整体工程观视野下的工程师和工程教育改革

崔军

摘要：整体工程观是指导工程实践和工程教育的哲学新理念，其整体性涵盖了工程背景、工程要素、工程产品生命周期、工程活动各个阶段。我国高等工程教育存在过度科学化、工程性不强、课程脱离工程实践等问题，其改革应以整体工程观为指导，回归当代工程实践，着力构建“工程范式”的课程，实现理论与实践的融合、知识与能力的协同、技术与非技术的平衡，彰显“和合”的工程教育思想。

关键词：整体工程观；工程师；工程教育

工程教育具有“工程”和“教育”双重基因。从工程的角度审视工程教育，工程观会影响工程人才观，进而影响工程教育观。整体工程观作为“大工程观”的深化和发展，是指导当代工程实践的新理念，也为工程教育改革提供了新视角。本文试图阐释整体工程观的内涵，探讨“整体型”工程师的特质，进而思考我国高等工程教育的改革。

一、整体工程观内涵

1_工程的本质

工程究竟是什么？它与科学、技术是什么关系？我国学者李伯聪在《工程哲学引论》中提出了工程本质的“三元论”：科学、技术和工程是三个不同的对象、三种不同的社会活动，它们有本质的区别，也有密切的联系。科学的核心活动是发现，技术的核心活动是发明，工程的核心活动是建造。实质上，科学家是揭示自然界已经存在的规律，而工程师需要建造世界上原本不存在的物品。因此，实践是工程的基本属性之一，它是工程理念转化为现实的过程。“工程思维最本质的特征既不在于‘理论理性，也不在于‘工具理性，而在于‘实践理性”。

2.当代工程实践面临的挑战

当代工程实践正面临着巨大的挑战。随着经济社会的不断发展，以及信息技术的持续变革，人们对工程和工程实践的认识也在发生变化。德国政府在2013年汉诺威工业博览会上正式推出的“工业4.0”高技术国家战略，被普遍认为是“第四次工业革命”的代称，它试图在制造业内探索一种“智能化”的工业发展模式，实现智能工厂、智能生产、智能物流三大目标。中国政府出台的《中国制造2025》与“工业4.0”战略具有内在一致性。美国工程院2008年发布了21世纪工程面临的14项大挑战，这些悬而未决的工程问题包括能源与环境、医药与健康以及安全、学习与计算等。这些问题跨越不同的国界和学科，应对这些大挑战，需要对工程设计进行整体的、系统的思考。这不仅需要工程师在设计新产品和系统的过程中关注新技术，还需要将人的因素作为工程设计的核心，并慎重考虑工程设计对政治、经济、社会和文化的影响。

3.整体工程观的提出

整体工程（Holistic Engineering）的概念最早由宾夕法尼亚大学博德格纳提出，主要是指工程教育应采用跨学科、全系统化的方法。2007年，格拉斯和马丁奈里完整地表述了“整体工程”的概念：对工程来说，就是更加跨学科、全系统的方法；在快速变化的世界中，强调问题形成的背景，领导以团队为中心的工程项目，跨学科沟通的能力，以及终身学习的愿望。这个概念体现了整体主义思想。格拉斯还用一些案例说明整体的工程观念。例如，环境工程师和科学家们致力于通过技术手段控制污染，但最终是经济学家们开发的“帽子交易”（Capand Trade）获得了成功：通过政府发放排污经营许可证，增强企业减少污染排放的动机，以减少特定地区酸雨的形成。在这个经济学驱动的工程项目中，单靠科学家似乎无能为力，工程师需要考虑所有可能的因素，而不仅仅是依赖技术。

整体工程观的提出经历了一个渐进的过程。20世纪80年代，美国为了矫正“工程科学运动”的不良后果，提出了“回归工程实践”的理念。90年代，麻省理工学院院长乔尔·莫西斯提出了“大工程观”，特别强调工程具有背景敏感性。大工程观中的“大”，不仅指工程规模本身之大，更指工程所处的背景之大、所依赖的学科知识范围之大。进入21世纪后，大工程观得到了深入的发展，逐渐形成了“工程系统学”，认为当代工程实践具有高度的技术复杂性、社会復杂性和过程复杂性等特征；工程是基于管理、社会等多学科领域，通过综合、新型的方法解决社会中难以预知的复杂问题。

