工程师的诞生——记北京航空航天大学的一项探索

文/乔熙 陈晓丽

可同时载人载物的便携式交通工具，协助跨越小型障碍物的便携式斜坡，方便老年人、残疾人在家中上下楼的水动力/空气动力电梯，防止下车开车门时不慎致人伤亡的智能车门，帮助贫困地区农民利用风能提升地下水的风车动力传输系统……

学生在进行《通用工程及多学科工程设计导论》作品展示暨汇报

这些听起来兼具实用性和科技感的产品，全部出自北京航空航天大学国际通用工程学院（以下简称国通学院）大一学生在《通用工程及多学科设计导论》课上的学习和实践。国通学院于2015年入选由国家外国专家局和教育部共同实施的“高校国际化示范学院推进计划”，2018年加入美国工程院大挑战学者计划（NAEGlobal Challenges Scholars Program,GCSP），是北航“新工科”国际教育教学改革的示范和品牌学院。

国通学院从2017年9月开始招收本科生，《通用工程及多学科工程设计导论》课程是该学院探索“新工科”人才培养模式的一次试验,也体现了对标国际，培养通晓国际规则，能参与国际竞争的国际通用型工程师的人才培养目标。

《通用工程及多学科工程设计导论》课程模拟真实的工业设计流程，由来自加拿大多伦多大学的Kamran教授担任课程负责人，向学生提出五个错综复杂且综合性强的选题。50个学生分为10个小组，每组选择一个题目，合作完成一个项目作品，并配一位项目导师。

课程设置： 以需求为导向

《通用工程及多学科工程设计导论》基于实践，注重全面能力素养和基于项目的学习方法。

1.评委老师认真听取学生的作品展示汇报

2.Kamran教授与学生及项目作品合影

这门课没有教材，也没有试卷，而是模拟一种真实工业界的环境。Kamran教授一直把自己称为大客户，提出设计要求，让学生自主解决客户的问题。

张以远是国通学院 2017级学生，在这门课程中得到了最高分，他和组员的课题是设计一款可载物的便携私人交通工具。

课程持续一年，第一阶段进行背景调查、问题综述和需求分析，通过500份问卷的调查结果，张以远小组得出了“大家很需要，特别是学生党和上班族”的结论。第二阶段开始设计制作。从用头脑风暴到确定最优方案，从组装部件到用大数据实验一体机分析可能性，从一版设计到终版设计，通过反复研究和调整，张以远小组最终设计制作出了一款有着超强的载物能力，有代步，旅行箱与电动助力旅行箱三种使用形态的便携交通工具，解决了载人与超大载物量不能两全的痛点。

这种以需求为导向，首先从项目出发去思考问题的思路，不同于传统的科研思路。“现在很多科研都是博士生、硕士生根据一个已有的技术，寻找它应用的领域，但是比较难落地，冲击这个市场的痛点。但是这个项目不是给学生技术基础，而是先给出了痛点让学生解决。”张以远说，“这样更实用，而且相对来说门槛更低，同学们能够天马行空，不会受所学知识或现有工具的约束，再加上学院特别支持，提供足够的经费，所以有什么想法都可以做得出来。”

理解了“工程师”

“在通常情况下，本科学习进入到高年级阶段会有一部分学生进入到老师的课题组或实验室，在学有余力的情况下还会参加各类学术科技竞赛的时候，才会面临需要解决这种综合问题。很多工科学生重知识轻能力，学习了很多知识，但是让他真正做一个东西时却做不出来，不能理论联系实际。这门课程的创新之处在于从大一开始、持续一年的时间，在全英文的环境下，拓展学生的全球视野，打破现有知识体系架构，让学生有更多的自主能力，学以致用，去解决实际的工程问题。在国内，北航是第一个做这种尝试和创新的。”国通学院院长文东升说。

国通学院副院长赵海云说：“很多学生高中学的都是书本知识，大一直接来做项目，比较吃力，而国外的基础教育在这方面对接得比较好。这门课也让大一新生完成了从高中到大学的过渡。”虽然都是做科研，张以远发现高中的做法和大学的做法大有不同。“高中就是‘玩乐高’，参加中国青少年机器人竞赛和关于高层建筑作业机器人的科技创新项目，核心都是用乐高机器人做的。”张以远总结，“到了大学以后，我发现科研不是玩玩具了，以前玩的教育机器人封装集成度很高，现在则完全是白手起家，需要购买各种部件，自己攒在一块。再往后就是等到真的有实力的时候，可能就是自己定制的一些东西了。”

据国通学院学生工作负责人赵秋迪老师介绍，21世纪工程师应该是具备动手实践能力、能够应对重大挑战、改变世界的人。但目前传统教育模式下通过大学四年培养出来的大部分工科毕业生到了业界，还得重新学习和接受再培训，大学的工科教育和工业界之间存在沟壑需要填补。这种基于动手实践的能力，从大一开始培养，然后让学生带着这种习惯，进行大学四年的学习。

经过一年的实践，张以远对“工程师”这三个字也逐渐有了自己的理解。“工程师要让技术为人所用，从而改善人的生活，需要有很扎实的东西，很踏实、很认真地做工程。”Kamran教授要求每个同学记录工作日志。“比如这一天，我进行了任务讨论和分组，在小组里成立了电控组，机械搭建结构组，引导大家完成工作。”张以远说，“越来越像一个工程，刚开始可能散，后来就习惯了。”

