? 李澤湘:新工科教育的背景和使命-創新-知識分子

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    李澤湘:新工科教育的背景和使命

    2020/03/30
    導讀
    硬科技創業與新工科教育第二講

    pixabay.com


    內容回顧

    在第一堂課程《制造業破局和學院派創業》中,我們主要介紹了大灣區和中國制造業的現狀和面臨的挑戰,從中得出我們需要根本性的創新,需要把科技與市場緊密融合起來去打造新的品牌。而在這方面,年輕的學院派創業者,因為沒有經驗,也就沒有了思想的包袱和禁錮,所以更有優勢去打破傳統的框架,他們也是推動制造業破局必不可少的主力軍。

    要做好這樣的創新,我們必須要了解產業的趨勢,也就是要了解大勢,明白有哪些好的資源,我們才可以做起來。當然其中最關鍵的,就是我們的教育要采取什么樣的改革,才能培養這一類的科創人才。

    鳴    謝:
    香港科技大學梁浩博博士根據網課撰寫文字稿,松山湖機器人基地同事為本文改進提供參考建議。
    作者單位:
    松山湖機器人基地,香港科技大學,南方科技大學


    內容摘要

    我們意識到,教育無論是新工科還是傳統工科,都是及其復雜和大滯后的系統。它對個人、企業、社會、國家的發展和未來走向都影響巨大。要把新工科教育做好和做到位、極不容易。不是幾句口號、幾次動員會、幾個工程甚至也不是短時間內就能搞好的。我們需要把新工科教育的來龍去脈、與傳統工科教育的關系, 以及世界上都有哪些好的探索和實踐理清楚。發展新工科教育的天時、地理、人和都有哪些?在此基礎上, 如何進行頂層設計和配置合理的資源, 使得新工科教育探索不至于半途而廢?新工科教育是一個全新的概念,需要設立一些教育實驗平臺, 小范圍試錯和迭代。總結經驗,再逐步推廣。就像當年小崗村農村經濟改革和深圳市場經濟改革一樣。本文將論述新工科教育的使命和定位。闡述新工科教育與傳統教育的共同點與不同點,同時總結回顧傳統工科在國內外演變的過程。然后是新工科教育在國外,港科大,松山湖基地等采取的探索。最后,從發展新工科教育的初心提出新工科教育迭代的依據和標準,給出新工科教育發展的方向。


    文章導覽

    01 新工科教育的使命:科創

    • 美國是如何從農業國走到今天?
    • 培養人才提出哪三個問題?
    • 我們應該把握怎樣的機會?


    02 新工科教育的定位:培養科創人才

    • 科創人才需要具備哪些素質?
    • 人才評估標準有哪些?
    • 創業人才培養是怎么樣的一個生態?


    03 傳統工科(現代工程)的發展和新工科教育的興起

    • 歐美教育改革經歷了怎樣的進程?
    • 兩次工業革命,兩次戰爭對教育有怎么樣的影響?
    • 美國的經驗給中國帶來什么樣的幫助?
    • 新工科教育怎樣開始?


    04 新工科教育的探索

    • 目前新工科教育有哪些案例?
    • 給我們提供了什么方向?


    05 新工科教育評估與迭代

    • 怎么樣評估新工科教育是否做好?


    全文約17000字,預計閱讀時間30-50分鐘

    撰文 | 李澤湘


    ●          ●          


    科教育的使命科創


    首先,我們調查了世界最大經濟體—美國的經濟發展和GDP增長。美國2018年的GDP超過21萬億美元,人均達到6.3萬美元。其中,經濟和科創發展最強勁的硅谷,也是眾多科技巨頭公司誕生地,占地1.8萬平方公里,擁有700多萬人口(與長沙市情況相近),人均GDP達到11萬美元。反觀我們中國,作為世界第二大經濟體,2019年GDP大約14萬億美元,人均約一萬美元。


    那么我們來看看美國是如何走到今天這一步的(見圖 1)


    1765年是人類歷史一個重要的轉折點,瓦特對蒸汽機的研究取得了突破性進展,他將冷凝器與氣缸分離,使得氣缸溫度可以持續維持在注入蒸汽的溫度,并在此基礎上很快建造了一臺實用樣機。第一批新型蒸汽機于1776年制造成功并開始批量投入應用。同年(1776),美國獨立, 并經歷八年獨立戰爭至1783年結束。追溯歷史,美國從獨立開始,逐步發展經濟,經歷了幾個重大的階段:首先是1765年到1850年的第一次工業革命,之后進入以電和內燃機為代表的第二次工業革命(1850-1914)。1914年,爆發了第一次世界大戰,直到第二次世界大戰1945年結束。戰后,進入了以三極管,個人計算機為代表的信息時代,直到如今的智能時代。


    獨立初期的美國以農業為主,人均GDP 約2千美金。跟隨著第一次工業革命,美國的經濟也開始了工業化發展。但是當時英國對技術保護很嚴格,不僅外界買不到機器,就連技術圖紙也很難從海關帶出,不比今天美國對我們的技術封鎖等級低。


    美國著名工程師富爾頓(Fulton, 1765-1815)在拿破侖的支持下,研制蒸汽船,初試非常成功,不料1803年在塞納河試航時失敗了。1804年,富爾頓轉為效忠英國,發明了世界上第一個現代海軍 “魚雷”(現代“水雷”)。1806年,他回到了美國紐約,帶著自已的設計圖紙,招募了一些工人,在 Hudson River 附近開始了自己的事業。并且于1807年在紐約使用英國的機器制成以蒸汽機作為動力,可以在河流上使用的船 “克萊蒙特號”,該船上安裝上了一臺當時最好的瓦特蒸汽機。


    羅威爾(Francis Cabot Lowell,1775-1817,馬薩諸塞州的羅威爾市以他名字命名),將工業革命引入美國發揮了重要作用。他18歲從哈佛大學畢業之后,開始從事貿易行業。美國在政治獨立之后,手工業還是大量依靠進口,所以羅威爾意識到貿易救不了美國,美國需要本土的手工業產業。所以他自己去英國做工人,秘密學習,熟記紡織設備的建造及工作原理,在1812戰爭(拿破侖戰爭)開始時回到美國研發紡織設備。所有的設備都是在他沒有任何筆記,全憑記憶和理解的情況下,生產出來的。


    接著諸如1832年 Baldwin 的火車,1872年卡耐基從英國引進高爐煉鋼的技術等等。但是這些都屬于引進,消化,吸收,再創新的例子。光靠這些,不足以支撐美國的經濟發展到今天。更重要的是需要原創的技術。

     

    圖1 美國創新與經濟增長進程

     

    圖中紅框是我們整理出來的美國代表性的原創技術和產業,諸如1845年Morse 的電報,1848年 Francis 的汽輪機,1867年 Ends 用鋼鐵造大橋,之后Bell的電話,Edison 的照明,Tesla的交流電, 懷特兄弟的動力飛行,Forest開創的收音機產業, Ford 的汽車,Burton 的煉油技術。再后來1945年的計算機,三極管等,最后到硅谷時代興起(大家可以去查閱相關的故事)。美國也依靠經濟和工業的發展,逐步提升,從人均GDP兩千美元一直到現在的六萬多美元。所以我們說,美國的經濟能達到今天的水平,是通過創新實干得來的。

     

    對于產品創新的方法和流程我們也都知道:首先產生創意,然后做出樣機,進入市場,根據市場數據反饋進行學習,再對整個流程不斷進行迭代 (如圖2)

     

    圖2 產品創新迭代

     

    從美國和其他發達經濟體的經驗,我們問這么一個問題 (科創之問):能不能利用大灣區或者中國制造業強大的供應鏈體系,打造一批世界品牌?大灣區的首要定位是成為國際重要的科創中心。要實現這一目標,我們必須要回答前面的科創之問。學院派創業者應該成為回答科創之問的主力軍,而且也有優勢成為主力軍。


    科創之問之外,還有兩個非常著名的問題。一個是英國劍橋的生物學家李約瑟,在研究了中國發展史之后,提出了著名的李約翰之問:“盡管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻,但為什么科學和工業革命沒有在近代的中國發生”?


