项目类型和复杂问题解决能力的概念框架*

安奈特·科莫斯 里卡·布罗加德·贝特尔

杰蒂·埃格兰德·霍尔加德 亨利克·沃尔姆·鲁特赫

(奥尔堡大学 信息技术与设计技术学院，丹麦)

杨柳 译

(清华大学 教育研究院，北京 100084)

一、引言

复杂问题解决能力(Complex problem-solving competency)作为工程教育提出的新要求，在过去10年来的认证标准中越来越受到关注。(1)ABET,“Criteria for Accrediting Engineering Programs,”http://abet.org/eac-current-criteria/.这里的复杂性被定义为以变量间相互依赖为特征的动态情境。因此，建立系统性的概览是一个复杂过程，它需要能够识别不同因素之间的连接(interconnections)、从属(dependencies)和边界(dependencies)。况且这是一种既不了解问题本身，也不知道其解决方案的情况。(2)David J.Snowden and Mary E.Boone,“A Leader’s Framework for Decision Making,”Harvard Business Review 85，no.11(2007):68.复杂问题解决需要当事人能够处理复杂难题，由于工程师是解决技术性的复杂难题的主力军之一，复杂问题解决也成为工程行业的要求。(3)Raman K.Attri，Accelerating Complex Problem-solving Skills: Problem-centered Training Design Methods(Singapore: Speed To Proficiency Research, 2018). https://www.speedtoproficiency. com/blog/problem-centered-methods/.一项在工作场所的问题研究表明，复杂和结构不良的问题是最典型的工程学问题。这些问题往往具有多个且相互冲突的目标。它们可以不加约束地指向技术领域之外的多种不同解决方案和成功标准。(4)David Jonassen, et al.,“Everyday Problem Solving in Engineering: Lessons for Engineering Educators,”Journal of Engineering Education 95, no.2(2013):139-151.“问题的复杂性表现为多种形式，包括所需知识的广度、理解和应用所涉概念的难度、解决问题所需的技能和知识水平，以及问题范围内各变量之间关系的非线性程度。”(5)David H.Jonassen and Woei Hung,“All Problems Are Not Equal: Implications for Problem-Based Learning,”The Interdisciplinary Journal of Problem-based Learning 2,no.2(2008): 7-41.给定的情况越复杂、越没有边界，可以产生的选择就越多，尤其是在处理现实世界问题时，复杂性往往超出了学术性的问题解决能力。(6)Dietrich Dörner and Joachim Funke,“Complex Problem Solving: What It Is and What It Is Not,”Frontiers in. Psychology, no.8 (2017). https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpsyg.2017.01153/full.

奥尔堡大学基于问题的学习(Problem Based Learning, PBL)模型中，复杂问题解决被认为是一种综合的、必不可少的PBL能力。(7)Jette Egelund Holgaard et al.,“Guide og Latalog til PBL Progressive Læringsmaål,”https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/311379922/PBL_progressive_l_ringsm_l_guide_final.pdf.然而，并不是所有的PBL实践所处理的都是复杂的问题，需要更为多样化的项目导向(project-oriented)课程以培养复杂问题解决能力。因此，将各种项目类型加以概念化是非常重要的。

PBL能力(PBL competencies)这个术语涵盖了包括问题导向、项目导向、团队导向和元认知在内的四类基本能力，它能反映并进一步发展那些更加领域内的或学科内的特定能力。这些能力被嵌入到课程教学中，学生则需要在教育过程中不断地显现出这些能力。这四种能力本质上是相互关联的。一方面，不同类型的问题需要不同类型的项目和不同的团队。由于对解决复杂问题的需求日益增长，因此有必要增加学生从事的项目类型的多样性。仅仅让工科学生关注复杂系统的某个部分是不够的，他们还必须捕捉复杂系统的连接性和从属性来解决棘手的问题。由于复杂问题解决通常需要跨学科的协同作用，仅仅在一个学科的项目中工作是不够的。因此，项目经验的多样性和动态性才是培养PBL能力的基础。(8)Ducan Fraser et al.,“Using Variation to Enhance Learning in Engineering,”International Journal of Engineering Education 22, no.1(2005): 102-108; Ming Fai Pang, “Two Faces of Variation: On Continuity in the Phenomenographic Movement,”Scandinavian Journal of Educational Research47, no.2(2003), 145-156.

