世界一流大学工程跨学科人才培养路径探析

张惠 雷庆

关键词：高等工程教育;跨学科;人才培养;佐治亚理工学院

作为工程领域的世界顶尖名校，佐治亚理工学院始终以运用先进科学技术改善人类生存环境，以引领世界、改变世界为宗旨，长期致力于高层次工程科技人才的培養。而伴随第三次科技革命深入发展带来的全球重大、复杂、多学科问题的不断涌现，工程世界的变革对高层次跨学科人才培养提出了的新挑战。正是基于这种时代要求，美国佐治亚理工学院推出了旨在克服工程教育碎片化发展的大规模长期性跨学科项目——垂直整合项目（Vertically-Integrated Projects，VIP），向本科生提供解决工程领域重大问题和跨学科挑战的机会。VIP项目由佐治亚理工学院工程与计算机学院的爱德华·科伊尔（Edward Coyle）教授于2008年创建。鉴于在跨学科和培养创新能力等方面的突出贡献，VIP项目被列为美国国家工程院荣誉提名的95个项目之一。[1]作为“美国国家工程院”（NAE）认定的世界29个“将真实世界融入工程教育及本科生工程技术教育”的成功案例之一，VIP项目被公认为工程教育领域“跨学科真实项目”的典范。[2]时至今日，“VIP项目联盟”已在全球拥有24个项目分点，其中包括密歇根大学、普渡大学等19所美国高校以及5所境外高校。佐治亚理工学院VIP项目作为联盟中的牵头项目，是发展最为成熟、最具典型意义的项目分点，在探索创新型垂直整合工程项目的道路上，逐步形成了独具特色的工程人才培养体系。探究其培养目标、培养体系及特点，对于解决当前我国工程教育已颇具规模但高层次、高质量工程人才紧缺的问题，提供了极为有益的借鉴经验。

 一、VIP项目的人才培养目标

VIP项目是基于导师牵头项目的长期大规模垂直整合项目。从学科层面来说，VIP项目的目标是通过引入跨学科和垂直整合的真实工程世界，通过聚焦跨学科跨领域的大型研究工程，克服由于大学学科分割造成的碎片化研究，实现当前高等工程教育及STEM教育的系统性变革，并逐渐把项目推广到国际舞台上。[3]从院校层面来说，VIP项目的目标是通过组建跨学科研究团队，吸引全校各个专业的学生围绕跨学科工程项目主题展开研究，使本科生能够与教师及研究生们一起工作，并使这种团队建设造福项目团队每个人。从团队层面来说，VIP项目的目标是在挖掘自身团队潜力、组建新的项目内跨学科团队以及推广高效的项目操作经验的基础上，通过持续而连贯的不受大学课程及年级学习期限限制的长期项目研究，解决研究时间的碎片化局限，创造并积累长期连贯的研发经验。[4][5]VIP项目打破了传统的以学期划分学术研究的传统，将本科生参与项目的时间延伸长达三个学年。这为学生进行完整而长期连贯的项目研究提供了充裕的时间保障，使学生能够在大规模跨学科的探索性团队中增强专业技能的同时充分体验真实的工程操作实践。[6]VIP项目的每个团队通常在1～2名指导教师带领下，围绕既定项目目标和研究主题开展，例如“高端石墨烯蓄电池技术”（AGBT）团队的目标是帮助学生学习电动汽车、航天器、城市智能基础设施等的新一代蓄电池制造的理论和基本技能，“生物机器人”（BioBots）团队的目标是通过模仿微生物，创造能够运行生物电池的自主微型机器人。[7]

