工程教育改革整体战略及做中学的CDIO模式.docx
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工程教育改革整体战略及做中学的CDIO模式
工程教育改革整体战略及“做中学”的CDIO模式
2010-05-21北京交通大学查建中
一、联合国教科文组织产学合作教席简介
联合国教科文组织(UNESCO)是联合国下属的一个最大的机构。
从1991年开始,它启动了一个庞大的计划,叫UNESCOChairProgram,在全世界大约建了600多个教席,目的是推动、促进高等教育和产业的合作,以推动区域经济和全球经济的发展。
我所主持的产学合作教席是1992年以来在中国建立的第14个教席。
当时的背景是,周济同志作为教育部副部长,主管高等教育,我们谈起中国的工程教育有很大的发展,可是实践环节非常薄弱,一个重要的原因就是产学脱节。
所以,他希望我能够运用这样一个平台申请一个教席位置来做研究,但后来我们逐渐发展成了做工程教育改革战略的研究。
20世纪80年代末,UNESCO提出了一个非常有名的教育的"四个支柱"理论,即:
学以求知LearntoKnow
学以致用LearntoDo
学以共处LearntoLiveTogether
学以做人LearntoBe
这四大目标,与我们长期以来的学以致考、应试教育目标是完全不同的。
达到这样一个目标是我们教育工作者和整个社会的责任。
二、从经济全球化的角度研究工程教育
担任教席主持人以后,我从机械工程领域转到教育学领域。
面对这么大、这么复杂的问题,最重要的就是到底采用什么样的方法进行研究,即解决所谓的方法论问题。
我们强调要用科学的方法、实证的方法。
教育是社会中的一个系统,不是封闭的。
我们建立了工程教育系统的宏观控制模型,并从此出发,通过研究,回答应该确立什么样的工程教育目标;谁来确立工程教育的目标;如何缩小产业需求与人才培养的差距;教育评估的目的是什么,它的机制应该是什么,怎么评,评什么;什么是改革的战略和措施,等等。
热力学有个著名的第二定律,大家都知道,是讲熵和焓。
它是说"在一个封闭的系统里所有事物都倾向于从有序变成无序",就是熵是要增加的。
所以,我们不能在一个封闭的系统里来研究教育的问题,要放在整个社会系统里来研究。
图1是我们应用系统工程和控制论的方法建立的工程教育系统的宏观模型。
图中左边是输入,中间是我们的教育机构,右边是社会职场的目标,这是所有教育利益相关者确立的目标。
我们在确立工程教育目标方面存在着很大的误区,决不仅仅是一个主回路就可以完成教育的功能、达到目标的。
我们还要对教育进行评测、评估。
教育系统内部可以有自己的质量保障体系,有很多评测,但最重要的是要从社会的角度来进行评测,要与职场的要求做比较。
评估的目的是看我们的教育与这个标准、这个目标有多大的差距,然后进行改进。
所以,评估并不是为了评出谁最好,而是要评出都有谁能达到目标,这是一个准入标准底线的评判。
而评判的目的就是为了改进,找出改进的策略、措施。
如果方向错误的话,要有战略来纠正它,然后回馈到这个主回路。
这是一个典型的闭环反馈控制系统。
我们现在的工程教育的确有问题,由于没有正确的目标和评估,所以无法来纠正整个教育系统的问题。
图1 工程教育的宏观模型
如何来确定工程教育的目标呢?
