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如何在本科阶段培养跨学科人才?

2024-03-09耿有权张译丹

高教探索 2024年1期
关键词:生物医学工程哈佛大学

耿有权 张译丹

摘要:跨学科或学科交叉是取得原创性科学成果的重要途径,探索跨学科人才培养模式是培养急需紧缺人才、服务国家战略需求的重要措施。哈佛大学是世界顶尖大学,该校以跨学科人才培养理念为指引,从本科通识教育阶段开始着力培养学生跨学科意识和能力,教育效果显著。以生物医学工程本科生培养为例,对哈佛大学人才培养理念、通识教育及生物医学工程本科生培养目标、课程设置、师资队伍、科学研究、学位授予情况进行分析,发现其跨学科人才培养的经验、规律和特点,期望对我国“双一流”大学内涵建设和人才培养有参考价值。

关键词:哈佛大学;跨学科人才培养;本科生培养;生物医学工程

跨学科或学科交叉是取得原创性科学成果的重要途径,探索跨学科人才培养模式是培养急需紧缺人才、服务国家战略需求的必要措施。我国一直鼓励高校研究跨学科人才培养的新机制。2018年,教育部、财政部、国家发展改革委印发《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》(教研〔2018〕5号),其中提出要多方集成教育资源,制定跨学科人才培养方案,培养拔尖创新人才。[1]2020年,教育部决定在高等学校培育建设一批未来技术学院,探索跨学科人才培养模式。[2]但相较于西方发达国家,我国跨学科人才培养起步较晚,仍处于探索之中,在发展过程中存在许多问题。哈佛大学工程与应用科学学院是多学科合作的典型学院,其创立初衷即是促进交叉学科研究,培养能够从事跨学科研究与创新的复合型人才,并在多年发展中积累了丰富的跨学科人才培养经验。[3]根据软科2022世界一流学科排名,哈佛大学生物医学工程位于世界第一。[4]因此,以哈佛大学工程与应用科学学院的生物医学工程学科作为案例,对其跨学科人才培养的特点进行研究,对我国世界一流大学建设具有一定的参考价值。

一、哈佛大学跨学科的人才培养理念

培养跨学科人才是哈佛大学通识教育理念的体现。哈佛大学博雅教育的核心是通识教育。哈佛委员会发布的《哈佛通識教育红皮书》(以下简称《红皮书》)对通识教育理论的论述丰富了跨学科教育的内涵,突破了大学育人的学科、专业边界。[5]《红皮书》指出,一个完全由专家控制的社会不是一个明智而有序的社会,职业中的专门化会使原本流动的世界变得僵化。因此,社会需要通识教育提供一种协调、平衡的力量。从教育目的来看,教育不仅要追求知识的本质,还要追求人在社会中的美好品性,尤其是心智的特质和品性的培养,而这种特质正是通识教育的培养目标,即通识教育要培养四个方面的能力:有效的思考能力、交流思想的能力、作出恰当判断的能力、辨别价值的能力。因此,通识教育不仅仅只是关注与文学有关的事情,它应该推动自然科学、社会科学、人文科学三个知识领域的有机结合与统一,培养学生广泛的批判意识,使其能辨识出任何领域中的优劣,最终达到促进学生心智发展的目的。正如《红皮书》所说:“自然科学也好,社会科学也好,人文科学也好,没有一个是独立地与人类心智成长的某个方面有关系。所有的领域都互相重叠和渗透,而不管它们单独来看有多大的价值和机会。”[6]2015年,哈佛大学《通识教育审查委员会最终报告》提到,一个受过良好教育的人不仅仅是精通于某一领域,还必须至少对一系列学科有所了解。[7]基于此,哈佛大学十分重视通识教育的实施,注重通过通识教育培养学生的跨学科思维与批判性思维,使其在处理复杂问题时能够跨越各个领域,多角度进行思考。另一方面,通识教育强调知识领域的交叉融合,在实践层面推动了哈佛大学跨学科活动的发展,为跨学科人才的培养营造了浓厚的文化氛围。

