C.D. Mote Jr.

Regents Professor, University of Maryland, USA; Past President, US National Academy of Engineering, USA

序言

工程學(xué)的基本使命是“為用戶進行創(chuàng)造”，這一使命已經(jīng)毫不動搖地為人類、史前人類和其他生命形式，如昆蟲、魚類、鳥類和哺乳動物服務(wù)了數(shù)億年。人類工程學(xué)與其他生命形式工程學(xué)的不同之處在于，人類具有一種獨特的能力，能夠去設(shè)想“為用戶進行創(chuàng)造”，然后進行創(chuàng)造并最終實現(xiàn)，以滿足重要的“用戶需求”。其他生命形式很可能是通過進化過程從前輩那里學(xué)到了工程創(chuàng)造，如建造蟻穴、蜂巢和鳥巢。它們的創(chuàng)造更多的是對早期經(jīng)驗的學(xué)習(xí)復(fù)制，而不是運用智力應(yīng)對新境遇。沒有開辟新領(lǐng)域的用戶進步限制了物種的進步。以上的生命形式是所有工程學(xué)用戶種類中的典范，但只有人類工程學(xué)才能帶來引領(lǐng)顯著的用戶進步的新的創(chuàng)造。

現(xiàn)代人類有30萬年的歷史，人類的語言可以追溯到5萬年前，而智人在350萬年前就從巖石上鑿出了鋒利的工具。350萬年前，人類在所有生命形式中的地位并不突出。經(jīng)過人類不斷地“為用戶進行創(chuàng)造”，通過新的想法、能力和價值來滿足“用戶需求”，從而促進人類的生活、知識和繁榮，人類在生命形式中的地位逐漸突出。其他生命形式無法與人類競爭，因為它們在思想、機會、行動和理解自身需求方面的適應(yīng)能力有限。人類工程學(xué)帶來的如今的物種進步而不是滅絕的故事漫長且具有優(yōu)勢。因此在數(shù)千年后的21世紀(jì)，我們可以提問，人類工程學(xué)應(yīng)該如何利用其全球主導(dǎo)地位來保護而不是剝削地球。這是本文背后的終極問題。

概述

20世紀(jì)是一個工程成就非凡的時期，世紀(jì)之交激發(fā)了美國國家工程院（NAE）與27個美國專業(yè)工程協(xié)會合作，表彰、排名和紀(jì)念其前20名的工程成就。NAE [1]在2003年發(fā)布了成就卷，題名為《百年創(chuàng)新——改變我們生活的20項工程成就》（A century of innovation: twenty engineering achievements that transformed our lives），并在網(wǎng)站http://www.greatachievements.org/上進行了總結(jié)。該成就卷配有當(dāng)時的照片，加深了人們對那個時期的了解，并使公眾能夠獲得相關(guān)的信息。專業(yè)協(xié)會將這些成就按其重要性由高到低依次排列，最后的綜合排名如表 1所示。這份榜單對許多人來說是鼓舞人心的，因為這些成就都是在短短100年間內(nèi)取得的。

在該卷出版后，21世紀(jì)的工程創(chuàng)新立刻就成為了人們的興趣所在，因為這是一個技術(shù)變革加速的世紀(jì)。因此，在2007年NAE成立了一個由18人組成的國際委員會?，由斯坦福大學(xué)的William Perry擔(dān)任主席，他們設(shè)想了21世紀(jì)可能會有哪些非凡的工程創(chuàng)造。然而，委員會的結(jié)論是，在新世紀(jì)要可信地確定非凡的工程創(chuàng)造并為其排名只能靠回顧實現(xiàn)，21世紀(jì)的加速變革使得人們甚至無法預(yù)測變化最大的領(lǐng)域，更不用說預(yù)測其中最重要的領(lǐng)域。作為一種替代方法，委員會提出，他們可以根據(jù)目前對這個時代的工程挑戰(zhàn)的理解，發(fā)表“21世紀(jì)工程領(lǐng)域需要實現(xiàn)的目標(biāo)”，這并不是一件微不足道的事。

