安奈特·科莫斯 里卡·布羅加德·貝特爾

杰蒂·埃格蘭德·霍爾加德 亨利克·沃爾姆·魯特赫

(奧爾堡大學 信息技術與設計技術學院，丹麥)

楊柳 譯

(清華大學 教育研究院，北京 100084)

一、引言

復雜問題解決能力(Complex problem-solving competency)作為工程教育提出的新要求，在過去10年來的認證標準中越來越受到關注。(1)ABET,“Criteria for Accrediting Engineering Programs,”http://abet.org/eac-current-criteria/.這里的復雜性被定義為以變量間相互依賴為特征的動態(tài)情境。因此，建立系統(tǒng)性的概覽是一個復雜過程，它需要能夠識別不同因素之間的連接(interconnections)、從屬(dependencies)和邊界(dependencies)。況且這是一種既不了解問題本身，也不知道其解決方案的情況。(2)David J.Snowden and Mary E.Boone,“A Leader’s Framework for Decision Making,”Harvard Business Review 85，no.11(2007):68.復雜問題解決需要當事人能夠處理復雜難題，由于工程師是解決技術性的復雜難題的主力軍之一，復雜問題解決也成為工程行業(yè)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/.一項在工作場所的問題研究表明，復雜和結構不良的問題是最典型的工程學問題。這些問題往往具有多個且相互沖突的目標。它們可以不加約束地指向技術領域之外的多種不同解決方案和成功標準。(4)David Jonassen, et al.,“Everyday Problem Solving in Engineering: Lessons for Engineering Educators,”Journal of Engineering Education 95, no.2(2013):139-151.“問題的復雜性表現(xiàn)為多種形式，包括所需知識的廣度、理解和應用所涉概念的難度、解決問題所需的技能和知識水平，以及問題范圍內各變量之間關系的非線性程度?！?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.給定的情況越復雜、越沒有邊界，可以產生的選擇就越多，尤其是在處理現(xiàn)實世界問題時，復雜性往往超出了學術性的問題解決能力。(6)Dietrich D?rner 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.

奧爾堡大學基于問題的學習(Problem Based Learning, PBL)模型中，復雜問題解決被認為是一種綜合的、必不可少的PBL能力。(7)Jette Egelund Holgaard et al.,“Guide og Latalog til PBL Progressive L?ringsma?l,”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實踐所處理的都是復雜的問題，需要更為多樣化的項目導向(project-oriented)課程以培養(yǎng)復雜問題解決能力。因此，將各種項目類型加以概念化是非常重要的。

PBL能力(PBL competencies)這個術語涵蓋了包括問題導向、項目導向、團隊導向和元認知在內的四類基本能力，它能反映并進一步發(fā)展那些更加領域內的或學科內的特定能力。這些能力被嵌入到課程教學中，學生則需要在教育過程中不斷地顯現(xiàn)出這些能力。這四種能力本質上是相互關聯(lián)的。一方面，不同類型的問題需要不同類型的項目和不同的團隊。由于對解決復雜問題的需求日益增長，因此有必要增加學生從事的項目類型的多樣性。僅僅讓工科學生關注復雜系統(tǒng)的某個部分是不夠的，他們還必須捕捉復雜系統(tǒng)的連接性和從屬性來解決棘手的問題。由于復雜問題解決通常需要跨學科的協(xié)同作用，僅僅在一個學科的項目中工作是不夠的。因此，項目經驗的多樣性和動態(tài)性才是培養(yǎng)PBL能力的基礎。(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.

最近一項關于工程教育PBL的文獻回顧表明，最常見的項目應用是在現(xiàn)有課程(courses)中，而不是跨課程或在整個課程體系水平(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，大多數(shù)研究報告的是單一的課程項目活動，而只有1/4的文章報告了更加系統(tǒng)化的方法來設計跨課程或課程體系水平上的活動。在課程層面，項目實施主要是一種加深學生對授課內容的理解和增強學習動機的手段。該文獻綜述中報告的項目類型特點有三：(1)主要由教師給出問題，很少由學生自己發(fā)現(xiàn)問題；(2)課程持續(xù)時間大約為一個學期；(3)大多是由3-8名學生組成的小團隊。(10)Ibid.

