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工程创新能力的认识和培养方法陆小华【摘 要】创造革新能力是工程师的基本身份特征，而现实的工程教育却在创新能力培养方面离社会要求越来越远。本文认为，相对于专业知识等“硬能力”，创新能力是一种具有广泛个性发展可能的“软能力”，而培养这种“软能力”最有效的途径是让学生在一种应用与创造的环境中培养一种创新的习惯。在当前，这种环境就是团队形式的设计制造项目，这也符合当前国际流行的工程项目管理方式。【关 键 词】工程教育 创新能力 CDIO【作者简介】陆小华，汕头大学教务处处长、副教授。工程教育的目的是给社会培养工程师。一直以来，工程师在产品的发明和制造、能源开采和管理、交通运输系统、环境问题、健康卫生设备等各个领域起着至关重要的作用。他们架起技术和社会之间的桥梁，为国家的繁荣发展做出了巨大的贡献。前美国工程院院长查理莫洛（Richard Morrow）认为：“有着最好的工程精英的国家就已经具备了经济和工业相对优势的核心原料。”创造是工程师的一个重要身份标志。航空工程的先驱者冯卡门有句名言：“科学家研究已有的世界，工程师创造未有的世界。”因此，20世纪初期，被看作是现代社会物质结构的建设英雄，因为工程师创造性的贡献，使得人类的物质结构得到了极大的发展。然而这个英雄形象却逐渐被工业服务者的形象所取代。工程师的形象变化反映了他们在技术创新的方向和内涵中影响力的下降，表明工程师在提高企业利润过程中的影响的减弱、角色地位下降。应当承认，不是几个简单的原因导致了这种变化，其中一定有科学、技术、经济、社会、历史等深层次的原因。但是，工程教育无疑在这个过程中起到了重要的作用。自20世纪50年代开始，工程教育的教学计划逐渐变得系统化、学科化；工程教师的背景逐渐远离工程实践而变得更加学术化；工程专业基本上失去了有从业经验的工人生源。撇去课程的内容不谈，现在工程专业和多数其他专业的培养从课程体系、教学方法、学生生源到教师背景基本上可以说相同的，高度同质化的。在这种情况下工程专业丧失其特征也就不足为怪了。面对全球经济一体化的严峻竞争，我国把建设创新型国家作为面向未来的重大战略选择。以创造为基本特征的工程技术和以培养工程师为基本目标的工程教育理应成为实现这一战略目标的先锋。然而，在各种内外因素都发生根本变化的今天，工程教育要如何重拾旧日辉煌，培养出真正具有创新能力的工程师？大家早已意识到工程师仅仅具有狭窄的专业知识并不能保证工程师具有创新的能力。“厚基础、宽口径”,“素质教育”，“学科交叉”等是近年来为提高高等教育质量，培养有知识、有素质、有能力的人才所提出的举措。有的学校还专门开设了创造学课程，训练学生创造性思维。然而，做到这一些是否就能达到提高创新能力的目的了？我们常讲，要提高学生分析问题和解决问题的能力。对于工程师来说，解决问题的能力隐含了一种假定，即他们是在应用已有的工程科学的知识来解决确定的技术问题。这个假定并不能回答他们是否有能力处理非标准的社会和技术过程。这个过程中所遇到的问题是没有被预先定义过的，并且往往需要将知识重新组合寻求新的答案。简单地在交叉学科方向扩大科学基础、在教学计划中加入社会科学和人文内容可能得不到满意的结果。仅在教学计划中加入新的内容既不能改变工程实践，也不能将知识更好地整合起来。考察“蓝领专家”孔祥瑞的创新实践也许有助于我们更好地理解这个问题。孔祥瑞是天津港的一名一线工人，他有150多项科技成果，为天津港集团公司创效8400多万元。所以他是一位高效、高产的创新实践者。在他的成果中，有一项是码头运煤传送带转接塔内耐磨板的改造。煤由皮带转送至转接塔，然后经过装船机上船。2.2米宽16毫米厚的传送皮带以每秒6米的速度将煤块以每小时6000吨的流量送入转接塔，冲击力量非常大。为了抵挡这个冲击，转接塔里头有块耐磨板。但这耐磨板寿命很短，总得换，换一次就得半个小时，而且破损的耐磨板掉到煤里就可能把传输皮带割坏。孔祥瑞在耐磨板面上加装一个网格，这样有一部分冲击来的煤会留在这网格里，以后再冲击过来的煤就会撞到网格里的煤上，避免直接撞击耐磨板。2005年4月，通过对各种可用材料进行试验，在原耐磨板上加装了15厘米厚的网格。