《专业与课程建设》
1.自动化类专业“卓越工程师教育培养计划”实施情况分析与思考
2.基于“专创融合”的专业课程重构研究——以“供应链管理”课程改革为例
自动化类专业“卓越工程师教育培养计划”实施情况分析与思考
摘要：本文是在承担“自动化类专业卓越工程师教育培养计划实施评价与升级建设的研究与实践”项目的过程中，对全国自动化类专业“卓越工程师教育培养计划”实施情况进行评价验证工作的基础上完成的。文章从“卓越计划”的实施情况分析、取得的主要成效、存在的不足、下一步升级建设的思考与建议等方面，对“卓越计划”的实施情况进行了总结分析。结合卓越计划的实施现状和新工科建设要求，提出了建立符合高校实际和社会经济发展需求的高素质工程技术人才培养新模式与新途径，为“六卓越一拔尖”计划2.0的实施提供了借鉴。
关键词：自动化类专业，卓越计划，新工科
一、引言
为促进高等工程教育改革和创新，全面提高我国工程教育人才培养质量，自2010年起，教育部启动了“卓越工程师教育计划”（以下简称“卓越计划”），这项改革旨在推动工程教育改革，促进我国从工程教育大国走向工程教育强国。
截止2013年，全国先后有1200多个专业进入该计划，其中包括68所高校的自动化类专业。经过几年的探索和实践，项目实施院校在人才培养模式改革、校企合作教育、工科教师队伍建设和工程教育面向世界等方面取得了令人瞩目的成果，学生的实践能力、创新能力和综合素质明显提高。2019年4月，教育部等13个部门在天津联合启动了“六卓越一拔尖”计划2.0，旨在进一步全面推进新工科、新农科、新文科建设，提高高校服务经济社会发展能力。在此背景下，开展对前期“卓越计划”实施情况的回顾与总结，对新的“六卓越一拔尖”计划2.0的实施无疑是非常必要且具有重要的指导意义。本文作者在完成教育部新工科研究与实践项目“自动化类专业卓越工程师教育培养计划实施评价与升级建设的研究与实践”的过程中，对前期“卓越计划”实施情况进行了全面细致的调研和评价考查工作，并在此基础上，及时总结各个学校此项改革的好思路、好做法、好经验、好成果，旨在为“卓越计划2.0”的实施提供有益借鉴。
教育部高等学校自动化类专业教学指导委员会高度重视教学改革工作，并将“卓越计划”的实施与成效作为历届教指委重点关注和开展的工作，周密部署、全力推进、务求实效，分别于2013年在西安、2015年在江西赣州、2017年在上海举办了三届全国自动化类专业“卓越计划”经验交流暨工作研讨会，为全国高校自动化专业搭建了经验交流、成果共享、提高水平的平台。
2013年开始，为推进该计划实施，教育部高教司研制了《卓越工程师教育培养计划实施工作评价方案》，为这项工作的持续推进提供指导性文件并组织开展了“卓越计划”的评价试点工作。2017年5月，自动化类教指委得到高教司支持与认可，以总结成绩、查找不足、深入推进、务求实效为目标，开展了全国自动化类专业“卓越计划”实施评价试点工作。同年6月，自动化类教指委成立了该项工作的领导小组及工作组，研究制定工作方案；10月，教指委向各相关高校发布了评价工作方案；2018年4月，开放首批实施评价申请，共收到符合评价验收条件的16所高校的自评报告；7月结合各申请专业已经通过工程教育专业认证的情况，教指委组织专家完成了函评；2018年10月，自动化类教指委在西安举行交流评审会，来自16所高校的自动化类专业负责人从“卓越计划”专业人才培养目标和学校标准、课程体系和教学改革、教师队伍建设、校企联合培养、国际化等方面做了汇报，并针对学校和专业的具体做法、实施案例、改革成效以及存在的不足进行交流。会议向所有自动化类专业“卓越计划”实施高校开放，来自全国58所高校的150余位代表全程参加了会议并开展了深入、广泛的经验交流和研讨。专家讨论并形成了对各参评高校“卓越计划”实施情况的评价意见及对今后此项工作的建议。这项工作历时一年多时间，经历了方案制定、动员参与、专家评审、会议交流等环节，达到了预期的目的，对于各项目实施高校在总结以往工作的基础上，继续深入推进工程教育改革提供了有益的经验、奠定了坚实的基础。在这项工作的开展同时，也为上级有关部门制定相关政策、实施“卓越计划2.0”提供了有益的参考。
二、“卓越计划”实施情况分析
1.学校培养目标的定位与标准。
各项目实施高校以行业和社会需求为导向，结合专业特点，制定了覆盖“卓越计划”通用标准和行业专业标准的学校标准并注重突出各自学校的人才培养目标与培养特色，实现了毕业要求对“卓越计划”通用标准的全覆盖。