當(dāng)委員會著手這份聲明時，它認識到了21世紀(jì)工程領(lǐng)域預(yù)測的兩個附加的限制。首先，在2007年，工程學(xué)已經(jīng)是一項全球性的事業(yè)，而不是地方性或國家性的，因此百年的工程學(xué)愿景必須放眼全球——這是歷史上的第一次。其次，工程學(xué)的每個領(lǐng)域和規(guī)模都可以用4個英文單詞來描述，從而將工程的技術(shù)部分“創(chuàng)造（creation）和解決方案（solutions）”與工程的用戶部分“人（people）和社會（society）”聯(lián)系起來。然而，在整個20世紀(jì)和更早的時候，在美國的工程教育中只有兩個詞，即“創(chuàng)造”和“解決方案”，被用來描述工程學(xué)，在許多人的腦海中工程學(xué)本身亦是這樣。如圖1所示，相比用戶部分，工程學(xué)的技術(shù)部分占主導(dǎo)地位。

表1 20世紀(jì)工程成就排名

圖1. 工程學(xué)的技術(shù)和用戶基礎(chǔ)。

半個世紀(jì)前，我是工程系的一名學(xué)生，當(dāng)時許多學(xué)生被工程學(xué)吸引，原因是這樣他們就不必與“人和社會”（人的組織）打交道。工程教育中的人文和社會科學(xué)部分明顯處于次要地位，甚至與技術(shù)部分脫節(jié)。這一現(xiàn)實已經(jīng)造成了眾所周知的負面結(jié)果。首先，工程教育使工程學(xué)學(xué)生與工程學(xué)用戶脫節(jié)，以及工程學(xué)用戶與工程脫節(jié)。由于沒有認識到工程學(xué)的確切責(zé)任是服務(wù)用戶、人民和社會，因此工程教育是不完整的，更糟糕的是工程教育甚至具有誤導(dǎo)性。對美國公眾關(guān)于工程學(xué)看法的定期調(diào)查證實，大多數(shù)公眾不相信工程師會關(guān)心社會問題。其次，要糾正《21世紀(jì)工程學(xué)重大挑戰(zhàn)》（Grand Challenges for Engineering in the 21stCentury）愿景（vision）中對工程學(xué)認識的不足，必須在工程學(xué)系統(tǒng)愿景陳述中將用戶部分作為工程學(xué)的目標(biāo)突出顯示。

下面的愿景陳述是工程學(xué)系統(tǒng)解決方案的目的，該解決方案通過對象目標(biāo)的滿足來達到用戶的需求。共同創(chuàng)建的工程設(shè)計及其性能和操作規(guī)范陳述了系統(tǒng)的愿景、目的和目標(biāo)的順序，如圖2所示。

Perry委員會的主要任務(wù)是為工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)創(chuàng)建一個長達百年的全球性愿景，確定工程的技術(shù)部分，即“創(chuàng)造和解決方案”明確地服務(wù)于用戶部分，即“人和社會”。對這個問題的愿景陳述表達了他們的工程系統(tǒng)解決方案的目標(biāo)為“人和社會”。這份聲明抓住了對用戶的關(guān)鍵承諾——全球愿景；地球上人類生命的延續(xù)；在可持續(xù)性、安全性、健康和生活樂趣或某種程度的生活質(zhì)量方面向用戶提供更好的服務(wù)。

圖2中提到的目的是專門選擇的“技術(shù)計劃”，當(dāng)與通過目標(biāo)獲得的解決方案結(jié)合在一起時，能確保滿足上述愿景陳述，即對用戶的關(guān)鍵承諾。目的的數(shù)量和說明超越了滿足愿景所需的結(jié)果。實現(xiàn)愿景的特定目的不一定是唯一的。當(dāng)把這些目標(biāo)放在一起時，其可在指定的輸入范圍內(nèi)滿足每個目的。共同創(chuàng)建的工程設(shè)計及其性能和操作規(guī)范構(gòu)成了系統(tǒng)的愿景、目的和目標(biāo)。

圖2. 愿景、目的和目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)與角色。

愿景—工程學(xué)重大挑戰(zhàn)

