范式是科学哲学家库恩提出的一个概念,它为人们观察和理解特定问题和活动提供了框架。在这一概念里,每一种范式就是一种科学观,就是一种世界观,不同范式间有着质的区别。所谓工程教育范式,它指的是工程教育的理念、行为和规范。工程教育范式的变革,需要相应改变工程人才培养的思维方式、行为方式和组织方式。美国传统的本科工程教育是依循通识教育、专业基础教育和专业教育(含毕业设计)三阶段逻辑进路展开的。毕业设计是要综合应用学过的知识去解决一个问题,一些专业基础和专业课程虽然也有一些实验或者项目,但基本上是以验证性为主。Olin则打破这一传统范式,实行“课程+项目”新范式。该范式以创新性实践思维和动手能力训练为目标,以真实的实践性问题及其解决为依托,培养学生用设计思维去发现问题、清晰地描述问题和准确地定义问题,然后再用数理、自然科学等知识去综合设计解决问题的方案,直至生产出创新性产品,同时还要求生产的产品具有人文价值、商业价值,将创新产品与技术可行性、经济可行性和社会价值结合起来。为此,他们在大学本科4年中以实践为指向,以学生为中心,通过全学程地实施 “课程+项目”教学模式,采用真实的或者模拟的项目的体验式教学方式对学生进行完整的工程训练。这里的“项目”既是一种实践形式也是一种学习方法,不同学科知识通过工程项目与真实世界的需求结合起来。虽然基于项目的体验式教学并非Olin首创,但它与众不同的是,并非将其作为辅助性的验证知识的手段,而是系统的、全面的创新性真实设计、建造实践,直至商业化。不仅在4年大学课程计划中一以贯之项目体验(包括实验仿真、团队合作和动手实践等),覆盖绝大多数课程,约占总课程数的80%,是一般工程院校的3~4倍,而且随着学习阶段的提升,项目数量更多、更开放和更具商业价值。这种培养模式可以同时满足跨学科学习、创新性实践及其商业化应用的要求,克服了传统工程教育学科知识面狭窄,学生只是学会解决老师交给的问题而不会自己去寻找具有挑战性的现实问题,更不会让问题的解决方案从实验室走向现实世界,达到“牵一发而动全身”工程教育改革的效果。可以说,Olin的工程教育模式是真正符合工程本性的教育。
这种模式虽然也把整个教育过程分为三个阶段,但与传统本科工程教育的三阶段不同,而是将其划分为多学科基础、专门化和转化实现三个阶段。每学期开设4门课,毕业最低120个学分。三个阶段教育将 “课程+项目”有机结合(整个学程从设计到制造要完成25~35个项目),强调知识的综合性和整体性应用。在多学科基础阶段主要为工程专业学习奠定坚实的基础,包括数学、物理学、生物学、化学以及艺术人文和社会科学。在这个阶段,从入学就开始接触到工程问题,并非要等修完1年或更长的数理课程之后,强调在实在的工程项目中掌握并应用科学技术知识,即在做中学。如在“现代生物学基础”课中,要求学生走进神奇的大自然,直接向千姿百态的动物学习,仔细观察、思索和研究它们运动的机理,从中学习设计的原理和方法,并要求基于其特性设计和制造出机械模拟物。在专门化阶段,学生在自己选定的专业领域深度应用跨学科知识进行工程项目设计开发,这些工程项目通常都是社会现实存在的真实问题,学生自主动手设计建造,教师仅仅进行启发引导。学生通过亲自动手设计建造的项目课程学习,提高自己融合多学科知识解决具有挑战性问题的能力,使得他们未来能够毫无畏惧地应对各种新的挑战。在转化实现阶段,学生用其所学解决企业真实的、具有商业价值和挑战性的问题,他们通过跨学科团队合作去完成客户调研、产品定义和样机制作的全过程,将“创新设计概念”转化为技术上可实现、商业上有价值和能造福人类社会的市场产品。具体地说,它具有如下明显特征。
第一,改变传统先理论后实践的培养模式,将实践居于主导地位,在做中学。Olin颠覆传统以科学理论为主导的工程教育理念,践行以实践为主导的人才培养思想,以实践性思维和实践能力训练为目标,以现实世界的问题解决为逻辑起点,实践与理论相结合,以通贯4年三个阶段的项目教学为抓手,在教师的引导下,通过对实践性问题发现、动手设计和制作来引发学生的学习体验,让学生自己去发现和创造知识来促进学习,建构理论知识,理解理论知识的作用和意义,生成实践智慧,提升工程实践能力,推动了“传授范式”向“学习范式”的转变,实现了外在输入式知识传递向内发创生式体验生成的转向。在这种模式中,彻底改变了传统以学科为主导、以教师为中心的知识传递范式,教师“为实践而教”,学生“为实践而学”。学生基于概念的实践不仅深入理解其中的理论,而且还对学生生活产生意义,“学会怎么做事”“学会怎么成事”“学会怎么成人”,真正实现了工程教育对工程专业实践的回归。
