纵观世界工程教育的发展历程, 欧美等国家的工程教育总体上经历了从经验范式向技术范式(1861年到20世纪30年代)、从技术范式向科学范式(第二次世界大战到20世纪80年代)、从科学范式向工程实践范式(从20世纪90年代到21世纪第一个十年)的三次转换。

1994年, 麻省理工学院(MIT)工学院院长乔尔· 莫西斯发布了该院著名的《大工程观与工程集成教育》报告, 报告中首次提出了“ 大工程观” 的理念。其主要思想是, 面对迅速变化的世界, 工程教育必须改革, 而改革的主要方向是要使建立在分化的学科基础上的工程教育回归其本来的含义, 即更加重视工程的系统性和实践性。“ 大工程观” 不是指工程规模本身的“ 大” , 而是指为大型复杂工程提供理论支撑的科学基础知识系统范围的“ 大” , 它涉及多学科的交叉与融合, 远远突破了传统工程科学知识本身的范围。因而, “ 大工程观” 就是以整合、系统、应变、再循环的视角看待大规模复杂系统的工程思想^[1]。

这篇报告发布的背景是美国当时的工程教育正深陷科学范式带来的迷茫与困扰之中。基于科学范式的工程教育注重培养过程中教学与研究的结合, 但过于强调工程教育的“ 科学性” , 更注重科学的基础理论研究与教育, 使得美国的工科院校培养出来的都是分析型工程师, 而非实践型工程师, 学生理论水平高、研究能力强, 但实践能力差、动手能力弱, 不足以支撑和指导工程实践。乔尔· 莫西斯曾解释道:“ 大工程观的术语是对为工程实际服务的工程教育的一种回归, 而与研究导向的工程科学观相对立。” (转引自国家教委工程教育考察团《回归工程· 多样化· 宏观管理— — 赴美考察报告》, 载《高等工程教育研究》1996年第1期, 第7-15页。)

那么, 美国20世纪90年代提出的向工程实践回归的“ 大工程观” 对20年后的中国也同样适用吗?笔者认为是非常适用的。一方面, “ 大工程观” 在1994年之后并未成为过眼云烟, 而是在MIT一直得到了很好的贯彻和延续; 另一方面, “ 大工程观” 所倡导的理念都是针对人才培养的现实问题, 国内既有的培养模式已经不足以应对日益复杂的产业技术快速发展的情势和社会发展的需要。在乔尔· 莫西斯提出“ 大工程观” 之后, 2001年, MIT联合瑞典的查尔姆斯技术大学、林克平大学以及皇家技术学院三所高校, 共同推出了CDIO工程教育体系。CDIO分别代表构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate) 。它强调工程人才的能力培养应该贯穿产品从构思、研发到运行、调整以至终结的全生命周期, 具体而言, 包括工程基础知识、 个人能力、人际团队能力和运作工程的系统能力四个层面, 以及检测的12条具体标准。CDIO不仅继承和发展了欧美发达国家20多年来工程教育改革的成果和理念, 同时更重要的是提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的具体标准。它的出现使工程教育改革有了更加明确的方向性与系统性, 尤其是它的12条标准对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引, 使得工程教育改革具体化、可操作、可测量, 对学生和教师都具有重要的指导意义。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一, 代表了当前工程教育的发展趋势(2016年1月8日至9日, “ 全国CDIO工程教育联盟” 成立大会在广东汕头开幕, 全国共有105所高校加入“ CDIO工程教育联盟” ; 2017年4月27日至28日, 2017CDIO工程教育联盟会议在浙江大学城市学院召开。)。2007年, MIT发起Gordon工程领导力计划(以下简称“ Gordon计划” ), 旨在运用新的教学方法培养工程发明、创新和实践的领袖, 提高MIT工程和科技教育的质量。2013年, MIT组建了特别工作组(Task Force), 负责对MIT未来教育发展方向进行研究。工作组于2014年8月发布了《面向未来的MIT教育特别工作组全校调查报告》。2016年8月至10月, MIT提出实施新一轮高等工程教育改革计划的构想。经过多方调查研究和论证, 最终于2017年8月启动了新一轮工程教育改革— — “ 新工程教育转型” (2017— 2020年), 即“ NEET计划” 。改革的重点主要集中在三个方面:第一, 强调工程教育以学生为中心, 变革学生的学习方式与学习内容, 以培养能够引领未来产业和社会发展的领导型工程人才为目标; 第二, 强调实践活动的重要性, 注重培养学生的实践能力与创造性思维, 要培养出能在工程实践活动中不断创新的工程师, 能够承担CDIO所包含的构思、设计、实施、操作等系统性工程实践使命; 第三, 强调学生学习的交叉性和跨学科性, 要在掌握工程科学知识的基础之上, 通过串联整合各学科知识, 培养学生的系统性、分析性、批判性、创造性等思维, 打破目前的学科隔离、划界而治的局面, 实现跨学科培养工程人才^[2]。可见, “ 大工程观” 在新的发展时期内涵不断丰富, 依然主导着MIT的工程教育改革进程。