VIP项目的人才培养目标是基于当前工程教育面临的人才挑战而提出的。社会的可持续发展和创新需要来自多学科的高端科技人才的支持，而现有的工程人才培养模式存在很多欠缺：一是学生缺乏深入理解或进行真实而具体的专业研究的机会;二是学生通常既没有机会参与新科技和新技术的研制开发，也没有机会参与到真实的工程实践中;三是学生的创新发明、新发现以及学术论文很少能真正投入社会实践并产生效应。[8]而这正是VIP项目想要解决的问题。VIP项目的人才培养目标是培养具备跨学科视野和跨学科问题解决能力的、拥有长期而较为完整的项目开发经验和工程项目实地操作经验的人。首先，VIP项目要培养跨学科的工程人才，通过跨学科的研究主题、课程设置和组建模式，让学生提升专业知识和技能的同时，对跨学科的工程理念、原理和方法进行学习和应用。[9]其次，VIP项目要培养能够在真实工程环境中进行实地操作的人才，因此VIP的研究主题和操作环境都是类似真实的工程环境，让学生在真实的工程项目中学会设计产品、掌握专业技能、积累工程实践经验。[10]再次，VIP项目要培养拥有长期、深入而较完整的工程项目开发经验的工程人才，因此项目打破了传统项目时段限制，本科生在校参与项目时间可长达3年多，毕业之后仍可持续参与项目长达数十年之久。此外，VIP项目也为团队成员提供了领导力培养环境，项目中的教师和研究生都能参与团队指导，获得指导新团队成员的体验，这既培养了学生的领导力与监管力，也训练了他们与不同年级、不同专业背景的学生有效沟通的技能。

二、VIP项目的人才培养体系

以跨学科研究为主线的课堂教学、学分换算、团队建设，以及学习成果考核与评估等共同构成了佐治亚理工学院VIP项目的人才培养体系。

（一）VIP项目的课堂教学

创造性地整合基于真实工程项目的跨学科研究，是VIP项目课堂教学的显著特征。相比起传统的课堂，VIP课堂教学组织模式非常灵活，配合项目独创的基于网络式（web-based）的“同行评议”（peer-evaluation）和“项目笔记”（project Notebook），佐治亚理工学院为所有的“VIP联盟”成员树立起了榜样。首先，VIP项目的教学大纲拟定了项目团队一周一次的研讨会，尤其是针对复杂而系统的实践问题，团队导师将对学生的辅导和交流倾注大量的时间。[11]其次，记载着团队核心技术要素和操作流程的“项目笔记”，是VIP团队技术传承的关键，也是VIP项目的重要教学工具之一。VIP教学大纲要求所有团队在新学期第二周将“项目笔记”带到会上，分小组制定、讨论项目问题。每学期要对“项目笔记”进行两次等级考核，并要求在“研讨会进度与笔记、项目任务清单相关的执行和反馈、笔记对于帮助新生了解项目设计决策的实用性与可读性”三方面对“项目笔记”进行详细地评估和反馈。再次，“同行评议”是VIP项目重要而特色的教学构成。[12]其目的是通过让学生对所在团队中的每个人进行全方位地评价，加强团队协作并加强老师对学生学习状态的监督。因此，同行评价是指导老师用来监督团队合作、观察团队会议以及项目作业的重要工具。这种基于网络式的评价一经佐治亚理工学院VIP项目使用，后被很多“VIP联盟”成员效仿，而现已纳入VIP教学大纲中。[13]

（二）VIP项目的学分换算

VIP项目是吸引学校跨院系、跨机构学生参与的多学科项目。在学分换算方面，VIP项目的学分可根据院系具体规定换算为“自由选修学分”（free electives）或“技术选修学分”（technical electives）等。中高年级的学生参与项目必须选择一定的学分。而从该项目常年持续录取学生的院系，大多都已出台了项目学分与学位成绩换算的政策和方案（见表1）。由于VIP项目参与人数与日俱增，学校出台了针对VIP项目的学分政策调整，VIP课程的学分将通过换算可以直接计入学位考核成绩。2017年春季，全校17个专业，5/6的院系已经采纳了学校出台的VIP学分政策，而来自没有采纳政策的院系的学生也能将VIP学分转换为自由选修学分来使用。[14]各院系也在不断调整VIP项目学分换算法则，例如计算机学院正在逐步淘汰基于学科划分的高级项目课程，并逐步引入设计项目课程学分。对于2011年之前入学的计算机学院的学生来说，获得指定CS-VIP项目课程的学分都能够获得认可;2011-2013年夏季入学的学生，3个VIP项目学分等同于高级课程学分（CS4911），多余的学分可等价自由选修;2013年秋季之后入学的学生，3～4个VIP项目学分等同于设计项目学分，剩下的学分等价于自由选修学分。[15]

