结合起来，为工程设计教育实践提供更好的指导。例如:NeeleyJr．鉴于以往工程设计教育领域对设计的一些本质属性如设计过程中人的特性、动力、适应性等特征关注不够，在仔细分析已有设计模型的基础上，提出自适应设计理论。［20］该理论并非对已有的设计过程、阶段进行详细解释，而是强调对设计者和设计本身的关注，将设计者的思考过程整合到设计活动过程中，从设计思维与认知的角度更加深刻地阐述设计及其过程。2010年斯坦福大学研究团队出版《设计思维:理解—拓展—应用》一书，对工程设计思维进行深入剖析并建立了相关模型。此阶段的研究成果主要包括:(1)工程设计课程评价。传统的、单一的评价方法对于设计课程已经不再适用，为了评价教学方法和课程内容的有效性，应综合采用多种方法，如封闭性调查法、开放式问卷法、概念地图法、观察访谈法等。［21］Safoutin等在布鲁姆的目标分类法基础上，按照设计活动包含的各个要素及其子要素建构课程目标，提出了基于设计的课程分析框架，用于评估课程计划和学习效果，他们还对大一年级的4个设计项目进行了实证研究，按照提出的框架构建目标，在课程结束后通过问卷调查检测学生每一项教学目标完成的程度，并将学生调查的结果与教师相比较。［22］(2)建立工程设计课程体系。“工程设计导向”的改革需要改变原有的以科学为中心的课程体系设置，突出工程设计课程的重要性。这就需要建立工程设计课程体系，将设计体验作为主线贯穿本科各个阶段。一些学者采用比较研究、案例研究的方法探讨如何在本科阶段建立一体化的工程设计课程，实现工科课程计划的转型。［23—24］(3)有效培养工程设计能力。2004年在日本召开的国际工程设计教育研讨会上，经过专家学者的讨论，对以下几种工程设计能力达成共识，即识别并明确地表达问题;创造力;不同的科学技术知识的整合及应用;用制图、命题、方程式、编制程序等方式表达和描述问题;从经济、安全、伦理、环境影响等角度思考问题;在以上约束条件下对问题求解;规划并追随规划;交流;团队合作。如何有效培养工程设计能力的研究也日益增多。学者们运用实证研究方法深入分析教学对于培养设计能力的作用。

(二)“工程设计导向”改革实践

在理论研究的推动下，工程设计教育改革实践持续向前推进。1990年9月美国科学基金会(NSF)资助了ECSEL和SYNTHESIS两个工程教育改革联合体，通过校际协作和联合攻关，前者意在将工程设计教育通盘考虑并贯穿于本科教育全过程，后者旨在开发一种创新的综合课程结构模型。美国工程和技术鉴定委员会(ABET)从1996—1997年度鉴定周期起，将原来一年的工程科学和半年的工程设计，融合为一年半的工程主题，按照工程主题标准对教学计划中的设计成分进行评价，从而引导工科院校在本科阶段全面贯穿工程设计的体验。从美国近期的报告中可以看出，“工程设计导向”已经成为工程教育改革的趋势。2007年美国科学理事会(NSB)的研究报告《大力推进工程教育改革》(MovingForwardtoImproveEngineeringEduca-tion)提出进行以设计为核心、以学生为本的课程结构及内容改革。［25］2008年《杜德斯达特报告》第4章中提到工程师应具备工程设计的能力，并指出一些工科教育计划已经建立或者转型，使得工科课程计划在所有层面上都贯穿设计的体验，通过课题或基于工作室的活动来完成它。①大学层面的工程教育改革也体现出“工程设计导向”的趋势。素有“世界理工大学之最”的麻省理工学院，非常注重本科阶段的工程设计教育，以机械工程系为例，其本科阶段的教育目标强调“学生能够运用所学知识进行建模、测量、设计机械部件及系统”“学生能够有效地构思、执行工程设计任务，并且做好团队合作与沟通工作”。麻省理工学院机械工程系从大一年级到大四年级都开设不同类型的工程设计课程，其内容主要有:(1)为社区顾客设计玩具。其中包括了解社区顾客需求、头脑风暴进行初始设计、绘制草图制作模型、细节设计、建模、为社区顾客展示设计产品、交流沟通等过程。(2)设计机器人并参加比赛。比赛的内容每年都不相同，要求学生在预定时间和预算内完成机器人的设计，强调坚固耐用和工艺性。(3)以15～19人的大团队形式完成一项产品设计，课程结束后学生要向近1000人包括设计师、企业家、学术人员和校友等展示自己的设计成果。(4)设计一款高质量低成本的产品。课程将工程与管理整合在一起，决定制造的速度、成本、质量和灵活性。课程的主要内容是设计一款对消费者负责任的产品。学生在上完本门课之后应该有能力和信心去制造企业用不熟悉的过程制作他从未见过的产品，并作出明智决策。建于1997年的富兰克林•W•欧林工学院(FranklinWOlinCollegeofEngineering，以下简称“欧林工学院”)以推动美国传统高等工程教育彻底、系统地改革为目标，确立了“欧林三角”这一别具一格的课程理念，尤为关注学生工程设计能力的培养。