整体工程观是对大工程观、工程系统学等工程理念的进一步深化和发展。全球化知识经济时代的技术市场，需要价格低、质量高的工程产品，需要工程去解决社会面临的日益复杂的问题。过去，社会中出现的问题主要是线性的、机械的、离散的，工程师凭借数学和科学的应用就能解决。如今，复杂的社会问题需要凭借“知识共同体”（Unity of Knowledge）来解决。也就是说，工程师在设计产品时不仅应考虑技术因素，还需考虑社会和人的因素。科学和技术为工程提供理论和工具，社会与自然为工程提供资源与需求，工程通过建构物品使社会和人类受益。工程，特别是工程设计，不仅是依靠科学洞察力和科学成果的过程，而且是一个社会过程。

4.整体工程观的整体性特征

通过上述分析，笔者尝试归纳整体工程观的整体性特征：

第一，工程所处的背景之大。工程所处的外部大背景包括政治、经济、文化与社会等相互联系的共同体。当今世界，工程尤其需考虑公益服务、公共政策、经济效益、民族精神、审美艺术、社会责任、地缘政治、伦理规范、利益冲突、环境保护、低碳排放等背景因素。

第二，工程包含的要素之全。整体的方法需要综合利用非技术要素和技术要素，以解决知识经济时代所面临的复杂性工程问题。非技术要素往往能在解决工程问题中发挥独特的作用，如经济学家通过经营许可，引导企业减少污染排放，从而控制了酸雨的形成。

第三，工程活动的阶段之完整。在整体性视角下，工程活动包括三个阶段：“工程前”，需要调研工程性能的预期、经济效益、环境保护等限制条件；“工程中”，需要按工程的技术规范建造与测试；“工程后”，要监测工程产品的运行状况，以及如何终止与消解工程。

第四，工程产品的生命周期之完整。整体工程观视构思、设计、实现与运行为工程产品的完整生命周期，这与麻省理工学院提出的CDIO理念是一致的。这四个周期相互联系、相互影响，缺一不可，共同决定着工程产品的质量。endprint

二、整体工程观视域下的工程师

整体工程观视工程为复杂的生态系统，凸显了工程实践活动的整体性、系统性、跨学科性、应变性和可持续发展，强调工程在人、自然与社会大背景下通过联结、转化与超越而实现工程创新。那么，整体工程观对工程师培养将产生怎样的影响呢？笔者拟从以下四个方面，尝试性地考察整体工程观视域下的工程师新特征。

1_工程师的职业形象

传统工程师职业被视为技术员或工艺师，工程师似乎无需关注技术之外的东西。人类进入21世纪后，知识经济和工业形态的变化对工程师职业提出了重大挑战。21世纪的工程师应当是“无所不知、无所不能、能与任何地方的任何人合作、具有想象力并能将梦想变为现实”。美国工程院对未来工程师职业形象的表述最能体现工程师的整体性：未来的工程师应当具有里昂的聪明才智，摩尔的解决问题的能力，爱因斯坦的科学洞察力，毕加索的创造力，怀特兄弟的果断，比尔盖茨的领导力，罗斯福的道德心，马丁·路德金的远见，以及小朋友的好奇心。

工程可理解为四个维度：基础科学，人文科学，设计和工艺。因此，工程师也应当是科学家、人文主义者、设计师和工艺师。工程师是多样化的职业形象，这样的职业形象至少对许多工程教育者来说是陌生的，其原因归根结底是学术圈外的工程职业工作者和学术圈内的工科教师之间存在认识的差异。可见，整体型工程师与传统工程师的职业形象差距甚远。

2.工程师的思维习惯

传统工程师并没有注重整体性思维在工程实践中的独特作用。其实，工程思维不同于注重想象的艺术思维和注重理性的科学思维。工程思维注重实践理性，工程师因“我造物故我在”而得以安身立命，但工程思维中也滲透着价值追求。工程师能创造有用的事物或者使事物运作得更好，但他们是通过特殊的方式来实现的。英国皇家工程院在2014年发表的《工程师是怎样思考的》报告中提出，工程师的核心工程思维是“使之工作、使之更好地工作”，并将“系统思考”作为工程师首要的思维习惯：能看到整个系统及其各个部分，明白其连接方式、依赖关系。这些思维习惯，充分说明了整体性思维对工程师的重要性。

