国际创新工程教育模式的中国实践可能性

（一）《美国国家科学教育标准》之《科学教育标准》

1985年哈雷彗星飞过地球时美国开始了一项改革科学技术教育的国家计划——“2061计划”，该计划希望2061年哈雷彗星再次光临地球时，1985年上学的孩子能够看到这项改革的成果。也就是说，20世纪80年代美国就开始为21世纪激烈的国际竞争准备人才了。作为这个计划的一部分，美国国家科学院国家研究理事会在教育部和国家科学基金会的资助下于1991年8月开始研究制定《美国国家科学教育标准》（简称《标准》），并于1995年12月正式发布，《标准》的第三章是《科学教育标准》。尽管此标准是针对普通教育的科学教学所制定，对照这些标准和教育学的教学原则可见，它们既是对一般教学规律的总结又具有更好的操作指导性。所以，对工程教育仍然具有高度的借鉴作用。

《科学教育标准》的制定是根据以下五个方面的考虑的^[14]：①这部标准所作的科学教育构想要求对整个系统进行全面改革；②教师的教学方法会对学生们之所学有很大影响；③教师对科学作为一种事业的认识以及他们对科学作为一门要教要学的课程的理解会深深地影响教师的教学行为；④学生们的领悟能力是通过一系列个人活动和社会活动能动地建立起来的；⑤教师对学生的了解以及教师与学生们的关系会对教师的教学行为有极大的影响。

据此所建立的科学教育标准包括以下六条。

教育标准A：科学教师要为学生制定一个以探究为基础的科学大纲。为此，教师要：①为学生制订一个年度目标和短期目标的计划；②选择科学的内容，修改与设计课程，使之适应学生的兴趣、知识水平、理解力、其他能力和他们的经历；③选择教学与评价方案，使之有助于提高学生对知识的理解、有助于把学校变成学科学者积极参与学习的场所；④在学科和年级内外与工作同心协力工作。

教育标准B：科学教师要会引导学习，会将学习活动化难为易。为此，教师应：①在与学生相互促进、教学相长的同时，把注意力集中到探究上，坚持进行探究；②组织好在学生中间进行的有关科学思想观念的讨论；③设法使学生们认识并负担起他们在自己学习中所应担负的那部分责任；④认识到学生们存在巨大的差异并能采取相应的做法和措施，鼓励全体学生人人都充分参与到科学学习之中；⑤不仅鼓励和培养进行科学研究的一些典型性格，如有究根问底的好奇心、乐于接受新思想与新信息以及对事物常常持怀疑态度，而且要鼓励和培养探究科学所需要的种种技能。

教育标准C：科学教师要参与对他们的教学以及对学生们的学习所进行的不断评价。为此，教师应：①使用多种方法，系统地收集关于学生的理解与其他能力的数据；②分析评价数据，指导教学；③指导学生自我评价；④利用学生的数据、有关人对教学工作的评议以及与同事间进行的交流，总结和改进教学实践；⑤要利用学生的数据、有关人对教学工作的评议以及与同事间进行的交流，向学生、家长、决策人员以及广大公众报告学生的成绩及其学习的机会。

教育标准D：科学教师要营造和管理好学习环境，为学生们学习科学提供必要的时间、空间和资源。为此，教师应：①安排好可以利用的时间，使学生们有机会参加扩展性研究；②创造一种灵活的、有助于科学探究的学生学习环境；③保证学习环境的安全性；④使可以利用的科学设备、学习材料、视听媒体以及教学技术能够为学生们所用；⑤能鉴识和利用校外的学习资源；⑥使学生参与学习环境的设计。

教育标准E：科学教师要把全班培养成科学探究推理严谨缜密、思维方法与行为方式以及社会价值观都有助于科学学习的科学学习者。为此，教师：①不仅应表现出，而且要对所有学生的各种不同见解、技能和经验都有所尊重；②要使学生们在决定应该教什么内容和应提供什么学习环境的时候都能够有真正的发言权，要使学生们都能负担起社会中每个成员都应负担的那份学习责任；③要在学生中培养写作精神；④要组织推进学生们基于对科学交流原则的共同认识而不断进行的正式与非正式的讨论；⑤要使学生们知道科学探究所需要的应是什么样的技能、思想方法、行为方式和价值观念，教师应把这些作为重点加以培养。