最近一项关于工程教育PBL的文献回顾表明，最常见的项目应用是在现有课程(courses)中，而不是跨课程或在整个课程体系水平(curriculum level)上。(9)Juebei Chen et al.,“Forms of Implementation and Challenges of PBL in Engineering Education: A Review of Literature,”European Journal of Engineering Education 46, no.1(2021): 90-115.文章提到，大多数研究报告的是单一的课程项目活动，而只有1/4的文章报告了更加系统化的方法来设计跨课程或课程体系水平上的活动。在课程层面，项目实施主要是一种加深学生对授课内容的理解和增强学习动机的手段。该文献综述中报告的项目类型特点有三：(1)主要由教师给出问题，很少由学生自己发现问题；(2)课程持续时间大约为一个学期；(3)大多是由3-8名学生组成的小团队。(10)Ibid.

纵观2000-2019年，开展项目活动越来越普遍，学生参与项目也逐渐成为工程专业的常态而非例外。但是，如果学生在整个教育活动中都经历相同类型的项目，那么他们以后则很有可能只会按照惯例办事，而无法深入思考。(11)Anette Kolmos, “Progression of Collaborative Skills,”in Themes and Variations in PBL，ed. J.Conway and A.Williams(Montreal, Canada：1999 Biennial PBL Conference，1999).团队协作就变成了一种隐性知识或一套非语言动作技能，而不一定经过了讨论和知识共享的过程。尽管协作共享隐性知识可能会提供给(学习者)平常难以获得的专业知识，但是由于学习是在特定情境下创建并与之相关联的，因此非语言的专业知识可能不容易转移。根据德雷福斯所言，对于经验丰富的专家来说，其隐性知识和直觉将处于最高水平。然而，当学生处于学习情境中时，关键是要反思并概念化其学习经验，以便在新的情境下对其进行(知识)重构。 体验变化并阐明反差和异同，是促进反思并使隐性知识和协作变得清晰明确的一种方式。 因此，笔者认为让学生体验他们参与的问题和项目类型的变化，以打破常规并形成明确的隐性知识和能力是很重要的。在一个PBL的课程中，这种变化可能包括:

● 问题类型(从简单问题到复杂问题)

● 项目类型(从狭义的学科项目到复杂的大型项目)

○ 项目规模：从少学分到多学分不等

○ 项目时长：从一个学期到多年不等

● 团队和协作

○ 团队规模：从小分组到大团队和网络协作

○ 团队构成：从本土团队到国际团队

○ 团队组建：从由学生发起的到由教师发起的或基于理论的

○ 协作类型：明确的劳动分工到相互协调的合作

● “催化剂”(facilitation)

○ 授课和项目之间的关系

○ 指导和协作形式

○ 外部合作者：外部项目案例到项目合作伙伴

● 实体设备、数字化设施和学习空间的变化

反思变化是学习如何专业地进行问题分析和问题定义的重要途径，尤其是参与并处理基于问题的项目协作的学习过程技能——换言之，即PBL能力。通过反思变化，学习者可以逐渐意识到经验的特征及其与其他教育经验之间的关系。 例如，如果一名学生在一个学科小组中有项目管理方面的经验，那这就是该学生所拥有的经验和知识，而有2-3种不同类型的小组协作的经验更有可能提高其能力在新情境中的灵活性和适应性。(12)Ming Fai Pang, “Two Faces of Variation: On Continuity in the Phenomenographic Movement,”Scandinavian Journal of Educational Research 47, no.2(2003), 145-156.尽管有很多方法可以在课程体系中创造变化，但本文则主要通过项目的问题和团队来关注项目的结构要素。

