周開發(fā)，　曾玉珍

(重慶交通大學，重慶 400074)

·高等教育·

復雜性科學與高等工程教育的融合

周開發(fā)，曾玉珍

(重慶交通大學，重慶 400074)

摘要：通過對重慶某高校422名工科學生的問卷調查和SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，探討了復雜性科學與當前高等工程教育融合的程度以及學生的期望程度，對比了美國和澳大利亞的相關研究結果。研究發(fā)現(xiàn)：我國的工程教育在數(shù)學、物理和工程方面學生有良好的基礎，但科學、技術和人文素質教育還比較薄弱；在跨學科教育和新興科技知識方面還有明顯的欠缺；工科學生有一定的問題解決技能和學習策略，但核心能力培養(yǎng)還有待加強；學生已初步認識到復雜性科學與工程教育融合的重要性和必要性。因此，有必要借鑒復雜性科學的理念與方法，全面改革傳統(tǒng)的工程教育模式與課程體系，以主動適應復雜多變的世界。

關鍵詞：復雜性科學；高等工程教育；工科學生

一、引言

進入21世紀，經(jīng)濟全球化和信息網(wǎng)絡化促使社會在政治、經(jīng)濟、文化和科學技術方面飛速發(fā)展，世界變得更加復雜多樣。現(xiàn)代工程問題常常成為全球經(jīng)濟中的區(qū)域性問題或全球性問題的子系統(tǒng)問題，與政治、經(jīng)濟、文化和倫理等方面密不可分(見圖1)，必須通過跨學科合作才能解決[1]。

當今的高等工程教育正面臨著過去從未遇到過的挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)代工程問題更多的是大型復雜系統(tǒng)問題。這要求工程師與非工程專家(如政治家、經(jīng)濟學家、社會學家等)和社會公眾協(xié)同合作來解決。其次是大量的跨學科問題。這要求工程師除了掌握數(shù)學、物理、工程科學等傳統(tǒng)課程外，還需要了解生物、環(huán)境、微電子技術、納米技術、政治、經(jīng)濟、文化、法律、倫理等知識。再次是經(jīng)濟全球化和信息網(wǎng)絡化等引發(fā)的全球廣泛合作問題。這要求工程師必須學會在多元化的團隊中共同工作，能夠與不同文化和宗教信仰的技術與非技術人員進行有效交流。最后是工業(yè)界對工科畢業(yè)生提出了新的期望，即要求未來的工程師應具有解決復雜系統(tǒng)問題的核心能力而不是過多的陳舊知識[2-3]。

圖1　復雜系統(tǒng)中的工程

然而，傳統(tǒng)的高等工程教育體系卻跟不上時代發(fā)展的步伐。首先，目前的工程教育模式仍然是大批量流水線生產模式。雖然每年理工科畢業(yè)生數(shù)量高達100多萬人，但是培養(yǎng)出的學生的知識和能力結構幾乎是相似的，學生的獨特個性常常受到壓制，個人智力和領導力的潛能得不到發(fā)揮。其次，我國的高等工程教育課程體系過于強調技術性內容，嚴重忽視了實際工程中的非技術因素，如政治、經(jīng)濟、文化和倫理等方面，導致目前的工科大學生人文素質教育和跨學科教育明顯薄弱。最后，我們的教學以老師授課模式為主，以解決假設情景問題為主要內容，以提供更多的知識為目的，忽視了基于“真實世界”問題的探究性學習，沒有培養(yǎng)學生學會學習和批判性思維[4-5]。

為了主動適應復雜多變的世界，從復雜性科學的角度重新審視和改造傳統(tǒng)的工程教育模式與課程體系十分必要。我們應該著力培養(yǎng)學生的核心能力、好奇心和想象力，而不是灌輸陳舊過時的知識；培養(yǎng)學生解決答案未知的復雜系統(tǒng)問題的技能和方法，而不是提供解決方案與答案；教會他們應對不確定性問題的策略，而不只是提供相應的知識和技術[6-9]。

本研究的目的是從工科學生的視角，探究目前復雜性科學與本科工程教育的融合程度，以及他們所期望的兩者應該融合的程度。本研究將具體回答以下三個問題：從工科學生的視角來看，目前本科工程教育與復雜性科學的融合程度如何？從工科學生的視角來看，工程教育體驗應該使未來的工程師具有哪些解決復雜性問題的核心能力？與美國和澳大利亞的調研結果相比，我國高等工程教育課程體系有哪些不足?