改进后至今，再没有发生过一例挡板损坏，实现了耐磨板“零更换”。仅此一项，公司每月就节约材料费3600元，而且不仅避免了停工更换耐磨板，还避免了工人离地20多米更换设备的危险。皮带运输机的转接塔并非高技术设备，机械专业刚毕业的学生也能参照过去的设计图纸和参数设计出来。至于耐磨板，当然可以可根据设计冲击能量和预期的使用寿命、造价限制选用合适的耐磨材料。从科学和教科书的角度来讲这并没有任何问题，所有的设计计算都是符合现有理论和实践的。转接塔经设计、制造并交付使用，机械工程师并没有遇到任何问题。作为使用者的工人自然没有改造革新的义务，像孔祥瑞这样的工人革新者是可遇而不可求的。那么，谁来发现并定义这个问题？工程问题的创造性在很大程度上来源于它的非唯一性，达到一个目标并没有唯一正确的解，一个方案的形成往往是众多选择与权衡的结果。而现有的技术与设计则是过去条件和技术能力积淀下来的结果，既有合理的元素有可能有需要革新的地方。仅靠有限的教科书的学习是很难真正认识到问题的所在。如果连问题都没有，解决问题的能力也就没有得到应用的地方。因此，应用环境是培养创新能力和习惯所必需的。那么，到底什么样的工程教育才能真正促进工程师的创新能力呢？这里有两个基本问题需要回答：哪些能力是处理创新、社会技术问题和设计能力所必需，并且是工程教育需要提供的？工程教育如何提供这些能力的培养？北京师范大学校长钟秉林教授认为创新人才的基本要素要求包括6个方面：一是博专结合的知识基础，二是以创新思维和创新能力为特征的智力和能力，三是以创新精神和创新意识为中心的自由发展的个性，四是积极的人生价值取向和崇高的献身精神，五是国际视野和竞争意识，六是强健的体魄和健康的心理。美国工程教育学会（ASEE），美国工程教育认证组织（ABET）和波音公司都各自为工程师应具备的能力作了描述（表1）。国际CDIO工程教育合作组织则将工程师的能力按基本工程技术知识、个人能力、人际交往能力和CDIO能力分为四个层面，对每个层面的能力作了具体的描述（表2）。如此之多的能力如何通过有限的四年本科教育培养起来？按照习惯思维，当某一能力重要时就需要保证“进课堂”、“保证学时”。姑且不论课堂培养所能得到的实际效果，仅学时一项就不可能得到合理的分配。因此，我们现在面临的是有限的时间资源和无限的能力要求的矛盾。表1 波音公司和ABET的要求波音公司对工程师的素质的十条要求ABET EC2000的十一条要求* 良好的工程技术基础，包括数学（包括统计学），物理和生命科学，信息科技（远多于“计算机能力”）* 良好的设计和运作能力，即了解工程* 学科交叉，系统观察力* 对所从事行业的全貌有基本地了解，包括经济状况（包括企业运作），过去历史，外界环境，顾客和社会需求* 良好的写作、口语、绘图、听力等各方面的交流能力* 职业道德和责任感* 批评性和创造性的思维能力，同时具有独立性和合作性* 适应性，有自信并能较快适应大的变化和改动* 有求知欲和终身学习能力* 深刻理解团队协作的重要性* 应用数学、自然科学和工程知识的能力* 设计和操作实验的能力，包括分析处理和解释数据* 为解决某问题而设计系统、部分或者过程的能力* 在多学科综合团队中工作的能力* 认识、抽象和解决工程问题的能力* 良好的职业道德和责任感* 高效的交流能力* 通过培训理解工程方案在全球和社会中的冲突* 认识终身学习的重要，并具有终身学习的能力* 关心现实问题* 在工作实际中使用现代技术和必备工具的能力表2 CDIO能力培养教学大纲考察的4个层面、17条70点能力1技术知识和推理1.1相关科学知识（由具体专业确定）1.2核心工程基础知识（由具体专业确定）1.3高级工程基础知识（由具体专业确定）2个人能力、职业能力和素质2.1工程推理和解决问题的能力2.1.1发现问题和系统的表述问题；2.1.2建模；2.1.3估计与定性分析；2.1.4带有不确定性的分析；2.1.5解决方法和建议2.2实验和发现知识2.2.1建立假设；2.2.2查询印刷资料和电子文献；2.2.3实验性的探索；2.2.4假设检验与答辩2.3系统思维2.3.1全方位思维；2.3.2系统的显现和交互作用；2.3.3确定主次与重点；2.3.4解决问题时的妥协、判断和平衡2.4个人能力和态度2.4.1主动性与愿意承担风险；2.