在上述方面，清华大学围绕创新型、国际型人才培养的学校定位，结合自身的优势和特点，制定了“培养研究型、管理型、创新型、国际型多类型卓越工程人才”的目标；北京交通大学轨道交通信号与控制专业突出面向轨道交通及信息技术行业培养专业技术人才的特色；北京石油化工学院着重面向石油化工行业培养高水平应用型人才；江南大学自动化专业结合行业特色与地方经济建设需求，突出物联网+智能制造+轻工的行业特色；常熟理工学院按照学校“注重学理，亲近业界”的人才培养理念，培养具有“应用型、地方性、开放式”特征的应用型人才。各高校立足学校的定位与发展目标，结合专业自身的办学特色与服务面向，科学合理的制定了符合实际、能够落实的人才培养质量标准，为专业培养推进改革、突出特色奠定了基础。
2.深化课程体系和教学内容改革，适应新形势的发展要求。
各项目实施高校以需求为导向，对原有课程体系和教学内容进行了整合重组与优化提升。采取多种措施组织开展教学方式改革，着力推行基于问题的学习、基于案例的学习、基于项目的学习等多种研究性学习方法，构建新的教与学关系，实践支撑新的教学体系与内容的教学模式。
在构建新的课程体系和教学内容方面，清华大学坚持专业根基，突出理论与实践相结合，加强“智能与系统”相关教学内容，并在教学资源建设等方面通过MOOC等方式实现了优质资源共享；上海交通大学采用电类专业大类招生、大类培养的方式，以学生的科研和实践能力培养为导向，对实践体系和课程体系进行相互呼应、支撑互动的建设；华东理工大学通过教学内容整合，形成了“基本工程技能培养全覆盖+工程实习计划个性定制”的人才培养模式；广东工业大学结合区域经济发展的特点与需求，新开设的自动化综合课程设计群融合相关理论课程、实验课程以及实践环节，培养方案面向智能制造方向，培养目标的针对性更加明确；重庆科技学院以培养学生工程应用能力为主线，以解决复杂工程问题的能力培养为牵引，在优化课程内容的基础上构建了具有地方高校特点的自动化卓越计划的课程群；北京交通大学结合行业特色，设计了以“列控”等复杂工程为背景的能力导向型体系，将学生能力培养有机融合到课程和实践中。北京信息科技大学、哈尔滨理工大学在保持自动化传统核心内容的基础上，更加注重设置交叉学科课程的建设。
为保证教学质量，积极开展研讨式教学，上海交通大学实施以“智能车”与“智能机器人”复杂案例作为研究对象的实践教学改革；江南大学、燕山大学采用独立编班、单独小班授课，并采用灵活的教学方式，突出师生互动、探究式教学的模式；西安理工大学与企业密切合作，结合企业需求和专业特点，开展了基于项目的的案例教学，收到了学生和企业的欢迎；兰州理工大学开展了研究性案例学习方法实践，实施了翻转课堂等混合式教学模式；天津工业大学围绕纺织自动化系统中的复杂工程问题，加强学生对知识的主动探索、主动发现和所学知识意义的主动构建；常熟理工学院强调基于项目的“研中学”和“做中学”教学模式。与课程体系和教学内容的改革相配套，丰富多样的课程内容优化与课程体系重构，为培养学生工程实践能力，适应技术发展和实际需求提供了保障。
3.具有工程实践经历的高水平师资队伍建设。
按照“卓越计划”的总体要求，各学校与专业都制定了建设高水平专兼职工科教师队伍的总体规划和具体措施，通过有计划地选送教师到企业工程岗位工作、聘请行业企业具有丰富工程实践经验的技术人员和管理人员兼职教师承担教学任务等多项举措，基本保证了进入“卓越计划”的学生4年中有6门专业课由具有5年及以上企业工作经历或具有丰富工程实践经验的教师主讲。
常熟理工学院采用柔性聘请的方式从企业聘请高级技术人员作为兼职教师，承担一定的专业教学工作，包括教材编写、课堂教学、知识讲座、学生指导、毕业设计等环节；河北大学专职教师队伍中具有较长企业工作经历的比例较高，落实了学生企业实习和毕业设计选题来自实践或有“双师”指导；燕山大学选派教师到企业实践基地进行脱产工程实践培训；西安理工大学采用校内师资与校外师资相结合、专任教师与非专任教师相结合、国际知名企业与国家重点研发机构专家相结合的方式落实了核心专业课程的教学过程由具有工程经验的专家全程参与的举措；天津工业大学推行的企业科技特派员制度有效提升了教师的工程经验与技术实践能力。上述以教师工程实践能力为核心的师资队伍建设举措，使学生实践能力的培养落到实处，收到较好的成效。
4.校企联合培养，加强对学生创新与工程应用能力的培养。
高校和企业共建各种类型的工程实践教育中心，提供满足学生在企业学习的教育教学条件，并建立完善的组织机构、管理体制和运行机制是“卓越计划”实施的重要内容之一。各学校通过与企业联合制定了人才培养标准，共同建设课程体系和教学内容，共同实施培养过程和质量评价工作，形成了各具特色的校企实训中心的合作方式和人才联合培养模式，并取得了一定的成效和有益的经验。
