工程学教学范式：从单一技术到系统性转变

原瑞典皇家理工学院副校长　Ramon A.Wyss

本文讨论的是工程学教学范式的转变，从单一技术转向整个系统的处理，我想分享一个具有深刻改变意义的想法，这个想法反映了社会发展变化。我先简单介绍工程教育的背景，虽然大学已经存在了很长一段时间，但工程师的教育却只有很短的历史，这与工业革命有关。可以说是从法国大革命之后，法国成为以科学为基础的工程教育的发源地，法国教育体系中有一个理念，叫Challenge Driven Education（CDE），即以挑战驱动的教育模式。这是一个惯用语，你会发现有人曾经在其他情境下也用过这个词语，因此我不想过多描述这个模式，但我认为这个概念可以加入到课程中，不要求所有课程，但至少要有一门课程在本科教学当中运用这一理念。事实上，我们每年选派博士生到上海交通大学参加暑期学校，两校早在多年前就有这方面的合作，我会在第二个部分重点说明。

物理学家Richard Feynman是我的偶像，他写的书里有很多名言，有一句话我想跟大家分享，“你没有任何责任按别人想要你完成的目标来生活”。有时候学生们太在意他们的父母想要什么，而不是自己的兴趣，我认为如果你真的想要有所成就，只有你自己的热情才能经受住时间的考验。我还想再分享一句名言“宗教是信念的文化，科学是质疑的文化”，但是教学上也时有二者颠倒，把科学描述为是以信念为驱使。所以，允许学生怀疑和提问是非常重要的。

如果有人去过斯德哥尔摩，就不会错过瓦萨博物馆里展示的一艘战舰，这艘战舰是1625年建造的，它被认为是瑞典海军的领先水平。当时瑞典是欧洲的强国，国王亲自下令打造了这艘战舰，但是当国王看到第一个设计的时候，觉得它不够大，并下令重建，1628年最终完成建造。然而它的处女航行驶1000多米后沉船，大约60至70年前残骸在斯德哥尔摩附近的泥浆中被发现。当人们看到这么大一艘战舰，可能会好奇当时的技术怎么建造？早期没有工程学，都是自学，然后父亲再把手艺传给儿子。在某一时刻，人们会意识到需要特定的知识来复制一些东西，并了解一些原理，例如一艘战舰如何在海面上平衡，这就是工程学的开端。我们必须把科学引入手艺中，这也是工业化的开始。如前所述，尤其在法国，拿破仑创立了巴黎综合理工大学，那里聚集了那个时代最伟大的数学家和机械师，将科学与工程学结合，为工业发展和建设提供科学基础。工程的指导原则是基于科学依据来设计的，根据一定的科学验证规则来复制产品的方法成为自海军工程诞生之初以来工程教育的基石。

从那之后，人们亲眼目睹造船业发展之迅速，钢铁、蒸汽机等新材料引入。1921年，有一个著名的断言：人类可以打造不沉的巨轮，可是当涉及技术及其可提供的解决方案时，人类会反思自己的狂妄自大。快速的技术发展定义了工程专业。人们对现有的技术不断改进，提升了柴油发动机使它更坚固更高效，改进了船的钢材料以扩大船的尺寸，提高航行速度。船体各部件的改进推动了改革的高度成功，这种将复杂部件简化为单一部件的概念在很长一段时间内也一直被定义为工程教育。这部分，我将会在讨论时候详谈。

造船的目的是将货物从世界的一个地方运送到另一个地方，即一种基于系统的服务，货运轮渡是沟通全球贸易重要的交通工具，集装箱是20世纪最重大的航海发明，它使得贸易发生了革命性的变化，这是造船领域的所有创新都没有实现的。集装箱以一种前所未有的方式简化了船舶的装卸，如果没有集装箱的帮助，是不可能达到今天的贸易量。集装箱是一位叫作Malcom McLean的商人发明的，当时他创立了一家公司并在1956年获得了集装箱概念的专利，为行业带来革命性变化。这也给人才培养工作带来思考：工程师如何跳出思维惯式？工程教育应该取得什么样的结果？作为一名工程师，你不仅要为设计负责，也应该看到你的设计需要嵌入的整个环境和系统。因此，我们如何发展工程教育以支持系统知识，帮助毕业生跳出他们的舒适圈？

未来运输行业面临的最大挑战就是温室气体排放和气候变化，运输行业是气候变化的一大“贡献者”，工程师和科学家通过什么样的技术能够降低排放？两年前在《自然》杂志上有一篇文章，如果遵循巴黎气候协议，那么只有三年时间能够维持气候的稳定。根据《巴黎协定》，大气中的二氧化碳含量不应该超过400亿吨，这意味着排放计量需要保持在这个数字之下，我们需要开发降低排放的技术，这构成了对工程和科学的挑战，整个社会如何在保证经济的基础之上改变排放量。有一篇论文的作者们声称或许能够将碳排放预算从400亿吨增加到600亿吨，但也意味着气候变暖的风险。更多内容请参见：Three years to safeguard our climate；Christiana Figueres，Hans Joachim Schellnhuber，Gail Whiteman，Johan Rockström，Anthony Hobley and Stefan Rahmstorf；Nature Vol 546，issue 7660