推动跨学科发展是哈佛大学适应社会发展所做出的必要选择。2006年12月,哈佛大学科学与工程规划委员会发布最终报告《加强哈佛的科学与工程》,提出哈佛大学面临的挑战是在保持核心学科优势的同时接纳与发展跨学科科学。报告指出,现有知识是一个整体,却被传统的大学院系分割。哈佛大学也不例外,学院之间以及学院内不同学系之间已逐渐产生了巨大隔阂。但问题不会只出现在某个院系内部,问题的解决越来越需要结合与应用许多不同来源的知识。跨学科项目以科学发现为目的重新整合知识;跨学科方法使思维方式发生重要转变,并对教学、学习和研究产生重大影响。因而,跨学科发展对哈佛大学而言意义突出。有一些教职员工可能希望将研究扩展到传统学系界限之外,但这种愿望要想得以实现,就必须通过组织变革利用这些协同效应。如果哈佛没有找到鼓励与接纳跨学科活动的方法,那么在许多重要的新兴研究领域里,它就有可能无法成为世界领先机构。[8]哈佛大学前校长德鲁·吉尔平·福斯特(Catharine Drew Gilpin Faust)曾表示,当今科学正处于戏剧性发展的时期,其发展速度不亚于17世纪以来的任何时代。对未来的责任要求我们站在科学变革的最前沿,以能够充分参与科学探索的方式将自身组织起来。我们必须克服哈佛大学内外可能限制跨学科合作的各种障碍,并提供资源和设施以支持跨学科发展,如在剑桥校区和奥尔斯顿校区建立新科学大楼。对未来的责任要求我们跨越地理和知识的界限。正如我们生活在一个领域和学科之间的距离日益缩小的时代一样,我们也生活在一个日益全球化的世界。在这个世界中,知识本身就是最强大的连接器。[9]2022年,哈佛文理学院在其制定的战略规划中提出,一个强大、充满智慧、富有创造力的文理学院,应随时准备通过尖端的研究和教学服务于人文科学和自然科学的未来。这需要文理学院在传授学生深厚的学科专业知识的同时,促进学科之间、系所之间、学院之间开展创新且有意义的合作。[10]因此,哈佛大学不断地采取行动,以推动跨学科研究与教学的开展,如创建布罗德研究所、建立跨学院部门、成立工程与应用科学学院。

二、哈佛大学通识教育培养本科学生的跨学科思维意识与能力

通识教育课程是哈佛大学课程的基石,体现了人文科学与自然科学的实际应用,是博雅教育的核心。哈佛通识教育始于1945年哈佛委员会发布的《哈佛通识教育红皮书》,至今已历经四次重大改革。[12]当前哈佛大学所施行的是2016年批准、2019年正式实施的通识教育方案,此次改革仍遵循通识教育理念,并结合多元化的时代背景,力图为学生批判性思维与理性分析能力的形成提供广泛的知识基础,为学生应对社会复杂问题以及未来的创新与挑战做好准备,使之成为有责任心的全球公民,以增进人类幸福。[12][13]正如哈佛大学前校长劳伦斯·巴科(Lawrence S.Bacow)在就职演讲中所说:“正是因为我们处于后真相时代,周围充满各种被‘加工的信息,优秀的大学才更加不可或缺。我们必须能够批判性地思考,将复杂信息中的信号与噪声区分开来。因此,全面的博雅教育变得前所未有地重要。我们有责任教育学生在各种新闻和争辩中洞悉事实,并让他们成为真理和智慧的源泉。”[14]如表1所示,哈佛大学通识教育计划主要包含以下三部分内容。[15][16]

(一)通识教育必修课程(General Education Requirement)