有一个技术或者方法论叫利益相关者分析(StakeholderAnalysis),这是用在社会重大问题决策时的一个非常重要的分析方法。
比如说像美国的航天探索计划,就是利用这样的技术来确定它的目标。
表1左边列出了主要的利益相关者,包括政府、产业、学生/家长、学校;中间是各自的贡献;右边就是各自对教育的期望。
大家从不同角度会对教育有不同的期望,而共同的期望就是培养高质量的学生,满足各方面的需要。
所以我们教育的目标是不难确定的。
第一,要满足产业界对工程人才的需求。
40多年前我在清华大学上学的时候,学校非常自豪地称自己是"工程师的摇篮",是"红色工程师的摇篮",现在举目望去,可能没有一所大学拍胸脯说自己是工程师的摇篮。
大家都不屑于培养工程师,都认为自己是高级大学,培养高级人才,培养的都是科学家。
教育要满足产业对工程人才的需求,就是要按照职场的能力标准提供合格的毕业生,不是大学自己杜撰出来的标准。
我们不能总是封闭在教育的圈子里,自己给自己定一个目标。
第二,要满足学生求职的需求,这是天经地义的。
现在,我们很多学校对这点认识很模糊,认为求职导向是职业教育的事情,不是普通大学、研究型大学或者高端大学的目标,这是错误的。
我觉得世界上只有一种大学就是老年大学是不以求职为目标的。
就业导向就是使学生具有就业的竞争力、职场的竞争力,在经济全球化的形势下,就是要有国际人力资源市场的竞争力。
第三,满足建立"创新国家"的目标,即建设人才强国的国家目标。
2009年9月,我和教育部的几位官员及专家到新加坡南洋理工学院访问。
这个学校接收的是高一的学生,即十年级的学生,他们在学校经过3年的训练后直接进入职场。
这个学校提出的口号是Innovation,即创新。
这个学校的毕业生质量比我们15年的高职、16年的本科,甚至一些研究生还要好。
他们的全体学生分散在200个创新实验室,在900多位具有丰富工程经验的教师指导下做创新研究,大部分题目来自跨国公司和新加坡政府,包括新加坡国防部。
所以,这就可以解释为什么新加坡这么小的国家,450万人,弹丸之地,没有任何自然资源,可是2007年在世界经济排行榜上仅次于美国,排在第二位。
表1工程教育的利益相关者分析
对工程教育状态的评估,一定要在它的系统之外去评。
就像摩托罗拉制造手机,它有自己的质量保障体系,可是真正要评价它的手机好坏,一定得由客户评。
我们也必须从职场的角度来评估专业教育的质量、学校的质量。
教育是百年树人,我们要跟踪本校的毕业生,看他们毕业当年、3年、5年甚至10年时在职场的表现。
美国就在做这种基础的数据调查,而我们没有。
美国一机构最近调查了各校毕业生10年以后的工作状况。
与我们北京交通大学合作的美国伍斯特理工学院(WPI),他们的毕业生10年后平均工资在全美是最高的,这就非常说明问题。
我们就缺乏这样的评估,没有这样的数据。
为此,我们查阅了大量的数据、资料,自己也做了各种各样的调查,从小样本到大样本。
在经济全球化的条件下,因为信息技术的发展和应用,整个市场的资源、产品在全世界范围内流动,世界各国都在面临着产业转移、转型、升级这样一个大的格局,这既是挑战也是机遇。
比如说,发达国家从20世纪60年代就把蓝领,即劳动密集型工作转到海外,先是亚洲四小龙,后是中国大陆,现在是往东南亚国家转移,以后也许是非洲。
但是最近30年,他们又把业务流程等技术含量比较高的白领工作也大量转到海外。
与此同时,他们失去了巨量的工作位置,那他们靠什么来维持经济大国的地位,或者说维持整个民族的高生活水平呢?
