复杂性科学与高等工程教育的融合

周开发，　曾玉珍

(重庆交通大学，重庆 400074)

·高等教育·

复杂性科学与高等工程教育的融合

周开发，曾玉珍

(重庆交通大学，重庆 400074)

摘要：通过对重庆某高校422名工科学生的问卷调查和SPSS数据统计分析，探讨了复杂性科学与当前高等工程教育融合的程度以及学生的期望程度，对比了美国和澳大利亚的相关研究结果。研究发现：我国的工程教育在数学、物理和工程方面学生有良好的基础，但科学、技术和人文素质教育还比较薄弱；在跨学科教育和新兴科技知识方面还有明显的欠缺；工科学生有一定的问题解决技能和学习策略，但核心能力培养还有待加强；学生已初步认识到复杂性科学与工程教育融合的重要性和必要性。因此，有必要借鉴复杂性科学的理念与方法，全面改革传统的工程教育模式与课程体系，以主动适应复杂多变的世界。

关键词：复杂性科学；高等工程教育；工科学生

一、引言

进入21世纪，经济全球化和信息网络化促使社会在政治、经济、文化和科学技术方面飞速发展，世界变得更加复杂多样。现代工程问题常常成为全球经济中的区域性问题或全球性问题的子系统问题，与政治、经济、文化和伦理等方面密不可分(见图1)，必须通过跨学科合作才能解决[1]。

当今的高等工程教育正面临着过去从未遇到过的挑战。首先，现代工程问题更多的是大型复杂系统问题。这要求工程师与非工程专家(如政治家、经济学家、社会学家等)和社会公众协同合作来解决。其次是大量的跨学科问题。这要求工程师除了掌握数学、物理、工程科学等传统课程外，还需要了解生物、环境、微电子技术、纳米技术、政治、经济、文化、法律、伦理等知识。再次是经济全球化和信息网络化等引发的全球广泛合作问题。这要求工程师必须学会在多元化的团队中共同工作，能够与不同文化和宗教信仰的技术与非技术人员进行有效交流。最后是工业界对工科毕业生提出了新的期望，即要求未来的工程师应具有解决复杂系统问题的核心能力而不是过多的陈旧知识[2-3]。

图1　复杂系统中的工程

然而，传统的高等工程教育体系却跟不上时代发展的步伐。首先，目前的工程教育模式仍然是大批量流水线生产模式。虽然每年理工科毕业生数量高达100多万人，但是培养出的学生的知识和能力结构几乎是相似的，学生的独特个性常常受到压制，个人智力和领导力的潜能得不到发挥。其次，我国的高等工程教育课程体系过于强调技术性内容，严重忽视了实际工程中的非技术因素，如政治、经济、文化和伦理等方面，导致目前的工科大学生人文素质教育和跨学科教育明显薄弱。最后，我们的教学以老师授课模式为主，以解决假设情景问题为主要内容，以提供更多的知识为目的，忽视了基于“真实世界”问题的探究性学习，没有培养学生学会学习和批判性思维[4-5]。

为了主动适应复杂多变的世界，从复杂性科学的角度重新审视和改造传统的工程教育模式与课程体系十分必要。我们应该着力培养学生的核心能力、好奇心和想象力，而不是灌输陈旧过时的知识；培养学生解决答案未知的复杂系统问题的技能和方法，而不是提供解决方案与答案；教会他们应对不确定性问题的策略，而不只是提供相应的知识和技术[6-9]。

本研究的目的是从工科学生的视角，探究目前复杂性科学与本科工程教育的融合程度，以及他们所期望的两者应该融合的程度。本研究将具体回答以下三个问题：从工科学生的视角来看，目前本科工程教育与复杂性科学的融合程度如何？从工科学生的视角来看，工程教育体验应该使未来的工程师具有哪些解决复杂性问题的核心能力？与美国和澳大利亚的调研结果相比，我国高等工程教育课程体系有哪些不足?

二、方法

(一)对象

本次调查以重庆某工科高校3～4年级本科生为研究对象，进行随机抽样调查。共发放问卷480份，回收问卷446份，问卷回收率92.92%。经过认真筛选，剔除无效问卷24份，得到有效问卷422份，问卷有效率87.92%。有效参与调查的本科学生总数为422人，涉及土木工程、港航工程、地质工程、工程管理、工程造价、交通工程、信息科学7个工程专业。其中：三、四年级学生分别有279和143人；女生110人，男生312人。

(二)工具

本次调查采用南卡罗来纳大学机械工程系Kellam等人编制的问卷作为调查工具[10]。调查问卷经直接翻译并略作修改后采用。中文问卷分成五个部分共52个问题，分别是：