通识教育必修课程调动12个学院的教师参与到课程设计与实施中,是哈佛大学通识教育计划的主体部分,旨在引导学生确立正确的价值导向,进而培养全面发展的完整的人。学生必须完成四门通识教育必修课程,分别来自美学与文化,伦理学与公民,历史、社会、个人,社会中的科学与技术四个类别。如表1所示,课程探讨当今社会所面临的紧迫性与持久性问题,将课程主题与学生未来将成为的人以及课堂之外的现实社会相联系,具有主题化、综合性和多学科的特点。[17][18]可以看出,通识教育必修课程以复杂的现实问题为导向,使学生认识到没有任何一个学科可以独自解决这些问题,必须綜合多学科的视角与方法,从而调动起他们对跨学科探究和发现的热情,培养批判性思维。

(二)分布必修课程(Divisional Distribution Requirement)

分布必修课程包含三门不同知识领域的课程,要求所有本科生在文理学院和工程与应用科学学院的三个主要学部——艺术与人文、社会科学、科学或工程和应用科学各选择一门课程进行学习。其目的在于使学生不局限于某一学科领域当中,能认识到学科的多样性,探索不同学科的学习方法和内容。除初级和中级语言学课程、部分研究生课程、说明文写作课程、音乐表演课程、新生研讨会和校内研讨会外,三个学部开设的所有课程都能够满足学生的分布必修要求,因此,分布必修课程数量较多,达1000余门。每个学术领域的课程都包含多个学科,且主题涉及广泛,学生根据兴趣进行选择即可。

(三)数据定量推理必修课程(Quantitative Reasoning with Data Requirement)

数据广泛应用于各种研究领域中,这要求学生必须具有一定的计算、数学和统计能力,能对数据进行批判性思考与分析。学生在课程中学习分析、推断、预测数据的方法技术,并将其用于处理真实数据,解决实际问题。与理想化状态不同,现实世界的数据具有较强的偶然性,通常是不完美和不完整的,可能会遭到破坏或泄露。因此,课程会促使学生反思当前数据使用所引发的问题,涉及社会、伦理和认识论等方面。2022-2023学年,哈佛学院共开设78门数据定量推理课程,涵盖数学、计算机科学、统计学、地球与环境科学等学系的课程。

通识教育是每位哈佛本科生的必修课,学生一般在第一、二学年开展通识教育课程的学习。通识教育必修课程使学生能够在人文背景之下利用多学科知识解决复杂的现实问题;分布必修课程促使学生广泛了解其他学科领域;数据定量推理必修课程从数据分析的角度培养学生的批判性思维。因此,通识教育计划打破了学科界限,有利于弥补学科专业化导致的学科割裂现象,在本科阶段即为学生跨学科思维方式的形成奠定基础。[19][20]

三、哈佛大学跨学科培养生物医学工程优秀人才的案例分析

(一)培养目标:以生物医学工程领域的领导者为目标,培养复合型应用人才

在学院层面,工程与应用科学学院(John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences,SEAS)是工程学、基础科学和人文科学的交汇点。SEAS成立时的福斯特校长说道:“哈佛大学以前的工程学院、哈佛大学新的工程学院,都是为了搭建桥梁——连接基础与应用科学、应用科学与技术的桥梁;连接科学技术与伦理、公共政策、社会进步以及人们在新世纪的生活和工作的桥梁;连接新学院与其他专业学院的桥梁。”[21]因此,SEAS以“在工程学、应用科学和其他学科间建立联系,培养训练有素的领导者,推进基础科学,并实现转化影响”为使命,以“将严谨的分析思维融入人文背景,为培养下一代有道德、敬业、有远见和创新性的领导者做好准备;将SEAS建设成为多学科与院系的交叉点和发散点”为愿景之一。在该理念的指导下,SEAS不设系,以打破学科壁垒,并采用高度跨学科的教学和研究方法,使各个学科相互融合,以培养复合型的应用人才。[22]在学科层面,生物医学工程以生物医学工程领域发展的领导者为培养目标。课程目标更加具体地反映出培养目标的跨学科性,它强调将生物医学工程与其他学科相结合,使学生能够综合多学科知识解决生物医学工程领域的实际问题。课程目标主要包括两个方面。一是工程学目标,即在通识教育背景下,为学生提供坚实的工程学基础,并帮助学生将其应用于生命科学。二是工程学之外的目标,即帮助学生从人文科学、社会科学和自然科学中获取广泛的技能和态度,从而增强工程学知识。