广东工业大学与企业共建工业4.0智能制造实验室和数控装备协同创新研究院，为学生培养提供了多层次智能制造场景和训练新体系，成效突出；北京石油化工学院通过成立工程师学院，具体落实了学生实训实习基地的建设、协调与管理；常熟理工学院成立自动化专业卓越工程师校企合作教育联盟，与多家企业共建了实验室或实训中心，学生的毕业设计课题均来自工程实践，学生在校企双方导师指导下在企业完成；华东理工大学、西安理工大学通过采取部分专业课程在企业授课的形式，使学生既能学习到课程的核心知识点，又可了解到实际应用场景和实现的技术手段与方法，从而较好地解决了理论学习与实际工程相互联系的问题。通过各种形式，建立的校企合作的学生工程实践基地，有效的解决了理论与实际的脱节短板，使进入“卓越计划”的学生更有工程师的感受，而教学内容更具“工程性”。
5.面向世界的工程教育。
国际化是培养卓越工程师的重要内容，也是在实际办学过程中存在诸多难点的瓶颈。对此，相关学校和专业采取了多项措施推动国际化工程人才培养，通过建立具有国际背景的教师队伍、构建与国际接轨的课程体系、采取现代化的教学方式等，实质性的开展了国际合作办学和产学研合作教育，推动了更加广泛深入的国际交流。
清华大学自动化专业具有一支国际化、高水平的师资队伍，在创新型国际化人才培养方面通过开设全外语教学、出国访学的方式，拓展了学生的国际视野，使学生更具有跨文化背景下的思维方式和交流能力；上海交通大学、北京交通大学聘请外教讲授完整课程，并通过中外合作办学等模式招收国际留学生，营造了较好的跨文化交流平台和氛围；江南大学依托“过程控制”中加国际联合实验室、“工业过程控制”创新引智基地、“模式识别与计算智能”中英国际联合实验室等资源，使“卓越计划”相关专业的学生海外教学交流和游学成为常态；需要指出的是，虽然各学校在培养学生国际化视野和交流能力方面做出许多尝试和努力，但收效参差不齐，在具体的方式方法、政策举措等方面还有待于不断深化和改进。
6.学校支持保障。
各相关高校对“卓越计划”实施都制定了有针对性的支持鼓励政策举措，加大了对“卓越计划”的经费支持与条件保障。大多数学校都设立了“卓越计划”专项经费，在资助教学改革、资源建设、师资培训、校企联合培养、国际化培养和实训实习等方面，形成有效的激励措施，如北京交通大学、天津工业大学制定了卓越班学生参加学科竞赛的激励措施，江南大学每年为卓越计划专业拨专款重点支持，常熟理工学院大幅提高卓越班学生的实习经费，为学生赴企业接受工程实践训练提供了保障。所有这些具体的政策措施，都为“卓越计划”的顺利实施提供了有效的保障。
三、取得的主要成效
“卓越计划”自2010年实施以来，高校和专业在人才培养模式改革、优化课程体系、建设实验平台和实践基地、提升师资队伍水平、健全校企协同育人机制等方面进行了一系列的改革与实践，取得的主要成效如下：
（1）人才培养体系得到优化。高校和专业加深了对行业与社会需求的认知，在制定人才培养方案和实施过程中更能够联系实际，适应产业与技术的发展；课程体系进行了合理整合并增加了实践类课程的比例，增加了面向未来的新兴技术课程和交叉学科课程。
（2）教学改革实践得到促进。专业教师开展了多种研究性学习方法探索与实践，建设了教材、课程等优质教学资源并积极实现共享；构建了理论课程与生产实际相结合，教学资源与科研资源相结合，教师指导与学生互动相结合的教学模式；获得多项教学成果奖。
（3）人才培养质量得到提升。学生工程能力和创新实践能力得到明显提升，参加各类学科竞赛的成效明显；由于提前进入企业学习，较早地开启职业规划，明确了自己未来的发展方向，更加体现了学生为中心的教育理念；大量的实践活动培养了学生扎实的专业能力，优秀的团队协作精神，勤奋刻苦踏实稳重的工作心态，具备了较强的职场竞争力；学生对复杂工程问题的理解更加深入，成本意识、环境意识、安全意识有所加强，就业质量好。
（4）专业建设内涵得到丰富。全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的国际工程教育专业认证理念，工程创新型和国际化师资队伍建设成效明显；通过建设各类人才培养创新实验区、实验教学中心、实践教育中心和产学研实习基地，更加突出和完善了学校定位和专业特色，对专业内涵的认识更加深刻，对专业建设的方向更加明确，对服务经济建设、满足国家需求的办学导向更加坚定。
（5）校企合作办学得到深化。建立了稳定的企业工程实践教育基地，组织机构、管理体制和运行机制日益完善；加强了校企合作深度和力度，企业专家积极参与专业建设与教学环节已形成制度且实施良好。
四、存在的主要不足
在实施“卓越计划”过程中，仍存在一些值得思考和改进的问题，主要体现在：
（1）受实习条件、师资、教学资源和经费限制，“卓越计划”规模偏小；学生生源主要采用高考选拔，宣传力度不够，学生报考比较盲目；缺乏退出和激励机制；“3+1”的培养模式与学生考研升学有冲突。
（2）高水平工程型师资仍然不足，教师的工程实践能力和工程师的教学能力两个方面缺乏系统有效的培训；学校引进师资的政策中，对工程实践能力的要求依然偏软，相关举措有待完善。