4.2执着与变通；2.4.3创造性思维；2.4.4批判性思维；2.4.5了解个人的知识、能力和态度；2.4.6求知欲和终身学习；2.4.7时间和资源的管理2.5职业能力和态度2.5.1职业道德、正直、责任感和负责感；2.5.2职业行为；2.5.3主动规划个人职业；2.5.4与世界工程发展保持同步3人际交往技能：团队协作和交流3.1团队工作3.1.1组建高效团队；3.1.2团队工作运行；3.1.3团队成长和演变；3.1.4领导能力；3.1.5技术合作3.2交流3.2.1交流的策略；3.2.2交流的结构；3.2.3书面的交流；3.2.4电子及多媒体交流；3.2.5图表交流；3.2.6口头表达和人际交流3.3使用外语的交流3.3.1英语；3.3.2其他区域工业国的语言；3.3.3其他语言4在企业和社会环境下构思、设计、实施、运行系统4.1外部和社会背景环境4.1.1工程师的角色与责任；4.1.2工程对社会的影响；4.1.3社会对工程的规范； 4.1.4历史和文化背景环境；4.1.5当代课题和价值观；4.1.6发展全球观4.2企业与商业环境4.2.1重视不同的企业文化；4.2.2企业战略、目标和规划；4.2.3技术创业；4.2.4成功地在一个组织中工作4.3系统的构思与工程化4.3.1设计系统目标和要求；4.3.2定义功能，概念和结构；4.3.3系统建模并确保目标实现；4.3.4开发项目的管理4.4设计4.4.1设计过程；4.4.2设计过程的分段与方法；4.4.3知识在设计中的应用；4.4.4单学科设计；4.4.5多学科设计；4.4.6多目标设计（DFX）4.5实施4.5.1设计实施过程；4.5.2硬件制造过程；4.5.3软件实现过程；4.5.4硬、软件集成；4.5.5测试、证实、验证和认证；4.5.6实施过程的管理4.6运行4.6.1运行的设计和优化；4.6.2培训与操作；4.6.3支持系统的生命周期；4.6.4系统改进和演变；4.6.5弃置与（产品或系统）生命终结问题；4.6.6运行管理再回头考察一下孔祥瑞的工程实践革新过程。首先，他要有一定的知识。如果连最起码的知识都没有，他不可能做出任何有意义的革新。并且一个人所具备知识程度就决定了他能做出的贡献的程度。设想如果对材料有更深的理解，他也许能革新耐磨材料本身从而影响一个工业分支的发展，而不仅仅是一个转接塔。其次，他有一个认识问题、解决问题的实际环境，不需要做空想的发明创造游戏。第三，他有一个发现问题、革新创造的习惯。这很重要，革新发明者都是多产的，不是上帝眷念他们，而是他们养成了这样的习惯。那么，具备一定的知识，在一定的环境里培养创造革新的习惯也许就是我们的答案。试将工程师的能力分为“硬能力”和“软能力”两类，“硬能力”是指一个专业的基础知识和基本素养，而“软能力”则指“硬能力”之外的全部素质和能力，是职业行为的一种习惯。“硬能力”之硬在于其相对于一个专业的核心地位，他在一定的范围内有明确的最低要求，达不到这个最低要求就不可以被称为本专业工程师。这主要包括基本数理分析能力、一个专业的基本学科知识以及个人学习和应用知识的能力。而“软能力”之软并非是指其可有可无，而是指其具有个性化发展的空间。根据每个人的环境、兴趣和能力的不同，同一个专业可以呈现出完全不同的发展。比如创新能力，有人可能擅长于硬件制造的创新，有人可能善于软件过程的创新，还有人可能醉心于理论的创新。同为团队能力，有人可能善于组建、领导团队，有人能够启发他人的智慧，也有人善于同外界交流。每一种能力都很重要，但既不可能也没有必要要求每个人都有同样的标准。然而每个人又都必须在这四年的工程教育中得到符合自身能力和发展的“软能力”。如何做到？“进课堂”显然无法保证达到目标。过去的几十年，我们在传授“硬能力”方面做了很多。如今，一个专业在世界上任何两所大学的教育计划上的差异都不会太大。那么什么环境能够培养学生的“软能力”呢？象“文革” 时期一样将学生都送到工厂去锻炼？既不可能，方向也不正确，毕竟我们要培养的是工程师而不是一线工人。增加实验课，培养学生的“动手能力”？当然会有作用，但是做实验本身也不是典型的工程师的工作。工程师需要设计、创造，他们创造产品、过程或者系统。现代工程师总是在团队的环境下从事他们的设计和创造工作。