二、项目类型：问题和团队

项目被定义为一种具有特定目标来解决问题的独特尝试，它可以分解为多个子任务。 根据既定的问题和任务，项目规模可以是从小团队到数百人。(13)Helle Algreen Ussing and Niels O.Fruensgaard, Metode i projektarbejde. Problemorientering og gruppearbejde(Aalborg: Aalborg Universitetsforlag,2010).然而，在许多工程学的课程中，学生所从事项目类型的科学方法和团队规模是相似的，而这恰恰是扩大拓展项目的两个重要维度，因此学生没有机会反思变化。扩大科学方法是将项目类型的涵盖范围从单一学科扩展到跨学科项目，原则上是要确定学科和方法的选择，以在从狭义的学科问题到复杂问题的范围上达到匹配。

“多学科性”(multidisciplinarity)和“跨学科性”(interdisciplinarity)两个术语在文献中经常互换使用。 然而，关于协作和复杂性的变化，我们可以从多学科性和跨学科性的区别上加以理解：多学科性可以理解为应用于特定问题的学科合作，而跨学科性可以理解为将学科特定知识整合到一个公共项目或解决方案中。(14)Julie Thompson Klein, A Taxonomy of Interdisciplinarity(Oxford: The Oxford Handbook of Interdisciplinarity, 2010), 15-30; Rick Szostak, Classifying Science: Phenomena, Data, Theory, Method, Practice(Netherlands: Springer Science & Business Media,2004).特别是在工程教育中，跨学科的问题解决往往会生成一个一般产品(common product)，尽管每个学科融入产品的程度会有所不同，但产品的各个要素之间会相互调整——这被认为是一种特殊的整合类型。

如图1所示，狭义和广义的跨学科合作之间可以作出很好的区分。(15)Julie Thompson Klein,“A Platform for a Shared Discourse of Interdisciplinary Education,”Journal of Social Science Education 5,no.4(2006): 10-18; Julie Thompson Klein, A Taxonomy of Interdisciplinarity(Oxford: The Oxford Handbook of Interdisciplinarity, 2010), 15-30.狭义的跨学科性包括在共同知识范式内使用相似的方法进行协作，而广义的跨学科是指跨知识范式和科学方法的协作。与广义的跨学科团队相比，狭窄的跨学科团队(如化学、化学工程或生物技术)更容易实现对常见的方法论、研究方法和数据的共同基本理解。这是因为人文、社会科学和工程学等广义的跨学科具有更广泛多样的知识范式，这增加了理解、对话、协商问题和解决问题方法的复杂性。无论是否跨学科，任何团队中的协作和组织都可能带来冲突和问题。但与成员来自同一学科的团队相比，跨学科协作的团队更容易在理解学科范式和方法论差异、问题分析和问题解决的方法上遇到困难。此外，团队合作的规模特别大时也可能会给远程跨时区的组织工作和协作带来挑战。

团队维度涉及一个项目的学生人数。与拥有更多学生的大型团队相比，小型团队通常被认为更容易管理。然而，无论一个项目参与的学生有多少，特定学科和跨学科方法的类型都可能会增加项目管理和协作的复杂性。在传统的课程结构中，单一学科的项目最为常见，其团队规模通常是3-8名学生在某个项目中处理一个简单的单一学科问题。而对于跨学科项目，团队成员的数量很可能会增加，此时需要重组为规模更小的子团队(sub-teams)，使其在同一项目的子团队内部和子团队之间开展特定的任务并遵从内部管理流程。与单一小组处理单一的学科问题相比，这是一种不同的学习体验。

(一)项目变型(Project Variations)