（3）行业和企业部门参与机制不够健全，企业参与的主动性和积极性有限，校企互利双赢的产学研合作机制还需进一步具体化、规范化和制度化。
（4）国际化工程人才培养的方式和渠道还不丰富，力度有待加强，师生参与国际交流的比例偏低，缺少既与国际接轨又适合我国国情和学生特点的专业教材。
五、“卓越计划”升级建设的思考与建议
新一轮的科技革命和产业变革对工程教育改革提出了更加明确和具体的要求。在新工科背景下，结合各实施高校自身情况和取得的经验与不足，对进一步升级建设“卓越计划2.0”有以下方面的思考与建议，主要包括：
（1）针对不同类型、不同特点的高校实施分类指导和评价方式，建立分类发展政策和科学的指标体系，探索差异化人才培养方案，规范培养质量评价标准，让每所“卓越计划”实施高校都能结合自身定位和特点，选择分“赛道”推进，提倡明确目标、完善过程、扬长避短、办出特色。
（2）面对新经济和产业发展新模式，从培养目标与模式、教学计划与内容、教学方法与评价等方面，更新自动化类专业的内涵，建立“新自动化”的专业建设理念；结合工程教育专业认证，树立全周期工程教育理念，优化人才培养全过程、各环节；加强创新性思维、人文类知识能力及非专业能力培养，探索人工智能与其他学科的交叉融合，丰富教学资源；注重质量保障，建立更加科学合理的“卓越计划2.0”评估（评价）标准。
（3）完善多主体协同育人机制，深入推进多层次、多领域、多模式的校企合作，建立长效机制提高行业企业积极性，规范校企共建工程实践教育学院、中心、基地、平台等的管理；整合区域工程教育资源，加强高校资源共享，注意发挥校内优质工程实践基地、高水平科研平台的育人作用；健全校企互利多赢的产学研长效合作机制，加强企业兼职教师与教学环节的实质融合；提升工程教育效率与教学效果。
（4）加强人事制度改革，制定工程教育教师准入制度和评价标准，健全激励制度，建立大学与企业的人才双向流动机制；改善新引进教师工程能力培养与提高的规划和实施方案，提升工科教师教学能力与工程能力，提高具有真正工程背景及工程实践经历的教师比例；更好的衔接融合学生在校内培养阶段所学习的知识点与企业生产实际活动，建立学生理论学习到实践活动的教学链条，设计具有挑战度、创新性的实践环节，强化学生工程能力考核。
（5）对接国家“一带一路”发展倡议，构建符合国情、与国际接轨的课程体系，搭建国际合作育人平台；加强国际化交流力度与深度，开展国际合作办学和国际间的产学研合作教育，拓展国际化办学途径，提升教师国际化背景和学生的国际化能力。
（6）落实对实施专业必要的激励政策（如给予实施高校专业学位研究生招生名额上的倾斜政策）和专项经费支持；加大“卓越计划2.0”培养模式的宣传力度，提升社会知晓度和关注度；推进遴选机制改革，促进学生转入转出。
六、结论
面向新工科的创新型自动化工程科技人才的培养涉及培养目标、课程体系、实践环节以及产学结合等多个方面，而核心是培养既能主动服务于工程产业界的现实需求又能创造和引领未来工程产业界的发展趋势。[6]通过对自动化类专业“卓越计划”实施情况的调研、总价和成效评价，总结了各项目高校推进此项改革所形成的好思路、好做法、好经验、好成果，并结合“卓越计划”的实施现状和新工科建设要求，提出了进一步探索建立符合学校实际和社会经济发展需求的高素质自动化工程技术人才培养新模式与新途径，为“六卓越一拔尖”计划2.0的实施提供有益的借鉴和指导。同时，也为自动化类专业改造升级、深化校企协同育人改革提供可推广、可复制、可实施的经验，努力发挥自动化类专业在新工科建设中的排头兵作用。
作者： 西安理工大学教授 刘丁 西安理工大学副教授、博士 季瑞瑞 上海交通大学教授 李少远 南京理工大学教授 吴晓蓓 清华大学教授 张佐 王红
来源： 《高等工程教育研究》2020年第02期
新工科背景下跨学科课程建设的思考与实践
摘要：本文对新工科背景下跨学科教育的重要性进行了探讨，提出工程领域跨学科教育应具备的五个要素：具有现实关注超出单门学科范畴的复杂问题，以既有学科为基础和依托，整合多门学科解决问题的迭代过程，以通过设计实现解决方案提升学生能力素质为目的，体现对利益相关者的关注。这五个要素与跨学科的教师、学生及环境一起构成跨学科的课堂。研究试图厘清关于跨学科教育的认识，结合三个案例分析了上述各要素如何在跨学科教育中发挥作用，并从教学设计、教师发展、课程计划等方面针对跨学科课程建设给出建议。
关键词：新工科，跨学科，课程建设，西南交通大学
一、引言
教育部从2017年开始，积极推进实施新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”。随着新工科研究与实践项目的发布，新工科建设正在引领着高等工程教育的深刻变革。