工程师的思维方式之所以与众不同，是因为它以解决问题为导向，始于“非知识性的无知”。正是因为对现有实践问题的“无知”，工程师才会去创新地提出方案，解决问题是工程师思考的目标。为了达成这一目标，工程师需要寻求解决问题的优化方法，因此，获取和使用这些方法的知识以及目标背后的价值观对工程师而言必不可少。根据帕斯特的研究，工程师在解决问题之前缺失的知识是一种类似“元知识”的知识，这样的知识体现了待解决问题的特征，引导工程师寻求解决问题的最终方案，这样的知识还与显性技术和规范性知识有关。这种没有边界的视野将成为整体工程师的思维习惯。工程师知道什么和如何知道，决定了工程思维的复杂性，工程师的思考因而也应是系统的和整体的。具有整体性思维的工程师才会更加全面地看待工程问题的各个要素，更加深刻地理解工程产品在社会大背景下的设计、实现、运行甚至消解。

3.工程师的职业伦理

过去，工程师的社会责任主要体现在对技术可靠性和有效性的负责。如今，从工程师的职业伦理来看，工程师担负的责任不仅仅是满足技术标准。工程是一种实践性很强的活动，工程师既需要深刻地理解技术标准，成功地应用这些标准，识别已有标准的局限并努力改进，又需要对工程产品的性能如稳定性、安全性、有效性、服务能力等负责，还需要对环境、社会伦理负责。当前，工程师的职业实践正受到一些变化带来的挑战，如新技术革命、全球化和外包、工程专业入学青年的人口变化等。例如，美国职业工程师协会制定的《伦理章程》开宗明义地指出：“工程对所有人的生活质量有直接的和重大的影响，工程师应将公众安全、健康和福祉放在首位；工程师应做雇主或客户的忠实受托人”。由此，工程师职业伦理要求工程师不仅仅是技术专家，职业工程师需要平衡地考虑技术实现以及雇主与社会的需求。

4.当前社会对工程师的诉求

社会对“整体型”工程师期待已久。传统型工程师解决问题主要依靠科学原理在技术中的应用，然而，当今的工程问题具有复杂性，单凭技术手段难以满足利益相关者的需求，这就需要工程师在社会大背景下，运用跨学科的知识进行团队合作，从而提出创新的解决方案。整体型工程师是一种新型工程师，他们能跨学科地广泛思考，并能在工程设计过程中考虑人文的维度。未来的工程师是集学习与参与、智力与心灵、社会与技术、所知与所为、专业工程师与社会行动者以及科学一认知一设计一工艺和种族一阶层一性别的多元维度于一体的创新者。

国际工程专业组织对工程师的能力要求和认证标准也体现了整体性。欧盟国家工程协会联盟、英国工程师协会、美国工程认证委员会等专业组织制定的职业能力标准，除了知识与理解、工程分析、工程设计、工程实践技能外，还特别强调研究与探索、可迁移技能等能力，特别是团队合作、交流表达、终身学习、领导力等软技能。我国也于2010年组织实施了“卓越工程师教育培养计划”，旨在加强工程师整体能力的培养。这充分说明，工科学生需要在知识和技能、理论和实践、技术和非技术之间达成平衡，而不是偏重一方，这体现着整体工程观的思想。

三、基于整体工程观的高等工程教育改革

1.对我国高等工程教育问题的反思

杨叔子院士指出，我国工程教育的问题出在工程人才的创新精神与创新能力上，而创新之根在实践，无根、无好根，怎能长创新之树、开创新之花、结创新之果？有学者将中国当代工程教育的深层次问题归纳为：工程性缺失或非工程化，过分科学化，创新性缺位，实践性缺失，培养模式趋同化、单一化。笔者对我国6所大学的523位大四学生、20家企业的232位雇主以及14位工程教育专家等利益相关者开展了问卷和访谈调查，研究结果表明，我国高等工程教育的主要问题是：过多地强调工程科学，弱化工程实践，脱离产业需求，带有工程科学之烙印。endprint

上述问题背后反映的是工程教育中理论与实践孰轻孰重的基本问题。从历史上看，高等工程教育的发展是理论与实践的冲突、调适与平衡的过程。高等工程教育偏离工程实践，是世界工程教育的共性问题，这直接体现在“科学范式”的课程。课程体系中数学和科学内容占很大比例，而实践性内容大量削减。这导致工科学生“在黑板上开机器”或在电脑屏幕上仿真模拟工程。其弊端明显：追求学科知识的完备性，工程学科之间壁垒深厚；课程中的理论与实践、知识与能力之间出现了明显的分离，呈现出“去工程化”和“工程软化与弱化”的特征，这背离了工程本质，偏离了工程实践。