上述“ 大工程观” 近25年的发展历程让我们看到, 美国工程教育改革背后的逻辑与我国现在进行的“ 新工科” 教育改革何其相似。本轮“ 新工科” 建设行动中, 来自南京大学电子科学与工程学院的一份报告就生动地描述了我国目前面临的问题:“ 我国工科人才培养的目标定位不清晰, 工科教学理科化, 对于通识教育与工程教育、实践教育与实验教学之间的关系和区别存在模糊认识, 工程教育与行业企业实际脱节太大, 工科学生存在综合素质与知识结构方面的缺陷。” ^[3]厦门大学副校长邬大光在其新近发表的文章中也提到, 在国外学者眼里, “ 我国的一流大学对科研的重视远远超过教学, 我国的一流大学普遍还没有感觉到人才培养的压力, 还没有深刻体验到人才培养的重要性” ^[4]。

这种状况必须改变。既然我国加入了《华盛顿协议》, 就要按照国际标准来做。正如现任教育部高教司司长吴岩所言:“ 我们能够成功加入《华盛顿协议》, 说明我们的认证标准和组织架构得到了其他成员的认可, 但更关键的是执行, 我们在认证过程中能不能严格遵照标准, 实现认证过程的实质等效, 这是关键。” ^[5]《华盛顿协议》规定了21世纪工程师应该具备的12个方面的品质:工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、调查研究、现代工具的应用、工程与社会、环境和可持续发展、道德操守、个人和团队、沟通与交流、项目管理、终身学习。而美国的工程教育认证委员会(ABET)则定义了毕业生的11条能力:(1)应用数学、科学与工程等知识的能力; (2)设计、实验分析与数据处理的能力; (3)根据需要设计一个部件、一个系统的能力; (4)多种训练的综合能力; (5)验证、指导及解决工程问题的能力; (6)对职业道德及社会责任的了解; (7)有效地表达与交流的能力; (8)懂得工程问题对全球环境和社会的影响; (9)终生学习的能力; (10)具有对时代问题的认知; (11)应用各种技术和现代工程工具解决实际问题的能力。这11条标准可认为是一名合格的现代工程师应具备的能力和素质^[6]。对比MIT提出的CDIO四方面的能力大纲和CDIO的12条标准, 西方发达国家对未来工程师的培养标准与目标可谓不谋而合, 都向我们展现了21世纪工程人才应该具备的基本知识、能力与素质, 这些绝不是现有的科研导向型大学教育和知识传授型教学模式所能实现的^[7]。

在教学层面, 既有教学范式必须主动适应工程教育改革的国际大潮流, 严格遵行《华盛顿协议》倡导的国际工程教育三大核心理念(outcome-based education, 简称OBE)即“ 以学生为中心” “ 产出导向” “ 持续改进” , 改变教学方法, 实现从“ 知识课堂” 到“ 能力课堂” 的转变、从“ 重教轻学” 到“ 以学为主” 的转变, 建立“ 以学生为中心” 的现代教学范式, 倡导高校教师积极探索基于项目的教学、基于研讨的教学和基于启发的教学, 明确教学服务于人才培养这个总目标, 培养学生的创新思维和实践能力。否则我们将无法达到国际工程教育专业认证标准的要求, 我国的工程教育将一直在低水平的池沼里徘徊不前。