教育标准F：科学教师要积极参加对学校的科学教学大纲不断进行的设计与制定工作，为此，教师：①要设计与制定学校的科学大纲；②要参与确定时间和其他资源在科学课程中的分配；③要充分参与制定和实施自己与同事们的专业进修计划。

这个教育标准所强调的是教学重点的转移，它所反映的并不仅仅是科学教学上的要求，而且在很大程度上反映了现代基本教育观点的变化。教学重点的改变见表5-1。

表5-1　教学重点的改变^[15]

（二）创新技法

在追求创新、抢占国际竞争优势地位的全球化竞争过程中，对各种创新技法的开发与推广显得格外普遍而且强势。2007年起，我国科技部先后批准黑龙江省、四川省和江苏省成为技术创新方法试点省份。在国家和省级政府的层面进行创新方法的探索，显得郑重而且不寻常，充分显示了我国对创新能力提升的追求和渴望。在各种创新技法中，TRIZ方法是被研究应用得最为广泛的。在CNKI中文期刊网，以TRIZ为题名检索词，可以得到543条记录。而TRIZ不过是1997年之后才引入我国的，可见TRIZ在我国的传播与普及之快。除TRIZ外，公理设计理论、六西格玛设计和QFD设计法也在工业设计与质量管理领域得到广泛的研究与应用。

1.TRIZ理论与方法

TRIZ方法是一种建立在广泛成功发明经验基础上的实用创新技法。1946年，苏联海军专利局调查员Genrich　S.Altshuller通过对250万个专利研究发现：①类似的问题和解决方法在工业和科学中会反复出现；②工业和科学中存在相似的技术演变模式；③技术创新是应用其所在领域以外科学影响得到的。根据这三个基础发现，他创立了“创造性问题解决理论”——TRIZ。经过50多年的发展，TRIZ开始传入其他欧美国家，引起了世界各国质量学家的浓厚兴趣。自1993年以来，美国数以百计的公司，如通用汽车、克莱斯勒、洛克威尔以及摩托罗拉等，已经开始研究和应用TRIZ方法。^[16]

TRIZ是基于知识、面向人的发明问题解决系统化方法学。作为一种方法学，TRIZ在新产品设计和改进设计的初期为设计者提供了过程模型、工具和方法，主要包括产品进化论、分析、冲突解决原理、物质—场分析、效应ARIZ发明问题解决算法等。发明问题解决理论的核心是技术系统进化理论，根据TRIZ，整个问题解决的过程可以分为三个阶段：问题定义阶段、问题分析阶段和创新性方案产生阶段。

TRIZ理论认为，凡是具有某种功能的事物都可以称为技术系统。一个技术系统一般具有多个子系统，并且每个子系统都具有某种功能。技术系统的子系统之间是相互作用的，改变某个子系统必然影响到整个系统。当解决一个技术问题时，应该考虑该系统的上级系统和其他子系统对该系统的影响。

分析是TRIZ解决问题的一个重要阶段，包括功能分析、理想解的确定、可用资源分析和冲突区域的确定都需要用到分析工具。假如在分析阶段问题曲面已经找到，可以移到现实阶段。假如问题的解没有找到，而该问题的解需要最大限度的创新，则基于知识的三种工具：原理、预测和效应等都可以采用。在很多TRIZ的应用实例中，三种工具要同时采用。

理想解是TRIZ方法的一个重要概念。产品处于进化之中，进化的过程就是产品由低级向高级演化的过程。低成本、高功能、高可靠性、无污染等是产品的理想状态。产品处于理想状态称为理想解，每种产品都向着它的理想解进化。理想解可采用与技术、与现实无关的语言对需要创新的原因进行描述，创新的重要进展往往通过对问题深入的理解所取得。确认那些使系统不能处于理想化的元件是使创新成功的关键。设计过程中从起点向理性解过渡的过程称为理想化过程。

在解决问题的初期，面对需要克服的缺陷有很多不同的思路。例如，改变系统、改变子系统和其中的某一部件、改变高一层的系统等，都可能使问题得到解决。思路不同，所思考的问题对应的解决方案也会有所不同。TRIZ将所有问题分为两类：缩小的问题和扩大的问题。缩小的问题致力于使系统不变甚至简化，从而消除系统的缺点，完成改进；扩大的问题则不对可选择的改变加以约束，因而可能为实现所需功能而开发一个新的系统。TRIZ建议用缩小的问题［69］。