他们一定要向产业界的高端、最高端转移,所以他们的教育现在强调的就是创业和创新。
而新兴工业国以中国、印度、巴西为代表,过去是依靠廉价劳动力保持了高速发展,现在正逐渐失去这样的优势,也必须向产业的中端和高端转移。
我们过去是OEM(OriginalEquipmentManufacturer),现在要转到ODM(OriginalDesignManufacturer),而我们国家的设计创新非常薄弱。
根据国际上的统计,我们大概只有万分之三的厂商有自己独立的品牌,真正是中国人自己发明、创造、设计的东西,不是抄外国人的。
国际市场的人才需求发生了很多重要的变化。
第一个就是国际化,所谓国际化就是要按照国际标准来培养人才,这在过去是没有的。
硬件如手机、计算机,无论在哪儿制造,多小的工厂制造,都要符合国际标准。
否则,不仅进不了国际市场,也不可能在国内市场立足,因为国内市场也是国际市场的一部分。
教育也已经到了这样的一个阶段,我们国家的本科工程教育正在积极加入华盛顿协议,这样一个重大举措第一就是要和国际接轨,第二就是质量升级。
大家可以看到,新加坡南洋理工学院原来只是个中技、中专,后来随着新加坡整个产业的转型、升级,它现在培养的人已经是Technologist,不是技工、技术员,而是高于这样职位的一层人。
图2表明美国过去20年对各种人才需求的变化。
左边这三栏都是低于本科的,收入都在下降,只有右边两栏收入在上升,这说明美国产业转型升级的结果是已不再那么需要低端人才。
但中国的产业发展阶段不一样,要画这个图是不一样的。
图2 美国不同学历人才收入变化
另外,传统的工程技术人才主要是做技术工作的,而现在大部分都转移到服务领域了,比如服务工程师、采购工程师、销售工程师,或者产业的服务环节。
产业对人才的需求可以从数量和质量两个方面来看。
国际著名的咨询公司麦肯锡做过一个调查,在中国的外企5年内(28万家,占3%)需要优秀毕业生75万人,大概占工程类专业毕业生的60%,另外的40%为国企或者民企所用。
所以,在人才竞争方面,我们的民族企业在自家门口就已处于劣势或者绝对劣势。
我们在很多方面特别是高端人才方面存在很大的缺口。
比如IT领域,前不久我在央视看到一个数据,仅大连一个城市,现在缺口人数就是40万人。
当然,工程人才的缺乏是世界性的,以下数字反映了全球性工程师和技师的短缺:
美国硅谷50%外国血统工程师
5年西欧国家短缺工程师250万人
日本缺少50万数字技术工程师,猎头公司用高额签约奖金争夺
德国培养工程师只满足本国市场50%的需求
比利时缺40%的ICT人才
瑞典1998年一个工程师位置有1.9人申请,2008年减少到1.2人申请
韩国、台湾地区90%的高中毕业生读本科,极缺技术员和技师、技工
我们来看产业对人才质量的需求。
据美国波音公司提供的一个调查,企业用人的专业能力要求大约概占3成,其他的素质能力占7成。
产业界现在需要的人不是只懂专业,所以那种把专业教育和素质教育完全对立起来的看法是错误的。
产业需要的是能力全面的人才,这是对工程人才的要求。
我们的工程教育跟产业需求的差距非常明显,产生的原因很多,现举出几点比较重要的:
(1)发达国家的工科生源严重不足。
图3是1985-2000年的统计,表明了各国授予工程学士学位的数量。
2000年的时候中国已经遥遥领先,已经超过美国、日本和韩国的总和。
图3 国内外获得工程学士学位比例
图4是各国学工科学生占大学生总数的比例,中国始终在35%以上,而发达国家,像美国、英国分别只有5%和8%,这造成了他们工程教育的危机。
图4 国内外工科学生占大学生的比例
(2)工程教育与产业需求脱节,是全世界的趋势,不仅仅是中国,当然中国更严重。
图5是美国麻省理工学院(MIT)给出的一张简单图表,在这个二维的坐标里,横坐标是学科知识,纵坐标是工程实践,这个曲线在一直向下滑。
直接原因是20世纪50年代苏联发射卫星和加加林上天,使得美国感到大学教育有问题,从20世纪60年代开始全面改革美国的教育,加强工程科学的比重,加强研究的比重,这当然是对的。
可是另一方面呢,出现了一个副产品,就是去工程化,削弱了工程实践。