上述分析让我们不禁思考, 在这样的高标准要求下, 该用什么样的教材或教学资源来支撑我国的工程教育呢?既有的教材能够适应今天的课堂教学需要吗?既有的教育出版理念能够满足当今工程教育国际标准的要求吗?答案是否定的。项目教学、工程实践、系统集成能力和人际沟通等内容在现有教材里难觅踪迹, 单一的以静态学科知识为主要内容的传统教材已经不能满足“ 大工程观” 下的人才培养需要, 传统的教材观与今天的工程教育改革已经不相适应, 教育出版如不进行大胆突破和跨越式创新, 将难以跟上工程教育改革步伐。

在传统教学中, 教材的重要性是不言而喻的, 它在教学活动中一直处于中心的支配地位, 但教材的缺陷也非常明显, “ 一是教科书作为学科入门的学习资料, 其内容必须是精挑细选的, 但因篇幅所限, 往往显得叙述简略, 内容枯燥, 很难引发学生的兴趣; 二是教科书为少数人所编写, 难免有的观点见解过于偏颇或过于独断, 所以难以把握有争议的观点和问题; 三是容易形成教师和学生对教科书的过度依赖, 在教学中把教科书当作唯一的教学工具, 从而放弃了自己的主动性” ^[8]17。在现代教材功能由“ 为教服务” 向“ 为学服务” 转化的过程中, 在“ 以学生为中心” 的工程教育专业国际认证理念下, 教材将不再是大学课堂里面高高在上的“ 圣经” , 而只是一种辅助学习的工具; 教材也不再是唯一的知识读本, 而只是众多学习材料中的一种。教材的“ 学材化” 趋势不可逆转。

实际上, “ 学材” 的种类可以无限丰富。下面是我国一名留美学生的亲身体验:“ 学期伊始, 同学们会从每门课的任教老师那里收到一份Syllabus(课程纲要), 它几乎是除了教材以外最重要的资料。除了常规的教学目标、课程安排、作业要求、评分标准以外, Syllabus还包括:学科规范(考勤、作业迟交问题)、学术政策(抄袭、作弊处理规定)、课程资源(助教信息、写作辅导、阅读材料等), 乍一看, 这很像一本产品说明。” “ 在机械工程专业课上, 老师把介绍基础概念的(内容)做成Youtube视频, 学生提前预习。上课就老师(的问题)深入讨论, 做题, 老师在教室给大家答疑。” “ 课堂上还有一种重要的教学工具, 叫做Handout(散页讲义)。这些五颜六色的学习材料, 涵盖当堂课的学习重点、教学方式与其他补充材料, 可以帮助学生快速地融入到课堂中。” ^[9]另一名留美学生则记述了在传播学课堂上的体验:“ 每周有三篇左右的阅读材料, 有的是书籍选摘, 有的是深度报道, 有的是经典学术论文。讨论课的主要内容是学生轮流针对当周的阅读材料进行4分钟的演讲, 每周两人, 分别对应两篇阅读材料。” ^[10]还有一篇文章里说:“ 绝大多数美国大学老师使用相应的教育软件和学生交流, 取决于学校的不同, 可能是‘ 黑板’ (blackboard)、‘ 画布’ (canvas)等, 老师通过这些软件平台公布作业、进度、成绩(学生只能看见本人的), 甚至进行培训考试等, 学生也可以通过这个平台和老师交流, 所以在入学前一定要搞清本校老师使用的教学软件, 并要参加学校这类软件的培训(已包含在学费里的)。” ^[11]

从上述亲历者记述里可以分析得出, 美国的大学课堂至少有课程纲要、教学视频、散页讲义、阅读材料、教学软件等5种以上的学习工具。此外, 更多关于美国工程教育课堂实践的研究告诉我们, 美国的课堂教学还有工程案例素材、仿真实验指导书、毕业设计指导书、课程学习网站和工程项目库等多种学习材料和工具。

