从土木工程领域看 21 世纪的工程教育 上海交通大学 土木工程系 刘西拉 从 1957 年我进入土木工程系大学本科学习到现在差不多在土木工程领域里生活了近半个世纪，其中有 13 年在西南大三线搞工程，其他的时间一直在学校里度过。幸运的是直到现在还在教学、科研的第一线工作。1987 年以来，我一直负责着国家的重大科学基金项目、国家攀登项目，2003 年又参加了国家 973 课题，受聘为项目专家组专家，并作为一级课题负责人。在此期间，多次应邀为国家科学基金委撰写“结构工程学科”和“工程学科”发展战略研究报告；2004 年又担任中国科协“2020 年的中国工程技术发展研究”主报告的起草人。可以说，对国内外专业发展情况比较清楚。2001 年受中国科协委派出任世界工程组织联合会教育与培训工作委员会(WFEO-CET)和 2004 年又同时兼任能力建设工作委员会(WFEO-CCB)中国代表。 在此期间有机会跟世界上各个领域的工程教育专家在一起交流、 讨论、甚至争论，获得不少信息。逐渐形成了对二十一世纪的工程教育的一些看法。这些看法受到WFEO-CET委员会的认可， 并多次代表该委员会在国际会议上发言。 这些内容也很快纳入我在大学讲授的“土木工程概论”中，很受学生的欢迎。本文的主要观点曾多次在国内外的会议和刊物中发表过【13】，本篇主要是从土木工程领域的角度来说明这些观点。 一、关于工程教育和土木工程教育 一、关于工程教育和土木工程教育 所谓工程教育，就是针对未来和现在的工程技术人员进行的教育。首先，应该把科学家和工程师区别一下。因为现在无论在国际还是国内，都习惯于把科学家和工程师混为一谈，认为他们都是搞科学技术的，不是科学家就是工程师。其实两者之间有一些重要的区别，很值得辨析。 第一，科学家受到的主要约束是自然规律。工程师的工作就不仅要受到自然规律约束，还要受到社会规律约束。首先，如果工程师所处的社会不发达，要想搞一些新的产品，也许社会本身就没有那个需要，或者是技术水平到不了，做不出来。第二，按照传统的说法，科学家的作用是“认识自然” ，工程师的作用就是“改造自然” ，当然“改造自然”的提法现在不能讲了， “改造”多了，自然就要“反击”和“报复” ，所以现在应当讲“天人合一” ，讲“与自然协调地发展人类社会” ，或者说， “在符合自然条件限制的情况下，发展人类社会” 。 “工程”里面有很多的领域，也不完全一样（见图 1） ： 连续性 土木工程 机械工程 化学工程 图 1 不同的工程领域 图 1 中的轴是连续性轴，轴的一端是化学工程，它的生产线比较像连续生产线；但机械工程领域就不一样，它是离散生产线，它的产品是按个数计算，要优化都是按整数优化的。1连续性轴的另一端，离散性更大，这就是土木工程。土木工程几乎不是一个生产线，而是一个工程一个样， 在世界上很难找到两个土木工程是完全一样的。 所以不同的工程领域性质也不完全一样，但是不管是什么工程，都有两个共同的特点：一是需要有经验的积累，工程当中有很多问题，不是完全靠数理化那点公式就能解决的，很多地方还需要经验，需要综合判断。如果去问一个有经验的工程师，你这一辈子有多少问题是真正靠计算解决的，我想，至少对土木工程师来讲，靠计算来解决的仅仅是很小的一部分，大部分都得靠经验，靠综合分析和判断。所以工程是有“个性”的。工程还有一个特点，就是需要综合，需要不同领域的结合， 没有一项工程单靠某一个领域就可以全部完成， 一定会涉及到其他领域。 所以 “个性”和“综合性”是工程领域的特点应该说，在土木工程中这两个特点更为突出。 现在大家都在谈创造性，我想，创造性对工程师和科学家也应有所不同。科学家的创造性主要表现为原创性（Original work） ，如果某位科学家第一个发现一条规律，那么，第二个人的相同发现，其作用就等于零。因此，对于科学家来说，原创性非常重要。而对于工程师来说，有原创性当然很好，但更多工作是体现在对已有工程技术的创新和革新。