根據(jù)委員會的審議和結(jié)論，愿景提出了工程學(xué)重大挑戰(zhàn)的目標(biāo)，或者簡明扼要地說，是“21世紀(jì)工程學(xué)需要實現(xiàn)的”用戶問題。該愿景保證用戶從工程、人民和社會問題中受益，但沒有規(guī)定實現(xiàn)這些的技術(shù)問題。因此，愿景是工程系統(tǒng)解決方案中一般用戶可以理解的非技術(shù)部分。因為針對目的所提出的技術(shù)基礎(chǔ)會實現(xiàn)愿景，愿景是系統(tǒng)問題的基礎(chǔ)。沒有愿景，系統(tǒng)解決方案就沒有指定的目標(biāo)。我直接根據(jù)Perry委員會的報告和其中提供的材料以及這里提出的目的起草了上面的愿景聲明。Perry委員會報告沒有提出愿景，但如果它提出了愿景，很可能與這里的愿景相似。這些目的是委員會報告中的技術(shù)部分，其單獨的解決方案在設(shè)計上將滿足愿景中要求的用戶需求。表2中所示的通過創(chuàng)造解決方案來滿足的14個獨立的目的被稱為工程學(xué)的重大挑戰(zhàn)。

在選擇幫助討論這一點的極端情況下，在任何地方實現(xiàn)這一愿景聲明都將通過提高可持續(xù)性、安全性、健康和生活樂趣或生活質(zhì)量來改善地球上人類的生活。雖然實現(xiàn)這一愿景聲明將在這4個領(lǐng)域推動地球的發(fā)展，但該聲明沒有聲稱要根除或避免影響任何問題。地球上的生命在這4個領(lǐng)域中的進步并不排除局部進步的不平衡。然而，這些愿景確實解決了工程如何通過滿足目的和達成目標(biāo)來明確地服務(wù)于“人和社會”。

目的—工程學(xué)重大挑戰(zhàn)

表2中呈現(xiàn)的目的是由重大挑戰(zhàn)委員會確定的技術(shù)問題，其同步解決方案滿足實現(xiàn)可持續(xù)性、安全性、健康和生活樂趣的愿景要求。如果目的的解決方案范圍擴大，則愿景的滿意度范圍也會擴大，反之亦然。對于那些不能同時獲得目的解決方案的領(lǐng)域，愿景的實現(xiàn)需要在個例的基礎(chǔ)上進行評估。

Perry委員會發(fā)現(xiàn)，為領(lǐng)域中的14個目的創(chuàng)建解決方案是實現(xiàn)愿景所需的最低要求。當(dāng)你回顧這些目的時，你能將它們與滿足4個愿景期望（可持續(xù)性、安全性、健康和生活質(zhì)量）中的一個或多個聯(lián)系起來。推進目的的解決方案可以提高愿景和用戶目標(biāo)的滿意度以及對“人和社會”的服務(wù)。其他目的也可以確保實現(xiàn)愿景，因此可能是實現(xiàn)愿景的備選方案。目的不一定是唯一的，其他候選因素如成本、可用性、可靠性、安全性等可能成為有吸引力的替代選項。

目標(biāo)—工程學(xué)重大挑戰(zhàn)

愿景和目的建立之后，將通過目標(biāo)為每個目的創(chuàng)建解決方案，如圖2所示。但是，Perry委員會未提出實現(xiàn)每個目的相對應(yīng)的目標(biāo)，也未提出實現(xiàn)該愿景的每個目標(biāo)的相對重要性。

我們建議為這些目標(biāo)提出兩種不同但都合理的解決方案。其中一種方案是把每個目的的目標(biāo)當(dāng)成一個“工程系統(tǒng)問題”。此方案的A組工程師團隊已擁有為目的開發(fā)目標(biāo)解決方案所需的必備能力，如圖2所示。另外B組工程師團隊當(dāng)前尚不具備為該目的開發(fā)目標(biāo)解決方案所需的能力，因此，B組團隊的目標(biāo)將需要先準(zhǔn)備承擔(dān)實施工程系統(tǒng)計劃的適合勞動力，隨后開發(fā)出目標(biāo)解決方案。因為這是一個長期的、全球性的問題，所以選用尚未具備實現(xiàn)目標(biāo)所需的能力的勞動力（B組），或者選用已具備實現(xiàn)目標(biāo)所需的能力的勞動力（A組），似乎都是可行的選擇。最終，B組將為A組提供勞動力，或者他們將簡單地合并。