二、方法

(一)對象

本次調查以重慶某工科高校3～4年級本科生為研究對象，進行隨機抽樣調查。共發(fā)放問卷480份，回收問卷446份，問卷回收率92.92%。經(jīng)過認真篩選，剔除無效問卷24份，得到有效問卷422份，問卷有效率87.92%。有效參與調查的本科學生總數(shù)為422人，涉及土木工程、港航工程、地質工程、工程管理、工程造價、交通工程、信息科學7個工程專業(yè)。其中：三、四年級學生分別有279和143人；女生110人，男生312人。

(二)工具

本次調查采用南卡羅來納大學機械工程系Kellam等人編制的問卷作為調查工具[10]。調查問卷經(jīng)直接翻譯并略作修改后采用。中文問卷分成五個部分共52個問題，分別是：

第一部分是一道多項選擇題，有9個選項，題干是“在目前接受的大學教育中，本科學生在哪些方面打下了扎實的基礎”，調查學生在數(shù)學、科學、工程、技術、人文社科基礎、計算機應用、外語和寫作等重要基礎方面已具備的知識和能力。

第二部分和第三部分采用六級里克特量表，選項分別是“從來沒有”“幾乎沒有”“有時”“不太頻繁”“頻繁”和“非常頻繁”。 第二部分的題干是“在課程學習中，學科課程涉及跨學科知識、新興科技成果、系統(tǒng)工程和信息素養(yǎng)等內容的頻度如何”，共11道題目。第三部分的題干是“在專業(yè)教育中，學科課程涉及通識教育內容的頻度如何”，共8道題目。

第四、五部分采用六級里克特量表，選項分別是“完全不同意”“不同意”“有點不同意”“有點同意”“同意”和“完全同意”。第四部分的題干是“高等工程教育體驗使目前的大學生在復雜性思維、核心能力和跨學科知識等方面已經(jīng)達到什么樣的程度”，共16道題目。第五部分的題干是“高等工程教育體驗應該能使未來的畢業(yè)生在復雜性思維、核心能力和跨學科知識等方面達到怎樣的程度”，共16道題目。

(三)過程

本次調查由課題組成員擔任施測人，采用團體施測的方式。先取得被試口頭同意后再發(fā)放問卷，測試使用統(tǒng)一指導語詳細說明測試的目的、方法以及保密原則。被測試學生在教室內集中填寫，完成問卷時間約為 10～15分鐘，問卷填完后由施測人現(xiàn)場集中回收。

(四)數(shù)據(jù)處理

用SPSS 18軟件統(tǒng)計處理和分析調查數(shù)據(jù)，進行描述性統(tǒng)計分析、t檢驗和相關分析。

三、結果和討論

問卷的第一部分旨在調查目前的工程教育為工科學生提供了什么樣的科學、技術、工程和數(shù)學(STEM)教育與人文素質教育。根據(jù)學生的回答，統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，52%的學生在數(shù)學方面有良好的基礎，36%的學生在工程方面具有良好的基礎，29%的學生在物理方面獲得良好的教育，只有21%的學生在人文社科方面打下了良好的基礎，15%的學生在寫作方面具有良好的基礎，7%的學生在生命科學方面獲得良好的教育。與美國、澳大利亞的調查結果對比發(fā)現(xiàn)，我們的工科學生在大部分項目上表現(xiàn)較弱[1]?？傮w來說，學生們的這種低比例回答反映出我國的工程教育中，STEM教育和人文素質教育還很薄弱，跨學科教育的基礎平臺還沒有建立起來。這一點應該引起我國高等工程教育界的高度重視，因為STEM教育水平是衡量國家實力的一項重要指標，而人文素質教育與跨學科教育也是21世紀高等工程教育的必然選擇[11]。

問卷的第二部分旨在了解目前的工程教育課程體系與教學是否關注跨學科、新興學科、先進技術與信息技術等內容。調查的具體內容有：先進制造技術、低碳材料與智能材料、可替代能源系統(tǒng)及技術、全球化與區(qū)域發(fā)展、生物工程、關鍵基礎設施、生物多樣性及自然保護、信息素養(yǎng)與信息技術、微電機械系統(tǒng)、納米科學與技術、現(xiàn)代運輸系統(tǒng)等11個方面。研究測得第二部分量表的內部一致性Cronbach’s α值為0.857。