縱觀2000-2019年，開展項目活動越來越普遍，學生參與項目也逐漸成為工程專業(yè)的常態(tài)而非例外。但是，如果學生在整個教育活動中都經歷相同類型的項目，那么他們以后則很有可能只會按照慣例辦事，而無法深入思考。(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).團隊協(xié)作就變成了一種隱性知識或一套非語言動作技能，而不一定經過了討論和知識共享的過程。盡管協(xié)作共享隱性知識可能會提供給(學習者)平常難以獲得的專業(yè)知識，但是由于學習是在特定情境下創(chuàng)建并與之相關聯(lián)的，因此非語言的專業(yè)知識可能不容易轉移。根據(jù)德雷福斯所言，對于經驗豐富的專家來說，其隱性知識和直覺將處于最高水平。然而，當學生處于學習情境中時，關鍵是要反思并概念化其學習經驗，以便在新的情境下對其進行(知識)重構。 體驗變化并闡明反差和異同，是促進反思并使隱性知識和協(xié)作變得清晰明確的一種方式。 因此，筆者認為讓學生體驗他們參與的問題和項目類型的變化，以打破常規(guī)并形成明確的隱性知識和能力是很重要的。在一個PBL的課程中，這種變化可能包括:

● 問題類型(從簡單問題到復雜問題)

● 項目類型(從狹義的學科項目到復雜的大型項目)

○ 項目規(guī)模：從少學分到多學分不等

○ 項目時長：從一個學期到多年不等

● 團隊和協(xié)作

○ 團隊規(guī)模：從小分組到大團隊和網(wǎng)絡協(xié)作

○ 團隊構成：從本土團隊到國際團隊

○ 團隊組建：從由學生發(fā)起的到由教師發(fā)起的或基于理論的

○ 協(xié)作類型：明確的勞動分工到相互協(xié)調的合作

● “催化劑”(facilitation)

○ 授課和項目之間的關系

○ 指導和協(xié)作形式

○ 外部合作者：外部項目案例到項目合作伙伴

● 實體設備、數(shù)字化設施和學習空間的變化

反思變化是學習如何專業(yè)地進行問題分析和問題定義的重要途徑，尤其是參與并處理基于問題的項目協(xié)作的學習過程技能——換言之，即PBL能力。通過反思變化，學習者可以逐漸意識到經驗的特征及其與其他教育經驗之間的關系。 例如，如果一名學生在一個學科小組中有項目管理方面的經驗，那這就是該學生所擁有的經驗和知識，而有2-3種不同類型的小組協(xié)作的經驗更有可能提高其能力在新情境中的靈活性和適應性。(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.盡管有很多方法可以在課程體系中創(chuàng)造變化，但本文則主要通過項目的問題和團隊來關注項目的結構要素。

二、項目類型：問題和團隊

項目被定義為一種具有特定目標來解決問題的獨特嘗試，它可以分解為多個子任務。 根據(jù)既定的問題和任務，項目規(guī)模可以是從小團隊到數(shù)百人。(13)Helle Algreen Ussing and Niels O.Fruensgaard, Metode i projektarbejde. Problemorientering og gruppearbejde(Aalborg: Aalborg Universitetsforlag,2010).然而，在許多工程學的課程中，學生所從事項目類型的科學方法和團隊規(guī)模是相似的，而這恰恰是擴大拓展項目的兩個重要維度，因此學生沒有機會反思變化。擴大科學方法是將項目類型的涵蓋范圍從單一學科擴展到跨學科項目，原則上是要確定學科和方法的選擇，以在從狹義的學科問題到復雜問題的范圍上達到匹配。

“多學科性”(multidisciplinarity)和“跨學科性”(interdisciplinarity)兩個術語在文獻中經?；Q使用。 然而，關于協(xié)作和復雜性的變化，我們可以從多學科性和跨學科性的區(qū)別上加以理解：多學科性可以理解為應用于特定問題的學科合作，而跨學科性可以理解為將學科特定知識整合到一個公共項目或解決方案中。(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).特別是在工程教育中，跨學科的問題解決往往會生成一個一般產品(common product)，盡管每個學科融入產品的程度會有所不同，但產品的各個要素之間會相互調整——這被認為是一種特殊的整合類型。