表2 21世紀(jì)工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)

圖3. 目標(biāo)通過A組和B組實現(xiàn)各自目的的路徑。

重大挑戰(zhàn)學(xué)者計劃—打造人才團隊

2008年，在NAE發(fā)布的《21世紀(jì)工程學(xué)重大挑戰(zhàn)》[2]中，Perry委員會僅在其中提出了愿景和目的，卻沒有對目的的實現(xiàn)、排名或?qū)嵤┻M行討論，也沒有為重大挑戰(zhàn)提供解決方案，而是將目的解決方案和愿景實施的問題遺留給后人。之后，Thomas Katsouleas先生（杜克大學(xué)工程系主任）、Yannis Yortsos先生（南加州大學(xué)工程系主任）和Richard Miller先生（歐林工程學(xué)院前校長）得出結(jié)論：如果21世紀(jì)工程領(lǐng)域的發(fā)展方向要朝著實現(xiàn)《21世紀(jì)工程學(xué)重大挑戰(zhàn)》中的愿景和目標(biāo)的方向邁進，那么現(xiàn)在是時候?qū)⒐こ虒W(xué)學(xué)生和工程學(xué)教育系統(tǒng)引入其中。如果這些挑戰(zhàn)要對21世紀(jì)的工程學(xué)產(chǎn)生影響，那么現(xiàn)在的學(xué)生未來將可能成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的工程師。因此，他們實施了重大挑戰(zhàn)學(xué)者計劃（GCSP）。當(dāng)前的工程教育課程總體上缺少對學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備應(yīng)對工程學(xué)重大挑戰(zhàn)風(fēng)險所需的理解力和職業(yè)素質(zhì)要求，因此這一計劃旨在著重培養(yǎng)工程專業(yè)學(xué)生的這一素質(zhì)。GCSP有潛力推動工程學(xué)和工程學(xué)教育成為21世紀(jì)社會需求的中心。

GCSP是對現(xiàn)有所有工程項目的補充，旨在培養(yǎng)多文化、多學(xué)科的學(xué)生團隊，以創(chuàng)建全球性問題的解決方案，從而為人類和社會服務(wù)。簡而言之，GCSP培養(yǎng)學(xué)生擁有面對工程學(xué)重大挑戰(zhàn)的全球視野。自2009年提議以來，GCSP的大學(xué)成員不斷增加。

圖4顯示了GCSP計劃的4個特征。這些特征對于重大挑戰(zhàn)的最終成功至關(guān)重要。首先，GCSP是對任何國家/地區(qū)的任何大學(xué)提供的任何傳統(tǒng)工程項目的補充。該計劃幫助學(xué)生理解和準(zhǔn)備當(dāng)今時代協(xié)作性、多文化、多學(xué)科的全球工程行動，如（但不限于）工程學(xué)重大挑戰(zhàn)。作為一個教育橋梁，GCSP將每個國家的工程項目擴展到全球范圍。其次，該項目促進學(xué)生對工程學(xué)重大挑戰(zhàn)的理解，從而為之后他們激勵全球社區(qū)的工作奠定基礎(chǔ)。再次，工程學(xué)重大挑戰(zhàn)的愿景的采納實際上取決于GCSP在全球范圍內(nèi)的成功擴展，因為未來將由這些學(xué)生及其繼任者把工程學(xué)重大挑戰(zhàn)思想推廣到全世界的社區(qū)、大學(xué)和社會。通過這樣做，他們可以幫助塑造全球工程教育的未來。最后，那些完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，并希望繼續(xù)以專業(yè)人士和（或）志愿者的身份與GCSP結(jié)盟的學(xué)生，將有機會通過不斷壯大的GCSP社區(qū)支持未來的學(xué)生。