此外，工程师也可以集成，把各个领域比较好的东西集成起来，解决某一个问题；也可以移植，比如把信息领域、计算机领域的先进技术引到土木工程里面来，可见移植本身也有它的创造性。还有一些工程师能够把过去的一些经验完美地表达出来， 甚至编成规范、 规程和指南供大家使用，这也能反映他们的创造性。但不管是原创、集成、还是移植表达，最后都必须落实到应用，如果工程不能应用，那就毫无价值。 近代工程师的概念始于 18 世纪末（表 1） 。从瓦特发明蒸汽机开始，工程师的概念的发展迄今已经历了五代，这是在 2000 年华沙世界工程教育大会上大家比较认可的划分。 表表 1 五代工程师的划分五代工程师的划分 持 续 时 间 特 点 第 1 代 18 世纪末19 世纪中 多才多艺 第 2 代 19 世纪中20 世纪初 专业化 第 3 代 20 世纪初20 世纪中 非常专业化 第 4 代 20 世纪中20 世纪 70 年代 部分专业化和部分系统化 第 5 代 20 世纪 70 年代20 世纪末 杂交 第一代工程师是从 18 世纪末到 19 世纪中， 其特点是多才多艺， 比如瓦特发明的蒸汽机是算出来的还是造出来的？他能不能修？我看，他能算能造也能修，什么都能干。但是，随着技术的发展，工程领域开始专业化了，出现了第二代工程师，但是他们的专业分工还是比较粗的。早先，土木工程的原意就是民用工程（Civil Engineering）, 民用工程还包括传统的机械、化工等等领域，但现在的 Civil Engineering 只是关系到基本建设。从 20 世纪初到 20世纪中，整个工程技术发展到非常专业化的程度，我们建国后“全盘学苏”正好对应于这个时期，专业可以说分得非常之细，是一种所谓第三代工程师的模式。那时在清华机械系机械制造和焊接、铸造竟然是不同的专业；在土木系里，同一个“工程结构”教研组，有的是专搞钢筋混凝土结构的，也有的是专搞钢木结构的，相互基本不联系，这就是“非常专业化” 。这种状态在计算机出现以后很快发生了变化，从 20 世纪中到 20 世纪 70 年代，出现了第四2代工程师，其特点是一部分人开始研究系统，不仅是搞非常细节的分析，而且开始强调系统把握。其主要原因就是借助计算机，大大提高了工程师的工作和研究层次，扩大了他们的工作、生产、思考的范围。从 20 世纪 70 年代到 20 世纪末，一般认为是第五代工程师活跃的时期，此时工程师的领域之间就会出现杂交，或者说杂交是五代工程师的特点。 工程师的概念在逐代演变发展， 我们的工程教育有没有随之相应地发展？比如说， 我们是否认识到， 我们正处在结束第五代、 走向第六代工程师的时代？是否意识到我们许多人的工程教育理念还停留在第三代工程师、即“非常专业化”的时代？ 按照国际上通行的说法，21 世纪是第六代工程师的时代，这个时代的特点有：一是科技迅速发展；二是信息全球化。这两个特点的基础还是计算机技术的发展。在此背景下，我们的整个教学理念，我们的工程教育思想是否也应跟着变化？需要认真思考。 21 世纪的工程师需要什么样的知识技能，这个问题关系到学校今后应该教什么，事关重大，答案也因人而异。从事工程教育的学者强调 21 世纪应重在基础教育，专业痕迹应尽量淡化。行政官员若需要一些工学院毕业的学生从事与工程有关的行政工作，就可能认为21 世纪的工程师最重要的素质应当是灵活，能适应各个方面的需要。老一代工程师也许希望新工程师在 21 世纪不仅有传统知识，还要有新的科技知识。大企业的领导人要求就更高更宽了，他们也许认为 21 世纪的工程师不但要有一般的知识，还要有系统知识，而且善于合作，善于交流，善于管理。这些要求加起来就比较全面了。至于家长，关心的当然是大学所教的知识和技能是否有助于子女顺利毕业和理想就业。工学院毕业生的答案也不是唯一的， 这些答案往往与他们毕业的时间有关。 刚毕业的学生会认为大学应加强实践知识的教育。毕业五年以后的大学生会觉得大学应该加强基础知识的教育， 基础还是最重要的。 