    同樣,在2005年,時任國務院總理溫家寶在看望錢學森的時候,錢學森提出了對教育最大的一個問題,也就是著名的錢學森之問:“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才?”


    錢學森可能知道教育問題產生的源頭以及解決方法,但之前我們也有提到,教育是一個復雜龐大的系統,不是簡單一個人能解決的。它需要整個國家一起來思考,共同努力回答。


    錢學森之問與李約瑟之問一脈相承,這兩個問題也和我們的科創之問相輔相成,都是對中國科技創新的挑戰。


    在簡述了三個問題之后,我們再來看看中國的GDP,用2011年美金價格來衡量,我們目前離人均1萬美金還差一些。不過這也是我們現在的一個基礎。那么之后的40年,我們需要做什么去帶動我們的經濟,怎樣打造出一批批新的品牌?

     
    圖3 中國人均GDP

     

    綜合之前的經驗(見第一課內容),有幾個很重要的因素,首先要抓住需求,尤其是新興市場的需求。從歐洲工業革命開始,到美國的中產興起,再之后日本的中產爆發,如今中國也有3到4億中產崛起 (圖4),所以我們有足夠大的市場需求,就看怎么樣去把握了。第二是把握好大方向,必須要把市場的需求與科技尤其是硬科技深度的融合起來。在此之外,我們還應該清楚今天要做的事情與美國之前經歷的有什么同與不同。換句話說,我們已經經過了互聯網時代,也經過了移動互聯網時代,再經過過去40年的發展,我們有了大灣區這樣的得天獨厚的制造生態鏈,有能力和速度去迭代產品,這就為后面的物聯網時代,智能時代,機器人時代打下良好的基礎。

     

    圖4 中國品牌消費市場崛起

     

    新工科教育定位

    新工科教育的定位,要致力于培養和提供大量的科創人才,為回答前面的三個問題提供最重要和最寶貴的人力資源支撐。這牽設四個基本的環節:一要培養創新者基本素質 二要學會產品迭代的方法(見第一課)。三要掌握一套做硬科技創業不可回避的流程包括從概念到設計,到驗證,小批量到最后量產。四要學會系統思維。應用系統思維去理清和解決創業過程中的關鍵子問題,建立自己的競爭優勢。其中最重要的就是如何尋找和定義問題。

     

    圖5 創業流程

     

    我們先來探討下什么叫創新者素質。硅谷著名的風險投資公司 紅杉資本在


    過去40多年的投資經驗和百億美金學費的基礎上,總結起來優秀創業者的20條特征: 

     

    圖6 紅杉20條創業者素質

     

    華為經過這些年的摸索,也做出了一套自己的標準 (圖7):可以看出,每一類都分了四個級別。一級是執行性人才,二級以上才達到開創性人才的標準。

     

    圖7 華為人才標準(二級或二級以上才能稱為開創新人才)

     

    哈佛大學的 Tony Wagner 教授在調研了大量的創新者,企業高管和教育家之后,對怎么培養創新者有獨特和深刻的了解。他認為, 從教育的角度看,創新者需要具備以下四條素質:


    1. 必須要有好奇心,養成問問題的習慣,并且渴望通過問問題把它弄懂弄透。

    2. 必須要有團隊合作能力。無論做產品還是做研究,都要和不同專業,背景,觀念,價值觀的人一起合作共事,每個人都可以從不同角度對一個問題提供不同的看法。通過團隊合作融合大家的觀點才能把一個復雜問題弄清楚。

    3. 跨界能力。就像喬布斯在斯坦福大學畢業典禮時所說,蘋果打造創新的產品靠的是把之前看似毫不相關的點連接起來(Connecting the dots)。

    4. 快速行動和動手能力。一個好的創業者,想到了就應該馬上去做。有人問我怎么樣選學生?我的回答是:給學生一件事情去做,看他能不能快速的反饋,能不能舉一反三。如果能做到這一步,說明這個學生具備創業者最基本的素質。

     

    可以看出,Tony Wagner 教授從教育的角度論述創新者的素質,跟紅杉以及華為開創者人才的標準是非常相似的。哈佛大學研究創新四十多年的教授 Teresa Amabile 還說到:創新者的素質并不是先天就有的,而是可以引導和培育的。同樣,Olin工學院創校校長 R. Miller 強調人才培養的五個思維:跨學科思維,動手思維,企業家思維,倫理道德思維和全球思維。除了這5個思維之外,他們也有自己培養人才的9條標準:

     
    1) Develop and apply knowledge, skills and approaches and methods 培養和應用知識;
    2) Think critically 批判性思維;
    3) Develop and apply creativity 創造力;
    4) Develop and apply self-directed learning abilities 自我引導;
    5) Prioritize doing good in the world 優先做好;
    6) Design and implement processes to achieve desired outcomes 設計思維;
    7) Communicate effectively 高效交流;
    8) Collaborate successfully 成功合作;
    9) Develop personal and professional identity 自我專業素質。

     

    美國權威的工程教育認證委員會 (Accreditation  Board for Engineering  and Technology, ABET) 在2000年終于跟進和修改了工科人才標準, 簡稱 ABET 11條:

     
    a) 認識、提出和解決問題能力;
    b) 靈活運用數學、科學及工程知識的能力;
    c) 能有效的使用現代工程技術、工具與方法;
    d) 設計、操作實驗以及分析和解釋數據的能力;
    e) 實用系統設計能力;
    f) 交叉團隊合作能力;
    g) 終身學習能力;
    h) 有效的溝通和表達能力;
    i) 明白職業規范、具有良好職業道德;
    j) 具備全面現代社會知識;
    k) 能理解工程社會影響的淵博知識。

     

    我們也可以把這十一條歸為四個類別,分別是:提出和定義問題能力;分析和解決問題能力;生活技能;職業操守。

     

     Olin9條和ABET11條的最大區別在于對發現和定義問題(設計思維能力)的側重度。愛因斯坦曾經說過,“如果我有一個小時去拯救世界, 我會花55分鐘去定義問題,5分鐘去找解決方案“。源于傳統工程教育標準的 ABET 11條看來更適合華為的1級人才標準,而 Olin9條瞄準的是華為2級甚至更高。孔子言,“取乎其上,得乎其中;取乎其中,得乎其下;取乎其下,則無所得矣”。新工科教育的標準的制如何定是乎不言而喻。

     

    明確了人才培養的目標和標準,下面的關鍵是如何去制定以課程體系為核心的培養方案、以及如何去評估和迭代(就像我們創新產品似的)

     

    我們知道Olin有套完整的課程體系來支撐他們人才培養的標準。并且達成目標的方法不局限于單模式。在學習方法方面,有項目制學習、設計思維訓練;、引導式學習、合作學習動手實踐學習、場景式學習、集成學習等。教學的方法更多的采用跨學科的教師團隊來指導和引導學生,以學生為中心,讓企業積極參與進來。哈佛大學商學院的 Teresa Amabile 教授花了四十多年,研究創新是怎么樣發生的。開始時候她總覺得創新就是少數的幾個天才的事情,但是后面經過大量的研究,她發現只要掌握好的方法,有一個好的環境,普通人也可以具備創新能力,或者大幅度提升創新能力。當然這里需要三個方面的因素:首先要具備一定的專業技術知識,尤其是在知識經濟的今天。關鍵是怎么樣去學習知識,怎么去應用知識?第二要具備創新思維,也就是 Tony Wagner 提到的創新者四條素質。第三,還需要內在和外在的驅動力。外在驅動力固然重要, 但關鍵還是內在的驅動力。創新創業之路漫長而曲折、只有對此充滿了激情與熱愛的人才能不畏艱難、抵達勝利的彼岸。除此之外,好的環境有如創新的催化劑,鼓勵團隊合作、學科交叉、 包容和理解失敗。在不斷的迭代和試錯過程中,給創新者賦能。Tony Wagner 教授還提出了創新者培養生態三部曲:1. 首先要多玩,在玩的時候找到喜愛的東西。在發現愛好的過程中,去學習掌握知識。當然在這個階段避免不了今天喜歡這個,明天喜歡那個。這也不是壞事,我們可以從一個興趣,到另外一個興趣,學習和拓展知識面,直到最終找到真正的愛好和激情。這種激情,可以促使我們有個使命感,覺得能夠改變自己,改變社會,給人類帶來益處。而有了這種使命感,就會不遺余力去做好了。所以說創新不是一個人的事情,需要父母,導師,企業等來構成整個生態。