如圖1所示，狹義和廣義的跨學科合作之間可以作出很好的區(qū)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.狹義的跨學科性包括在共同知識范式內使用相似的方法進行協(xié)作，而廣義的跨學科是指跨知識范式和科學方法的協(xié)作。與廣義的跨學科團隊相比，狹窄的跨學科團隊(如化學、化學工程或生物技術)更容易實現(xiàn)對常見的方法論、研究方法和數(shù)據(jù)的共同基本理解。這是因為人文、社會科學和工程學等廣義的跨學科具有更廣泛多樣的知識范式，這增加了理解、對話、協(xié)商問題和解決問題方法的復雜性。無論是否跨學科，任何團隊中的協(xié)作和組織都可能帶來沖突和問題。但與成員來自同一學科的團隊相比，跨學科協(xié)作的團隊更容易在理解學科范式和方法論差異、問題分析和問題解決的方法上遇到困難。此外，團隊合作的規(guī)模特別大時也可能會給遠程跨時區(qū)的組織工作和協(xié)作帶來挑戰(zhàn)。

團隊維度涉及一個項目的學生人數(shù)。與擁有更多學生的大型團隊相比，小型團隊通常被認為更容易管理。然而，無論一個項目參與的學生有多少，特定學科和跨學科方法的類型都可能會增加項目管理和協(xié)作的復雜性。在傳統(tǒng)的課程結構中，單一學科的項目最為常見，其團隊規(guī)模通常是3-8名學生在某個項目中處理一個簡單的單一學科問題。而對于跨學科項目，團隊成員的數(shù)量很可能會增加，此時需要重組為規(guī)模更小的子團隊(sub-teams)，使其在同一項目的子團隊內部和子團隊之間開展特定的任務并遵從內部管理流程。與單一小組處理單一的學科問題相比，這是一種不同的學習體驗。

(一)項目變型(Project Variations)

基于跨學科和團隊規(guī)模兩個維度，本文確定了四種基本的項目類型：單一學科項目、多元項目、跨學科項目和大型項目。出于規(guī)范化的目的，我們對這四種項目類型進行了區(qū)分——現(xiàn)實生活中的實踐會提供更多種類的變化。

單一學科項目通常在一個項目小組中開展，并廣泛應用于課程和課程體系層面。參與同一教育項目中的學生通常將知識、理論和概念應用于簡單的學科特定問題。例如，一組學生應用控制理論來開發(fā)船岸起重機的防搖擺系統(tǒng)。

多元項目并不常見，往往出現(xiàn)在大課或分支學科課程的集群(clusters of sub-disciplinary courses)中，其特點是許多項目小組從事相同/相似學科內相同或互補的部分(工作包)，如軟件開發(fā)、團隊并行處理優(yōu)化設計。這些類型的項目強調項目團隊之間的協(xié)作，以確保一般產品的質量或解決問題方法的可行性。例如，計算機科學專業(yè)的學生為自閉癥兒童優(yōu)化應用程序。(16)“AAU multi-project,” https://giraf.cs.aau.dk/；http://people.cs.aau.dk/～ulrik/Giraf/Projects2012/Oasis_sw604f12.pdf.

跨學科項目可以在一個較小規(guī)模的項目分組中開展。該團隊可以由來自不同學科的學生組成，其學生成員也可以是來自采用跨學科方法解決特定問題或得到了跨學科工作人員團隊支持的同一教育計劃。例如，在工程項目中，由于學生通常使用社會學方法或參與式行動研究等來確定用戶需求，因此初步的問題分析在學術角度上通常是跨學科的，這樣使得跨學科知識整合到由一個教育計劃的學生組成的項目中。再如，媒體技術學生為小學設計可持續(xù)城市游戲，為此他們需要具備小學學習、可持續(xù)城市和游戲設計方面的知識。

大型項目最近作為新事物被引入工程教育。(17)Aalborg University,“Megaprojects,”https://www.megaprojects.aau.dk/.“大型項目”(megaproject)這個常用術語涵蓋了大型的、長期的、高度復雜化的廣義或狹義跨學科項目，其特點通常是：用公共資金開發(fā)和實施的大型投資委托(例如城市基礎設施項目，高鐵火車、飛機和機場等物流運輸，航空技術和可再生能源系統(tǒng)等)；在組織層面的協(xié)作具有高度復雜性；對經濟、環(huán)境和社會具有長期影響。(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.未來許多大型項目將應對全球危機(如新冠疫情爆發(fā)、氣候變化、聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標等重大挑戰(zhàn))，而這些可能難以融入到教育之中，因此有必要將社會大型項目設計為可行的教育大型項目。