笔者认为, 基于教材功能的改变, 教材的学习工具属性将在“ 新工科” 教育时代被明确定义。“ 一本教材打天下” 的局面必将被多元化“ 学材” 的新形态所取代, 多种学习材料构成的学习资源包将成为未来工程教育资源供给的主流形式。这是摆在教育出版企业面前重要的时代命题, 不仅要求教育出版的内容转型、形式转型, 更要求教育出版企业的理念转型和角色转型。从单一的教材出版到多元化的教学资源供给, 要做到这些, 就要求传统教育出版商具备整合多方面资源的能力, 为客户提供个性化定制服务。因此, 教育出版商需要转换角色, 从出版商转换成服务商, 从内容提供商转型为教育服务商, 为受教育者提供比传统教育形式更有价值、更为有效的教育服务^[12]。

学习产出导向的教育模式即OBE自从1981年被美国学者Spady提出后, 经过十年左右的发展, 已经形成了一套比较完整的理论体系。1997年美国工程教育认证协会(ABET)正式发布的EC2000认证标准, 就非常明确地把工程教育认证模式由过去的“ 输入导向” 转向了“ 产出导向” 。由于ABET和其他一些《华盛顿协议》成员相继采用了基于OBE教育的认证标准, 2001年《华盛顿协议》成员开始研究基于OBE的毕业要求, 这个毕业要求于2003年受到《华盛顿协议》成员的一致认可而被作为《华盛顿协议》的框架性要求^[13]。

本轮“ 新工科” 建设行动要按照《华盛顿协议》所规定的框架要求, 在教学层面, 把国际专业认证的三大核心理念(OBE)即“ 以学生为中心” “ 产出导向” “ 持续改进” 贯穿于教学的始终。形式服务于内容, 内容服务于目标; 人才培养的总目标决定人才培养的教学模式, 而教学模式则决定了教学资源需要提供怎样的学习支持。从这个角度看, 教育出版层面的教材供给同样要把国际专业认证的三大核心理念在教学资源层面贯彻落地。“ 以学生为中心” 的教育资源供给不仅意味着教学资源的形式要突破“ 一本教材打天下” 的桎梏, 实现教材种类从一维到多维的转型, 也意味着教学资源的内容要实现从支持“ 教” 到支持“ 学” 的“ 学材” 化转型。学习材料的内容构成不仅应包含严谨的学科专业知识, 也应包含学习方法介绍、学习过程指引、实践实训指导以及开放性学习指南等内容。

“ 产出导向” 的评价方式完全不同于传统的考试评价。传统的考试评价只能检验出学生对知识的掌握程度, 而不能检验出学生对知识的应用程度和解决实际问题的能力。“ 产出导向” 的评价更多的是衡量学生能做什么, 而不是学生知道什么。因此, OBE标准下的课堂考核往往体现为学生的能力考核, 学生需要在课堂上提出学习主题和项目建议、完成项目策划、开展案例研究和进行口头报告等, 以此来展示他们的能力。在OBE理念主导下的教学资源中, 课外阅读文献、案例集、项目库、专业论文等学习参考资料都是非常重要的学习内容, 很多课堂上的能力实训活动都是围绕这些发散性学习材料展开的。这一点与我国传统的由知识讲解和练习题组成的教辅参考书有很大不同, 因此传统的教材教辅观需要围绕OBE的教学理念进行升级。

“ 持续改进” 则体现了发展性评价的理念。传统的考试评价模式强调学生的最终成绩而非学习过程中的获得感, 导致整个教学过程缺乏互动和学习成长的连续性。但OBE理念强调的是精熟(master learning), 即教学评价应以每位学生都能精熟掌握所学内容为前提, 不再区分学生分数。浙江省新工科建设专家组成员、浙江大学机器人研究院常务副院长陆国栋教授说得好:“ 就教育而言, 分数与成长, 我们应该更加关注成长。” ^[14]要对学生持续改进和不断成长的学习行为进行记录, 则传统的教材形式已经完全无法支持, 唯有数字化、网络化的学习资源平台才能很好地承担起这一使命。一个学习内容可更新、学习行为可记录的在线学习网站如果能设计出“ 学生学习成长档案” 这一功能模块, 就能很好地解决这一问题。