作为新工科建设的重要内容，跨学科教育受到广泛关注。吴爱华等指出，“新工科”建设应探索多学科交叉融合的人才培养模式，包括开设跨学科课程，组建跨学科教学团队、跨学科项目平台，推进跨学科合作学习。[1]刘进等从MIT“新工程教育转型”（NEET）计划出发，指出新技术需要传统工程领域以外的跨学科知识，现有以学科为体系的培养模式已成桎梏，工程教育课程应更强调跨学科学习。[2]高松提出在华南理工大学实施“新工科建设F计划”，推进学科交叉融合，建设跨学科课程、高质量跨学科项目以及跨学科专业。[3]曾勇等提出在电子科技大学实施“New E3”新工科建设方案，建设跨学科项目课程体系。[4]
本文首先从工程活动的复杂性和高等教育改革两个角度，探讨高等工程教育开展跨学科教育的必要性。之后，基于现有的跨学科研究定义，我们提出了定义工程领域跨学科教育的五个关键要素。以此为基础，本文讨论了跨学科教育与双学位（辅修）培养、通才教育、多学科教育的区别，指出跨学科教育不是试图找到公认的知识内核，而是让学生在解决复杂问题过程中对多个学科进行整合。最后，分析了三个跨学科教育案例并提出跨学科课程建设的若干建议。
二、高等工程教育开展跨学科教育的必要性
美国国家科学院在其报告《促进跨学科研究》中，确定了跨学科研究与学习的四大驱动力：自然与社会的内在复杂性，探究不囿于单门学科问题的渴望，解决社会问题的需要，以及创造生成性技术的需要。[5]基于这些见解，本研究从工程活动本身的复杂性，以及跨学科教育对高等工程教育改革的重要意义两个角度，阐述跨学科教育的必要性。
1.工程活动的复杂性决定了跨学科学习的必要性。
首先，从工程活动的四个复杂性出发，探讨为何从事工程活动需要跨学科学习。
第一，问题的复杂性。工程是针对问题寻求解决方案、提升生活质量的过程。[6]然而，现实世界的复杂性决定了问题的复杂性。当今社会我们所面临的所有重大问题，都不能通过单一学科独立解决，比如气候问题、能源危机、DNA测序、肥胖、全球饥荒、宇宙起源、大规模流行性疾病防控、文化认识与艺术表现等。[5-7]显然，所有这些问题，都超越了单一学科的范畴，甚至跨越了自然科学、社会科学和人文学科，需要综合多门学科的知识、观点、方法、工具来解决。
第二，约束的复杂性。国际生产工程科学院（CIRP）将工程活动定义为“应用技术和科学原理制造产品，目的是保护环境、节约资源、促进经济进步、考虑社会关切和可持续发展的需要，同时优化产品生命周期，最大限度地减少污染和浪费。[8]”面对复杂约束，基于全生命周期的产品开发是优化设计提升效率的有效途径。然而，充分实施全生命周期工程，需要工程师具有足够的知识经验积累、形成对相邻学科的理解、具备表达沟通技能以及创造性，才能提出新的想法或创新的解决方案[9]，因而同样需要综合多个学科。
第三，系统的复杂性。现实世界大多数工程系统，都是复杂系统，因而既需要了解系统中各部分如何运作，也需要了解这些部分间的相互关系，以及时间和环境如何影响它们的运作模式与相互关系。雷普克指出，如果只经过公修课和单一传统学科的学习，学生往往会形成“筒状视角（silo perspective）”，缺乏对整个系统背景的理解以及通过多学科视角观察现实和特定问题的能力。而跨学科研究和学习，可以通过借鉴与特定问题相关的多门学科知识，将其研究的最小系统与更大的整体联系起来。[10]
第四，知识方法的复杂性。如今的大部分工作都变得越发知识密集，而计算技术的发展更加剧了这种复杂性。无论是雷普克所说的建立模型进行模拟[11]，还是德里克所说的使用数字技术生成分析大量数据[7]，分析与解释模型和数据经常需要多个学科的知识。与此同时，这种抽象的模型和数据加大了解读知识的难度，因而更要求人们掌握理解、运用和整合多学科的知识和方法。
2.跨学科教育是高等工程教育改革的有效推动力。
美国国家工程院在其报告《教育2020年工程师》中指出，“我们正在失去对年轻人想象力的争夺……许多人认为工程教育是一种公式化的、枯燥的、个性化的活动，很大程度上是由获得碎片化的、深奥的技术技能驱动的。在学生的头脑中，工程与他们关心的问题之间的联系是模糊的。”[11]
如果说新工科建设必将推动高等教育深层次变革[1]，那么跨学科教育将有效助推高等工程教育改革。纽厄尔等指出，跨学科研究可以有效地推动通识教育、专业培训、社会经济与技术问题解决，培养批判性思维、教师发展以及生成新知识等。[12]以下我们从学生、教师以及学校三个角度，探讨跨学科对于高等工程教育的重要意义。
（1）学生将从跨学科教育中受益。
《教育2020年工程师》指出，“现实世界中的问题很少被界定在狭窄的学科范围内。本科学生应该从隐藏于这些问题中的学科之间的相互作用中学习受益。”[11]跨学科教育可以从学习动机、素质能力与信心培养等方面使学生受益。