(二)课程设置:通识课程与专业课程相结合,构建跨学科的课程体系

1.学习计划的制定:重视学生的跨学科发展,鼓励学生学习不同学术领域的知识

哈佛本科生不需要预先选择专业,在第一、二学年主要接受通识教育,培养跨学科的思维与能力。同时,学生在第一学年开始学习专业预修课程(数学、化学和物理学),探索在生物医学工程方面的潜在兴趣。其学习计划的制定有两条路径可以选择:一是选择一个深入研究领域或联合深入研究领域进行学习,即除了主修领域,学生还可以选择其他领域作为联合研究领域。这需要将两个领域的内容整合到一个学习计划中,最终形成一篇跨学科论文。二是在主修领域的基础上再选择一个第二研究领域,两个研究领域不需要整合到同一个学习计划中。[23]学校为学生提供了50个主修领域和50个第二研究领域。第二领域可以是与主修领域相补充的相关领域,也可以与主修领域完全独立,学生可以根据自己的需求进行选择。可以看出,哈佛大学重视学生的跨学科发展,用“领域”代替“专业”,鼓励学生在本领域学习的基础上,跨学科学习其他领域的知识。[24]

2.学位课程的构建:以跨学科的形式构建符合学生兴趣的学位课程

在大二确定专业前,学生会在教师指导下制定一个8学期并满足主修领域要求的学习计划表,构建出符合学生在生物医学工程中特定兴趣的学位课程,主要涉及数学、基础科学、工程学领域。生物医学工程学位课程根据其研究方向的侧重而有所不同,但整体上均体现出跨学科整合的特征。以生物医学工程文学学士(Bachelor of Arts in Biomedical Engineering)学位课程为例,如表2所示[25],共32门课程,由通识教育课程、基本技能必修课程、专业必修课程、自由选修课程四部分构成,专业必修课又包括专业预修课程和专业核心课程,体现出高度的跨学科性,涵盖数学、物理学、化学、生命科学与工程科学五个领域,为学生提供了生物医学工程教育与更广泛的工程学教育,使其能够将抽象的假设和科学知识转化为具体的工作系统。课程结构灵活,使学生从人文科学、社会科学、工程学中获取广泛的技能和态度,以实现多样化的教育和专业目标。[26]

(三)师资队伍:联合多学院多学科配备师资,教师研究领域呈现明显的跨学科性

在教师聘任上,SEAS教职员工采用双聘制,在一个或多个院系工作或有联合任命是很常见的,并与文理学院、其他专业学院的科学系有着密切的联系,特别是物理学、生物学、化学、地球和行星科学。[27]教师学科背景多样,在基础学科和工程学科内外工作,研究领域呈现明显的跨学科性。学生主修领域的确定、学习计划的制定、研究机会的获取等都离不开教师的指导,因此教师多样化的学科背景能使学生更好地参与跨学科的学习与科研。SEAS教师有170余人,生物医学工程学科专任教师在该领域的主要研究方向是生物灵感机器人和计算、生物力学和运动控制、细胞和组织工程、生物材料和治疗,但其研究领域并不局限于生物医学工程,涉及学院所设的10个学科:应用计算、应用数学、应用物理、生物医学工程、计算机科学、电气工程、环境科学与工程、材料科学与机械工程、量子科学与工程、设计学。据统计,超过80%的教师从事3个及以上领域的研究。此外,教师与哈佛大学的其他学院开展跨学院合作项目,并与校外的学术界、工业界、政府部门和公共服务机构进行跨学科、跨学校合作。[28]