20世纪50年代以前基本上是优秀的工程师担任大学的教师,可是20世纪60年代以后基本上就被具有良好的研究训练具有博士学位的一批人代替,这些人大部分没有在产业界做过工程师,而他们肩负着培养工程师的重任,大家可以想象最后是个什么结果,就像是研究医学的教授从来没有给病人看过病,可是他要培养临床医生一样。
所以,在20世纪80年代的时候,欧美的工程界就发现工程教育所培养的人才与产业的需求有很大的差距,是对产业人力资源的威胁。
2000年,以MIT为首的一些世界著名工科大学就提出了"回归工程"的口号,在Nobel基金会1600万美元的支持下,开展CDLO工程教育模式的研究和推广。
图5 工程教育的走势
美国最近出台了一个关于EngineeringinK-12Education的政府报告,Key-12就是幼儿园加12年的义务教育。
美国要从幼儿园开始,开始进行工程思维训练。
他们认为,工程思维习惯是21世纪公民的基本能力,非常重视。
他们也反省到美国的教育重商轻工,有很大的失误。
MIT也在全面的改革,MIT是工程教育的一面旗帜,有非常大的影响,可是他们为了符合产业的需要,现在也在全面改革他们的培养目标和教育过程。
中国教育有它的共性,也有它的特殊性。
我们的工科生源是全世界最大最优秀的,这是宝藏,取之不尽,用之不竭;我们的工程教育规模现在是最大的,而且我们工程人才的需求市场是最大的。
可是,我们也有很多沉重的包袱,比如我们陈旧的教育理念:
"教育"这个词最早出现在孟子的一篇文章里,从字面理解都是自上而下的,教诲、教导甚至教训,是从上到下的一种行为;而Education这个词来自拉丁文,它的本意是启发、引发、诱发。
两相对照,概念上有很大的不同。
我们教育的社会定位、培养目标失准,有很多泡沫。
我们的工程教育本来应该为产业服务,可是现在异化为各种各样的说法,变成培养科学家、培养高层次的人才,就不屑于培养工程师。
我们教育的质量评估结果也相当的失真。
评估是必要的,但我们的评估结果变成90%为优秀、10%为良好,这从产业的角度来看是不一样的。
我们整个工程教育的环境脱离了职场的环境,从理念、机制、师资、课程体系、教学内容、教学方法一直到评估体系,都脱离了职场的环境,这就严重影响了我们工程人才的质量,使我们工程教育的国际竞争力不足。
图6也是麦肯锡在83个跨国公司做的一个调查,问:
如果需要100个工程师,有100个有相应学位的人来应聘,按照你的用人标准,你在这些国家大概各能录取多少人。
中国比例非常低,只有10%;其他发展中国家为:
菲利宾、墨西哥都是20%,印度25%,马来西亚35%。
图6 各国大学毕业生达到跨国公司聘用标准比例表
据《麦肯锡季刊》载文调查了中国现在在岗年轻工程师160万人,大概只有10%能达到跨国公司的用人标准,美国大概是80%。
在这个调查中,发达国家大概是66%,发展中国家大概是16%可以达到跨国公司的用人标准。
这个数字足以引起我们的注意。
我们面临的质量问题表现在各个方面,比如说我们毕业生的基本能力薄弱,包括自学能力、思考问题的能力以及分析问题、解决问题的能力,还有沟通、合作能力和职业道德。
我们创新人才的培养严重不足,中国一共有3200万科技人员,数量排在世界的前几名,可是还有一个指标,就是找到合格工程师的容易度,经常是排在最后几名。
我们大概只有不到100万人(3.5%)的科技人员在研发部门工作,而这个研发实际上还是带引号的,因为这100万人里面只有不到10万人(0.25%)在做原始的创新工作。
按照一位美国院士的说法,20世纪以前的工程师里只有少数精英在做创新,而到了21世纪,工程师要大部分做创新。
他说,发达国家的工程师如果再依靠商品化的技术来维持一个中产阶级的生活水平是不可能的,这些技术在全世界任何地方都可以买到,所以我们要强调教育的创新和创业。
我们的创新人才培养也不足,自主创业的工科本科毕业生在全国高校学生中占1.2%。
其中高职是最好的,占1.9%;本科为0.85%,"211工程"大学只有0.54%,而发达国家这个数字可以到20%。
我最近和瑞典皇家理工大学的一位教授谈,他们的工科学生大约有占到25%毕业后自主创业。
所以,我们这样一种状况难以满足产业对合格人才的巨量需求。