    如今我們的幼兒園、小學、中學提供大量的補習班,卻是和這個創新生態三部曲的原則相違背。Montessori 學校也提出,要大家盡情的玩,通過玩,去探索、實驗、試錯從而找到自己的興趣,再從興趣里找到自己的定位與使命。正如喬布斯所說,如果要取得偉大的成就,必須要找到自己喜愛的事情。

     

    圖8 創新者培養生態和環境

    傳統工科教育的發展和新工科教育的興起

    我們先了解下傳統工科教育的發展歷程,這也讓我們能更深刻的理解新工科教育的背景、使命和未來走向。前面我們提到過1765年瓦特發明蒸汽機標志著人類從農業社會進入到工業社會的轉折點。我們也不僅要弄清楚轉折點之后的故事,更要從轉折點開始,理清之前發生了什么,為什么會產生這個轉折(回顧下李約翰之問)

     

    圖9 工程教育的發展和演變過程

     

    我們選擇從1450開始。1453年東羅馬帝國首都君士坦丁堡(現在的土耳其首都)被奧斯曼帝國攻陷,奧斯曼成功統治地中海東部及巴爾干半島,絲綢之路被隔斷。為了繼續引進東方的絲綢、茶葉等產品,歐洲開始航海探索,尋求重新建立一條貿易的路徑,也是航海時代的開始。同時一大批學者離開這里,去到了意大利(也帶去了穆斯林從亞歷山大圖書館留存的古希臘文明),拉開了文藝復興的序章。達芬奇就是文藝復興時期藝術、建筑、軍事、機械、和科學發展的重要標志。那個時候的中國,還處在明朝時期,先后經歷了明代宗土木堡事件和明英宗奪門之變,整個社會依然處于內憂外患,動蕩不安。大約一百年之后,伽利略標志著現代科學的誕生和科學方法的開始。同時開普勒也是科學革命的關鍵人物。他的著作《新天文學》、《世界的和諧》、《哥白尼天文學概要》成就了最為人知的開普勒定律,牛頓也受開普勒的啟發,想出了后來的牛頓萬有引力定律。還有著名的微積分,也是牛頓因為英國的大瘟疫事件宅在家里,得出的結論。


    經過了科學革命以及科學方法的運用,造就了我們前文提到過的瓦特發明蒸汽機。當時的中國,處于乾隆時代,也算是中國較為鼎盛的時期。可是同美國的華盛頓總統相比,他們做著截然不同的事情,對后續的影響也是各不相同。


    第一次工業革命主要是蒸汽機的研制和應用。1765年,瓦特把當時格拉斯哥大學的紐科門蒸汽機(Newcomen steam engine)的效率提升了5倍,標志著第一次工業革命的開始。這些技術被應用在礦山,工廠,紡織,輪船,火車等各個行業,所以這是一個蒸汽機+的時代。


    這次工業革命,從英國向周邊國家輻射。法國處于近水樓臺先得月,系統地“獲取”了英國各項技術,派出大量人員去英國考察學習,還開辦了軍事和工藝類學校來傳播技術。受益于工業革命,法國變得強大起來。1806年秋天,第四次反法同盟爆發,法軍同時在耶拿和奧爾斯塔特大敗普軍,取得了德國大部分地區控制權。受到戰爭的打擊,普魯士人痛定思痛,把這種危機轉化成機遇,開始推廣工業革命,并且組織建立了新型的大學,洪堡大學也因此誕生。普魯士王國通過建立洪堡大學,來培養技術工人。工業革命和教育的成果,體現在1870年的普法戰爭,普魯士大獲全勝并統一德國。工業革命之前,人口組成以農民為主, 有少量的工匠。后來隨著科學方法的誕生,有了科學家。工業革命開始之后,社會需要大批工人以及技師來應對工業的發展。大西洋彼岸的美國,一方面受到英國工業革命的影響。另一方面,也吸收歐洲尤其德國洪堡模式的優點。洪堡模式的主要特點, 一是通過分科培養來大批量培育產業人才, 二是開展科學研究和學術自由 (主要在理學院和醫學院),通過考試來檢驗效果, 再通過控制老師來控制學生的質量。根據當時工業革命的要求, 學生只需要按照要求把事情做好即可。


    美國麻州眾議員 Horace Mann 非常欣賞洪堡大學的體系,于1843年將其引進到了美國, 以此模式建立了霍普金斯大學(1876)和芝加哥大學 (1890)。當時對于如何分科教育有過激烈的爭論。最后, 美國成立了一個由哈佛大學和芝加哥大學校長參與的十人委員會(Committee of Ten, 1893),決定分五科(數學,科學,英語,歷史,外語)來學習。

     

    圖10 洪堡教育理念從德國到美國(1843)和到中國(1907)的演變。

     

    洪堡教育模式被蔡元培1907年引進到中國并在北京大學推廣開來。清華大學在1931年經過梅貽琦的改革,也采用了這種模式。有人把洪堡教育模式比喻成裝配線形式的教育。


    可以大批量培養產業工人(也叫技工),每個學生要重復學好一些知識點,盡可能不要出錯,當然也不需要創新。而美國地理學家 William Barton Rogers 覺得工業革命雖然產生了工人和科學家。但是工人和科學家脫節。他希望能創造一個新的工種:工程師, 銜接科學家與技工(Technician)。所以在1861年他給麻州政府寫了一個建立培養工程師的學校的報告,也就是MIT的雛形。報告中提到培養的工程師第一要認識到知識的價值,二是通過動手去學習,三要有專業技能。從MIT的logo可以看出,手腦并用,理論實際相結合。但是由于美國發生內戰 (1861-1865),學校并沒有立即運營。時隔四年之后,也就是1865年,第一批學生才入學。當時還處于第一次工業革命和第二次工業革命的過渡時期,學校只開設了三個專業:機械,土木和礦業。機械負責蒸汽機的修理和研制,土木負責鋪路修橋,而礦業則為了挖礦。

      

    第二次工業革命 從1850年開始至1914年第一次世界大戰爆發。第二次工業革命緊跟著第一次工業革命,并且從英國向西歐和北美蔓延。第二次工業革命以電力和內燃機的應用為代表,包括電燈、電報,電話、無線電、飛機,汽車等,是一個電+和內燃機+的時代。1876年,愛迪生建立了一種新型研發機構,即著名的愛迪生實驗室,發明了包括其名下的1093項專利和這些專利的商業應用。愛迪生不止是個發明家,且善于學習。在他實驗室匯集了一批物理學家,數學家,冶金學家,化學家、技工和熟練工人,有機地融合了科學家、技工和資本, 建立了實驗平臺和產業化體系,改變了以前小作坊式的技術創新,成為了現代工業技術研究的一個轉折點。愛迪生實驗室的創新模式影響了一大批類似的實驗機構,包括1907年成立的貝爾實驗室(Bell Lab),以及二戰期間的MIT Radiation Lab 和原子彈研究工程 Manhattan Project。第二次工業革命使得電力技術應用越來越廣,包括1882年 愛迪生的第一家商業發電廠和1875年貝爾在電報的基礎上發明的電話(Acoustic Telegraph)等。貝爾還去 MIT 介紹過電話技術, 促使 MIT 在1882年9月成立了電機系、并且由 Charles Cross 開設了美國第一個電機工程課程。 第二次工業革命時期,  中國還在延續一千多年的科舉體系,教學依然采用古老的方式(推薦觀看央視紀錄片《科舉》)。這種文化根深蒂固也著實影響了我們后續的發展。經歷了第二次鴉片戰爭的慘痛失利和太平天過運動,曾國藩等人開啟了洋務運動(1861-1895),師夷長技以制夷,并派出首批幼童留學美國。雖然洋務運動沒能救得了大清王朝,但是對于之前清政府抵制夷人,閉門造車,已經是進步了一大截。