基于气候变化背景下的航海工程的挑战很不一样，它是工程师必须面对的系统挑战。教育不能局限于仅仅改善单独的部分，工程师需要将自己的专业置于一个系统的环境中，例如如何能实现“碳中和”运输，能否完成太阳能驱动和零摩擦运动的挑战，能否开发不再使用化石燃料的运输业，这是一个系统的挑战，也意味着需要更多跨学科的研究。我们的目标是开发一个可持续的运输服务系统，一个系统内的系统，这对于工程师是一个巨大的挑战也是机会，同时可以预设自己在这项工作中与他人合作的角色。当然，所有系统中最美丽的系统如上图所示，大家都需要好好保护它。

联合国制定了2030年可持续发展目标，请参见：https：//www.un.org/sustainabledevelopment/student-resources/它们构成了这个时代的全球性挑战，那么应该如何解决这些问题呢？其实，科学、工程和商业都可以为其中的许多方面做出贡献。我们应该将可持续发展目标纳入课程中，以便能够更好地制定解决方法。我认为工程科学的教育、研究和创新对于实现可持续发展目标和缓解气候变化非常重要。作为一个领导者，作为创新的推动者，大学必须承担起这个角色。因此，挑战驱动的工程教育是将系统挑战和国际合作结合起来的工具，就像前文已经提到的瑞典皇家理工学院和上海交通大学之间的合作。

挑战驱动教育的定义是多样的，当我们说它是一个解决现实世界挑战的学习框架时，是要求学生学会面对并解决现实世界的挑战，这些挑战不是教授给予的，而是由外部利益相关者定义的。它具有合作性和实践性，要求参与者（学生和利益相关者）发现和解决真实世界的挑战，深入了解挑战，以此鼓励他们发展技能，获得深入的学科领域知识，并与世界分享他们的想法。挑战驱动的教育的出发点是，与比如上海这座城市闵行区非政府组织，或者提出挑战并拥有挑战的商业伙伴等外部利益相关者，彼此互动鼓励学生不断开发解决方案。因此，挑战是在与社会（私营部门、公共当局、民间社会）的合作下定义的，然后进一步细化并转化为可操作的问题陈述，根据问题陈述，开发、测试和实现一个或多个解决方案。设计思维方法的步骤使用，对于与挑战驱动教育和利益相关者交流的合作是一个很好的方法。更多内容请参见：https：//openlabsthlm.se/professional-courses；https：//hpi.de/en/school-of-design-thinking/design-thinking.html

为什么我们需要这样的教学模式？大学教育往往把重点放在给出问题，训练学生解决问题，但很少关注问题的相关性。我们怎么知道这个方案是解决正确的问题呢？我们如何知道这个方案是可行的和理想的，而不仅仅是对所述问题的正确解决？如果这是一个错误的问题，那么解决方案就无关紧要了！对于一个既定的问题，可能有许多正确的解决方案——并非所有这些方案都是可行的和理想的。如果解决方案不可行，也谈不上影响力。人才培养的时候我们要考虑以上这个问题。学生们一定是想未来能够有所作为，我们要在教育中牢记这一点，挑战驱动的教育模式就是希望能实现社会影响力，能让教育直接影响社会。外部利益相关者定义的挑战最终的结果是造福社会。与社会和利益相关者的关系，构成了与传统问题为导向学习的差别。社会开放的回应，外部利益相关者与学生和整个学术界的互动，才能实现对教育的直接影响。

有一些关于社会挑战的理论背景，比如设计理论家Horst Rittel和Melvyn Webber于1973年发表的一篇论文，引入了“邪恶问题”一词来描述社会问题，科学家总是习惯于定义明确的有解决方案的问题，这通常是一个一维过程。很多时候社会问题没有一个既定的解决方案，而是很多解，这意味着学生们必须打开思维。在一般的教育框架中所讨论的问题，通常教授都知道答案，但是面对社会问题，作为教授根本不知道答案是什么。作为一名教师，不知道社会问题的解决方案，因为解决方案的空间概念是如此之大。理解了这一点，教育会随着时间的推移变得越来越重要。之前的一次演讲讨论了延长寿命，我们中的许多人会活到100岁甚至更久，这样看来还有60年甚至更久的时间，这意味着我们需要学习处理开放性问题。