為了方便執(zhí)行，GCSP必須清晰、簡單并要注重學(xué)生的必備核心能力，而當(dāng)前一般的工程學(xué)課程并沒有這種要求。學(xué)生的能力是從教育經(jīng)歷中獲得的。對于學(xué)生而言，GCSP并不是關(guān)于計劃的管理。每個參與GCSP的大學(xué)管理者管理自己相應(yīng)的課程。每所大學(xué)在以下方面擁有自主決定權(quán)：學(xué)生錄取、教學(xué)方法、評估學(xué)生能力的方法；依據(jù)學(xué)生在每項能力頒發(fā)重大挑戰(zhàn)學(xué)者證書；向美國NAE主席推薦有資格獲得重大挑戰(zhàn)學(xué)者獎的學(xué)生等。NAE主席會以個人祝賀信的形式認定每位合格的學(xué)生為重大挑戰(zhàn)學(xué)者。

若申請舉辦GCSP，請訪問GCSP網(wǎng)站（www.engineeringChallenge.org/GrandChallengesScholarsProgram.aspx）。申請者需要提供大學(xué)選拔學(xué)生計劃的信息，以確保學(xué)生5項能力（圖4）的培養(yǎng)發(fā)展以及計劃的成功舉辦。

學(xué)生能力

如圖4所示，GCSP能力是對現(xiàn)有任何教育計劃的補充，可以幫助學(xué)生在全球范圍內(nèi)與其他國家的學(xué)生和專業(yè)人士參與聯(lián)合工程合作?? 絕大多數(shù)工程教育項目都是在本國文化中培養(yǎng)學(xué)生從事工程工作，盡管工程作為一項全球性事業(yè)，但幾乎可以確保如今的工程學(xué)學(xué)生在21世紀(jì)能夠在全球范圍內(nèi)工作，無論他們是否相信這一點。? 編者注：經(jīng)查，是荀子的名句。。這是21世紀(jì)工程學(xué)要求的一項重要能力。該計劃的基礎(chǔ)是學(xué)生成績，而不是行政運行程序，因此任何計劃都可將其作為教育補充。每所大學(xué)自主決定其行政程序并自主決定學(xué)生錄取、課程準(zhǔn)備，以及學(xué)生在5項能力領(lǐng)域（圖4）中每個領(lǐng)域的最終能力（通常大多數(shù)都不是工程學(xué)課程的正常組成部分）。

通過與來自不同文化、不同學(xué)科和不同觀點視角的人相互交流，學(xué)生最終能夠真正理解這5項能力。早在兩千多年前，孔子針對這一點提出建議：“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。”?? 絕大多數(shù)工程教育項目都是在本國文化中培養(yǎng)學(xué)生從事工程工作，盡管工程作為一項全球性事業(yè)，但幾乎可以確保如今的工程學(xué)學(xué)生在21世紀(jì)能夠在全球范圍內(nèi)工作，無論他們是否相信這一點。? 編者注：經(jīng)查，是荀子的名句。要理解通過個人參與獲得的能力，不僅僅需要聆聽、閱讀、寫作或分擔(dān)責(zé)任。在當(dāng)今全球互聯(lián)的世界里，為了成功開展合作，人際交往強調(diào)了適應(yīng)的復(fù)雜性和必要性。

圖4. 重大挑戰(zhàn)學(xué)者計劃概述。

每所主辦大學(xué)都擁有并運行其批準(zhǔn)的GCSP。以重大挑戰(zhàn)為主題的計劃設(shè)計將確保5項能力之間的一致性和連通性。GCSP不是規(guī)定性的計劃。它以結(jié)果為基礎(chǔ)并且運行靈活。“21世紀(jì)工程師”的理念確保了機構(gòu)執(zhí)行計劃的靈活性。

NAE的作用是去激發(fā)和促進運動、倡導(dǎo)愿景、召集利益相關(guān)者和有關(guān)方面、參與社區(qū)互動和變革。NAE對GCSP的運作不承擔(dān)任何責(zé)任，也不為任何GCSP提供資金支持。它主持批準(zhǔn)新計劃的舉辦、存檔記錄并定期主持區(qū)域會議。它還為所有的GCSP舉辦年度會議，其中包括可能對計劃的發(fā)展感興趣的相關(guān)方。它還可以促進對GCSP的理解和在全球范圍內(nèi)擴展，以幫助促進GCSP的最終成功。然而，每項GCSP都獨立于NAE和其他GCSP。