上述对工程教育专业认证的基本理念和教学资源关系分析, 让我们看到了新工科教材应有的多元性、开放性和动态性, 但这并不意味着开放环境下的教学资源越多越好。2014年, 在复旦大学的一个本科教学质量研究项目中, 由复旦大学多部门人员组成的社会科学小组对近20所国内外一流高校的社会科学专业进行调研, 形成了一个内部报告。报告指出, 在课程总量上, 国内外的差异非常大。我国内地高校的社会科学诸学科在学分要求上一般在140— 150学分, 一个本科生四年大致要修60门课程, 平均每学期需修读8门课程; 而我国香港和美国的大学课程总量要求远低于内地高校, 如加州大学伯克利分校本科生的课程要求为30门, 每学期只需要修读3— 5门课程。可见, 我国大学本科生修读课程数量大约是国外的2倍甚至更多^[15]。但就学习效果而言, 我国大学生因为课程总量大, 学习任务重, 在多课程之间频繁切换, 处于从一个教室到另一个教室不停“ 赶场” 状态, 难言高质量和有成效地学习。不付出超出常人的时间和精力, 是难以获得好的学习成绩和学习效果的。而反观欧美学生, 由于课程总量小, 可以把更多时间和精力投入到课外和课后的阅读、研讨和实践中, 在“ 输入” 之后, 有更多时间进行“ 内化” 和“ 输出” , 因此学习效果普遍高于我国大学生。

课程和学习资源不在多而在精, 其背后的逻辑是课程之间的体系化和结构化。传统的分科教育将知识结构切割成了一个个课程单元, 每门课程成为一个相对独立、界限清晰的知识单元, 知识单元之间的联系被弱化了; OBE强调知识的整合, 从知识(能力)结构出发进行反向设计, 使课程体系支撑知识结构, 进而使每门课程的学习都与知识(能力)结构相呼应^[13]。经过整合的知识结构去掉了冗余和重复的部分, 有利于实现课程结构的“ 精” 而非“ 全” , 以及课程的“ 质” 而非“ 量” 。“ 大工程观” 下新的学科和专业发展趋势必将导致课程结构和课程建设方式的大变革, 实现课程体系从“ 多而全” 到“ 少而精” 的转型。本轮“ 新工科” 建设中, 对跨学科、跨专业融合、交叉学科和复合专业的重视和强调, 同样是工程教育系统性和结构化理念的体现。

课程体系的结构化对于教材出版来说, 同样意味着教材出版要打破“ 单兵作战” 的模式, 形成教材“ 集群作战” 的新模式, 同一专业的多种教材要形成合理的教材知识体系矩阵, 单本教材可以做“ 薄” 做“ 精” , 多本教材形成科学组合, 合理搭配, 构建结构优良的教材体系。

课程的结构化对教师来说, 意味着比以往只关注课内教案提出了更高的要求, 还需要教师扩大课程设计的视野和范围, 从一堂课的设计升级为一门课的设计, 从一天的课程设计拓展为一个学期的长周期教学整体设计。但我国传统工科教师往往在教学实践中只研究教材, 对教学设计、教学大纲则关心甚少。这种教学习惯导致我国学生对syllabus(教学大纲)这个词比较陌生, 然而它却是美国大学课堂中的核心内容。北京大学郭文革教授指出, 20世纪以来, 有两大潮流对高等教育的人才培养带来了重大影响, 分别是“ 教学系统化设计运动” 和“ 在线教学” 。在两大潮流的影响下, 大学课程早已不再是一种模糊的经验安排, 而是按照系统工程的思路精心设计、合理安排。像美国大学几乎每一门课程都经过了系统的教学设计, 形成了标准化的教学大纲文档, 在美国大学的网站上可以很容易地找到所有课程的目录及教学大纲。教学大纲为后来在线教学的发展奠定了坚实的基础^[16]。教学大纲的重要性可以从我国留美学生亲身经历得到佐证。一名留美学生亲述:“ 以我所在的华盛顿大学为例, 教务系统在每个学期开学前一周左右, 就会推出本学期每一门课的教学大纲(syllabus), 上面会详细列出课程介绍、教学目标, 以及本学期15— 16次课的预习内容、课堂主题、课后作业、考试时间等等, 一目了然。” “ 所有的教授都会严格遵照这个既定的方针去推进教学进程, 不会轻易中途改变授课节奏和顺序, 学生们可以放心地按照学期初就收到的教学大纲去规划本学期的学习。” “ 每一份教学大纲就像一张地图, 告诉学生身在何处。” “ 不客气地说, 中国的很多大学教授在备课上下的功夫远远不够, 他们对一整个学期长达十几周的学习过程缺乏严肃的审视和科学的设计, 也极少向学生公开他们的授课思路。” ^[17]