第二,设计思维能力培养贯穿始终,培养设计型工程师。设计是工程的精华,设计思维是一种打破常规的、开拓创新的思维形式。它对发现问题的需要甚于解决问题,既展现了工程对满足人需要的追求,更体现了工程创新的特质。Olin非常重视设计思维的训练,将设计思维训练作为培养工程创新人才的核心,不仅贯穿4年设置了一系列的设计课程,而且课外各类项目设计大赛等也以设计思维训练为目的。在第1学年第1学期开设“设计的本质”,第 2 学年第2学期开设 “面向用户的协同设计”,第3学年开设的深度设计课程,要求在“为制造而设计”“可持续性设计”“产品设计与开发”“合用的产品”“人类因素与界面设计”“分布式工程设计”“系统”等任选其一。第4学年两个学期开设毕业设计,这是面向企业的大型项目,学生团队首先进行客户访谈,分析用户需求,评估商业价值,查找资料与专利,提出多种解决方案,然后根据客户反馈优化方案,做出产品原型,最后让客户感受体验并进行价值评估。通过在真实项目的场景化应用中进行创意思考,培养学生的系统观、发散与聚合思维、想象力与创新思维,提高他们系统化解决问题的能力。
第三,跨学科思维和团队合作能力并育,培养管理型工程师。学科是知识的分类,是现有知识的一种组织形式,它既不包括未来的知识,也忽视知识之间以及知识与真实世界的联系。当代认知科学和科学学的研究表明,知识本无界限,界限只存在于人的脑海中。学科相互分离,阻碍了知识的互相流通与关联,以学科培养人才,容易产生学科思维的禁锢,难以解决现实生活复杂综合的工程难题。Olin认为,过度专门化的工程教育将会导致学生对世界观察的偏见。在项目制教学中,课程以项目为载体,根据项目组织课程内容,将不同学科知识与现实项目建立起有机的联系,通过项目设计制造,把不同学科知识整合、融合起来。在这个过程中,学生团队通过头脑风暴式的反复讨论、实验和学习,使他们学会从不同的专业视角,融合与应用多学科知识思考问题,养成跨学科的思维方式。多学科融合的团队工作,需要分工协作和管理协调,在这个过程中,团队成员将学会如何沟通协调,如何倾听与表达不同意见,如何化解矛盾与冲突等,尤其是在讨论设计方案、分析失败原因以及如何去改进等之后,经过不同学科知识的碰撞、不同思想观念的交锋以及反复的实验试验,不仅磨练了口才,沟通协调能力、团队领导力与合作精神也得到很好地锻炼和提高。
第四,通过校企合作将工程创新与商业化应用有机结合,培养创业型工程师。问题导向思维或产品(设计)思维虽然是推动科学技术成果商业化应用的重要因素,但对下一代工程师来说,最重要的事情是要将工程创新与商业化应用紧密结合,了解商业上如何运作,学会创业,将创新成果转化为巨大的财富,造福人类。Olin在课程项目设计、建造中贯穿这一思想,专门开设“商业与创业基础”课程,尤其是毕业设计,设计的课题直接面向产业或者市场需求,在考虑技术可行性的同时,还要考虑建造成本、资源配置和潜在的市场效益。毕业设计课题是一个由企业或者其他机构委托并赞助的真实的具有挑战性的大型工程项目,要求学生跨学科专业自由组合,有些项目还有毗邻的巴布森学院(以创业教育为特色的商科教育为主,也称巴布森商学院)的学生参加,组成一个跨学科团队。有意向选择创业的学生也可以通过市场调研,自定课题。工程教育怎样才能更好地培育优秀的创业者,校企合作育人无疑是重要途径。他们非常重视与企业(研究机构、政府等)合作,很多知名企业也积极响应,如微软、谷歌、脸书、波音等,他们不仅为毕业项目设计提供5万美金经费资助,还负责项目的具体指导,校企合作既为资助企业开拓思路、创造价值,也使学生将工程设计与企业和市场需求紧密地融合起来,为未来创业奠定坚实的基础。
第五,在工程教育中渗透艺术人文社会科学教育,培养人文型工程师。Olin不只关心设计建造能力培养,还考虑理解产品设计开发生产对人类社会的重要影响,以形成正确的态度、动机和行为,塑造学生的价值观和伦理道德。它利用毗邻的巴布森学院和韦尔斯利学院(从事女子教育的文理学院,也称韦尔斯利女子学院)的教师资源和课程资源,结合工程开设的艺术人文社会科学课程,如 “技术史:文化与背景的视角”,“文化与差异: 人类学视角”,“试听:以图片、印象为交流手段”,“‘我’是谁”,“有限合奏:乐器、音乐、乐手”(多选一),通过在具体工程情景中讨论学习,把艺术人文社会科学与工程相融合,帮助学生全面理解人性,了解工程应用的环境背景,为人类追求更美好的生活服务。理查德·米勒校长认为,工程始于想象而非数学。工程创新力来源于想象力,是个人想象力的充分发挥。创新是无极限的,有限的是想象力。艺术本身就是想象力的产物,而且它还成就了想象力的美感。工程创新与艺术都需要丰富的想象力和对美的追求。为此,Olin除了利用上述两所学院的教育资源之外,还特意聘请音乐教授和电气工程教授狄安娜·达比来校任教,她原本是钢琴演奏家、作曲家,在音乐领域取得很好的成就之后,又去麻省理工学院攻读电气工程学并获博士学位。在受聘Olin之前,她一边在麻省理工学院教电路设计,一边在塔夫斯大学教音乐理论。可见,Olin源于对工程创新属性的深刻理解而对艺术教育给予高度的重视。他们通过音乐、绘画、雕塑等艺术教育,使学生富有艺术家的想象力和美感,以拓宽他们想象的空间,开启想象力的源泉,激活异想天开的新创意。
需要指出的是,Olin并不是要独立培养上述四种类型的工程师,而是要把它们集成在每一个学生身上,形成一个有机整体,使他们能够从创意、设计、制造产品直至商业化整个过程全面综合地思考并解决问题。正如理查德·米勒校长所说的那样:“我们培养的创新人才不仅能够去了解科技的可行性,还包括经济和商业上的可行性,以及它在社会理论上是不是我们真正应该去追求的东西。”