根據(jù)學生們的回答，統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，我國的工程教育較少涉及跨學科、先進制造技術和新興學科知識。在美國的調查統(tǒng)計中也出現(xiàn)了類似的結果，但是澳大利亞的調查結果要好于中美兩國的調查結果[1]。總體來說，學生們的回答反映出在我們的工程教育中，學科課程只是部分地涉及到了現(xiàn)代運輸系統(tǒng)、關鍵基礎設施、信息素養(yǎng)與信息技術等內容，但是很少涉及知識集成、學科交叉、新興科技與全球合作等復雜性主題。這說明我國高等工程教育仍然是學科面過窄的傳統(tǒng)工程教育模式。調查結果意味著我國工程教育應該加大跨學科和新興學科知識的融合，在確保傳統(tǒng)專業(yè)教育深度的基礎上拓寬跨學科和交叉學科的知識領域，密切工程教育與新興科技的聯(lián)系。

問卷的第三部分旨在調查工科大學生是否意識到工程領域與社會、經(jīng)濟、文化等之間的聯(lián)系，以及工程教育與人文素質教育之間的密切關系。具體調查內容有8個方面：美學、文化、經(jīng)濟、地球系統(tǒng)與環(huán)境、倫理、法律、邏輯推理與批判性思維、社會規(guī)范。測得第三部分量表的內部一致性Cronbach’s α值為0.846。

根據(jù)學生們的回答，統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，我國工程教育“有時”涉及經(jīng)濟、社會規(guī)范、法律、批判性思維、文化、環(huán)境等內容，“幾乎沒有”涉及美學、倫理的內容。與美國、澳大利亞的調查結果對比發(fā)現(xiàn)，我們的調查與他們在多個方面基本上一致，但在美學、倫理教育方面顯得較弱[1]?？傮w來說，學生們的回答反映出在當前的工程教育中，學科課程只是部分涉及到了社會、經(jīng)濟、文化、法律等內容，學生的人文素質教育仍然不足，學生明顯缺乏全球經(jīng)濟中的工程意識。這是我國高等工程教育的嚴重缺陷之一。我們應該意識到，工程教育不僅要強調工程系統(tǒng)問題的“硬”技術方面，也需要強調工程系統(tǒng)問題的倫理、環(huán)境、美學、經(jīng)濟等“軟”文化方面[12]。

問卷的第四部分目的在于了解工科學生對自身所具有的核心能力水平的自我判斷。具體調查內容有16個方面：應用平衡思維解決問題或做出決策，分析和綜合復雜系統(tǒng)，將所學知識和技能應用于“真實世界”情形，應用跨學科知識，有效地進行口頭和書面交流，合理有效地使用信息資源與技術，有效地溝通，從事終身學習，解決復雜且開放的系統(tǒng)問題，批判性的思考，容忍不確定性，了解風險評估，在多元文化團隊中共同工作，在跨學科團隊中協(xié)同工作，對他人保持開放并理解他人，樹立地球公民意識并保護自然環(huán)境。第四部分量表的內部一致性Cronbach’s α值為0.881。

根據(jù)學生們的回答，統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，他們回答“同意”的項目有：在多元文化團隊中共同工作，在跨學科團隊中協(xié)同工作，對他人保持開放并理解他人，樹立地球公民意識并保護自然環(huán)境；回答“有點同意”的有：應用平衡思維解決問題或做出決策，分析和綜合復雜系統(tǒng)，將所學知識和技能應用于“真實世界”情形，應用跨學科知識，有效地進行口頭和書面交流，合理有效地使用信息資源與技術，有效地溝通；回答“有點不同意”的有：容忍不確定性、解決復雜且開放的系統(tǒng)問題。與美國、澳大利亞的調查結果對比發(fā)現(xiàn)，我們的學生大多數(shù)項目低于美、澳兩國的結果，在容忍不確定性、解決復雜開放系統(tǒng)問題方面更弱[1]?？傮w來說，學生們的回答反映出在當前的工程教育中，學生已經(jīng)掌握了一定的問題解決技能和學習策略，但他們在應對不確定性和復雜系統(tǒng)問題、口頭與書面交流、批判性思維、團隊協(xié)作等方面還有明顯的不足。這也是我國高等工程教育的另一嚴重缺陷。我們應該強烈意識到，要想培養(yǎng)面向21世紀的未來工程師，最重要的任務是培養(yǎng)他們解決復雜系統(tǒng)問題的核心能力，使他們成為終身學習者、復雜系統(tǒng)思維者和創(chuàng)造性問題解決者[13]。

問卷的第五部分目的在于了解工科學生對未來工程師應該具有的解決復雜系統(tǒng)問題核心能力的評價。具體的調查內容有16個方面：掌握復雜性思維，分析復雜的系統(tǒng)，綜合復雜的系統(tǒng)，應用跨學科知識，解決復雜且開放的系統(tǒng)問題，創(chuàng)造性地制定地區(qū)或全球子系統(tǒng)問題的解決方案，有效地進行口頭和書面交流，合理有效地使用信息資源與技術，批判性地思考，從事終身學習，容忍不確定性，了解風險評估，在多元文化團隊中共同工作，在跨學科團隊中協(xié)同工作，對他人保持開放并理解他人，樹立地球公民意識并保護自然環(huán)境。第五部分量表的內部一致性Cronbach’s α值為0.938。