（三）VIP项目的团队建设

自2009年建成至2017年10月，VIP项目已在佐治亚理工学院发展为58个跨学科项目团队，共招收了3000多名学生。每个团队的规模在3～45人不等，其中较为成熟的VIP团队有10～20名学生参与，新成立的团队有6～8名学生参与，这些学生来自20多个不同的学科领域。[16]2016/2017学年，项目招收了来自29个专业的640名学生。[17]从参与学生的学习层次来看，VIP项目的生源以全日制工程专业的本科生居多，2017年的全日制本科生占比90%，其中工程专业的全日制本科生占比69%，在职本科生占比 4%。[18]在参与项目的本科生中，61%的学生来自四年级，23%的學生来自三年级，11%的学生来自二年级，4%的学生来自一年级。因此，从学生参与情况来看，VIP项目的总体生源规模呈逐年上升趋势，九成学生参与了1～2个学期，80%以上学生来自本科阶段的高年级。[19]

跨学科是VIP项目的主要特色和构成要素，项目的研究主题、课程设计、学生及教师的专业构成都充分显示出跨学科的属性。首先， VIP项目的研究主题大多是跨学科性质的，例如，“大数据与量子力学”（Big Data & Quantum Mechanics）团队的研究领域跨越应用数学、化学与生物工程、计算机科学与工程等10个专业，“活跃动态系统”（Living Dynamical Systems）团队的研究领域跨越航天工程、应用生理学、计算机媒体等17个专业。[20]其次，VIP项目拥有雄厚的跨学科师资团队，这些团队指导教师来自院校20多个专业（见图2）。

再次，VIP项目的学生团队也是跨学科的，他们来自不同的学科及专业背景，根据项目研究主题的需要发挥着不同功能。佐治亚理工学院VIP项目对团队组建要求：团队必须由来自3个及以上不同工程专业的学生组成。[21]这种跨学科的项目组建和设计模式，不仅对学生的跨学科适应能力和转变能力提出了很高的要求，也对学生在跨学科团队工作所必备的沟通技能和领导能力有多重考验。

（四）VIP项目的学习成果考核与评估

尽管参与项目的学生所学专业和参与团队各不相同，但所有学生最终的项目学习成绩都包括三部分，每部分各占总成绩的1/3。一是学生文档和笔记，包括“项目笔记”或博客资料等，若是软件开发项目则需提供开源项目托管（GitHub）代码;二是个人在团队中的成就和贡献，包括项目参与度、项目必备技能掌握程度、团队技术进步中的个人贡献值等;三是团队协作与整合能力，包括“同行评议”情况、会议准时出席率、对团队目标实现的积极贡献、与团队成员的协调与互动程度、协助指导其他团队成员及团队小组展示情况等。[22]在美国国家科学基金会（NSF）和GT Global-FIRE基金的资助下，VIP项目的评估由获得“美国工业监察委员会”（IRB）的官方授权的茱莉亚·梅尔克斯教授领衔负责，通过评估学生在VIP项目中的成绩和课程学分来检测和判定VIP项目中学生的学习成效等级。评估内容包括学生的学习成果、学生发展跨学科及专业技能的影响力。[23]评估工作由VIP项目分点的独立评估、VIP评估联盟团队（VIP Consortium Evaluation Team）的评估以及“赫尔姆斯利”投资方评估三大块组成。[24]评估内容主要涉及学生的常规检测评估及制度化的数据分析评估。其中，学生的常规检测评估包括：一是学生的经验、自检报告中的技能发展水平评估及反馈评估，二是学生的社会资源网络和知识网络建构情况，三是项目团队的动态和能力，四是人力资源、职业发展目标和支持。其中，制度化的数据分析评估主要是针对VIP项目的招生和运作模式，以及团队的表现和进步情况。VIP项目评估的数据来源是多样化的，主要包括项目毕业生调查、学生档案和笔记、学生及教师的调查和访谈、项目的制度操作档案和记录等。这些数据来源最终汇总后将纳入学生信息系统，而自我评价、教师评价和同行评价数据以及制度化数据一起纳入VIP项目的评估数据库。

 三、VIP项目的人才培养特色

VIP项目所具备的基于真实世界的、长期的、垂直整合的、规模庞大的跨学科项目属性，让学生在获得学术学分的同时积累了跨学科的工程实践经历，而项目也在探索创新型的跨学科工程人才培养模式的道路上，逐步形成了其独具特色的人才培养特色。