(四)科学研究:推动跨学科科研团队建设,重点支持师生跨学科科研项目

1.建立跨学科科研团队,推动跨机构研究项目的开展

科学研究作为课程或与教授合作研究的一部分,对学生而言必不可少。早在1933年,哈佛大学校长詹姆斯·布赖恩特·科南特(James Bryant Conant)就提出过“300周年基金”计划,以促进杰出教授开展知识前沿的跨学科研究。[29]为促进跨学科项目的开展,教务长办公室专门设置了教务长校际合作基金和教务长学生合作基金,为跨学院的合作提供经费支持。[30][31]数据显示,2021年哈佛大学工程领域的高等教育研发支出12.54008亿美元,位居美国高校第10位。其中生物工程与生物医学工程科研支出5.39289亿美元,位居美国高校第2位。[32]这为生物医学工程开展跨学科研究提供了坚实的财政支持。SEAS鼓勵所有本科生参与科学研究,并通过以下两种方式推动跨学科研究的开展。第一,建立跨学科的科研团队。综合不同学科的知识、采用跨学科的视角或方法往往更易得到创新性研究成果,2021年生物医学工程教授弗朗西斯·道尔(Francis J.Doyle III)与唐纳德·英格伯(Donald Ingber)当选美国国家工程院院士正是基于他们在相关领域上的跨学科贡献。各种跨学科研究项目和团队使学生拥有大量的机会从事工程学、应用科学和相关领域的研究,也能与人文社会科学相联系,如,“罗德学者”恩钦达·庞贡(Nkaziewoh Nchinda-Pungong)将生物医学工程和社会学相融合,为发展中国家资源缺乏的医院的病人提供开创性治疗。[33]第二,跨机构开展研究项目。SEAS在财务和发展事务上具有一定独立性,这使学院具有较大自主权与其他院校合作开展跨学科研究,以实现协同创新[34],包括韦斯生物启发工程研究所、布罗德研究所、纳米科学中心、脑科学中心等32个跨学科研究机构。[35]哈佛大学与麻省理工学院间的合作是高校科研合作的典型。哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目是两所高校于1970年合作开展的跨学科教育项目,专注于转化医学与医学工程,是世界上最早的跨学科教育项目之一。学生在其中与麻省理工学院和哈佛大学的教师合作,参与转化医学研究项目,从不同学科视角进行疾病预防、诊断、治疗等方面的研究创新。参与该项目的校友做出了大量突破性创新,如将艾滋病转变为可治疗疾病的药物疗法、第一项用于观察大脑活动的非侵入性技术。[36][37]

2.支持并资助本科生参与跨学科科研实习

科研实习是学生参与社会实践的重要方式。在哈佛大学,本科生在工程学、应用科学和相关领域进行研究的机会比比皆是。学院也设置了专门的本科研究设施和主动学习实验室为学生提供参与实践学习的机会。一方面,在学期内,学生可以在SEAS实验室以及与SEAS建立合作关系的研究机构实习。另一方面,学校为学生提供了多渠道的暑期实习机会。如,科学与工程项目(Program for Research in Science and Engineering,PRISE)为学生提供了一个为期10周的暑期实习机会。该项目旨在培养自然科学学者群体,建立多样化的本科生学术共同体。PRISE项目的研究领域仅限于生命科学、物理科学、工程科学和应用科学,但对于申请者没有专业方面的限制,非相关专业的申请者只需要证明他们所从事的研究活动将如何促进他们作为科学工作者的发展,因此有利于在参与者之间形成一个跨学科的同行网络。[38]本科生科研计划(Research Experience for Undergraduates,REU)使学生暑期可以在系统生物学中心、天体物理学中心、工程与应用科学学院的世界级实验室进行为期10周的尖端研究,并可获得5000美元的项目津贴。这三个机构的研究都涉及多个学科领域,所以多学科研究项目是REU计划的重要元素。REU计划中的每个项目都会为本科生制定水平适中但具有挑战性的多学科研究项目,参与者能在跨学科环境中与高水平导师一起研究。学生在一年级或二年级即可申请REU计划,提前参与到跨学科研究当中。[39]除学校内部的科研实习之外,学生可以通过参加学院举办的招聘会或者与体验式学习指导老师交流获得行业实习机会,在私营企业、私立研究机构或美国国立卫生研究院等政府机构进行暑期实习,与各种学术背景的研究人员合作。