“科学范式”的课程所培养的工程人才将工程局限于“狭窄的技术”或“技术上的狭窄”，不具备整体的思维习惯，难以担当造福人类的重任。“工程教育背离产业实践的根本原因在于，工程教育是被科学规训的，工程教育的改革就是要对学科规训的突围”。

2.我国高等工程教育改革的机理

高等工程教育存在的问题与工程观、人才观和教育观指导的缺失有关。工程教育改革需要现代化理念的指导，这预示着教育价值的转型和课程范式的转换。我国高等工程教育改革的走向，应当是以整体工程观为指导，回归“整体型”工程实践，解构“科学范式”的课程，着重构建“工程范式”的课程，以培养理论与实践融合、知识与能力协同、技术与非技术平衡的“整体型”工程师。

傳统的工程教育模式侧重于严谨的分析训练，这对知识学习的深度很有帮助，但对知识应用的训练不够，且对工程师所需的沟通交流、团队合作、创新与创业等技能的培养明显不足。工程教育毕竟姓“工”，它不可避免地要深入地涉及具有整体性特征的工程实践。工程教育专家们早己呼吁，运用更加整体的方法开展工程教育。基于整体工程观的工程教育改革，一方面要求课程摆脱工程科学的阴影，回归到工程实践中来另一方面要求课程面向“整体型”工程实践的新特征，实现课程与工程、理论与实践、知识与能力的连结、转化与超越。

整体工程观视域下“工程范式”的课程改革维度是，从时间上看，让学生尽早参与工程实践，使学习进程安排符合实践的认知规律；从空间上看，开展校企合作培养，为课程实施提供真实的工程实践情境；从深度上看，课程内容强调工程知识的集成性，体现工程的知识基础和实践特性；从宽度上看，课程需强调对技术能力和非技术能力的包容，并体现全球化知识经济中工业形态的变化以及工业界企业雇主对工程师的需求。

值得指出的是，“工程范式”不是否认我国工程教育过去的成绩和优良传统，而是使工程教育融入全球化背景下工程实践的新特征；也不是单纯地从工程教育“钟摆”的理论一端摆向实践一端而矫枉过正，而是在摆动的过程中实现动态的平衡。“工程范式”的课程意味着对工程本质的追寻，对工程生命周期的反思；体现了工程理念从“分体”到“整体”的分野，反映了工程的工具理性和价值理性的聚合，这是科学文化和人文文化的深度融合。

3.我国高等工程教育改革的路径

基于整体工程观的工程教育改革的具体路径主要有以下方面：

第一，重建“三位一体”的工程教育目标。改变过去重知识、轻能力的教育目标，构建知识、技能与态度融合的工程教育目标体系，既让工科毕业生掌握扎实的科学知识，又让他们学会解决复杂工程问题的技能，还培养他们对人、自然与社会的态度。这三个维度的目标相互影响、相互促进，将指引知识、技能与态度整合的学习结果。

第二，加强平衡的工程专业能力培养。工程专业能力可分为技术能力、非技术能力和专门能力三大类。除了要培养学生的知识应用、科学研究、工程分析、解决问题、工程设计和运用现代工具等硬技能外，要重点培养工科学生的团队合作、沟通交流、商务管理、工程背景与工程伦理理解以及终身学习等软技能。此外，工程教育还需关注工程领导力、工程创新与创业、可持续发展以及与特定工程专业有关的专门能力。

第三，打造融合型的工程教育课程结构。传统上，我国工程教育课程以公共基础课、专业基础课和专业课的“三层次”结构为主。当前，我国工程教育课程形成了通识基础课、大类学科基础课、专业主干与方向、集中实践环节的“四平台”结构。整体工程观指导下的工程教育课程，应当是打通学科界限，以工程问题为首要组织原则，将学科知识、问题解决、项目设计、实践能力融入课程单元，形成多模块化的课程结构。

第四，运用归纳式的工程教学法。不同于演绎式的教学法，归纳式的教学法遵循从具体到抽象、从个别到一般的逻辑，这完全符合工程教育的实践属性。从国外一流大学的工程教育改革案例来看，归纳式教学是工程教育的主流趋势，如基于问题的学习、基于项目的学习、基于工程经验的学习、工程案例教学、合作学习等。归纳式学习打破了学科导向的“系统学习”的垄断地位，构建了工程问题导向的学习模式，值得我们借鉴。endprint