首先，跨学科教育能够提升学生学习动机。安布罗斯等指出，如果学生认为自己的学习目标有价值，其学习动机的水平会更高。学习目标的价值可分三类：一是成就价值，即从完成学习任务的结果中获得的满足感；二是内在价值，即对学习任务感兴趣或认为其有意义，在完成过程中获得的价值感；三是工具性价值，即通过完成学习任务获得的外部奖励。[13]跨学科教育会带来学习目标价值的提升。首先，跨学科教育会“基于那些重大的、扣人心弦的问题开设课程”。[7]由于情感目标和社会性目标在课堂中扮演着重要角色[13]，因而这类重大问题会让学生获得更大价值感。同时，跨学科教育以解决问题为目标的迭代过程与最终结果，会激发学生学习兴趣并带来满足感。进一步，学生通过跨学科学习会认识到，他们在课堂上所解决的这些问题，能够帮助他们成为一名高水平的工程师，进而获得为未来职业做准备的工具性价值。
第二，跨学科教育能够提升学生的成功智力。雷普克介绍了成功智力的三个方面：创造性智力用以构想出解决方案，分析性智力理解方案并评估其功效，实践性智力是以有效方式实现方案。而增进成功智力，需要在这三种思维方式之间保持平衡。[10]我们传统的课程，往往过分突出惰性的分析性智力培养，忽视了更关注现实世界多样性的另外两种思维。在跨学科教育中，学生针对复杂问题，整合不同学科认识，设计并实现解决方案，因而可以有效提升他们的创造性与实践性智力。
第三，跨学科教育能够全面提升学生的素质与能力。《教育2020年工程师》指出，基于多学科团队参与重大挑战的本科工程教育将有多种效益，包括领导力、沟通和团队合作技能、跨文化和跨国家意识，最重要的是，学生对自己为科学和工程界做出贡献的能力有信心。[11]雷普克则从大量有关跨学科研究的文献中提取出跨学科研究者所共有的素质和技能，其中素质包括事业心、爱学习、反思、容忍复杂状态的歧义和悖论、对其它学科的接受能力、愿意熟识多门学科、重视多样性、愿意合作、谦逊等，技能则包括交流能力、抽象思维能力、辩证思维能力、创新思维能力以及整体思维能力等。[10]
（2）教师将从跨学科教育中受益。
跨学科教育对于教师同样具有积极作用。首先，由于跨学科教育是以解决真实复杂问题为目标，同时包含了寻求解决方案的研究过程，因此教师更容易将教学与科研进行融合，与学生建立学习共同体，形成新的创新性见解。其次，不同学科教师在共同开展教学的过程中，通过交流合作熟识彼此学科领域，更容易找到学科交叉领域的新的研究方向与研究方法，形成新的研究增长点。正如《教育2020年工程师》所述，“教师们将体验到学习新事物和建立新伙伴关系带来的智力上的兴奋，并能够把更多的精力集中在他们真正关心的事情上，比如开展更重要的研究，真正改变年轻人生活，为社会做出贡献。”[11]
（3）学校将从跨学科教育中受益。
《教育2020年工程师》还指出，“如果精心构建新的教育环境，可以在许多方面造福于学校：提高学校与利益相关者的信誉，因为大学开展研究的目的是解决当地社会问题；与当地组织和国际盟国建立更好的伙伴关系；使学校对于来自不同背景的学生和教师更有吸引力。”[11]事实上，如果学校能够有效推动跨学科教育，将能够更好地解决重大问题，激发教师与学生的积极性、活力与创造力；能够与开展跨学科教育的同类机构建立伙伴关系并共享资源和成果；能够使得不同学科间更好融合促进，进而生成更多新的研究与教育增长点。
三、如何定义工程领域的跨学科教育
下面我们从跨学科研究与教育的定义出发，探讨工程领域的跨学科教育应具备的要素，并以此为基础呈现三个观点：跨学科教育不同于双学位（辅修）或者通才教育、跨学科教育不应试图寻找公认的知识内核、跨学科教育与多学科教育不同。
1.工程领域跨学科教育的五个要素。
雷普克指出，“研究”是跨学科不可分割的一部分，因为开展研究意味着寻找解决人类面临的各类复杂问题的新方法，是对已有知识结构的根本挑战。[10]因此，这里我们从跨学科研究的定义出发来定义工程领域的跨学科教育。
雷普克归纳了广泛认同的跨学科研究的五个定义。[10]作为五种定义中的一种，罗顿等在《文科院校的跨学科教育》[14]一文中，将跨学科教育定义为：一种课程设计与教学的模式。在该模式下，单个教师或团队对两门或多门学科或知识体系的信息、数据、技术、工具、观点、概念或理论进行辨识、评价与整合，以提高学生理解问题、处理问题、评价解释、创造新方法和解决方案的能力，而那些方法和解决方案超出了单门学科或单个教学领域的范畴。
雷普克则从五种定义中识别出跨学科研究共有八个关键要素[10]，即①跨学科研究有特定的现实关注。②跨学科研究所关注的内容超出单门学科视野。③跨学科研究与众不同的特点，即它关注复杂问题。④跨学科研究有可辨识的进程或研究模式的特征。⑤跨学科研究明确以学科为依托。⑥学科为跨学科研究特定的现实关注提供了见解。⑦跨学科研究以整合为目的。⑧跨学科研究进程是务实的：以新知识、新产品或新意义的形式推动认知进步。