     

    按 Rogers 當時的設想,技工可以用已有的科技,做一些創新,科學家推進科學進步,而工程師則應該是二者的橋梁,不僅使用已有技術,而且可以應用科學去開發新技術。換句話說,工程師不會等待有了科學之后才去使用,而是可以自己走在科學的前沿。很可惜,MIT從1865年招收第一批學生直到1930年代初,Rogers 的這個夢想沒有實現。學校還是以培養技工為己任, 只要懂得修理和維護機器設備就好了。有個很有趣的例子,1936年錢學森去MIT拿到碩士學位后就離開去了加州理工,師從德國來的馮卡門教授。他自己回憶道,當時在MIT的一年時間,并沒有學到太多。真正Rogers夢想的實現,則歸功于 Vannevar Bush 教授對 MIT的改變。

     

    圖11  Vannevar Bush(1890-1974)

     

    Vannevar Bush ( 1890-1974)博士畢業于MIT(1916)。博士之后的頭幾年,他先后為 Tufts,美國國家學院和MIT等工作,折騰了一段時間 (明顯的創業者素質),期間他還聯合創辦了 Raytheon 公司,如今美國最著名的導彈公司。他在MIT任教時(1919-1938),首倡工程教育的研究文化。他最為著名的科研成果就是與著名數學家 Nobert Wiener 研制了首臺機械式模擬計算機(英國的計算機鼻祖Charles Babbage 雖然提出了計算機構想、但并沒能做出來)。同時他還擔任二元代數課的教學,為信息論工作奠定了基礎。之后他擔任電機系主任,MIT工學院首任院長(1932-38),教務長。可以說,MIT 正是在Bush的領導下建立了跨學科的研究文化。1938年去到卡耐基科學研究所擔任主任,這是美國資助科研經費最多的機構。此時他對美國科學研究的影響,可以說是最高級別的。同年八月份他又被任命為 NACA(NASA前身)的主任。在一戰期間,Bush 發現科學家和軍事之間的斷隔。他也意識到二戰不可避免,而這次戰爭也是科技的戰爭。所以給時任總統羅斯福寫信,并用15分鐘說服羅斯福批準成立美國 NDRC (相當于國防科工委這樣的機構),把高校、企業、政府、軍方等機構組織在一起,針對二戰需要的技術進行研究。對二戰影響最大對研究項目包括原子彈工程 Manhattan Project,MIT Radiation Lab 等。Manhattan Project 匯集了各類各樣的科學家和技工,人數達到13萬之多。戰爭結束后,Bush發表文章 ‘Science:The Endless Frontier ’,建議政府不應該停止對科學的資助,并推動成立美國科學基金會。這篇文章也被李政道引用,用于推動中國成立自然科學基金委員會。Bush 同時還訓練出來一批知名學生:F. Terman(1924年畢業)后面擔任斯坦福大學工學院院長和教務長,被稱為硅谷之父。H. Hazen(1931年畢業) 是伺服機構(Servomechanism)的創始人。G. Brown(1938年畢業)是第一臺數控機床的創始人,也是現代工程教育的奠基者。Bush 在1927年開始構建微分分析器時,意識到工程的進步離不開數學,這也為后來 G.Brown 的教育理念埋下種子。同樣還有被譽為信息論之父的 C. Shannon,哈佛大學的哈沃德·加德納稱香農的碩士論文“可能是本世紀最重要、最著名的碩士學位論文”。Bush還有兩名中國學生,顧毓琇和李郁榮,也同樣非常有名,這兩位學生也為中國的現代教育建設做出了杰出的貢獻。

     

    圖12 Bush與幾位弟子一起做實驗

     

    圖13 Bush在Berkeley Lawrence Lab商討Radiation Lab籌建事宜

     

    我們來介紹一下 MIT Radiation Lab 以及它對現代工程教育的影響。在二戰時期,德軍潛艇以“海狼”而聞名于世,一度給英國的海上運輸造成了極大破壞,從英國到美國的運輸船只都被德國潛艇攔截,相當于將英美兩國隔離起來。所以丘吉爾找到羅斯福尋求幫助,希望美國可以把英國最早研究出來的雷達進行進一步改進并且批量生產。于是羅斯福把任務交給了Bush。Bush 去到 Berkeley Lawrence Lab(擁有大批諾獎得主,第一臺回旋加速器誕生地)找了諸如 A. Campton(芝大物理學諾獎)、 J. Conant (哈佛校長、 K. Campton(MIT校長, A. Campton 哥哥),還有羅蘭遠距離導航系統的發明者 Alfred Loomis,一起構思組織了跨學科的團隊,由李·阿爾文·杜布里奇(Lee Alvin DuBridge)擔任主任(1946年任加州理工校長),以物理學家,數學家為主導,技工、工程師為配角,來研究微波與雷達的實驗室。高峰時期實驗室有4000多研究人員,有9位先后獲得諾貝爾獎。從事地面,機載,船載、預警、火炮聯網等方向的研究。MIT Radiation Lab 生產了美國一半以上的雷達,為贏得二戰勝利做出了重要貢獻,所以有句話說,原子彈結束了二戰,雷達贏得了二戰。

     

    圖14 Gordon Brown(1907-1996)

     

    在 MIT Radiation Lab 基礎上,Bush 的弟子G. Brown 教授, 同時也是首臺數控機床研制者,MIT電機系系主任(52-59)和工學院院長(59-68)意識到之前技工式的工程教育讓工程師在二戰的工程研究中處于配角地位。物理學家、數學家反而成為了無線電、雷達等重要工程項目的主要推動者。回看當年MIT創始人Rogers在創校方案 Rogers Report 的設想和Bush的教育理念, MIT 成立了一個由 Brown 教授牽頭的委員會, 檢討工程教育、并于 1950年提出了教育改革方案兩個基本原則(The Brown Report 1950)

     

    1. 科學主導工程,工程師首先要被培養成科學家,強調教學中數學和科學的地位。

    2. 實驗與課堂教學緊密結合。

     

    在Gordon  Brown 主持下, MIT電機系對課程進行了改革、并形成了今天我們所熟悉的課程方案:

     

    圖15 G. Brown教改后的工程教育課程體系

     

    從第一年級起, 學生有兩到三年的數學課, 一到一年半的物理課。二年級起, 開始專業基礎課, 三、四年級專業和選修課。同時有大約八門人文課程(每學期一門)。最后1年畢業設計。每個學期5門課,四年總共40門課,120學分。這個方案在MIT 工學院推廣后也幾乎被全球所有的工學院采納。這個課程體系的另一特點是先學理論,再動手做。專業基礎課和專業課一般都會配有相應的實驗(見Brown Report的第二原則)。最后 畢業設計的宗旨是通過一個項目把之前所學的內容融合起來(項目題目通常由老師定)。在推動工程教育改革的同時, MIT 把辦學的重點放到了研究生教育。本科生的職業技能要嗎是通過研究生階段學習后得到加強,要嗎是去企業通過企業內部培訓獲得 (美國大企業有很好的培訓機制)

     

    圖16 現代工程教育發展

     