第一部分是一道多项选择题，有9个选项，题干是“在目前接受的大学教育中，本科学生在哪些方面打下了扎实的基础”，调查学生在数学、科学、工程、技术、人文社科基础、计算机应用、外语和写作等重要基础方面已具备的知识和能力。

第二部分和第三部分采用六级里克特量表，选项分别是“从来没有”“几乎没有”“有时”“不太频繁”“频繁”和“非常频繁”。 第二部分的题干是“在课程学习中，学科课程涉及跨学科知识、新兴科技成果、系统工程和信息素养等内容的频度如何”，共11道题目。第三部分的题干是“在专业教育中，学科课程涉及通识教育内容的频度如何”，共8道题目。

第四、五部分采用六级里克特量表，选项分别是“完全不同意”“不同意”“有点不同意”“有点同意”“同意”和“完全同意”。第四部分的题干是“高等工程教育体验使目前的大学生在复杂性思维、核心能力和跨学科知识等方面已经达到什么样的程度”，共16道题目。第五部分的题干是“高等工程教育体验应该能使未来的毕业生在复杂性思维、核心能力和跨学科知识等方面达到怎样的程度”，共16道题目。

(三)过程

本次调查由课题组成员担任施测人，采用团体施测的方式。先取得被试口头同意后再发放问卷，测试使用统一指导语详细说明测试的目的、方法以及保密原则。被测试学生在教室内集中填写，完成问卷时间约为 10～15分钟，问卷填完后由施测人现场集中回收。

(四)数据处理

用SPSS 18软件统计处理和分析调查数据，进行描述性统计分析、t检验和相关分析。

三、结果和讨论

问卷的第一部分旨在调查目前的工程教育为工科学生提供了什么样的科学、技术、工程和数学(STEM)教育与人文素质教育。根据学生的回答，统计结果发现，52%的学生在数学方面有良好的基础，36%的学生在工程方面具有良好的基础，29%的学生在物理方面获得良好的教育，只有21%的学生在人文社科方面打下了良好的基础，15%的学生在写作方面具有良好的基础，7%的学生在生命科学方面获得良好的教育。与美国、澳大利亚的调查结果对比发现，我们的工科学生在大部分项目上表现较弱[1]。总体来说，学生们的这种低比例回答反映出我国的工程教育中，STEM教育和人文素质教育还很薄弱，跨学科教育的基础平台还没有建立起来。这一点应该引起我国高等工程教育界的高度重视，因为STEM教育水平是衡量国家实力的一项重要指标，而人文素质教育与跨学科教育也是21世纪高等工程教育的必然选择[11]。

问卷的第二部分旨在了解目前的工程教育课程体系与教学是否关注跨学科、新兴学科、先进技术与信息技术等内容。调查的具体内容有：先进制造技术、低碳材料与智能材料、可替代能源系统及技术、全球化与区域发展、生物工程、关键基础设施、生物多样性及自然保护、信息素养与信息技术、微电机械系统、纳米科学与技术、现代运输系统等11个方面。研究测得第二部分量表的内部一致性Cronbach’s α值为0.857。

根据学生们的回答，统计结果发现，我国的工程教育较少涉及跨学科、先进制造技术和新兴学科知识。在美国的调查统计中也出现了类似的结果，但是澳大利亚的调查结果要好于中美两国的调查结果[1]。总体来说，学生们的回答反映出在我们的工程教育中，学科课程只是部分地涉及到了现代运输系统、关键基础设施、信息素养与信息技术等内容，但是很少涉及知识集成、学科交叉、新兴科技与全球合作等复杂性主题。这说明我国高等工程教育仍然是学科面过窄的传统工程教育模式。调查结果意味着我国工程教育应该加大跨学科和新兴学科知识的融合，在确保传统专业教育深度的基础上拓宽跨学科和交叉学科的知识领域，密切工程教育与新兴科技的联系。

问卷的第三部分旨在调查工科大学生是否意识到工程领域与社会、经济、文化等之间的联系，以及工程教育与人文素质教育之间的密切关系。具体调查内容有8个方面：美学、文化、经济、地球系统与环境、伦理、法律、逻辑推理与批判性思维、社会规范。测得第三部分量表的内部一致性Cronbach’s α值为0.846。

根据学生们的回答，统计结果发现，我国工程教育“有时”涉及经济、社会规范、法律、批判性思维、文化、环境等内容，“几乎没有”涉及美学、伦理的内容。与美国、澳大利亚的调查结果对比发现，我们的调查与他们在多个方面基本上一致，但在美学、伦理教育方面显得较弱[1]。总体来说，学生们的回答反映出在当前的工程教育中，学科课程只是部分涉及到了社会、经济、文化、法律等内容，学生的人文素质教育仍然不足，学生明显缺乏全球经济中的工程意识。这是我国高等工程教育的严重缺陷之一。我们应该意识到，工程教育不仅要强调工程系统问题的“硬”技术方面，也需要强调工程系统问题的伦理、环境、美学、经济等“软”文化方面[12]。