(二)工程教育的大型項目

為了構建適用于工程教育的大型項目概念，筆者認為有必要在大型項目中使用“黑箱”(black boxes)的概念，只考慮系統(tǒng)或部分系統(tǒng)的輸入和輸出。因此，“黑箱化”(black boxing)指的是用戶(這里特指工程專業(yè)的學生)可以對系統(tǒng)及其功能有一個總體了解而不必了解其所有特性的過程。例如，從事電網(wǎng)工作并致力于從風力渦輪機存儲能量，而不必了解風力渦輪機本身的性能。眾所周知，在工程學領域，大型項目設計的必要環(huán)節(jié)就是能夠把現(xiàn)實問題和重大挑戰(zhàn)引入工程教育之中。這種方法的優(yōu)點是可以讓學生學習分析系統(tǒng)中的關系，將他們的特定知識、設計或產品置于整個系統(tǒng)中，并對其與其他學科的關系有整體理解，這樣有益于未來的跨學科合作。

由于大型項目比課程或學期項目通常需要更多的可用資源，也需要更多時間在科學、技術和社會方面趨向成熟，因此，在系統(tǒng)中不僅需要使用黑箱，還需要引入“黑箱化階段”(black phases)的概念。這里提及的不只是技術系統(tǒng)中的黑箱，而是工程過程中的黑箱。學生很有可能只參與一個或多個項目階段，如問題識別、問題分析或解決問題，而其他項目階段實質上也被置于黑箱中，這樣一來學生可以將特定項目階段的結果交由另一個團隊在下學期繼續(xù)完成。

這些階段可以以不同的方式進行解釋并互搭；然而，整個過程可以分為兩個階段：(1)問題階段，包括問題分析和識別，其目的是達到必要規(guī)范；(2)問題解決階段，目的是為識別的問題制定解決方案。 因此，當大型項目要持續(xù)幾個學期時，第一批學生致力于問題的啟動、分析和定義，而第二批學生則在定義和設計階段處理需求等。每個階段都同等重要，學生通過體驗不同的項目，可以積累各個階段的學習經驗。

大型項目中的一個階段不一定運行一個學期。有時候，問題分析或解決是在多次迭代或更長的時間內完成的，并且每個階段都會有多個項目組加入。這些項目組可能會處理各種不同任務，因此具有不同的工作量。

雖然大型項目可以成為解決諸如可持續(xù)發(fā)展目標定義的復雜問題的可行方法，但仍存在許多內在關聯(lián)的問題和廣泛的解決空間。從這個意義上說，在我們尚未完全了解問題或當前技術解決方案有限的情況下，大型項目有助于提供新的認識和視角以應對挑戰(zhàn)。雖然學生應在大型項目中采取一種確定的視角并且只在一個階段進行詳盡工作，但能夠理解并協(xié)調特定大型項目中的不同階段而縱觀全局的能力，被認為是一項核心能力。當教育大型項目與現(xiàn)實生活中的大型項目和外部合作伙伴有聯(lián)系并合作時，無論是在較長時間內涉及多個學生團隊集體的學生項目，還是當學生致力于完成子項目中的某個特定要求但仍需要了解與其他階段的關系及項目的總體目標時，上述這一點都尤其重要。

(三)跨學科大型項目的范圍

鑒于現(xiàn)實生活中的大型項目通常被認為具有廣泛的跨學科性，教育大型項目可以在一個狹窄的跨學科范圍內進行建立模型，比如跨學期地劃分項目的某些特定階段。例如，在奧爾堡大學電子系統(tǒng)部門啟動了奧爾堡大學衛(wèi)星項目，該項目結合了電子和物理(空間科學)來建造一個全能型的衛(wèi)星，它已經運行了多個階段并且每個階段都對應一個學期。(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與其他狹義的跨學科大型項目相比，該項目的獨特之處在于：它在開發(fā)PBL項目的常模和原型的基礎上，進一步增加了一個“產品運行”(product in operation)階段。(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，在奧爾堡大學競賽中，除少數(shù)特例外，學生們要設計一輛賽車的全部部件。每個項目的產品都被開發(fā)成原型，并且一些項目中的工程設計還輔以商業(yè)計劃和成本分析。(21)“AAU Racing,” https://aauracing.dk/.盡管有很多的變化和選擇，但對于更多的工程教育中狹義的跨學科大型項目，其重點仍在一般產品上。