    起源于MIT的現代工程教育,尤其是研究生工程教育、適應了戰后經濟和產業的發展,對于推動美國經濟和科技發展起到了舉足輕重的作用。MIT,Stanford 和Berkeley 的創業者主要以教授、博士生和研究生為主體,技術主導型的企業為多。

     

    我們系統梳理下從1930年開始到今天的工程教育演變過程。1927年Bush開始研究模擬計算機,1940年成立 MIT Radiation Lab, 再到50年代 G. Brown 的工程教育改革。在Brown教育模式 往其他大學推廣的同時,工業界也發生了一系列變化。1946年第一臺數字電子計算機 ENIAC在賓夕法尼亞大學亮相,1947年半導體三極管在Bell Lab出現。三級管之父威廉··肖克利(W. Shockley)將晶體管技術帶到硅谷,成立了肖克利實驗室(Shockley Semiconductor Laboratory )。以Bob Noyce 和 Gordon Moore 為首的 “八個叛徒” (“Traitorous Eight”)從肖克利實驗室辭職后成立了仙童(Fairchild)半導體公司, 后面又創辦了英特爾 公司。集成電路被應用到各種各樣的儀器,包括大型計算機、收音機和電視等。1977年, 喬布斯與 沃滋尼克 創辦蘋果公司并推出了Apple II, 開創了個人電腦的時代,微軟的軟件產業也油然而生。之后硅谷興起,進入了互聯網時代。隨著電子計算機的發展,CMU在1965年成立了計算機系,工科學生也開始需要學習編程等基礎課。 同樣,各種各樣的仿真工具誕生,這些工具可以在某種程度或者某些方面來幫助實驗。隨著越來越多的課程加入,仿真也就逐步替代了實際的動手操作,課程里的動手環節被逐步削減。因為在當時,大家都會覺得上的課程越多,學到的知識也就越多,越有用,所以難免學生會超負荷工作。


    CMU在1995年又做了個系統的調研,通過了解追蹤畢業的學生,發現課學的越多,學生取得的成就越差。所以又進行第二次改革,從每個學期5門課變成4門,減少了畢業要求的課程數量。這個教改得出一個很重要的經驗,就是學的多不見得好。在實際應用中,如果學習的內容沒法消化,就相當于浪費。

     

    新工科教育的一個重要節點是2007年蘋果推出智能手機,對整個產業界和教育界產生具大影響, 同時也開啟了對傳統教育模式的反思。從 Sony的 Walkman 被蘋果的iPod擊垮,到后來 Nokia,Motorola 等手機巨頭也同樣被蘋果打敗,高通的前主席P. Jacbos博士說到,他和很多行業高管長時間夜不能寐。以前高通通過 Nokia 和 Motorola 等客戶支付的專利費躺在床上就可以數錢,但是后面這些客戶都被與手機不沾邊的蘋果公司打敗。他開始思考這種現象,分析喬布斯的特點和蘋果公司的不同。從中他意識到傳統的工程教育必須改革(他自己在加州大學伯克利分校獲得本科,研究生和博士學位)。“未來的產業領袖如果只是會專業技術已經不足以應對創新經濟時代的挑戰。他們必須學會如何在跨學科團隊工作,如何快速迭代產品,從設計到制造。如何把技術與藝術融合起來,如何理解國際市場不同的需求”。2014年, 他給伯克利捐了一筆錢成立了一個新的本科學院 Jacobs Institute of Design Innovation,開啟了伯克利的新工科教育探索。同一年, Dyson 也在帝國理工建立了與傳統設計學院完全不一樣的新型工程設計學院,Dyson School of Design Engineering。反觀MIT,早在1985年,建筑學院利用其在設計領域的優勢建立了一個跨學科的研究生培養平臺, MIT  Media Lab. 該實驗室招收來自設計、工程、科學、藝術等領域的學生。學生根據自己愛好,組成跨學科項目組,探索產品定義、迭代和制作。其口號是 Design and Demo. MIT當時的工學院院長很想在本科推行 Media Lab 的改革,但遇到極大阻力。最后說服新加坡政府于2009年成立新加坡設計科技大學(SUTD)


    離蘋果最近的斯坦福大學,于2005年成立了d.school,也在推動類似的教育改革。


    當然,最有代表性,也最為系統全面的改革還是1997年成立的歐林Olin工學院。以上是一些新工科教育改革的實例。


    為什么說這些改革就像當年的G. Brown的改革一樣,對整個工程界和社會都會帶來很大的改變?在二戰及二戰后直到 1980年代, 大學的科研經費主要來源于政府和軍方。問題主要是針對戰爭、軍事、冷戰或太空競爭的各類需求。但是隨著個人計算機,互聯網以及消費市場的興起,科研經費和研究問題的來源已經從政府和軍方轉移到企業、民用和消費市場。比如蘋果一年的科研經費已經超過美國的國防先進研究計劃署 (DARPA)的預算。同樣現在的企業對傳統模式培養出來的畢業生也有新的衡量和評判,像谷歌已經從之前招名校研究生和博士生到現在15%的新員工不再有大學學歷。同時, 也不再需要提供成績單。(推薦Tony Wagner騰訊講座)。企業更在乎員工的創新能力,而不是學位或者學校的排名。

     

    美國科技企業和主要高校在新工科教育領域的改革對中國工程教育和產業的發展有什么影響?中國的高等教育,尤其是工程教育應該如何改才能適應中國經濟、產業和未來的需求?

     

    我們先來看看中國工程教育的發展歷程。

     

    1872年到1875年,清政府先后派出四批共120名幼童赴美國留學,1881年由于項目中斷有94名回到中國。而這些留學生對中國的工程教育也扮演了重要的角色。梁誠,第四期學生,17歲回國, 1903年至1908年間擔任晚清駐美國公使。他曾為清廷爭回部分庚子賠款,這筆款項支持了逾千名學生赴美留學。他當年所設的游美肄業館,后改稱清華學堂(清華大學前身),也被稱為清華之父。唐國安,第二期學生,1910年任外務部考工司主事,主要負責選派留學生,1912年5月清華學堂改辦清華學校,擔任了清華第一任校長,在任期間選派大批學生赴美留學,包括胡適、趙元任、竺可楨、梅貽琦等。

     

    圖17 梅貽琦(1889-1962)

     

    梅貽琦,作為第一批庚款留學生,1911年入美國伍斯特理工學院研究電機工程。1916年回到清華擔任物理系教授。1931年起擔任清華大學校長。西南聯合大學成立后,他以校務委員會常委身份主持校務。梅貽琦先生是清華大學(含北京、新竹)歷史上任期最長的校長(1931年 - 1948年、1955年 - 1962年),被清華人尊稱為 “永遠的校長”。在他擔任校長期間,清華大學也突飛猛進,他也留下了至今在教育界仍然振聾發聵的名言 “大學者,非謂有大樓之謂也,有大師之謂也”。


    我們熟知清華在人文方面,有國學四大導師梁啟超、陳寅恪、王國維、趙元任。理學方面也有一批很有名的數學和物理學家。那么工程方面,就要說到前面V.  Bush的兩位學生了。

     

    圖18 顧毓琇(1902-2002)

     

    顧毓琇,無錫人,1915年,13歲的他考入清華學校中等科,1923年畢業,此后留學美國麻省理工學院,獲電機工程學士、碩士、博士學位 (1923-29,三麻,類似清華三清),也是第一個拿到MIT博士學位的中國人。1929年歸國后,他歷任浙江大學電機工程系教授兼主任,國立中央大學工學院院長,國立清華大學電機工程系教授兼主任(1932-33)、工學院創院院長(1933-37)。創辦清華大學無線電研究所和航空研究所并任所長。他歷任國民政府教育部次長、國立中央大學校長、上海市教育局局長、國立政治大學校長。其間,他還曾兼任國立音樂學院院長、中大教授,國立交通大學教授。他也培養出一大批對中國科學發展起到關鍵作用的學生,包括錢學森,錢偉長,吳健雄等。江澤民也算是他運算微積分課程的學生。

     