基于跨学科和团队规模两个维度，本文确定了四种基本的项目类型：单一学科项目、多元项目、跨学科项目和大型项目。出于规范化的目的，我们对这四种项目类型进行了区分——现实生活中的实践会提供更多种类的变化。

单一学科项目通常在一个项目小组中开展，并广泛应用于课程和课程体系层面。参与同一教育项目中的学生通常将知识、理论和概念应用于简单的学科特定问题。例如，一组学生应用控制理论来开发船岸起重机的防摇摆系统。

多元项目并不常见，往往出现在大课或分支学科课程的集群(clusters of sub-disciplinary courses)中，其特点是许多项目小组从事相同/相似学科内相同或互补的部分(工作包)，如软件开发、团队并行处理优化设计。这些类型的项目强调项目团队之间的协作，以确保一般产品的质量或解决问题方法的可行性。例如，计算机科学专业的学生为自闭症儿童优化应用程序。(16)“AAU multi-project,” https://giraf.cs.aau.dk/；http://people.cs.aau.dk/～ulrik/Giraf/Projects2012/Oasis_sw604f12.pdf.

跨学科项目可以在一个较小规模的项目分组中开展。该团队可以由来自不同学科的学生组成，其学生成员也可以是来自采用跨学科方法解决特定问题或得到了跨学科工作人员团队支持的同一教育计划。例如，在工程项目中，由于学生通常使用社会学方法或参与式行动研究等来确定用户需求，因此初步的问题分析在学术角度上通常是跨学科的，这样使得跨学科知识整合到由一个教育计划的学生组成的项目中。再如，媒体技术学生为小学设计可持续城市游戏，为此他们需要具备小学学习、可持续城市和游戏设计方面的知识。

大型项目最近作为新事物被引入工程教育。(17)Aalborg University,“Megaprojects,”https://www.megaprojects.aau.dk/.“大型项目”(megaproject)这个常用术语涵盖了大型的、长期的、高度复杂化的广义或狭义跨学科项目，其特点通常是：用公共资金开发和实施的大型投资委托(例如城市基础设施项目，高铁火车、飞机和机场等物流运输，航空技术和可再生能源系统等)；在组织层面的协作具有高度复杂性；对经济、环境和社会具有长期影响。(18)Hugo Priemus et al.,Decision-making on Mega-projects Cost-benefit Analysis, Planning and Innovatio (Northampton, MA: Edward Elgar, 2008); Yi Hu et al.,“From Construction Megaproject Management to Complex Project Management: Bibliographic Analysis,”Journal of Management in Engineering 31,no.4(2015): 04014052.未来许多大型项目将应对全球危机(如新冠疫情爆发、气候变化、联合国可持续发展目标等重大挑战)，而这些可能难以融入到教育之中，因此有必要将社会大型项目设计为可行的教育大型项目。

(二)工程教育的大型项目

为了构建适用于工程教育的大型项目概念，笔者认为有必要在大型项目中使用“黑箱”(black boxes)的概念，只考虑系统或部分系统的输入和输出。因此，“黑箱化”(black boxing)指的是用户(这里特指工程专业的学生)可以对系统及其功能有一个总体了解而不必了解其所有特性的过程。例如，从事电网工作并致力于从风力涡轮机存储能量，而不必了解风力涡轮机本身的性能。众所周知，在工程学领域，大型项目设计的必要环节就是能够把现实问题和重大挑战引入工程教育之中。这种方法的优点是可以让学生学习分析系统中的关系，将他们的特定知识、设计或产品置于整个系统中，并对其与其他学科的关系有整体理解，这样有益于未来的跨学科合作。

由于大型项目比课程或学期项目通常需要更多的可用资源，也需要更多时间在科学、技术和社会方面趋向成熟，因此，在系统中不仅需要使用黑箱，还需要引入“黑箱化阶段”(black phases)的概念。这里提及的不只是技术系统中的黑箱，而是工程过程中的黑箱。学生很有可能只参与一个或多个项目阶段，如问题识别、问题分析或解决问题，而其他项目阶段实质上也被置于黑箱中，这样一来学生可以将特定项目阶段的结果交由另一个团队在下学期继续完成。