基于此，雷普克给出跨学科研究的整合式定义[10]：跨学科研究是回答问题、解决问题或处理问题的进程。由于这些问题太宽泛、太复杂，靠单门学科不足以解决。它以学科为依托，以整合其见解、构建更全面认识为目的。
在已有文献中，未见到针对工程领域跨学科教育的明确定义。这里，我们在工程教育领域对上述要素进行重新梳理，定义工程领域跨学科教育的五个要素如下：
①问题：具有现实关注，并且超出了单门学科能够解决范围的复杂问题。
②学科：指既有的（单门）学科，包含学科内的信息、资料、技术、工具、观点、概念或理论等。（单门）学科是跨学科的依托，跨学科不是没有学科，而是建立在多个（单门）学科基础之上。
③过程：针对复杂现实问题，整合多门学科寻求解决方案的迭代。这种过程，不是偶然的、突发的，而是有步骤有计划，不断重复迭代改进，最终导向目的。
④目的：跨学科学习活动的直接目的是形成新的设计、产品等，而跨学科教育的目的，则是在整合多门学科，解决复杂问题过程中提升学生素质能力。
⑤利益相关者：广泛采纳学界以外的声音，即利益相关者的观点。[10]在工程活动中，从用户需求出发，关注工程对社会、环境等的影响，是工程教育的核心内容之一，因而应充分体现在跨学科教育中。
2.关于跨学科教育的三个观点。
基于上述定义与讨论，我们给出关于跨学科教育的三个观点。
观点1：跨学科教育不同于双学位（辅修）培养与通才教育，是不同学科间的整合。
尽管广义来看，双学位（辅修）培养也属跨学科教育范畴，但显然这种形式既无法针对所有学生开展，同时每个学生至多只能研修2～3个学科专业，更重要的是，学生只是学习了多个单门学科，缺乏整合过程，因而与本文所强调的，跨学科教育是通过整合多门学科，解决复杂问题，进而提升学生的素质和能力，有着明显不同。
大类培养的通才教育，同样有违跨学科教育的初衷。我们不妨设想，如果用“通才教育”的方式制订机器人工程专业培养方案，就会将与之相关的机械、电气、控制、电子通信等专业开设的若干门专业基础课和专业课并置于课程计划中。这样做会发生什么？
根据学习理论[13]，作为某一领域的专家，我们经常在脑海中无意识地创造并储存一个复杂的知识网络，这一网络把重要的事实、概念、程序与本领域中的其它要素联系起来，而且我们还会围绕某些有意义的特征和抽象的原理来组织本领域的知识。而作为新手的学生，他们和专家相比，所掌握的概念、事实和技能之间的联系密度或数量不同。对于他们来说，知识组织方式将决定他们学习质量的高低。
参考学习理论[13]中的知识组织示例，图1中给出学生在A、B两个学科专业领域的知识组织情况示意图。图中的圆点代表了概念、事实和技能等知识点，连线则表示这些知识点之间的联系。如果连线的密度越大，数量越多，则表明精熟水平越高。
如果学生选择通过双学位同时修读A、B两个学科专业，那么最好的情况是图1（a），学生在两个学科领域中都形成了具有较为丰富意义联系的知识组织结构。而经过通才教育式的大类培养，最好的一部分学生也有可能达到图1（a），但他们可能会抱怨，其在A、B两个学科领域中学习的精深程度不如这两个专业的学生。
对于主修A而辅修B学科领域的学生而言，他们所形成的知识结构很可能如图1（b）所示，即在主修的领域内建立了较为丰富的联系，但在辅修领域里面，只习得了一些分散的知识点，由于没有形成有效的知识组织结构，学生既很难深刻理解也很难应用这些知识点，因而很容易遗忘。
对于大多数通才培养的学生来说，由于需要学习的课程太多太散，很可能造成他们所有专业领域的知识都是分散而缺乏联系的，如图1（c）所示，这会严重影响他们的学习质量。比如我们前面所举的通才教育式的机器人工程专业培养方案，其结果很可能是大多数学生毕业时只粗略掌握了几个专业的基本知识。
但即使是图1（a），也不是本文所强调的跨学科教育。跨学科教育不是简单地将多个学科的知识传授给学生。我们无法达成共识哪些知识属于跨学科范畴，学生也无法将这些离散知识相关联。跨学科教育的最终目标，是培养学生整合多个学科解决复杂问题的能力，因而一定会在不同学科领域间建立联系。显然，跨学科教育的知识组织结构，应该如图1（d）所示。
从以上分析中可以看出，不同学科间的整合，是跨学科教育的重要组成部分和最重要特征。
观点2：跨学科教育不是找到公认的知识内核，而是面对真实复杂问题开展研究。
在图1中，如果我们把每门学科比喻成包含数以千计圆点的匣子[10]，每个圆点代表了本学科里的各种视野、见解、概念、理论、资料、方法、数据，在这些学科之上，我们该如何构建跨学科体系呢？
雷普克指出，传统学科有一个普遍公认的知识内核，即总课程，该内核又细分为具体科目。[10]一般来说，每门学科的知识内核（总课程）是普遍公认的，也就是说，把上述匣子里的哪些圆点拿出来构成该学科的知识内核，是有规可循的。那么，这是否意味着，如果我们想要开展跨学科教育，就需要从多个学科里面抽取并重新整理知识圆点，用这些圆点构成跨学科的知识内核呢？