（一）跨学科的交互协作

VIP项目的目标便是为学生提供解决工程领域重大问题的跨学科挑战的机会，使其能够对跨学科的工程理念、原理和方法进行学习和应用，并提升他们的专业知识和技能。[25]从人才培养的角度来说，VIP项目给予学生最大的训练是基于跨学科的真实项目对学生提出的跨学科知识、沟通技能及理解真实工程世界的挑战。这种跨学科的研究对于学生的跨文化理解力、跨学科沟通能力、创造性地问题解决能力及深层次扩展研究能力都提出了更高的要求。一位受访学生说：“与来自不同技术和专业背景的人共同合作研究，是项目给予我们最大的收获，这使我们能够从多维角度来分析问题，并扩展工程问题研究的视野。”美国工程协会2015年的调查结果显示，90%的受访学生认为VIP项目课程给予他们扩展跨学科视野、技能和能力的机会。很多参与过项目的学生指出，当他们在进行工作面试时，在VIP项目的经历和成就很快会成为面试谈论的焦点，因为学生在项目中的很多创新发明已经获得了专利以及版权许可。[26]

（二）垂直整合的团队建设

VIP項目的垂直整合主要体现在项目技术传承、持续时间和团队维系模式三方面。首先，VIP项目是新老团队成员间的垂直整合，项目的核心知识要素和内容的长期连贯传承依赖经验丰富的成员向新成员的直接传授。而“项目笔记”（project notebook）在传承中发挥着“枢纽”作用，它记载着与项目相关的重要主题的工作议程、会议纪要、任务清单和技术札记，对于项目成熟技术的传承和延续发挥着关键作用。[27]其次，VIP项目的跨学期阶段的特性使得项目实施更加灵活和弹性，学生也有持续而充足的时间来投入项目。[28]2016/2017年68%的学生参与了1个学期，23%的学生参与了2个学期，7%的学生参与了三个学期，3%的学生参与了4个学期。[29]再次，项目团队的关系维系模式是垂直整合的，学生和导师及教学顾问间保持着紧密的关系。这种关系并不仅仅通过传统的课程方式维系，而是建立在更为深入实践的工程真实项目和软件开发过程中。这种闭环式的师生互动关系让学生在实践中迅速成长。

（三）真实世界的工程实践

VIP项目的重要特色便是项目都是基于工程世界的真实问题而开展。经过VIP项目筛选的工程项目都是全球挑战下各国公认的对解决当今社会生活中多元复杂、社会重大难题至关重要的研究议题。相比起由大量概念和理论知识构成的传统课堂，VIP项目更关注那些与工程实践和团队研究主题直接相关的学习。以“视频与影像注解”（Video and Image Annotation VIP，VIA-VIP）团队为例，VIA-VIP的课程为学生模仿了真实世界的工程现况，使学生能够在跨学科的团队中真正面临现实的挑战。[30]对于计算机专业的本科生来说，通过观察、操作获得的一手实践操作经历，教会了他们在Lunix平台上进行程序编制和模拟操作，并能够掌握MATLAB、虚拟化工作室和gcc等计算机调试程序与开发工具，为显示终端创建用户图形界面，并参与应用于工业生产的HTK工具等。[31]项目的创始人爱德华教授认为，“对于很多学生来说，这让学生毕业前第一次有机会真正了解工程项目的真实世界”。美国工程协会2015年的调查结果显示，跨学科团队运作以及理解工程的社会、文化及经济影响是学生普遍认为参与VIP项目最主要的收获。50%的学生认为VIP项目增强了他们对工程如何造福社会的理解。

（四）创新能力的激发培养

创新能力的培养是VIP项目的主要目标之一。VIP项目致力于通过围绕既定研究主题，将所有专业、年级的学生和教师都纳入到科研创新实践中，这种创新并非仅限于新产品、服务和流程层面，而是在多种学科交叉的互动中产生的创意和灵感。[32]为实现学生创新意识的培养，VIP项目的创新培养重点关注科研和创意生成环节、知识和技能转换环节。为了让学生体验真实工程环境中的创新过程，项目将重点克服来自合作方及项目预算环节的障碍，打破学期和学年方面的限制。[33]为激励项目团队的实践领域的创新意识，选拔出那些具有商业应用前景和创新价值的团队，VIP项目设立了由“思科公司”赞助的创新竞赛，为参赛团队提供700～1500美元不等的奖金。竞赛的评审团成员来自风险投资领域的科技专家，他们更看重参赛团队针对潜在商业消费对象的识别能力，而非商业计划或市场研究能力。[34]