并且，现代的管理总是以项目目标管理方式和团队组织方式进行。这就使我们在学校内设立学生“软能力”的培养环境变为可能：让学生以团队的形式从事一些设计创造的项目，通过一系列项目的进行使学生得以学习、巩固他们的“硬能力”，同时及建立发展他们的“软能力”。这是不是一厢情愿的想当然？学生的“软能力”是否真的能够在有限的项目过程中得到提高？汕头大学工学院的一些实践也许能够帮助我们做出判断。汕大工学院有土木、机电、电子、通讯和计算机五个专业，因实行大类招生，学生在第二年才选专业。为了让学生对各个专业有所了解，学院开了一门“工程导论”的课程，16学时，一个学分，主要是请各专业的老师轮流介绍自己的专业。自2006级开始，工学院实施CDIO工程教育改革，“工程导论”课程改为“工程设计导论”，仍为16学时，一学分，使学生具备了了解各类工程专业的能力。课程在专业介绍方面做了极大的压缩，由原来的16学时变为3学时。在于学生进行基本讨论之后，要求学生分组，每组自选一个专业进行调研。在第二次课时每个专业的一个组对全班进行讲解本组所选专业工程师的职责，这样，使全部学生对所有五个专业都有一个最起码的认识。课程的大部分时间用于让学生应用团队活动发展所需要的一些技能和工具。这样做是出于以下考虑：一方面，作为创新设计技术骨干的工程师们不能对创新设计所必需的过程和团队精神毫无了解；另一方面，CDIO改革后学生会经历很多团队设计制造项目，因此，有必要在这些团队项目未开始之前使同学们对团队精神、合作能力和一些必要的会议、计划、组织、管理、决策工具有所了解。据此，课程的目标设定为：首先探讨工程师的责任与义务，然后以一个小日常用品的设计过程为载体，学习设计过程管理，会议组织、设计方法、因果分析、决策方法、总结报告书写和口头表达能力。学完本课程后学生应能：理解工程师的社会和历史责任与义务；初步了解设计过程管理；具备良好的团队合作精神；能对较复杂的情况作出合理的判断；具备初步的口头和文字交流能力。为了达到这些目的，设计了8个专题进行讨论：工程师的责任和义务，确定设计主体，制定计划，因果分析，设计概念与目标的确定，完成设计，运行总结，总结报告。学生以小组为单位，他们需要组织会议、讨论、决策、写报告、做课堂总结、做总结。他们需要练习会议管理、会议记录、头脑风暴、应用思维导图、用计算机做文字处理、准备PPT、画图、制作原型。有的小组甚至超出要求进行产品的市场调查、制定商业计划。短短的一个学期，16学时内不能够要求每个学生把所有的内容都训练到专业水平，并且这些也不是他们专业的“硬能力”所要求的。但可以期望他们在这样一个环境下开始他们的“软能力”的发展，再经过后期的一些专业项目过程的训练，每个学生都能适应现代工程项目工作环境，以自己的专业“硬能力”和个性的“软能力”对团队的工作作出贡献。一个例证可以来证明这样的训练确实是提高学生“软能力”的有效方法。笔者本学期给06级土木专业学生讲授结构力学课程，他们仅是二年级的学生，刚选定专业一个学期。当前房屋楼板角部斜裂缝是一个很普遍的问题，笔者希望找几个学生调查学校教室楼板裂缝的问题，并对可能的原因进行分析。结果，全班40个学生有29个报名，班长只好通过抽签选出4个同学。一个月后，这个小组对3栋教学楼的所有教室进行调查后交回一份 10页篇幅的报告。对于二年级上学期大学生来说这是一份接近完美的报告，它具备完整的格式，有封面、题目、目录、引言、综述、历史条件调查、实地调查、不同楼比较分析、同楼纵向分析、同楼横向分析，最后在各种分析的基础上给出一个结论。唯一的缺陷，是没有列参考文献，尽管他们实际上查阅了很多资料才完成了这份报告。这个项目进行的过程和同学们所表现出的热情、职业能力和态度是很值得我们教育者思考的。首先，这个项目是完全志愿的，既没有学分，也没有在任何地方立项，学生得不到任何好处。40人中有29个志愿者报名参与直接反映了学生对类似项目活动的强烈的愿望。其次，相对于随机的抽样表明这样的能力在同学中有一定的普遍性。第三，我们并没有专门讲授如何进行研究项目，可见，只要具备一定的环境和适当的引导，学生完全能根据自己的兴趣和已具备的“软能力”自我发展，实现教育的迁移。第四，按照一定的标准和规范进行工作既是一种能力的表现，也是一种可以养成的习惯。当他们取得一些“软能力”之