    圖19 李郁榮(1904-1989)

     

    李郁榮,顧毓琇在MIT的師弟,也是庚款留學生之一,同樣在MIT獲得了學士、碩士、博士學位(1924-30)。他讀完碩士后,MIT數學系教授諾伯特·維納(Wiener)找到Bush,希望能推薦一個學生幫他把他的想法實現。經Bush 推薦, 李郁榮開始了與Wiener教授長期的合作研究,他們共同研制的李-維納網絡,獲得美國專利。在此過程中,李郁榮和Wiener配合默契,把Wiener的思想理論發揚光大,在工程界推廣,立下汗馬功勞。畢業之后, 1934年受顧毓琇邀請,到清華電機系擔任教授。所以清華電機系早期的課程體系,實驗設備都和李郁榮密切相關。

     

    圖20 1936年清華電機系成員與Wiener合影

     

    圖21 李郁榮,A. Bose和Wiener討論Lee-Wiener網絡場景

     

    李郁榮促成了Wiener1935年訪問清華大學并繼續與之進行合作研究。以下是他給Wiener教授的書信內容節選:

     
    “清華工學院以擁有的設備和裝置而自豪。數學系的圖書館與MIT的一樣完善。任之恭博士認為物理系的圖書館要比哈佛大學的更加完善一些。我相信,您會發現這些圖書館為研究工作準備了充分的資料”

     

    同樣顧毓琇也寫信邀請 Wiener:

     
    “維納教授

    請允許我代表清華大學數學系、物理系和電機工程系的教職員工,歡迎您和夫人即將來我校工作,我們對您的到來都十分高興,希望您能早一天來到清華。我和李博士為您的住宿等事宜已經做出了初步的安排。我們保證未來一年您會在清華住得很好。您一到上海或天津,請打電報告知您乘火車來北平的具體時間,我們會到車站迎接您。我校電機工程系正在考慮購買一臺小型積分儀或微分分析儀。請您與布什教授聯系一下,讓貴方的電機工程研究小組的專家為我們制做一臺儀器,并請告訴我們所需費用情況, 我們希望您在清華大學期間能幫助我們將此設備建立起來。梅校長剛剛已經打電報給您,談到有關您和夫人旅行費用的事宜,此費用六月份由我校負責為您報銷,單程旅費總計1040美元。隨信寄上給杰克遜教授和布什教授的兩封信,請代我轉交一下為盼。

    致以最美好的祝愿。Y. H. Ku”

     

    信中內容可以看出,學科交叉在當時清華是很普遍的一件事情。而且從給Wiener教授的路費1040美元來看,這在當時是天文數字。毛主席在北大做圖書館員的基本工資只有8美元,梁思成在清華教授300美元已經是天價,MIT的教授也只有125美元,所以我們可以說,清華在當時既有錢,又有人(有大樓也有大師)


    Wiener回國后,還鼓動著名數學家、普林斯頓高等研究院終身教授約翰·馮·諾伊曼到清華訪問,諾伊曼夫婦對此很感興趣。1937年5月4日,諾伯特·維納專門就此事同時致函李郁榮、梅貽琦和熊慶來,鄭重推薦約翰·馮·諾伊曼作為清華大學的訪問教授。然而,由于七七事變,日本全面侵華,遂成為泡影。


    同樣很遺憾,1937年李郁榮在去杭州參加親戚婚禮時盧溝橋事變發生,只好躲在上海避難。八年期間通過開古董店維持生計,他的科研工作被迫中斷。后來致信Wiener并且于1941年拿到了MIT任教的聘書,無奈珍珠港事件突發,到1946年初才得以重返麻省理工學院,開始致力于探討通訊中的統計理論,成為了統計通信方面的開山鼻祖。他也和Wiener, Shannon一起奠定了MIT二戰后電機系的基礎。在MIT李郁榮也培養出了一批高水平的學生,Amar Bose(1956年畢業)音響設備巨頭公司Bose創始人, Irwin Jacobs(1959年畢業)高通創始人, G. Zames (1960)魯棒控制的創始人。

     

    圖22 李郁榮回到MIT與Wiener,Shannon組織通信研究討論會

     

    我們能看出,當時清華電機系的起步水平還是挺高的。很可惜因為戰爭原因大部分設備和人才都流失了,一部分人帶著一部分設備去了西南聯大。雖然說西南聯大在人文、理科等領域取得了非常了不起的成就(如陳省身的Gauss-Bonnet 定理),但是西南聯大在硬科技領域和當時30年代的清華是無法相比的。

     

    圖23 中國現代工程教育發展

     

    圖23上部分總結了美國工程教育的發展。我們現在梳理中國工程教育的發展(圖23下半部分)。中國現代工程教育的發展從1932年顧毓琇回到清華開始,李郁榮(1934年)和Wiener(1935年)來到清華建立電機系為起點。1937年至1945年整合到西南聯大。1950年院系調整,工科與文、理分家、失去了重要人文和科學支撐以及學科交叉機遇。1966年十年文革;1978年改革開放,迎來了科學春天,科技復興。1990年開始高校合并,1999年大學擴招。雖然辦學經費和規模得到了大幅提升,但也帶來很多問題。一是管理體系臃腫, 行政化和唯論文化現象嚴重。二是表合實不合,阻礙學科交叉的障礙并沒有實質性減少。1990年吳家瑋教授創辦香港科技大學,把梅貽琦、顧毓琇、李郁榮在1930年代開啟但沒完成的事業、借助香港回歸、小平南巡,留學生歸國和香港資金及政策支持, 把起源于德國、發展于美國的研究型大學尤其是現代工程教育模式在香港落地結果、同時也推動了香港高等教育過去二十年的長足發展。2004年港科大開始探索新工科教育。2012年以港科大為模板深圳成立南方科技大學。這就是中國工程教育發展的大體脈絡。

     

    我們再進一步分析下中國傳統(或現代)工程教育的一些問題, 能幫助我們進一步理解錢學森之問的本質。從錢學森的求學(MIT和加州理工)、研究 (工程科學、系統科學、工程控制論等)和工作(兩彈一星等)背景,可以看出他說的創新人才應該是現代工程背景下的創新人才。當然這類人才在新工科背景下也可能會非常出色(好比Shannon與喬布斯)


    創新首先要有非常好的學科交叉平臺和環境支撐(見Amabile 的創新圖,圖8)。但我們現在的大學,尤其是理工科大學,結構又是如何呢?學校首先被分割成理學部、工學部和商學部(叫部或群的都有,本質相同)等。


    工學部下面又細分成 自動化學院、通信學院、光電學院、計算機學院、軟件學院等(這些都隸屬于之前或國外的電機系)。學院下面進一步細分成多個系或二級學科。每個系或二級學科就是一個小山頭。隸屬于這個山頭的老師和同學跟其他山頭老死不相往來(學生雖然幾年后就畢業了,但接觸的全是本家山頭的東西)

     

    我們再看看每家山頭給學生提供的課程內容。按G. Brown 現代工程教育理念, 先理論,再動手,40門左右課程(CMU 教改后變成了 32門課,甚至 30門課也可畢業)。前面一部分還行, 后面一部分就難說了。一個根本原因就是隨著知識的爆炸,越來越多的課程被擠進來。每個老牌教授 (或者教學指導委員會)都覺得自己的課程重要,一課都不能少。知識經濟嗎,肯定是課程越多越好。圖24 列出了幾所重點大學信息專業學生所修課程數目。相信 李郁榮或者 G. Brown 看了這個課程表一定會暈過去 (即使是Shannon 這種超級學霸也不一定承受得了啊)。每個學期要上七、八門或更多的課程,最后的結果肯定是囫圇吞棗。實驗和動手部分要么被仿真替代或者走個形式了(canned-type of experiments)


    畢業設計只有一學期,也是形式化。老師把之前做過的題目讓學生重復一遍,也就你好我好大家好了。

     