通过上面的分析可以得出, 教学大纲对教学工作者的课程整体设计和教学的系统化设计功力是一种考验, 我国的大学教师在这方面存在认识上的不足和能力上的短板。但对教育出版机构而言, 这反而是一种机会。按照教材体系化的出版思路, 为“ 新工科” 的课程教学配套出版每门课的教学大纲和学习指导书, 不仅是一种教材种类上的创新, 也有助于促进教师教学设计功力的提升。

相对于课程设计而言, 基于OBE的人才培养模式的全流程设计是一项更加复杂的系统化工程。OBE是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式。实施OBE教育模式主要有四个步骤:定义学习产出、实现学习产出、评估学习产出和使用学习产出。这涵盖了戴明环理论(计划、实施、检查、处理)的四个要素(戴明环理论, 又叫“ PDCA理论” 或“ PDCA循环” , 是由美国质量管理专家休哈特博士首先提出来的, 后来由戴明所采纳、宣传、普及, 故又简称“ 戴明环” 。PDCA循环的含义是将质量管理分为四个阶段, 即计划、执行、检查、调整或处理。这一工作方法被认为是质量管理的基本方法, 或企业管理各项工作的一般规律。各字母含义:P(plan)计划, D(do)执行, C(check)检查, A(action)对检查结果进行处理。)。为了实现预期学习产出, 所有教学计划和课程内容都是遵循“ 回溯式设计” 原则, 形成完整的匹配矩阵^[18]。

加州理工学院的冯· 卡门教授有句名言:“ 科学家研究已有的世界, 工程师创造未来的世界。” 用工程教育的新思维来看教育出版创新, 那么适应“ 新工科” 教育的教材出版要以创新出版模式、创造新的出版产品为使命, 勇敢担当起教育出版范式“ 破旧立新” 的历史职责。本文的主要结论如下:

(1)“ 大工程观” 在近25年的发展过中一直是国际工程教育改革的主导思路。基于“ 大工程观” 理念的未来工程师能力标准, 在《华盛顿协议》和美国工程教育认证委员会(ABET)以及MIT的CDIO能力大纲和CDIO 12条标准中得到了很好的体现。明确人才培养的总目标是我们做好教育出版改革创新工作的出发点。

(2)《华盛顿协议》所倡导的国际工程教育三大核心理念(OBE)— — “ 以学生为中心” “ 产出导向” “ 持续改进” , 不仅将带动“ 以学生为中心” 的现代教学范式的建立, 也将促进教育出版范式从教材到“ 学材” 的转型。“ 一本教材打天下” 的局面必将被多元化的新形态“ 学材” 所取代, 多种学习材料构成的学习资源包将成为未来工程教育资源供给的主流形式。

(3)根据“ 大工程观” 理念和工程教育专业认证标准的要求, 教育出版的改革创新既要遵从工程教育认证的一般规律, 也要适应工程教育改革的特殊性; 既要服务于教学设计层面的系统性, 也要适应工程教育课程体系的结构性, 还要兼顾学生学习的渐进性。

(4)“ 大工程观” 理念下的教育出版创新应大胆提倡一种“ 大教材观” 。“ 大教材观” 以多元性、开放性和动态性为主要特征, 是由教材出版理念的时新性、教材结构的多元化、教材内容的鲜活性、教材形式的一体化、教材载体的平台化等一系列特征构成的教材出版新范式体系。

(5)“ 大教材观” 的落地实现, 要把握好从教材到教学资源平台、从纸质教材到一体化教材、从固态教材到动态可更新教材三个关键点, 进行以“ 大教材观” 为核心的“ 新教材观” 和“ 活教材观” 的主动探索和大胆创新。唯有主动突破创新, 教育出版转型才能真正与“ 大工程观” 下的工程教育改革保持“ 同频共振” , 才能很好地满足高素质工程人才培养的需要, 从而有力支撑起国家产业竞争的战略大局。