GCSP網(wǎng)絡(luò)

截至2019年12月16日，美國有75個大學(xué)組織開展了已批準(zhǔn)的或正在審查的GCSP，另外有83所大學(xué)表示有興趣開展該計劃。在國際上，有17所大學(xué)計劃已經(jīng)批準(zhǔn)或正在審查中，另外53所大學(xué)正處于探索創(chuàng)建計劃過程中。已批準(zhǔn)或即將獲取批準(zhǔn)的國際計劃分別位于阿布扎比酋長國，澳大利亞，巴西，加拿大，中國內(nèi)地、香港和臺灣，意大利，印度，黎巴嫩，馬來西亞，荷蘭，羅馬尼亞，新加坡和英國。其他國家和地區(qū)，如哥倫比亞、印度尼西亞、以色列、愛爾蘭、哈薩克斯坦、俄羅斯、韓國和越南，也正在探索開發(fā)該計劃。

一個由重大挑戰(zhàn)獎學(xué)金項目組成的全球生態(tài)系統(tǒng)，作為一個由多種多樣、獨立、獨特的項目組成的網(wǎng)絡(luò)，與其他有興趣采用相互學(xué)習(xí)的最佳實踐的項目形成共生關(guān)系，是非常可取的。通過GCSP在全球范圍內(nèi)擴展這一生態(tài)系統(tǒng)以接觸到更年輕的工程師，這也是實現(xiàn)重大挑戰(zhàn)的全球?qū)嵤┑囊粋€重要契機。

工程專業(yè)的學(xué)生將GSCP視為工程界及其專業(yè)未來的發(fā)展方向，并對全球GCSP表示出最大的興趣。GCSP為學(xué)生帶來了前所未有的機會，如：

· 致力于全球視野和全球解決方案；

· 引入“人和社會”，提出全球工程解決方案，作為工程界的期望；

· 認識到文化對工程解決方案的可行性至關(guān)重要；

· 認識到經(jīng)濟因素往往是解決方案是否可行的決定性因素；

· 認識到多學(xué)科、多文化的工程團隊對復(fù)雜的系統(tǒng)解決方案的變革性；

· 準(zhǔn)備在全球范圍內(nèi)從事重大挑戰(zhàn)以外的工程事業(yè)；

· 認識到工程計劃愿景可控的原因。

細致觀察

（1）工程學(xué)重大挑戰(zhàn)是由地方解決方案組成的一項全球計劃。該計劃跨越全球，或者即使在一個小的國家內(nèi)，GCSP也需要許多地方解決方案的協(xié)調(diào)合作。

（2）在參與美國GCSP的學(xué)生中，一半以上是女性和少數(shù)族裔，他們受到用戶對“人和社會”關(guān)注的吸引和啟發(fā)。

（3）盡管研究生很可能會從應(yīng)對全球挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備工作中受益匪淺，但是讓本科生做好這種準(zhǔn)備工作并不是工程教育的正常特征。

（4）當(dāng)今的學(xué)生能夠接受GCSP愿景包括的工程技術(shù)和用戶責(zé)任。

（5）GCSP將每個國家的工程項目擴展為全球性項目，培養(yǎng)學(xué)生的多文化、多學(xué)科的創(chuàng)新能力，為人類和社會服務(wù)。

（6）世界上任何地方的任何大學(xué)都可以實施GCSP。

（7）GCSP幫助當(dāng)今工程師為應(yīng)對21世紀(jì)的工程問題做好準(zhǔn)備，GCSP對其非常重要。

（8）工程學(xué)重大挑戰(zhàn)愿景的實現(xiàn)取決于GCSP在全球范圍內(nèi)的采納度。GCSP在全球范圍內(nèi)的采納結(jié)果既能幫助工程師應(yīng)對工程學(xué)重大挑戰(zhàn)，又能將GCSP拓展至全球范圍。