    再一個就是教與學的單一模式。這一方面局限于千年科舉的影響。更主要的還是大規模流水線生產的最好方法就是老師寫版書(時髦的放ppt),學生死記硬背,只要考試時能把老師教的復述出來就好。對此現象,Stanford d.school 教授 Ed Carryer 曾說到,“在傳統教育模式中,我能夠應對考試,也能回答老師的問題,但是實際生活中我無法設計任何新的東西”。


    美國一所中學 Lawrenceville School,針對灌輸式學習方式做了一個有趣的實驗。在暑假開始之前,對一門科學科目進行考試,全班取得B+成績。三個月后,對同樣考題做一個簡化版,全班的成績竟然是F。灌輸式教學模式世界各地都有,也不是完全不能用、但不能走極端。


    哈佛大學教授 Paul Bottino 也說:“傳統的通過灌輸式的教與機械記憶式的學所掌握的知識已經沒有太多的價值了。真正有價值的是你如何利用你所掌握的知識去做有價值的事情。” 灌輸式的教學模式讓學生保留的知識很有限,只有真正通過動手,通過實踐,才能學會并掌握這些知識。正如那句話所說:告訴我,我會忘記;教導我,我可能記得;讓我深入其中,我才能真正的學到并且運用。

     

    總結起來,傳統工程教育面臨普遍性的挑戰有四點:專業細分化;知識碎片化;實驗形式化;方法單一化。這是我們在傳統工程教育所處的現狀。這也是為什么,錢學森通過給總理提出錢學森之問,讓我們認識到問題的存在和嚴重性,并且去探索問題的解決方法。

     

    圖24 我國大學電子信息專業課程學分數量

     

    新工科教育探索

    蘋果、谷歌、高通、華為、大疆、戴森和騰訊等科技公司的經歷,創新教育研究者 T. Wagner, R. Miller, E. Carryer 和 T. Amabile 等人的經驗,以及創新人才培養機構 MIT Media Lab, Stanford d.school, Berkeley Jacobs Institute 和 Olin 工學院的實踐清楚的告訴我們基于 Brown Report 的傳統工程教育模式, 哪怕登峰造極者如MIT, Stanford 和 Berkeley, 也已經不能滿足創新經濟發展對高端人才的需求了。新近出來的MIT新工科教育改革報告(見[14],與 1950年 G. Brown 報告一脈相承)也清晰指出這一點。圖15結構的課程體系很難培養出紅杉20條, Wagner4條或者Olin9條標準的創新人才。

     

    MIT Media Lab 前任主任 Joi Ito 教授(他自己先后從塔夫茨大學和芝加哥大學休學,博士沒畢業)在他的Tedtalk里說到:“今天硬件的價錢很便宜,3D打印以及制造技術也很方便,知識獲得都在手機和互聯網上,只要你想學,知道目標在哪里,你就可以學會。” 在他擔任 Media Lab 主任時,他把原來的口號由Demo or Die 改成 Deploy or Die。他認為,光是把原型機做出來還不夠, 還應該通過創辦公司,把自己設計的東西推向市場。這樣學生才能真正掌握 P. Jacobs 博士所提出的 創新本領(創業是檢驗新工科教育的最高標準!)

     

    要在現有的課程體系去做根本性改革是非常困難的,甚至不可能的。每個老師都不希望自己的課程被改掉(寫了幾十年自認為很得意的板書改沒了, 這咋行?)


    MIT機械系的經驗可以借鑒。但前提是他們的本科生一直有動手的傳統(該校女生還可以打鐵,這在其他地方絕無僅有)。MIT 機械系D. Wallace 和 M. Yang 教授為本科生開設了兩門很有特色的產品設計課程,極受學生歡迎。一門一年級學生的玩具設計課程, 另外一門是四年級學生的畢業設計課程。畢業設計課程的答辯已成為MIT的狂歡節,學生會有強烈的參與感和成就感,據說每年都會有兩個團隊去創辦公司。

     

    另一個模式就是 Stanford 的 d.school 模式。D. Kelley 教授曾幫助蘋果設計第一代鼠標產品, 與喬布斯保持過長期合作,同時創辦了著名的設計咨詢公司IDEO。2005年, 他在斯坦福大學創辦了d.school。這個新學院的使命在于挖掘人的創造能力,更強調這里是一個環境,一個社區,一個改變人思維的地方。學院的宗旨在于給年輕人賦能,包括以下核心能力:


    · Navigate ambiguity;
    · Learn from others(People & context);
    · Synthesize information;
    · Experiment rapidly;
    · Move between concrete and abstract;
    · Build and craft intentionally;
    · Communicate deliberately;
    · Design your Design Work。


    圖25 史丹福機電一體化設計課程學生和老師

     

    盡管錄取標準也不低, 斯坦福學生動手能力仍普遍不足(K12 教育的缺失)。我專門采訪過上 Ed Carryer 教授機電一體化產品設計課程的本科生。他們覺得這門課讓他們掌握了如何去尋找和定義問題, 如何異想天開,通過動手把想法變成現實。怎么應用知識,怎么團隊合作。這門課讓他們對自己變得更自信,給他們賦能了。

     

    我自己于1992年加入香港科技大學。以前上課也采用傳統模式,板書(+ ppt),作業加考試三板斧。后面發現學生對這種模式越來越不感興趣。第一星期如果有一百學生來上課的話, 到期中就變成了五十,而到期末最多也就 四分之一的學生。很困惑、很不理解(后面才聽說有放水一招來吸引學生,但即使知道,也不會用, 誤人誤己)。2004年,為參加亞太機器人比賽 Robocon, 我開設了一門項目課程。這門課學生要學會定義問題(搞清楚比賽規則),然后以團隊形式利用各種工具,把系統進行分解(機械、電子、軟件等),設計、和制造每個子系統,集成、測試和不斷迭代。學生還去深圳買零部件,做PCB 和機械加工(熟悉深圳的供應鏈)。這種新穎的學習模式把學生的積極性充分激發出來。學生沒日沒夜的泡在實驗室、趕都趕不走。不少學生后面跟我講這門課讓他們學到了比科大四年還多的東西。這門課也走出了汪滔、王銘鈺、陶師正、潘宗良等一批創業者。這門課嚴格意義上來講還只是一門工程設計課程(主題由大賽組委會給,而非學生自己定義),不能給學生提供系統的訓練。后面我也見到許多 Robocon 背景的創業者,在創業這條路上磕磕碰碰,犯很多沒必要的錯誤。后面在這門課的基礎上,我們為科大工學院一年級學生開設了一門機器人項目課程。局部的改變了之前先學(很多)理論再(少少)動手的情況。這門課同時也被廣東工業大學,湖南大學、寧波工程學院和常州大學的機器人學院采用。港科大后面在大疆的支持下,設立了一個新的學科部,綜合系統與設計學科部(ISD), 每年30個學生。期望能更全面的探索新工科教育。

     

    無論是 Berkeley 的 Jacobs Institute,Stanford 的 d.school,港科大的ISD、 還是MIT的 Media Lab, 其工科教育改革還是多方面受到母體的約束, 這好比在國企推行承包責任制意義、有效果但很難徹底。

     

    唯一系統、全面把新工科教育做到位的是美國波士頓附近的歐林工學院Olin College of Engineering。我花了很長的時間去了解Olin,也把其改革方案稱之為 The Olin Way(該校前面一條馬路名字)

     

    Olin 的發展背景我就不多做介紹了(見[1]、[13]等文)


    首先Olin很清楚培養什么樣的人,Olin的人才標準Olin9條前面已經詳細介紹過。


    我通過采訪學生,走訪課堂,看老師如何授課,與畢業生和企業界的人士交談,同校長和行政人員交談,也邀請Olin校長來大灣區傳授經驗,并且派我們的人員去參與Olin學習班,深度了解Olin的創新。Olin校園雖然不大,但是留給人的印象很深刻。這里有一個完全不同的創新環境與氛圍。實驗室與教室整合在一起,教室里到處貼著學生的想法和成果。