毕业五年到十年以后，随着社会地位的提高，许多人要指挥别人做事了，会强调加强管理能力，凡此种种，各持其故，各索其需。总的说来，学生在校学习是整个人生中一小段，而大学时期又是整个学校生活的一小段， 这一小段中的一小段应该用来学什么， 国际上比较认可的选择还是应该注重“基础知识” 。任职以后可以在“专业知识”方面继续增加积累，而且终身都要不断地学习。这大概是一个比较统一的答案。在“基础知识”中，目前国际上的观点更强调的是通用基础。 二、关于工程师的知识结构与层次 二、关于工程师的知识结构与层次 在 21 世纪，工程技术人才所需要的知识结构应该具备什么样的特点？大家知道，在古代，土木工程师就是工匠，所以那时只有经验，谈不上知识结构。比如古希腊人盖神庙，柱子多粗多高， 要根据人体的宽度和高度来做； 梁的高度是试着来的， 如果塌了， 就增加一点。不断总结经验，所以那时候知识就是实践和来自实践的直接经验。到了 17 世纪，从伽利略开始， 先做梁的强度实验， 后来有了虎克定律， 这意味着那时已有了实验物理， 后来到牛顿，又有了理论物理。很长时期以来，所谓知识结构，就是实践和理论两级。这种情况一直维持到计算机技术的发展。计算机是一个发展很快的工具，如果把它的硬件发展历史统计一下，就会发现，每四到七年，大概就是一个循环，每过一个循环，其速度就增加 10 倍，重量就降低 10 倍， 体积就缩小 10 倍。 这种情况势必影响工程技术人才整个知识结构的变化。 现在，比较完整的知识结构应该包括实践(包括实验和相关的经验)、理论和计算，是一个三角形的知识结构。在这三个方面无论哪个环节比较弱，将来在竞争中就可能陷于被动，如果在这三方面都有很扎实的基础，将来就会非常主动。1987 年我在荷兰 DELFT 大学给教师演讲，讲到这个三角形的知识结构， 可以感觉到听众中的年轻教授都非常同意， 但年纪大的教授则反应平平，说明处在不同年龄段的人对知识发展和知识结构组成的感受是有差异的。 3理 论 计 算 实 践 图 2 完整的知识结构 由于计算机的出现， 这个三角形知识结构中的理论会出现一些变化， 原来相对一个成熟的理论，输入 A，可以得到一个唯一正确的结果 B；现在计算机可以帮助我们考虑到信息的不确定性，包括信息的随机性、模糊性和不完整性。也就是说，针对某种理论，我们可以输入一个大致是 A 的东西，拿到一个似乎是 B 的东西。这就是由于计算机出现所导致的“理论的软化” 。 另一方面，同样是由于计算技术的发展，很多看不见摸不着的经验，似乎又“硬化”了。比如说一些积淀在工程师脑子里面的成功“案例” ，过去是很难把它用规则的形式表达出来的，现在则有很多知识工程的方法，可以把一些成功“案例”储存起来。在结构设计中，某结构工程师曾设计过一些高层建筑，那些高层建筑都一些很重要的有相对独立价值的参数，那么就可以在空间构造一个 N 维的坐标系统，把那些过去做过的成功“案例”放到里面。如果现在有新的工程项目，就可以把它放在这个多维空间里，量出该项目和现那些成功“案例”之间的“距离” ，看看那些相关的成功“案例”是怎么决定的，从而给新的项目提供重要的参考。 “距离”越近的案例，影响越大。这种储存“案例” 、利用已知“案例”给未知项目提供依据的过程，过去是在工程师脑子里进行的，现在却可以用计算机做出来。这就出现了一个有趣的反差：理论相对软化了，而经验却相对硬化了，这不能不说是计算机的功劳，当然计算机还可以使很多的实验，变成真正的科学实验，不一定都要靠完全的足尺实验。在这方面，模拟地震作用的结构“拟动力试验”就是一个典型的成功例子。 应当指出，实践、理论和计算三者不管关系如何，在科技发展中，知识结构的三极最终还是要靠实践来带动，实践提出问题，然后理论和计算跟上去把问题解决。在土木工程当中非常典型的就是桥梁设计，过去桥梁做得非常厚，刚性非常大，稳定性高，但成本也高。后来的桥梁越做越薄，越