欧林工学院课程类别对应于欧林三角，包括四类课程:艺术、人文社会科学、创业类;科学类;工程类和数学类。在工程类课程中，设计流(designstream)是非常重要的一部分，在修读要求中单独列出并做出明确规定:第一学年开设“设计本质”(De-signNature，课程代码ENGR1200)，强调工程设计的原理和方法，把学生带到工作室环境中并鼓励他们尝试将想法转化为模型。第二学年开设“用户导向的协同设计”(User-OrientedCollaborativeDesign，课程代码ENGR2250)，强调通过与用户的互动及合作，开发真实产品的概念与模型。第三学年，学生必须从六门深度设计课程(DesignDepthCourse)中选择一门修读。学生在深度设计课程中接触的是学科跨度较宽、项目主题较大的设计，包括系统、部件或流程的再造。第四学年的高级毕业设计(SeniorCap-stonePrograminEngineering，简称SCOPE，课程代码4190)是设计流的终点，也是人才培养的最后环节。位于美国中西部印第安纳州的普渡大学以其雄厚的工科实力所著称。该校机械工程系本科阶段重点突出四大类专业课程:系统、测量和控制类课程;机械科学类课程;热力、流体科学类课程和工程设计类课程。这样的分类是基于机械工程领域专家学者对于机械工程本科阶段教学内容理解和课程安排的共识，即系统、测量和控制，机械科学，热力、流体科学作为机械工程本科阶段课程的三大基础，而设计则更为综合，是上述三类课程的有机结合。

普渡大学机械工程系工程设计类课程主要包括两个方面:(1)半开放的设计项目的完成。学生从备选项目中根据自身兴趣挑选一项完成。包含问题表述、用户与市场调研、信息搜集、初步设计、头脑风暴、初步评估、设计挑选、材料清单、性能分析、最终设计评审等要素，基本涵盖了工程设计的全过程。(2)典型设计项目的完成。包括典型的运动学项目、典型的动力学项目、典型的应力项目、疲劳失效项目、机械零件设计项目。这些典型项目并不是简单的验证型设计实践，而是与生活非常贴近的如棒球投掷装置、公交车挡风玻璃雨刮装置、食品搅拌器轴等的设计。在访谈时该系的副系主任Jones做了这样的比喻:“如果把机械工程系的课程体系看作是一个三脚椅，那么三大类基础课程可以看作是三条腿，缺少一个则三角椅不能平稳支撑，而设计类课程则是三条腿上面的平台，有了它，椅子的功能才得以实现。”美国“工程设计导向”的改革实践不止体现在对工程设计类课程的重视与改革，还包括其他课程或培养环节的配合。例如:麻省理工学院在本科阶段为学生提供许多参与课外工程设计项目的机会;欧林工学院除设计流之外的其他许多工程类课程中都贯穿有设计的体验;普渡大学的社区服务工程项目(EngineeringProjectsinCommunityService，EP-ICS)包含许多工程设计的成分，此外，大一年级的工程导论课程和大二年级的国际化工程讨论班课程的主要目标就是让学生了解工程师是如何工作、思考、交流，并尝试培养学生像工程师一样思考问题。需要说明的是，美国在“工程设计导向”的工程教育改革中并没有削弱基础科学知识的分量，依旧认为基础知识决定了学生未来的发展潜力与创造能力。“工程设计导向”的工程教育改革并非是对科学的否定，而是强化工程教育的工程属性，提高学生解决实际工程问题的能力。

三、启示与思考

20世纪90年代初浙江大学的研究团队意识到英美国家工程设计教育的复兴运动将成为工程教育革命的前奏曲，对工程设计教育作了系列研究。王沛民在1989年《工程教育的目标、模式、核心:问题与思考》一文中就鲜明地提出:工程教育的核心不是科学教育，不是普通文科教育，不是技术技能教育，也不是三者简单的加和;工程教育的核心是设计教育。［26］进入21世纪后，美国的回归工程运动、大工程观、CDIO工程教育模式成为中国工程教育研究领域关注的热点。虽然中国近十几年的研究没有对工程设计教育再做专门的讨论，但回归工程、大工程观、CDIO教育模式，都与“工程设计导向”密切相关。回归工程就是要纠正工程教育过分科学化的倾向，突出工程自身的特点，实际上就是向“工程设计导向”转变。大工程观强调工程的系统性、复杂性、综合性，这些特性集中体现在现代工程设计的内涵中。CDIO模式中的“D”正是指工程设计，“设计－实现”经验是CDIO专业计划的一个重要特征，也是CDIO教育理念的核心部分。中国工程院在《走向创新———创新型工程科技人才培养研究》的研究报告中指出:工程设计能力是创新型工程科技人才应该具备的重要能力，中国的工程科技水平要进一步赶超世界先进水平，必须大力提高工程设计水平。拥有高水平的设计和开发(D＆D)人才，特别是培养和重用创造性设计人才，是产业与工程创新取得成功的根本所在。［27］应该关注美国“工程设计导向”的工程教育改革进展与趋势，深刻认识工程设计及工程设计教育的重要性，以推动中国工程教育向前发展。

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作者：王敏 雷庆 单位：北京航空航天大学人文社会科学学院