系统冲突是TRIZ的一个核心概念，表示隐藏在问题后面的固有矛盾。如果要改进系统的某一部分属性，其他某些属性就会恶化，这种问题就称作冲突。TRIZ认为，发明可以认为是系统冲突的解决过程。无论是新产品的设计还是已有产品的改进，设计人员在设计过程中首先要保证提高产品的某些性能，但提高这些性能的同时往往会导致其他性能的降低，即设计中存在冲突。正是由于冲突的存在，就提出了对产品进行创新的要求。

针对产品设计过程中的设计冲突和物理矛盾，TRIZ方法提出了解决技术冲突的40条发明原理和解决物理矛盾的分离原理。在确定冲突和解决冲突的过程中，运用TRIZ方法中的物质—场功能分析方法、科学和技术成果数据库和ARIZ算法。

2.公理设计理论

公理设计（Axiomatic Design）是美国麻省理工学院机械系N.P.Suh教授提出的一种系统化设计理论，它提供给设计者一种在设计初期建立自己设计思路的工具。基于公理化设计原理，设计者可以很方便地对设计要求、解决方案及设计过程进行综合和分析。

公理设计定义了用户、功能、物质和过程四个不同的域，每个域仅建立本域内的结构模型，通过设计矩阵对不同域内的指标进行映射实现。

一个系统是一系列子系统和软、硬件的集合，它是由人设计的，通过系统操作在规定的范围内满足由用户提出的功能要求。

定义｛FR｝为功能向量，为完全定义一个系统功能所需要的独立的功能描述集，属于功能域。

定义｛DP｝为设计参数向量，为满足设计功能的关键物质变量，即所选用的概念或方法，属于物理域。

定义｛PV｝为过程变量，为产生给定设计参数所需要的关键过程变量，通常为实现｛DP｝的技术，属于过程域。

根据“公理设计理论”即方程（1）将功能向量映射到物理域，方程（2）将设计参数向量映射到过程域。

对于方程（1），如果矩阵［A］是对角阵，则设计是非耦合的，即一个设计参数的每个元素满足一个对应的功能向量元素；如果［A］是上三角阵或下三角阵，则此设计是解耦的，即可以通过调整设计参数逐一满足功能向量的每个元素；如果［A］既不是对角阵也不是三角阵，则此设计是耦合的。

如果一个设计满足给定功能的概率为p，则此设计的信息度定义为公理设计第一公理（独立性公理）：保持功能向量的独立性，即设计矩阵［A］应该是对角阵或三角阵。

如果一个功能仅由一个设计参数实现，那么这个设计参数满足功能要求的程度就比较容易取得，调整设计参数也比较容易。如果功能向量是耦合的，为一个功能的优化调整设计参数将影响到其他功能的实现。

公理设计第二公理（信息度公理）：将设计内容的信息度降到最低。

信息度低则意味着系统满足功能要求的概率高，从而系统的可靠度就高。(www.chuimin.cn)

推论1：如果一个系统的功能向量是耦合的或相互关联的，将它们解耦或分离。

推论2：将功能向量的元素和约束的个数减到最少。

推论3：如果功能向量能够满足，将所有的设计整合到同一物体上。

推论4：只要满足功能和约束要求，采用标准、可换的原件。

推论5：只要满足功能和约束要求，采用对称形状或原件。

推论6：定义功能要求时，采用最大允许误差。

推论7：当耦合设计和解耦设计都能满足同样功能要求时，采用解耦设计。

20世纪50年代以来，重大工程事故不断发生。譬如，联合碳化物（印度）有限公司的事故使近60万人丧生；切尔诺贝利核电站事故的危害影响到许多欧洲国家；NASA的火箭因O型密封圈的故障而导致发射失败；“9·11”恐怖袭击使现代化的世贸大楼很快倒塌，造成新世纪的大惨剧；2005年新奥尔良的飓风灾害，等等。从这些事故与惨剧中可以看到其工程部分或重要部分在设计方案中就存在先天不足或问题。工程实践证明，不良工程设计不仅能导致低质量、高成本与长的交货期，而且还可能导致重大的工程事故或惨剧。因此工程设计必须不断汲取失败与灾难暴露出的问题与教训，积极寻找先进的设计理论与方法。Nam　Suh认为：“设计技术与实践缺乏创新，是其中最重要的问题。”设计的差错成为公认的重大问题；许多在设计领域不太受重视的“设计小问题”经常是顾客抱怨，甚至拒绝购买与利用所设计的产品或服务的根源。这类设计问题包括：可以引发功能、质量与使用性能故障或存在潜在危险的产品与服务设计解决方案；由于无法满足顾客、组织与社会的需求，使产品与服务变成没有顾客价值的设计；导入时间长的新产品与服务项目；制造周期长、质量问题多、安全性与可靠性差的设计；高维护与修理成本的设计；多故障、高成本又不便于应用的设计等。