 四、启示

VIP项目的跨学科研究经验对我国高校跨学科研究的发展主要有以下几方面的启示。

（一）建立真实工程环境中的跨学科项目

缺乏真实的工程实践是当前工程教育领域普遍面临的问题，而如何将真实的工程世界引入教学并开展有效的工程教育实践是工程人才培养中的难题。跨学科工程人才的培养应建立在培养学生工程实践能力和动手能力的基础上，训练能够解决真实工程问题的人才。借鉴VIP项目的有益经验，跨学科项目研究主题也应关注当前全球化工程环境中的真实问题，项目的课程和教学也应力求基于真实的工程问题和工程实践开展。这既是当前全球化时代工程教育对人才培养提出的要求，也是跨学科研究对创新型工程人才培养提出的挑战。

（二）完善跨学科项目学分与课程互认机制

建立完善的跨学科学分换算与课程互认机制是促进跨学科研究项目开展的关键。目前我国高校中的跨学科项目尚未建立真正意义上的学分换算与课程互认机制，即使部分学校已开设跨学科项目课程，但学分与课程的互认和转换还非常不完善，在选修和毕业认证环节都存在障碍，这对跨学科项目的开展尤为不利。VIP项目在此方面已经从探索阶段逐步走向了成熟发展阶段，项目课程的学分基本在佐治亚理工学院各个院系都拥有相应的转换措施，虽然由于各院系的认证模式各不相同而未形成全校统一的换算公式，但已初成体系，这对我们是极为有益的启示。

（三）吸引优秀教师参与跨学科研究项目

高质量的跨学科教师是跨学科研究项目发展的重要保证，而教师的跨学科参与度也是衡量跨学科项目成败的关键。当前处在跨学科研究探索阶段的我国，高校跨学科项目的师资建设是重点也是难点，如何吸引优秀的教师参与跨学科项目，如何建立跨学科的教师薪资体系并制定教师的跨学科项目鼓励政策，这些都是关乎跨学科项目发展的棘手问题。VIP项目在此方面的经验为我们提供了有益的启示：要促进高校、跨学科机构与教师的协同发展，构建跨学科项目与高校在文化和制度层面的融合，营造鼓励和支持优秀教师参与跨学科研究的氛围，健全跨学科师资管理。

（四）健全跨学科项目的教学评估体系

随着跨学科项目的深入发展，跨学科课程与教学的评估也逐渐提上日程。但由于跨学科机构的独特属性，其评估面临着学校与院系评价标准与认证差异、内部与外部评价结合不足、学生评价体系不健全以及教师同行评价欠缺等问题。VIP项目实施严格的“同行评议”制度以及由学生自检、社会评估、团队评估及职业评估构成的评价体系，启示我们针对跨学科项目的建设注重全方位的系统评估，构建内外部评价相结合、常规检测与制度化检测相结合、学生与教师评价两手抓的教学评估体系。

（五）寻求跨学科项目的多渠道经费支持

跨学科项目的运作往往受到经费限制而遭遇困難，寻求多渠道的经费支持是保证充足经费来源的重要途径。VIP项目的运作得到了众多高等教育机构、科研机构和企业的支持，包括佐治亚研究联盟、佐治亚工程科技学院等5个重点支持机构，“赫尔姆斯利慈善基金”和“美国国家科学基金会” 2个外部同行评议资助机构，哈里斯公司、思科系统等4个合作支持方，以及沃伦·巴特斯捐赠基金等在内的校友会捐赠基金。[35]此外，VIP项目还争取到了美国创新与竞争力提升的教育项目信托“赫尔姆斯利信托基金”500万美元的资助，用于实施STEM教育的系统性变革以及工程自主学习模式的变革。[36]

参考文献：

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[36]Georgia Institute of Technology.With $5 Million Grant，VIP Program Will Grow at Georgia Tech and around the U.S.[EB/OL].[2018-08-14].https：//www.ece.gatech.edu/news/372471/5-million-grant-vip-program-will-grow-georgia-tech-and-around-us.

（責任编辑 陈志萍）