根據(jù)學生們的回答，統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，他們回應“完全同意”的幾乎沒有，絕大部分同學選擇“同意”和“有點同意”。與美國、澳大利亞的調查結果對比發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在明顯的差異[1]?？傮w來說，學生們的回答反映出，他們已經(jīng)認識到將學生的核心能力作為學業(yè)成就評價標準的重要性，也認識到將復雜系統(tǒng)思維融合到工程教育中的必要性，但是學生們的認識還不夠深刻和清晰。

對比發(fā)現(xiàn)，問卷的第四部分和第五部分探討的是相同的主題，即工科學生的核心能力與應對復雜性問題的能力。兩者不同的是，第四部分調查的是目前學生所具有的能力，而第五部分調查的是未來工程師應該具備的能力，即目前工科學生對這些能力的重要性的評價。對比表明，學生認為應對復雜性問題的核心能力是重要的，也是必要的。

四、結論與建議

美國國家工程院院長威廉·沃爾夫曾經(jīng)指出，隨著世界變得越來越復雜，工程師必須比以往更加了解工程技術的人文因素，深刻認識各種全球性問題，敏銳于文化的多樣性，并且知道如何有效地進行溝通[14]。本研究的調查結果及其與美、澳調研結果的對比分析表明，我國高等工程教育與復雜性科學的融合程度還不夠，我們有必要對傳統(tǒng)工程教育模式與課程體系進行全面改革，以主動適應復雜多樣、快速多變的世界。美國喬治亞大學工程教育改革的經(jīng)驗表明，基于復雜性科學的高等工程教育模式是培養(yǎng)未來工程師的一種可行方案。

我們建議以目前的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”為基礎，進行工程教育與復雜性科學深度融合的改革試點，全面改造傳統(tǒng)的線性工程教育模式，探索以核心能力發(fā)展為目標的非線性工程教育新模式。

本研究的調查樣本規(guī)模還不夠大，學校、工程專業(yè)和工科大學生樣本的代表性和典型性也有較大的局限，所以本文得出的結論不足以做出過度概括的結論。另外，中文版調查問卷的信度和效度還需做進一步的檢驗。在以后的研究中，有必要針對工程專業(yè)的教師、工程學院的院長，以及工程界的領導者和工程師進行廣泛調查，了解他們對復雜性科學與工程教育融合程度的認識與建議。另外，還需擴大調研的范圍，以便做進一步的對比研究。

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(責任編輯：張璠)

Integrating Complex Science into Higher Engineering Education

ZHOU Kaifa, ZENG Yuzhen

(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract：This study investigated whether the complex science was integrated or should be integrated into current undergraduate engineering education from the perspective of the students by a questionnaire and its analysis using SPSS to 422 undergraduate engineering students from a university in Chongqing, and compared the relative studies in the US and Australia. It’s found that:the students lay a good foundation in mathematics, physics and engineering of our engineering education, but the science technology education and the general education for engineering students are still weak;undergraduate engineering education is deficient in interdisciplinary education and emerging technology;the students have mastered some problem solving skills and learning strategies, but the comprehensive training of core competencies is not emphasized enough;however, the students have come to realize the importance and necessity of incorporating complexity science into engineering education model and the undergraduate’s engineering curriculum. Therefore, there is need for a transformation of traditional engineering education model and a change in the current engineering curriculum, in order to adapt to the complicated and changeable world.

Key words：complexity science; higher engineering education; engineering student

*收稿日期：2016-01-30；

修訂日期：2006-03-02

基金項目：教育部人文社會科學研究西部和邊疆地區(qū)規(guī)劃基金項目“基于復雜性科學的大學課程與課堂教學變革研究”(13XJA880008)；重慶市社會科學規(guī)劃一般項目“云計算時代高等教育變革研究”(2015YBJY061)；重慶市教委教育教學改革重大項目“基于‘四個核心能力’的高等工程教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究與實踐”(131011)

作者簡介：周開發(fā)(1963—)，男，江西貴溪人，重慶交通大學土木工程學院副教授，研究方向：高等教育中的復雜性、面向多主體的教育及仿真、批判性思維；曾玉珍(1964—)，女，江西吉安人，重慶交通大學圖書館副研究館員，研究方向：圖書情報、信息素養(yǎng)教育和學習理論。

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1674-0297(2016)03-0103-05