问卷的第四部分目的在于了解工科学生对自身所具有的核心能力水平的自我判断。具体调查内容有16个方面：应用平衡思维解决问题或做出决策，分析和综合复杂系统，将所学知识和技能应用于“真实世界”情形，应用跨学科知识，有效地进行口头和书面交流，合理有效地使用信息资源与技术，有效地沟通，从事终身学习，解决复杂且开放的系统问题，批判性的思考，容忍不确定性，了解风险评估，在多元文化团队中共同工作，在跨学科团队中协同工作，对他人保持开放并理解他人，树立地球公民意识并保护自然环境。第四部分量表的内部一致性Cronbach’s α值为0.881。

根据学生们的回答，统计结果发现，他们回答“同意”的项目有：在多元文化团队中共同工作，在跨学科团队中协同工作，对他人保持开放并理解他人，树立地球公民意识并保护自然环境；回答“有点同意”的有：应用平衡思维解决问题或做出决策，分析和综合复杂系统，将所学知识和技能应用于“真实世界”情形，应用跨学科知识，有效地进行口头和书面交流，合理有效地使用信息资源与技术，有效地沟通；回答“有点不同意”的有：容忍不确定性、解决复杂且开放的系统问题。与美国、澳大利亚的调查结果对比发现，我们的学生大多数项目低于美、澳两国的结果，在容忍不确定性、解决复杂开放系统问题方面更弱[1]。总体来说，学生们的回答反映出在当前的工程教育中，学生已经掌握了一定的问题解决技能和学习策略，但他们在应对不确定性和复杂系统问题、口头与书面交流、批判性思维、团队协作等方面还有明显的不足。这也是我国高等工程教育的另一严重缺陷。我们应该强烈意识到，要想培养面向21世纪的未来工程师，最重要的任务是培养他们解决复杂系统问题的核心能力，使他们成为终身学习者、复杂系统思维者和创造性问题解决者[13]。

问卷的第五部分目的在于了解工科学生对未来工程师应该具有的解决复杂系统问题核心能力的评价。具体的调查内容有16个方面：掌握复杂性思维，分析复杂的系统，综合复杂的系统，应用跨学科知识，解决复杂且开放的系统问题，创造性地制定地区或全球子系统问题的解决方案，有效地进行口头和书面交流，合理有效地使用信息资源与技术，批判性地思考，从事终身学习，容忍不确定性，了解风险评估，在多元文化团队中共同工作，在跨学科团队中协同工作，对他人保持开放并理解他人，树立地球公民意识并保护自然环境。第五部分量表的内部一致性Cronbach’s α值为0.938。

根据学生们的回答，统计结果发现，他们回应“完全同意”的几乎没有，绝大部分同学选择“同意”和“有点同意”。与美国、澳大利亚的调查结果对比发现，两者之间存在明显的差异[1]。总体来说，学生们的回答反映出，他们已经认识到将学生的核心能力作为学业成就评价标准的重要性，也认识到将复杂系统思维融合到工程教育中的必要性，但是学生们的认识还不够深刻和清晰。

对比发现，问卷的第四部分和第五部分探讨的是相同的主题，即工科学生的核心能力与应对复杂性问题的能力。两者不同的是，第四部分调查的是目前学生所具有的能力，而第五部分调查的是未来工程师应该具备的能力，即目前工科学生对这些能力的重要性的评价。对比表明，学生认为应对复杂性问题的核心能力是重要的，也是必要的。

四、结论与建议

美国国家工程院院长威廉·沃尔夫曾经指出，随着世界变得越来越复杂，工程师必须比以往更加了解工程技术的人文因素，深刻认识各种全球性问题，敏锐于文化的多样性，并且知道如何有效地进行沟通[14]。本研究的调查结果及其与美、澳调研结果的对比分析表明，我国高等工程教育与复杂性科学的融合程度还不够，我们有必要对传统工程教育模式与课程体系进行全面改革，以主动适应复杂多样、快速多变的世界。美国乔治亚大学工程教育改革的经验表明，基于复杂性科学的高等工程教育模式是培养未来工程师的一种可行方案。

我们建议以目前的“卓越工程师教育培养计划”为基础，进行工程教育与复杂性科学深度融合的改革试点，全面改造传统的线性工程教育模式，探索以核心能力发展为目标的非线性工程教育新模式。

本研究的调查样本规模还不够大，学校、工程专业和工科大学生样本的代表性和典型性也有较大的局限，所以本文得出的结论不足以做出过度概括的结论。另外，中文版调查问卷的信度和效度还需做进一步的检验。在以后的研究中，有必要针对工程专业的教师、工程学院的院长，以及工程界的领导者和工程师进行广泛调查，了解他们对复杂性科学与工程教育融合程度的认识与建议。另外，还需扩大调研的范围，以便做进一步的对比研究。

参考文献：

[1]NADIA C,VERONICA A,MICHELLE M,et al.Benchmarking the integration of complex systems study in American and Australian mechanical engineering programs[C]//Proceedings of the 2005 ASEE/ASEE 4th global colloquium.American Society for Engineering Education,2005.