以土木+信息跨学科教育为例，如图2所示，土木工程学科的知识内核，包括测量、材料、力学、结构、施工、工程造价等，而信息学科的内核则包括软硬件设计、信息传输与处理、检测、控制等。该从两个学科匣子里，选取哪些知识圆点呢？显然，不同教育背景、行业、岗位的专家和从业者，在这个问题上很难达成共识。例如，处于土木工程全生命周期规划、设计、施工、运维四个不同阶段的从业者的看法可能大相径庭，而同样从事土木信息化的两个毕业生，如果学历层次、修读专业等教育背景不同，也会对此抱有分歧。
因此，一个或许悲观的论断是，我们可能始终都无法找到跨学科研究和教育中普遍公认的知识内核。正如雷普克所指出，“跨学科研究者对单纯重新整理这些千变万化的知识圆点不感兴趣，他们感兴趣的是将其整合成新的更全面认识，也就是知识的累积”。[10]
跨学科研究与教育的初衷，是为了解决复杂的、现实的、超越了单个学科范畴的问题。因此，寻找合适问题，才是跨学科教育的出发点。以土木+信息为例，桥梁结构在服役过程中，会受到环境载荷作用、材料老化、疲劳反应等影响，加之自然或人为灾害，会对桥梁健康状态带来影响，严重时甚至会发生灾难性垮塌事故。[15]基于信息传感与处理技术的健康检测系统的迅速发展，有效弥补了传统人工检测方式的不足，特别是大数据技术的应用，更为其提供了良好的发展前景。显然，面对该问题开展跨学科教育，就无需纠结于知识内核的提取，而是关注如何设计与实现解决方案，这就是下文将介绍的课程——交通基础设施健康监测。
观点3：跨学科教育不是多学科教育，不是学科间的对话，需要突破学科边界。
雷普克将多学科与跨学科研究分别比作水果拼盘和混合果汁。[10]水果拼盘中的每种水果代表一门学科，它们紧紧相邻，外观味道彼此独立，对于水果类型和数量的选择，可能是为了好看。混合果汁则不同，它以预期的味道外观等（最终结果）为目的，来选取水果（学科及其见解），而水果的混合（整合进程）改变了每种水果的成分并形成了新的东西（更全面认识）。图3来自报告《促进跨学科研究》[5]，很清楚地给出了多学科与跨学科的差异。
事实上，多学科是将不同学科并置来寻求解决，每个学科就共同关心的问题自说自话，每门学科的特有要素仍然保留其本来特征。尽管与跨学科一样努力克服学科的单一性，但多学科仅仅是意识到学科边界的存在，并且通过定义接口保持本学科的独立，如图4（a）所示。而跨学科不同于多学科，它是以解决复杂问题为目标，有意识地整合不同学科的资料、概念、理论和方法[10]，因而需要突破学科边界，如图4（b）所示。
下面我们分别以两门课程为例，来阐明多学科教育与跨学科教育的区别。第一门课程是“设计+信息”的智能产品设计，其目标是设计、制作智能产品。第二门课程是“土木+信息”的交通基础设施健康监测，其目标是设计、实现用于桥梁、隧道等交通基础设施的健康监测系统。
在智能产品设计课程中，工业设计专业的学生对自己的定位是完成产品的功能、外观等设计，拿出能够“更好满足人的需求”的设计方案。而信息学科学生的定位是根据产品的设计方案，形成电子线路与计算机软硬件系统，其追求体现在“用更好技术实现”。显然，如果在课程里面开展多学科教育，两个学科的接口就是产品设计方案。这样做的问题在于，设计专业的学生没有机会去完成并进而不断修正完善他们的设计原型，而信息学科学生也没有关注到用户需求与经济约束等因素，以及如何从技术实现角度，实现更好的功能与外观设计。
交通基础设施健康监测课程中，在土木专业学生看来，信息学科就意味着工具，为桥梁等基础设施的监控提供传感设备（电子）、传输通道（通信）、数据存储处理（软件）等。而从信息学科来看，桥梁检测是其应用场景，只需按照需求实现电子设备与软硬件系统。事实上这正是目前基础设施健康检测领域的实际状况，即土木和信息两个学科都止步于本学科。举例来说，如果希望采用基于机器学习的方法来预测可能出现的桥梁非健康状态，可能由于土木学生不了解算法原理，信息学生不了解桥梁结构、材料等特征，双方都无法对机器学习中的数据提取、特征构建、算法选择、模型训练与诊断等进行联合优化，进而影响效率和性能。
显然，如果要在上述两门课中实现真正的跨学科教育，就一定要有让双方学生突破学科界限的学习活动。比如设计专业学生应完成原型的制作与迭代，信息学科学生应完成产品的需求设计，双方共同完成外观设计等。而在交通基础设施健康监测课程中，土木学生应理解软硬件系统的工作原理，信息学生要理解土木的分析模型，双方共同设计系统架构和解决方案。
因此，我们认为，经过跨学科教育，所有学科学生都应能理解系统整体框架，包括各模块作用、输入输出、模块间关联；同时能够理解并充分发挥本学科在整个系统中的作用与优势；进一步，能够熟识其它学科，与其它学科的人用对方学科语言进行交流与合作；最重要的是，能够理解不同学科间的耦合关系，并基于这种理解，改进优化解决方案。