(五)学位授予:学位目标多样化,侧重于与不同学科的交叉融合

对生物医学工程感兴趣的学生可以选择不同的主修领域,并授予不同的学位。据此,授予的学位可以分为两类:一是主修领域为生物医学工程,授予生物医学工程文学学士学位(Bachelor of Arts in Biomedical Engineering);二是主修领域为工程科学,授予文学或理学学士学位,包括工程科学文学学士学位——生物医学科学与工程学方向(Bachelor of Arts in Engineering Sciences-Biomedical Sciences and Engineering Track)、工程科学理学学士学位——生物医学工程方向(Bachelor of Science in Engineering Sciences-Bioengineering Track)。两类学位的目标相似,即在通识教育的背景下为学生提供工程学及将其应用于生命科学的坚实基础,但侧重于与不同学科的交叉融合。

生物医学工程文学学士学位侧重于医学,旨在用工程学方法解决医学问题,即,使用科学知识来创造新的生物材料和设备,应用定量工程分析的方法了解生命系统的运行情况,并设计新的系统以满足临床医学中未满足的需求。工程科学文学学士学位旨在使学生基于数学、基础科学、工程科学和工程设计等问题解决技能,将工程原理应用于一系列领域当中,解决现实问题,并能产生重要的社会、经济和环境影响。工程科学理学学士学位是一个更传统的工程学位,侧重医疗器械领域,适合希望从事医疗器械行业的学生。其理想定位是为学生提供学习所需的广度和深度,使之在本学科领域和其他工程综合领域中脱颖而出。该学位课程通过了工程技术评审委员会(Accreditation Board for Engineering and Technology,ABET)认证,并将ABET计划教育目标应用于该学位学生培养,即工程科学毕业生将在工程、法律、医学、公共政策、教育、设计和商业实践等领域运用工程原理,综合运用自然科学、艺术和人文科学的知识,应对当前和未来的社会挑战。[40]

四、哈佛大学跨学科培养本科创新人才的主要特征

通过对哈佛大学生物医学工程学科的分析,发现其跨学科人才培养有以下四方面特点。

第一,以跨学科发展理念引领跨学科人才培养。一方面,哈佛大学重视通识教育,使通识教育理念不仅在思想层面,也在实践层面上切实推动学校跨学科事业的发展。另一方面,高校学科建设与人才培养要与社会发展相适应,而培养复合型的跨学科人才正是解决社会复杂问题的有效途径。哈佛大学从学校到学院,为师生营造跨学科教学与科研的环境与氛围,使其人才培养逐渐体现出强烈的跨学科特色。

第二,通識教育与专业教育相结合,构建多元化的跨学科课程结构。主要体现在三个方面:一是通过通识教育为学生打下人文教育基础,培养跨学科思维意识与能力。二是逐步加强专业教育,构建学科交叉的专业课程体系。学生在第一、二学年以通识教育为主,同时探索自己在某一学科领域的学习兴趣,并根据学校与学院层面的课程要求,结合自身需求来制定课程计划。三是鼓励学生修习其他学习领域,形成跨学科的学习计划。

第三,建立跨学科的教师队伍。在聘任上,采用双聘制,教师在多个部门或学术机构任职;在教学上,绝大部分教师从事不同学科的教学,教师学科背景与研究领域涉及多个学科;在研究上,教师开展跨学科的研究,并与不同学院或学校进行跨学科的合作研究。这使教师能够更好地指导学生的跨学科学习与科研。

第四,鼓励和支持跨学科科研,实现多机构协同创新。在学校层面,哈佛大学有丰富的跨学科项目与研究中心,并为学生提供跨学科发展的资助和相关的实习机会,使学生在本科阶段就能参与到多学科的研究项目当中,将跨学科研究贯穿本硕博培养全过程。在学院内部,工程与应用科学学院不设系,以实现教学科研高度跨学科的目的,并与麻省理工学院等多个高校或科研机构开展长期合作,推动科研成果创新。

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(責任编辑陈志萍)

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