[2]王世刚,王学东.21世纪高等工程教育的改革与发展探索[C]//高等教育改革的理论与实践研究.黑龙江省高等教育学会2002年学术年会交流论文集,2002:187-189.

[3]MURPHY W.Transforming engineering education:creating interdisciplinary skills for complex global environments,the Summit on the Future of Engineering Education6-9,Dublin Irelan.2010.4. [EB/OL].(2014-05-13)[2015-10-25].http://www.ieee.org/education_careers/education/university_programs/tee_conference/index.html.

[4]National academy of engineering of the national academies.Educating the engineer of 2020: adapting engineering education to the new century[R].Washington D C:The national academy of sciences,2005.

[5]齐芳.我国高等工程教育存在三大弊端[N].光明日报,2009-10-25(02).

[6]ANN F M,JEFFREY F,THOMAS L.The complexities of transforming engineering higher education:preparing for next steps[J].Journal of engineering education,2014,103(2):188-192.

[7]TREICHEL D.跨学科的工程师教育:技术、沟通和管理的系统集成[J].申福祥,译.工业工程与管理,1998(5):53-56.

[8]胡燕海,叶飞帆.普林斯顿大学工程教育跨学科培养模式及其启示[J].宁波大学学报(教育科学版),2006,28(3):78-80.

[9]LIV M,HASELBACH M,MICHELLE M.Civil engineering education and complex systems[J].Journal of professional issues in engineering education and practice,2008(4):186-192.

[10]KELLAM N N.Embracing complexity in engineering education[D].Colombia:University of South Carolina,2006.

[11]ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology).Criteria for accrediting engineering programs:effective for reviews during the 2014-2015 accreditation cycle[EB/OL]. (2014-09-12)[2015-10-26].http://www.abet.org/eac-criteria-2014-2015/.

[12]Report of the task force on general education(2007年2月)[EB/OL].(2014-05-13)[2015-09-22].http://www.generaleducation.fast.harvard.edu/general-education-task-force-report.

[13]The Boyer Commission on Educating Undergraduates.Reinventing undergraduate education:a blueprint for america’s research universities[R].New York State University,Stony Brook,1998.

[14]WULF W,GEORGE F.A makeover for engineering education,issues in science and technology online, spring 2002[EB/OL].(2005-06-20)[2015-09-15].http://www.nap.edu/issues/18.3/p_wulf.html.

(责任编辑：张璠)

Integrating Complex Science into Higher Engineering Education

ZHOU Kaifa, ZENG Yuzhen

(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract：This study investigated whether the complex science was integrated or should be integrated into current undergraduate engineering education from the perspective of the students by a questionnaire and its analysis using SPSS to 422 undergraduate engineering students from a university in Chongqing, and compared the relative studies in the US and Australia. It’s found that:the students lay a good foundation in mathematics, physics and engineering of our engineering education, but the science technology education and the general education for engineering students are still weak;undergraduate engineering education is deficient in interdisciplinary education and emerging technology;the students have mastered some problem solving skills and learning strategies, but the comprehensive training of core competencies is not emphasized enough;however, the students have come to realize the importance and necessity of incorporating complexity science into engineering education model and the undergraduate’s engineering curriculum. Therefore, there is need for a transformation of traditional engineering education model and a change in the current engineering curriculum, in order to adapt to the complicated and changeable world.

Key words：complexity science; higher engineering education; engineering student

*收稿日期：2016-01-30；

修订日期：2006-03-02

基金项目：教育部人文社会科学研究西部和边疆地区规划基金项目“基于复杂性科学的大学课程与课堂教学变革研究”(13XJA880008)；重庆市社会科学规划一般项目“云计算时代高等教育变革研究”(2015YBJY061)；重庆市教委教育教学改革重大项目“基于‘四个核心能力’的高等工程教育创新人才培养研究与实践”(131011)

作者简介：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，研究方向：高等教育中的复杂性、面向多主体的教育及仿真、批判性思维；曾玉珍(1964—)，女，江西吉安人，重庆交通大学图书馆副研究馆员，研究方向：图书情报、信息素养教育和学习理论。

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1674-0297(2016)03-0103-05