可见，与TRIZ方法不同，公理设计本身并没有特别关注灵感与创新概念的产生，然而它特别关注对解决方案好坏的判断，如果有一个解决方案，公理设计需要检查此方案是否满足独立性公理和信息度最低公理。在系统设计初期，对系统元素间的独立性和信息度进行评估，可避免设计开发和演变过程中产生因为系统初期设计的问题而造成的质量瓶颈。六西格玛设计就是要突破传统设计保证率不能突破五西格玛这个瓶颈，这也是“顶层设计”思想流行的一个重要原因。

由于从功能域到物理域，从物理域到过程域的映射是一级一级逐项进行的（Z形解决过程或zigzaging），每级映射都需要寻找合适的解决方案（映射矩阵的各个元素），公理设计理论应该能够很好地同TRIZ方法结合，而事实是已经有人进行了这样的结合。^[17]

（三）创新是一种习惯

无论是基于成功的发明创造所归纳的TRIZ理论，还是由公理推论所建立的公理设计理论都是人类认识与改造世界知识的精华，都具有扎实的实践基础，都有成功指导重要设计成果的案例。然而，报告者认为，所有的创新方法都应该被看作创新的工具。将创新方法看作工具意味着：①没有一种方法是万能的或应占据绝对地位的，每个方法都有其适合的范围；②方法本身处于发展过程之中；③尽管没有得到系统地整理和传授，个人经验也是一种重要的方法（工具），在很多情况下直觉比理论形式的工具更可靠，换句话说，采用某种“高级”方法所产生的效果并不能保证比一个没有正式学习过任何方法的人所提出的方案高明；④更重要的是，只有面对工作任务时工具的使用才有意义，不能寄希望于创新方法普及了创新成果就自然出现。

爱迪生是一位多产的发明家。他的多项发明对世界产生了重大影响。天津港工人发明家孔祥瑞个人有150多项革新与发明，为集团创造了8400多万元产值。考查重要创新和发明的创造者或创造机构就会发现，这些人或机构都是高产的创新者。换句话说，这些人或机构有不满足于现状、持续创新的习惯或文化。笔者认为，创新的环境、创新的习惯（或称为素质）加上创新的技法是成就可持续性创新的重要条件。

基于这样的认识，我们认为，尽管创新技法的培训与推广对于提高创新能力、普及创新意识是有益的，但它们不应该成为大学创新教育的主要工作。在创新教育方面，大学应该更注重对学生进取精神、批评性思维能力和面向实践、面向社会的能力与素质的培养，让他们在一个鼓励和培养创新的文化与环境中把创新作为一种习惯。

（四）批判性思维

几乎所有教师都同意工程推理能力是工科学生需要具备的一项重要能力。然而，什么是工程推理能力？如何提高学生（还有教师）的工程推理能力？在这方面却少有操作性的指导。2010年在加拿大蒙特利尔召开的CDIO国际会议上，美国海军学院航空工程学院院长Robert　Niewoehner作了阐述关于工程推理能力的定义和培养的介绍。他也是批判性思维基金会（Foundation for Critical Thinking）所编写的手册《工程推理能力指南》（The Thinker’s Guide to Engineering Reasoning）的作者之一。在此，将此手册关于工程推理能力及其培养的基本观点转述如下。^[18]

1.工程推理的模型

工程师需要进行正确的思维练习，将理性的标准（intellectual standards）应用于思维元素（elements of thoughts）中，开发我们的理性特质（Intellectual Traits），如图5-2所示。