这些阶段可以以不同的方式进行解释并互搭；然而，整个过程可以分为两个阶段：(1)问题阶段，包括问题分析和识别，其目的是达到必要规范；(2)问题解决阶段，目的是为识别的问题制定解决方案。 因此，当大型项目要持续几个学期时，第一批学生致力于问题的启动、分析和定义，而第二批学生则在定义和设计阶段处理需求等。每个阶段都同等重要，学生通过体验不同的项目，可以积累各个阶段的学习经验。

大型项目中的一个阶段不一定运行一个学期。有时候，问题分析或解决是在多次迭代或更长的时间内完成的，并且每个阶段都会有多个项目组加入。这些项目组可能会处理各种不同任务，因此具有不同的工作量。

虽然大型项目可以成为解决诸如可持续发展目标定义的复杂问题的可行方法，但仍存在许多内在关联的问题和广泛的解决空间。从这个意义上说，在我们尚未完全了解问题或当前技术解决方案有限的情况下，大型项目有助于提供新的认识和视角以应对挑战。虽然学生应在大型项目中采取一种确定的视角并且只在一个阶段进行详尽工作，但能够理解并协调特定大型项目中的不同阶段而纵观全局的能力，被认为是一项核心能力。当教育大型项目与现实生活中的大型项目和外部合作伙伴有联系并合作时，无论是在较长时间内涉及多个学生团队集体的学生项目，还是当学生致力于完成子项目中的某个特定要求但仍需要了解与其他阶段的关系及项目的总体目标时，上述这一点都尤其重要。

(三)跨学科大型项目的范围

鉴于现实生活中的大型项目通常被认为具有广泛的跨学科性，教育大型项目可以在一个狭窄的跨学科范围内进行建立模型，比如跨学期地划分项目的某些特定阶段。例如，在奥尔堡大学电子系统部门启动了奥尔堡大学卫星项目，该项目结合了电子和物理(空间科学)来建造一个全能型的卫星，它已经运行了多个阶段并且每个阶段都对应一个学期。(19)Jesper Abildgaard Larsen et al.,“Motivating Students to Develop Satellites in Problem and Project-based Learning (PBL) Environment,”International Journal of Engineering Pedagogy 3, no.3(2013), 11-17与其他狭义的跨学科大型项目相比，该项目的独特之处在于：它在开发PBL项目的常模和原型的基础上，进一步增加了一个“产品运行”(product in operation)阶段。(20)Jesper Abildgaard Larsen et al.,“Motivating Students to Develop Satellites in Problem and Project-based Learning (PBL) Environment,”International Journal of Engineering Pedagogy 3, no.3(2013), 11-17; Chunfang Zhou et al.,“A Problem and Project-Based Learning (PBL) Approach to Motivate Group Creativity in Engineering Education,”International Journal of Engineering Education, 28, no.1(2012): 3-16.再比如，在奥尔堡大学竞赛中，除少数特例外，学生们要设计一辆赛车的全部部件。每个项目的产品都被开发成原型，并且一些项目中的工程设计还辅以商业计划和成本分析。(21)“AAU Racing,” https://aauracing.dk/.尽管有很多的变化和选择，但对于更多的工程教育中狭义的跨学科大型项目，其重点仍在一般产品上。

涉及多个学科的广义跨学科大型项目也可以持续多个学期。例如，奥尔堡大学的大型项目“简化可持续生活”(Simplifying Sustainable Living)持续了两年，重点关注了绿色消费、交通运输等不同的领域。(22)Aalborg University,“Megaprojects,”https://www.megaprojects.aau.dk/.第一阶段可能涉及识别、分析甚至重新定义一个复杂的问题。例如，由于项目组发现本地生产的食物和可持续性不一定相互关联，因此质疑将“本地饮食”更名为“可持续性饮食”。其他阶段可以专注解决方案的具体标准，它可能会对其他狭义的跨学科大型项目提案起决定性作用。