     

    Olin于1997年注冊成立,兩年后校長到位,2000年啟動校園建設, 教師團隊在準備課程體系前,先花兩年時間走訪了五十多家學校, 詳細了解別人工科教育改革的經驗和碰到的問題。2001年招聘第一批學生,Olin 稱之為合伙人,共同參與課程設計實驗(這叫與用戶共同設計 UOCD)。2002年正式開學(2016年錄取率為1/12)。第一批學生2006年畢業,至今有一千多名校友,每年招收學生80名。教師共有37名,配備行政人員75名。Olin的畢業生極受企業歡迎, 平均起薪高于MIT。其中20% 畢業生創業,50% 進入著名大學讀研深造。即使不創業從事其他事業的學生,有了這段經歷也表現得很好。Olin的學生男女比例1:1,顛覆了我們對于偏工科學校女生不多的印象。他 們的經驗也告訴我們,女生在團隊合作中有優勢。Olin的學生在申請學校之前很多都有參加過中小學機器人比賽經歷、清楚自己要學什么。學校也并不依賴SAT成績來錄取學生,而是通過推薦等渠道,使得學生有機會參加面試。面試的內容是用兩天的時間來參與一組項目,與學校的老師和高年級同學互動,觀察學生的表現,最后才決定錄取。入學后四年的課程有大概有25-35個項目課程,最后的畢業設計由企業提供,外加五萬多美元的經費贊助,設計結束后還要在重要場合展示項目。


    學校沒有院系之分,大部分課程都是團隊教學模式,老師只是一個作為一個引導者,并不像傳統的講課模式。


    同時,老師的評估也有一套與傳統不一樣的標準,新的評估體系沒有終身制,需要綜合考察老師對社會的影響,對學生的成就,以及如何擴大學校的影響等方面,并不局限于傳統的研究,教學,服務。


    實現Olin的培養目標,最重要的就是有一套專門的課程體系,沒有課程體系作為框架載體,再好的目標也不可能實現。Olin的課程設計圍繞數學,科學,工程,設計,場景和課外六個方向。


    圖26 Olin課程設計

     
     圖27 Olin課程表

     

    Olin的課程結構與傳統工科課程結構完全不同。每個學期四門課,每門課都是通過項目把多方面內容融合,其中紅色的都是產品設計課程。可以看出產品設計課程在整個教學體系里占有非常重要的位置和比重。比如大學一年級的Design Nature,由兩個模塊構成,第一個模塊為了訓練觀察力,讓學生去自然界尋找喜歡的動物,觀察其特點并且解釋功能,最后做一款實體去驗證構思。第二個模塊做一個產品,比如小學生互動的玩具,學生們需要分組去調研,采訪小孩,老師以及小孩的家人,通過觀察小孩怎么玩來定義問題,設計產品,最后由小孩體驗并評分。每一門課程的定位和目標都跟整個課程體系的目標相適應。


    第二類課程就是數學、科學和工程基礎課程。通過項目載體融合起來,不只是簡單學會課程內容,更重要通過課程培養思維方法并學會怎么應用,怎么學習。


    有一門課程叫QEA,工程量化分析,通過這門課程掌握多元微積分和基礎物理等基礎科學知識,通過使用正確的工具培養動手能力,團隊合作等。課程有四個模塊,第一個模塊的內容是做一艘滿足要求的船。如果學生憑經驗立馬動手就做,就像山寨創業者一樣,大部分都會失敗。這時候老師就會強調科學方法的重要性,并且開始把相關的基本知識,為什么需要數學物理來設計等等告知學生,引導學生用這種方法分析設計,再去做,大部分都能成功。通過這種模式的課程,學生掌握了科學方法,學會了使用工具,提升了職業技能,也知道怎么去學習,如何去應用。課程并不強調要做產品出來,而是要把科學方法,數理基礎和工程融合起來。


    第三類課程是人文,社會,管理,藝術等相關課程,也是同樣通過項目載體融合。

     

    我們可以用圖 28 的模型來概括傳統工科與新工科教育對學生創新能力的提升幫助。Olin利用嶄新的機制,創始人和創始團隊的vision, 產業對創新人才的渴望, 波士頓的地利,美國對教育創新的政策支持、還有Olin 基金會的強大財源, 經過近二十年不斷迭代和試錯, 在新工科教育領域樹立了一個閃亮的標桿。

     

    希望我們一些有條件的大學也能做一些大膽的探索實驗,哪怕規模小一點。尤其是一些經濟條件好的地方政府,在創辦新的理工科大學時,可以把Olin模式考慮進去。小而精,新模式,引領地方的科創經濟上臺階。

     

    圖28 教育模式對學生賦能曲線

     

    新工科教育評估與迭代

    [15] 給出了一個設計項目課程的框架。它分四部分。第一,選定目標與標準(Goals)第二,制定系列活動 Activities;第三,梳理活動產生的結果(Products)。第四,評估結果(Assessments),迭代,直到達成目標(見圖 29)。

     

    圖29 GAPA

     

    GAPA 框架不只可以用來設計一門項目課程,也可以用來設計一個program,比如一個新工科Program。

     

    圖30 檢驗新工科教育的產業創新體系

     

    Olin 9條對于 新工科教育的單個產品(畢業生)的標準已經很清楚了。但對于這個群體我們是否能用文章開頭的科創之問來作為檢驗標準呢?(這肯定是個大滯后系統,需要十年、二十年, 也就是我們常說的十年樹木,百年樹人)。回答科創之問不止是我們的初心,也是我們這一代人義不容辭的責任。何不把民族的復興, 李約翰之問,錢學森之問與新工科教育的使命融合起來呢?記住孔老師名言, “取乎其上,得乎其中;取乎其中,得乎其下;取乎其下,則無所得矣”。

     

    后面兩文我們講介紹新工科教育兩類核心課程的設計與實踐, 以及松山湖機器人基地為科創人才實現夢想提供的支持。

    考文獻
    [1] A Whole New Engineer, D Goldberg and M. Somerville, ThreeJoy Associates, Inc. 2014
    [2] “The Olin curriculum, Thinking towards the future”, M. Somerville, et al, IEEE Trans on Education, pp. 198-205, 2005.
    [3] Creating Innovators, the Making of Young People Who Will Change the World, Tony Wagner, 2012, Harvard University.
    [4] Mindset, Changing the way you think to fulfil your potential, Dr Carol S. Dweck, Random House, 2006.
    [5] GRIT, The POWER of PASSION and PERSEVERANCE, Angela Duckworth, SCRIBNER, 2016
    [6] The Art of Innovation, Tom Kelley,Profile Books, 2016.
    [7] “Rethinking faculty development and assessment at Olin College”, R. Christensen, et al, 016.
    [8] “My education at Olin College”,  R. Schutzengel, Physics Today,  2014.
    [9] “The current and future role of technology and innovation centres in the UK”, a report by Dr Hermann Hauser for Lord Mandelson, Secretary of State Department for Business Innovation & Skills,  2009.
    [10] The global state of the art in engineering education, New Engineering Education Transformation, Dr Ruth Graham,  MIT 2018.
    [11] “Remaking Engineering Education for the Innovation Economy”, Dr Richard Miller, Presentation at HKUST IAS Distinguished Lecture Series,  Dec. 12, 2018.
    [12]The integration of the humanities and arts with  sciences, engineering and medicine in higher education. Consensus study report, the National Academies of Sciences, Engineering and Medicine.
    [13] 顛覆創新人才培養的歐林經驗, 李澤湘,知識分子, 2019-05-06
    [14] The global state of the art in engineering education, March 2018. Dr. Ruth Graham[14] [15] Reimaging and enpowering Design of Projects: A  Project-Based Learning Goals Framework, J. D. Stolk and R. Martello, Olin College of Engineering, 2018
     
    制版編輯 | 皮皮魚
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