图5-2　工程推理能力模型

思维的普遍结构是，当我们思考时我们总是：①为了某个目标，②应用某种观点，③基于某种假设，④得到某个推论或结果，⑤我们需要应用信息、事实和经验，⑥进行推理和判断，⑦基于适当的概念和理论，⑧来回答或解决一个问题。因此，当我们想要了解自己的思维时，我们需要询问：①我是为了什么目标？②持有什么观点？③基于什么假设？④（如果我是正确的话）我会得到什么推论或结果？⑤我需要哪些信息？⑥我最基本的推论和结论是什么？⑦其间最基本的概念是什么？⑧我回答或解决了什么样的问题？

为了培养和提高工程推理能力，可以在教学和考核（例如批改学生报告）中应用理性标准，有意识地提高学生对这些标准的认识和自觉应用这些标准的习惯：

清晰度：你能更进一步说明吗？能举例说明吗？能进一步明确你的意思吗？

正确性：我们如何检验？我们怎样知道这是对的？我们如何验证或试验？

准确性：你能更明确一点吗？能给更多细节吗？能更精确一点吗？

相关性：二者间有什么联系？那件事与本问题有何相关？这个能怎样帮我们解决问题？

深度：哪些因素使得这个问题这么困难？本问题的症结在哪里？我们面临哪些困难？

广度：我们需要从另外一个角度来看这个问题吗？我们需要另外一种观点吗？我们需要用另外的方式来处理这件事吗？

逻辑性：这些东西在一起有意义吗？你的第一段的意思与最后一段相吻合吗？你的论述与证据相符吗？

重要性：这是需要考虑的最重要的问题吗？这是问题的中心吗？这些事实中哪些是最重要的？

公平性：我在此问题上有利益吗？我有站在别人的角度考虑问题吗？

对不同的目的，与此八条标准相关的问题还可以有不同提法。总之，在教学和学习过程中自觉应用这八条标准进行要求、工作和评价，使应用这些标准成为一种自觉的习惯，从而提高学生工程推理和批判性思维能力。这是一条具体、可操作的路径。

（五）整合思维

“整合思维”（Integrative Thinking）是由加拿大多伦多大学罗特曼管理学院院长罗杰·马丁（Roger Matin）教授提出的教育理念。最近几年罗特曼管理学院的研究团队对其加以发展，成为新型的人才培养模式。整合思维的最主要特征，就是勇于处理开放边界的复杂问题，对多种不尽一致甚至相互冲突的传统解决方案进行深入分析，从中找出汇集多种方法、优点的创新解决方案。整合思维教育能够培养敏锐的思考能力、复杂问题的洞察能力、解决方案的创造能力以及勇于接受挑战、乐观积极的主观态度。具有整合思维的人才是全球化、多元化的现代社会所急需的创新型人才。基于整合思维的人才培养，是一个涉及知识、能力、素养、意志和精神培养的多元复杂系统。整合思维跨越学科边界，可以审视任何涉及智力的主题。虽然整合思维教育发端于商业人才的培养实践，但有关研究已经表明，其哲学基础具有较强的普适性，在自然科学、人文社会、工程技术、艺术等多个学科领域都有着广泛的应用前景。

马丁给整合思维的定义是：面对相互对立的模式时不是简单地进行选择，而是能够进行建设性的思维，创造性地解决它们之间的冲突，形成一个包含已有模式的某些成分但比已有模式都好的新模式。

这是马丁在他17年的商业咨询经验的反思基础上得出的。他对很多著名的成功企业家，进行了总长达数百小时的录像访谈。这些企业家的经验更加印证了他的观点。但如何将此经验作适当的总结与展开，使其可以通过教学过程得以传授则是一个巨大的问题。

马丁在Rotman商学院选择了采用建模（Model Building）和模式整合（Model Integration）的方式。马丁认为，无论自己是否知晓，一个人的每件知识、每个行为都基于自身的模式（everything you know，everything you do is based on models，which you may not know the existence）。生活总是制造相互冲突的模式，而所谓“真实”不过是现实透过自己的模式所得到的映像（the realit is actually a reflection of one’s own model）。因此，马丁在Rotman不仅透过建模和模式整合的方式剖析成功企业家，而且通过对案例进行建模和模式整合的方式训练MBA学生的整合思维能力。

整合思维能力的培养方法引入了可以操作的建模与模式整合，能够比较容易融入一般课程和课外活动的策划与运行工作中，从而实现课内外一体、专业教育与素质教育一体的思维能力培养，因此，应该引入整合思维的建模与模型整合的方式，全方位地进行教育培养的改革，打造具有高素质创新能力的人才的高等教育。