与狭义的跨学科相比，广义的跨学科大项目具有更为复杂的组织，并结合了多个学科，而这些学科不一定具有相同的知识范式、科学方法甚至研究领域。因此，尽管工程师和社会学家可能会在知识定义和方法论上存在分歧，但更为重要的是二人对于大型项目中的子项目的问题与目标的理解是否存在冲突，甚至互相抵抗。因此，即使问题和解决方案的阶段及其产品在广义的跨学科大型项目中处于同等重要的地位，也需要通过建立模型来强调不同的、甚至可能是相互冲突的学术方法和观点，以精细化项目的成功标准。最终成果是不同系统之间的组合和相互关系，而不是一种特定的一般产品。

(四)不同的项目类型中复杂问题解决

在理想情况下，复杂问题解决能力可以在所有复杂的项目过程中获得，包括学科化的多项目以及狭义和广义的跨学科项目。(23)Raman K.Attri， Accelerating Complex Problem-solving Skills: Problem-centered Training Design Methods(Singapore: Speed To Proficiency Research, 2018). https://www.speedtoproficiency. com/blog/problem-centered-methods/.表1概括了一些复杂问题解决能力的变化，从左到右来看，问题分析的情境范围和设计创新的方法的复杂程度逐渐增加。

表1强调了问题解决的复杂性增加不仅会影响内容维度，还会影响协作和项目管理流程的复杂性。项目组的协作和组织结构可以有很大的不同，从具有简单的、固定的协调结构到具有流动性的、新临时特设的小组，以及侧重于灵活的项目管理方法以让更多分支小组参与决策过程。然而，随着从复杂的学科特定项目到狭义甚至广义的跨学科项目的复杂性增加，其知识领域和潜在解决方案的不确定性也在增加，因此对系统和结构的敏捷和灵活性的需求有所提高。

三、结语

本文基于以下两个维度提出了项目类型：(1)科学内容和问题范围，从简单或复杂的问题到极度复杂跨学科的问题；(2)参与不同水平项目管理过程的团队的规模和组织。结合这两个维度，笔者提炼总结了四类理想的教育项目，包括单一学科项目、多元项目、跨学科项目和大型项目。将此与狭义和广义跨学科之间的区分联系起来，并提出了不同的变化，包括具有多个小组的特定学科的多项目、狭义的单一小组的跨学科项目；狭义的跨组的跨学科大型项目(通过“黑箱化”系统或过程部分而缩小范围)；包含全面系统视角的更广泛的跨组的跨学科大型项目。

虽然项目的问题和解决阶段明显与其具体内容有关，但就问题分析、问题解决、协作和项目管理而言，学习的潜力与通过跨学科项目获得的通用能力密切相关。在多元项目或大型项目中，学科团队集群的范围越广，就越强调学生的复杂问题解决能力以及团队内和跨团队的协作能力。此外，与狭义的跨学科性相比，广泛的跨学科方法更将挑战学生理解并交流其所在学科的特性和贡献，以及该学科与其他学科的边界和互动。

本文提出了项目类型和复杂问题解决能力的总体概念框架。未来研究将详细阐述不同项目类型的维度，探索该框架如何适用于不同的问题解决能力，如创业能力、商业能力或数字化能力。

教育大型项目结合了复杂技术系统和复杂协作模式的挑战，这种类型的项目可以被视为汇集了其他类型项目的能力，并在学习体验中增加了社会和跨文化维度。与当今时代面临的巨大挑战相比，生活在“地球村”的公民们都在竭力获得一种可持续性，而广义的跨学科大型项目为未来的工程教育提供了令人欣慰的前景。