我们听到的、看到的是学生就业难,实际上掩盖的是企业找人难,可以和企业的老总谈一谈,不光是在应届毕业生中很难找到合格的人才,就是已在岗的毕业生也有很多缺陷,他们很不满意。
这从麦肯锡的调查中也可以看到。
三、工程教育的整体改革战略
基于上面的调查研究和分析,我提出了工程教育整体改革的三个战略。
第一个是产学合作,解决办学机制的问题;第二个是国际化,解决培养目标的问题;第三个是"做中学",解决教育教学的方法论问题。
这三个战略每一个实际上都不是我发明的,可是我将它们作为一个整体提出来了,作为改革我们工程教育的战略。
产学合作的第一个任务就是要形成完整的人才培养链,光靠教育界不能培养一个完整的人才,所以我们必须与产业界合作,按照产业界的需求,利用产业界的资源,共同培养符合产业需要的人才。
第二个任务就是要形成一个完整的创新链,我们的大学有很多的发明创造,但是据统计这些知识创新成果大约只有3.5%能真正转到市场,产生经济效益。
这个创新链需要产、官、学、研四位一体,合作形成。
国际化的真正目标是要利用全球最优秀的工科生源和教育资源为全球市场培养工程技术人才,来供应全球的需要。
因为国内的人才市场实际上是国际人才市场的一部分,比如产生于中国的跨国公司联想、华为,他们都雇佣了大量的国际人才。
据我所知,华为大概就雇佣了几百个印度的软件工程师,经常到中国来工作。
国际化的核心是按国际的标准来培养人才,世界上很多著名的大学很多年前就提出了这样的战略目标,比如澳大利亚皇家理工大学(RMIT)10年前就提出培养他们的学生成为国际公民和专业人士,要使他们的学生能在全球就业(GloballyEmployable);而印度几年前每年就有几十万名工程师涌入国际市场,大概到2015年要达到每年140万人,这是英国前首相布莱尔公开讲话中的一个数据。
要实现国际化的教育,必须有国际化的校领导和师资,要有国际化的眼界、水平、能力和战略。
国际间的产学合作也是非常重要的,发达国家的制造业在萎缩,他们就大量派学生和老师到发展中国家如中国和印度来实习,来获得国际经验。
国际合作交流非常重要,把优秀的教育资源引进来,最后建立我们自己的优秀教育资源。
上海交通大学在这方面做得很好,它与美国密西根大学合作了10年。
在校园里创造一个国际环境是非常重要的,大量招收留学生,使我们的学生在自己的校园里就能得到多元化文化的熏陶,培养国际竞争力。
"做中学"是杜威教授在20世纪20年代提出来的一个学习方法论,它是针对基础教育的。
在我们的工程教育中叫做基于项目的学习,ProjectBasedLearning或者叫做ProjectBasedEducation。
CDIO是一种系统全面的工程教育的模式。
它是Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实施)、Operate(操作)这4个英文字母的缩写,用这四个主要阶段来代表工程项目生命全周期。
为什么要把它引入到工程教育里来,就是因为我们培养的人以后到职场上就是做CDIO,所以我们就要把职场的环境引入到学校里来,作为教育的环境,或者作为工程教育的环境,这也是在CDIO的12个标准里第一个标准所讲的哲理。
我们要把职场的环境引入到学校里来作为教育的环境,而不是内容。
标准1里用了两个词,一个是Context,一个是Content。
Context在语言学中是语境的意思,一个英文单词只有放在一句话、一个段落、一篇文章中才能准确地理解它的意思,这就说明事物的存在和它的环境是紧密相关的。
我国20世纪五六十年代部委的院校都是用行业典型产品做载体来培养学生的,没有把典型的工程、行业的工程产品作为一种环境引入,所以学生学了很多关于产品的具体知识,如果分到不同的产业部门,会认为专业不对口,这恰恰就是标准1提出要避免的问题。
引进工程项目,我们着重要引入的是它的职场环境。
所以,我认为结合工程实践,仍然可以做到通识教育,通就通在培养的是能力。
我提出了5种能力:
获取知识、运用知识、共享知识、传播知识、发现知识的能力,这都是对应产业界的一些需要,当然产业界的整个需要比这个还要广。
引入工程职场环境,并不意味着把工厂搬到学校里来。
工程职场环境不是指它的物理环境,而是强调它的特征,它的文化特征。
特征分为可变特征、不变特征。