涉及多個學科的廣義跨學科大型項目也可以持續(xù)多個學期。例如，奧爾堡大學的大型項目“簡化可持續(xù)生活”(Simplifying Sustainable Living)持續(xù)了兩年，重點關注了綠色消費、交通運輸?shù)炔煌念I域。(22)Aalborg University,“Megaprojects,”https://www.megaprojects.aau.dk/.第一階段可能涉及識別、分析甚至重新定義一個復雜的問題。例如，由于項目組發(fā)現(xiàn)本地生產的食物和可持續(xù)性不一定相互關聯(lián)，因此質疑將“本地飲食”更名為“可持續(xù)性飲食”。其他階段可以專注解決方案的具體標準，它可能會對其他狹義的跨學科大型項目提案起決定性作用。

與狹義的跨學科相比，廣義的跨學科大項目具有更為復雜的組織，并結合了多個學科，而這些學科不一定具有相同的知識范式、科學方法甚至研究領域。因此，盡管工程師和社會學家可能會在知識定義和方法論上存在分歧，但更為重要的是二人對于大型項目中的子項目的問題與目標的理解是否存在沖突，甚至互相抵抗。因此，即使問題和解決方案的階段及其產品在廣義的跨學科大型項目中處于同等重要的地位，也需要通過建立模型來強調不同的、甚至可能是相互沖突的學術方法和觀點，以精細化項目的成功標準。最終成果是不同系統(tǒng)之間的組合和相互關系，而不是一種特定的一般產品。

(四)不同的項目類型中復雜問題解決

在理想情況下，復雜問題解決能力可以在所有復雜的項目過程中獲得，包括學科化的多項目以及狹義和廣義的跨學科項目。(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概括了一些復雜問題解決能力的變化，從左到右來看，問題分析的情境范圍和設計創(chuàng)新的方法的復雜程度逐漸增加。

表1強調了問題解決的復雜性增加不僅會影響內容維度，還會影響協(xié)作和項目管理流程的復雜性。項目組的協(xié)作和組織結構可以有很大的不同，從具有簡單的、固定的協(xié)調結構到具有流動性的、新臨時特設的小組，以及側重于靈活的項目管理方法以讓更多分支小組參與決策過程。然而，隨著從復雜的學科特定項目到狹義甚至廣義的跨學科項目的復雜性增加，其知識領域和潛在解決方案的不確定性也在增加，因此對系統(tǒng)和結構的敏捷和靈活性的需求有所提高。

三、結語

本文基于以下兩個維度提出了項目類型：(1)科學內容和問題范圍，從簡單或復雜的問題到極度復雜跨學科的問題；(2)參與不同水平項目管理過程的團隊的規(guī)模和組織。結合這兩個維度，筆者提煉總結了四類理想的教育項目，包括單一學科項目、多元項目、跨學科項目和大型項目。將此與狹義和廣義跨學科之間的區(qū)分聯(lián)系起來，并提出了不同的變化，包括具有多個小組的特定學科的多項目、狹義的單一小組的跨學科項目；狹義的跨組的跨學科大型項目(通過“黑箱化”系統(tǒng)或過程部分而縮小范圍)；包含全面系統(tǒng)視角的更廣泛的跨組的跨學科大型項目。

雖然項目的問題和解決階段明顯與其具體內容有關，但就問題分析、問題解決、協(xié)作和項目管理而言，學習的潛力與通過跨學科項目獲得的通用能力密切相關。在多元項目或大型項目中，學科團隊集群的范圍越廣，就越強調學生的復雜問題解決能力以及團隊內和跨團隊的協(xié)作能力。此外，與狹義的跨學科性相比，廣泛的跨學科方法更將挑戰(zhàn)學生理解并交流其所在學科的特性和貢獻，以及該學科與其他學科的邊界和互動。

本文提出了項目類型和復雜問題解決能力的總體概念框架。未來研究將詳細闡述不同項目類型的維度，探索該框架如何適用于不同的問題解決能力，如創(chuàng)業(yè)能力、商業(yè)能力或數(shù)字化能力。

教育大型項目結合了復雜技術系統(tǒng)和復雜協(xié)作模式的挑戰(zhàn)，這種類型的項目可以被視為匯集了其他類型項目的能力，并在學習體驗中增加了社會和跨文化維度。與當今時代面臨的巨大挑戰(zhàn)相比，生活在“地球村”的公民們都在竭力獲得一種可持續(xù)性，而廣義的跨學科大型項目為未來的工程教育提供了令人欣慰的前景。