作为小组组长，张以远曾经“差点把队伍带崩了”。“之前我老用自己的那套思维去要求别人，告诉他们怎么做。有些组员很有想法，感觉我给他们强加一些违背他们想法的东西。后来就崩掉了，有一次我定一个点来开会，只有我一个人来了。”张以远说，现在的他会更多关注个人感受，跟每个人去交流，了解并尊重他们的想法。

《通用工程及多学科工程设计导论》部分项目作品及实物展示

由于高中做过机器人，张以远对整体结构的设计的感觉较强，有位组员则特别重视理论基础。“有时候我说可行，他说还得研究验证一下；有时候他要这样做，我说你不行，然后我俩会争论。虽然刚开始会有冲突，到后来我就退让一步，让他多做一些理论计算这方面的事情，到后来两个人都“绽放”了，都做得很好。”

国通学院课程助教付尊儒介绍这门课程最大的特色是老师作为观察者，没有强制性的命令，任务由学生自主安排完成。在和团队、导师、助教等不同角色的沟通、互动中，学生提高了在工业产品实际制作过程中跟人打交道的能力。

“通过这门课的锻炼，第一，培养了学生在国际大背景下的沟通与交流能力；第二，培养了学生团队协作能力；第三，提升了学生的领导力。这是他们的进步。”国通学院科技辅导员周思齐说。

获取知识：被动到主动

获取知识是一种能力。这门从问题出发的项目课程，使学生在获取知识上由被动变为主动。

Kamran教授给学生很高的自由度，通过提供框架、布置任务，引领课程的进展。“通常只给一个梗概，虽然会进行一些解释，但他的解释往往是单方向的，而不是多层面的。但是他鼓励我们从多层面去把他的框架填圆满，填饱满。”张以远说，“相当于他给你一个骨头，你把肉填上，可以自己去发挥自己想象力。”

副院长赵海云总结：“这门课不是强调最后要做出一个多么高精尖的成果，而是通过学生和学生之间，学生和老师之间基于项目的学习过程，提高解决复杂综合问题的能力。”

“课程负责人只是在第一节课提出他的课程架构和对学生的要求，后面的事情基本上由学生自主完成，各组分别和自己的项目导师约时间开会，自己去买材料，去用预算。”国通学院本科教学秘书谭力老师说。

在这一年里，张以远觉得很多东西“都挺意想不到的”。“导师提纲挈领，很多东西都靠自己去摸索，其实挺折磨人的，但是回头看会发现自己成长得特别多，因为很多都是从无到有。”“原来是告诉学生这个知识很重要，是必修课，大家都学，所以你要学，但是学生不知道为什么要学，以后会用在什么地方，有什么样的作用。现在则是在实践的过程中，在问题的“倒逼”下，学生主动检索文献，搜集资料，向老师请教。”赵秋迪说，“怎么设计、制作产品？怎么跟人沟通？成本多少？最后结果又是怎样？在制作或者应用过程中可能会出现什么样的问题……以问题为导向获取知识，是一个全开放的过程。所有的东西其实我们没有提供，但是所有东西我们又提供了，关键在于创造一个环境、提供一个平台，学生可以自由创新、尽情发挥。”

导师与学生的日常学习讨论

“这门课不是强调最后要做出一个多么高精尖的成果，而是通过学生和学生之间，学生和老师之间基于项目的学习过程，提高解决复杂综合问题的能力。”

“课程负责人只是在第一节课提出他的课程架构和对学生的要求，后面的事情基本上由学生自主完成，各组分别和自己的项目导师约时间开会，自己去买材料，去用预算。”

在设计制作可载物代步工具的过程中，其中一个技术难点就是张以远小组通过自学克服的。“我们一位组员通过查资料、问学长，用两周时间搞明白了有限元分析，学完以后很快教给我们组其他人。通过有限元分析，可以模拟显示人踩在上面的时候，箱体所发生的形变和位移。”张以远说，“Kamran教授经常鼓励我们去自己去探索学习各种技术，他看到我们组用了有限元分析，喜出望外。”

建模、设计、展示，做排版怎么显示出重点？PPT怎么吸引人？等等各方面能力，都在自学的过程中得到锻炼。

带着这门课上设计制作的作品，张以远参加了北航的招牌科技创新竞赛——“冯如杯”科技作品竞赛，荣获节能减排专项全校第九名的好成绩，之后又晋级全国大学生节能减排科技竞赛，从海内外400多所高校的近4000件作品项目中脱颖而出，荣获国家三等奖。赵秋迪说:“我们学院学生在大一年级这门课程里做出的项目，就是未来我们参赛获奖项目、毕业设计课题等的种子。大一时，这个课、程给他们提供了一个基础和土壤。到了大二大三，随着学生知识和想法的拓展，再对项目进行升级，之后可以很从容地参加国际国内比赛，如果想创业，我们还可以进行科技成果转化。”

课程结束后，张以远刚刚步入大二，他又开始准备参加美国工程院大挑战学者计划(NAE-GCSP)。该项目是针对美国国家工程院（NAE）提出的“14项工程大挑战”而实施的拔尖工程人才培养新战略。各个学校的学生，通过国际化的平台进行交流，解决一些社会存在的问题，比如经济地利用太阳能，管理氮循环，恢复和改善城市基础设施等。