不变特征有7项:
客户至上;给市场提供完整的产品服务;持续创新和改进;着重问题的解决;团队合作;有效沟通;利用现有资源和条件把事情做成。
这与我们学校的文化特征对比实际上是有很大区别的。
比如我们的学校就缺乏客户至上的观念,所以我们不可能向学生去灌输客户至上,而企业文化最核心的内容就是客户至上;比如产业界强调没有最好只有更好,这就是持续的改进和创新;再如我们的团队合作、沟通能力培养都很差。
工程职场能力的新特征是随时代改变的,比如最早英国的工程师学院说工程是征服环境的,现在没有人这么说了,全世界都要保护和治理环境。
全球化国际竞争最近二三十年发展非常快,工程职场环境出现了许多新的特征:
工程活动的分散化;以人为本,就是实现产品和服务的个性化;终身学习、在线学习是产业界对雇员的要求,而且要求教育和产业无缝连接,从学生就业第一天,就要能上手工作,而现在我们有的学校不屑于培养工程师,有的说我们培养不了工程师,只能培养工程师的毛坯。
我不知道毛坯是怎么定义的,在哪儿找到的定义。
职场上没有一个工程师毛坯的定义,所以这就是我们教育定位的一个问题。
CDIO有它的科学性,这从数学、认识论、哲学都可以证明。
从认识论很好理解,我们从小到大认识事物都是从具象上升到抽象理论,然后从抽象理论到更多的具象,再到更高级的抽象,这是一个循环上升的认识过程。
CDIO模式就是从具象到抽象的学习过程。
CDIO有12项标准,如图7所示。
图7 CDIO的12项标准
标准2就是讲要根据专业培养的人才在职场的定位,来具体地确定他们的能力、素质、知识和技能,把它作为课程体系设计和教学计划制定的一个基础,也是作为评价学生学习结果的一个标准,这要为利益相关方所确认,特别是产业、学生和教师。
这个能力大纲要非常明确、具体、完整、合理。
要反映职场对于某一特定层次人才的能力、素质、知识和技能的要求。
MIT把它的教学大纲或者是能力大纲分解成四大类,第一是专业知识与能力,与本专业有关;第二是个人能力;第三是人际能力;第四是工程实践能力。
这四项是所有专业的学生都需要的。
为了明确具体表达的要求,必须往下再一层一层细分。
比如说它把团队合作能力分解到第五层,包括28条。
大家可能会很奇怪,我们常常强调培养学生的团队合作精神,就这么一条;而他们把能力分成28条。
为什么要这样?
就是要把它具体落实在教育的各个环节。
这是我们非常薄弱的地方。
标准3就是集成化课程体系设置。
在能力大纲确定以后,要把课程设计做集成化的设计。
图8的一体化课程体系是CDIO的模式,这和左边我们传统模式的学科导向,学科壁垒很深、鸿沟很深,是完全不一样的理念。
最右边的就是师傅带徒弟,只是项目,师傅会什么就教学生什么,没有学科的概念,这只能是培训,而不是系统的学位教育。
我们现在这种学科体系的设计是中间这两种模式,一个是以学科为主,把项目穿插其中做关联;一个就是以项目为主,把学科穿插其中做关联,这两种模式现在都有。
在我们国家,比如高职,他们基于典型工作过程的课程体系的开发和建设,就是第三种,因为它培养的人才在职场的工作能梳理出典型工作过程,然后把学科穿插进来做关联,这是非常重要的,这需要教师的团队合作,无论教技术课、专业技术课或者专业课的老师都要共同合作,研究怎么把课程关联起来。
图8 CDIO课程体系模式
标准4是说要有非常好的工程概论课程,这是把对职场、对产业一无所知的高中学生引入职场的第一个关键步骤。
我们原来对这门课重视不够,常常是照本宣科,一大堆名词,而学生根本没有理解,现在这门课要求资深的教授、有工程背景的人来介绍职场的环境,职场是什么样的要求,如何才能达到这样的要求,学生的学习和职场有什么样的关系。
除了说教,还要让学生动手来做一些简单的项目,体会职场的特点。
标准5是设计制作实践课程。
这个有点儿像我们的大作业,几门课关联起来以后要做这种动手的工作,不光要把产品设计出来,而且要把它实现。
这是每个学生都要完成的学习计划,不是课外兴趣小组。
标准6是要建立CDIO的工作场所。
我们传统的教室就是三面白墙一面黑板,现在像MIT都把它整个的实验室和
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