挑战的特点在于问题本身，从寻找解决方案的角度来讨论，可能有很多解决方案，或者根本就没有显而易见的寻找解决方案的过程。因此在这个过程当中，挑战和解决方案同时存在于这个社会、技术和环境体系当中，它为工程师、科学家、社会学家、律师、商务人士等打开了空间。

为了找到解决挑战的办法，我们需要了解挑战，与利益相关者合作，也需要了解制度和受益人，以便能够定义问题，最终处理问题，开发多种解决方案，这是一个互动的过程，我们必须面向利益相关方并理解他们的观点。(www.xing528.com)

回到这个时代的挑战，即联合国可持续发展目标。如果毕业生没有能力应对这些挑战，还有谁能呢？一名教师的任务是培养毕业生能够将全球性挑战转化为社会机遇的技能。

举两个例子，整合产品设计的项目课程要求从团队协作开始，这是挑战驱动的教育的一部分，需要团队的参与来解决挑战，更好的情况是可以有多学科参与，因为我们需要各种各样团队的合作。就好像有一个团建项目是需要整个团队成员翻过一面墙，最后一个翻过去的最难，需要全队齐心协力的帮助才能通过。

另一个例子，一家公司需要建造一个可移动的泵来解决排水的问题，要求泵的抽水速度达到100升/秒，并且重量小于50公斤，易于拆卸和组装。就是这样一个有许多解决方案的现实世界的挑战，学生在半年内利用课余时间帮助公司研发，最终泵的重量是36公斤，抽水速度达到120升/秒，完全满足了该公司的要求。该设计被公司采纳并进一步开发，学生通过此次机会获得了信心和经验。

去年，我们把挑战驱动的教育理念引入撒哈拉以南的非洲国家的高校中，我们把来自瑞典的学生以及其他一些合作高校的学生聚集在一起。我们面临的许多可持续发展方面的挑战需要利益相关方、非政府组织、城市、公司等共同承担。我们与利益相关方召开名为“挑战定义日”的研讨会，之后，教师和利益相关者制定挑战声明，学生和利益相关者重新规划挑战，共同学习、共同创造。所有的出发点都是现实生活中的挑战，外部利益相关者和学生作为主体，教师只进行辅助。最终来自瑞典和坦桑尼亚的混合小组提供的解决方案将可能有助于可持续发展目标的解决。通过这种方式，社会与高校和学生的互动能够得到提升。更多信息参见[1，2]。

大学课程如何促进可持续发展？从教学角度来说，教师应立足于教师培训计划，理解可持续发展概念，思考如何整合该理念，同时也思考什么是工程师的可持续发展和可持续发展学习，从而制定课程目标、活动和考试。

回到挑战驱动的教育下的人才培养，其目的是解决现存的社会问题，即“邪恶问题”。通过让老师和学生打开思维，与利益相关方合作，例如瑞典皇家理工学院多年来一直致力于应对斯德哥尔摩市的挑战，该市从与学生和教师的合作中带来了全新的体验，进一步培养了学生解决问题的信心，让他们相信自己可以真正做到一些事情，这种自信是创新人才培养的另一个重要基石，即对自己和自身能力的信任。它还有一个优势就是帮助学生跳出思维的盒子，提升创造力，打破思维局限，形成自己的解决方案，而不是老师直接告知解决方案是什么，特别是开放的空间问题，有很多潜在的解决方案，它能帮助我们在社会背景下建立对制度的理解，我们可以称之为社会公益，并在学术界和社会之间创造这种互动，这对知识社会是如此重要。

最后，让我引用两句话。一句来自爱因斯坦，他说想象力比知识更重要，知识是有限的，是关于我们现在所知道所理解的东西，而想象力让我们拥抱整个世界。这对我们学生的了解和认知是一个重要的信息。

我从我女儿那里得到了斯蒂芬·霍金的最后一本书《重大问题的简短回答》，当我读到斯蒂芬的介绍时我被迷住了，他说在前进的路上，即使他已经不在了，有能力的人可以展现出创造力、勇气和领导力，让他们在面对可持续发展目标的挑战时，摒弃利益，采取行动。时间宝贵，抓住时机，马上行动。

KTH挑战驱动的教育指南免费下载地址：https：//www.kth.se/social/files/56e2b5f1f276541778ae27f5/Guide%20to%20challenge%20driven%20 education.pdf

[1]Mutual innovation capacity building through challenge driven education for sustainable development in an international setting;R.Wyss,M.Kissaka,E.Shayo,C.Mwase,A.K.Högfeldt,F.Ishengoma,H.Tenhunen;published at ICERI2019;

https://iated.org/iceri/publications;

[2]Connecting North to South throught Challenge driven education;Rosén,A.,Högfeldt,A.K.,Lantz,A.,Gumaelius,L.,Wyss,R.,Bergendahl,&Lujara,S.K.(2018).Proceedings of the 14th International CDIO Conference,Kanazawa Institute of Technology.

（译者：林依洁）