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李培根:《未來工程教育的幾個重要視點》
2019-03-21 16:40   高等工程教育研究   (點擊: )

李培根,中國工程院院士,華中科技大學原校長。

摘 要:本文指出,需要從新的視點去觀察、思考未來工程教育。文中強調,“問題視野”比“知識視野”更加重要。對未來多數工程學科都會產生重大影響的某些技術發展趨勢(如互聯、人機智能等)應該成為各工程學科教育改革共同的關注點。未來工程教育需要因應由于科技發展而致的某些邏輯或理念變化而進行改革。文中探討了如何從人的視點去思考工程教育改革,如創新者內心世界的培育、工程與技術倫理、人機智能時代人的作用等。關于人與工具的邊界問題,文中提出“形式工具”與“本質工具”的概念。

關鍵詞:工程教育 教育改革 問題視野 人機智能時代 工程倫理 新工科 人

在工程教育界,尤其是中國的工程教育界,如果以一個字表達人們的關注點,非“新”莫屬。科學和技術不斷發展,工程教育理所當然地產生新的學科、新的內容乃至新的教學方法。官方推出“新工科”計劃,各學校紛紛響應,制定規劃,勾畫藍圖。一大批新的設想層出不窮,可謂爭“新”斗艷。

盡管這些努力都是有意義的、值得稱道的,但還有更值得我們進一步深入思考的問題。如果我們把工程教育比喻成教育的一個山脈,它由眾多工科專業的群山形成,那么它的高峰是什么樣子?只有在更高處而且從不同的視角去觀察方能有利于攀爬工程教育的高峰。

新工業革命正在到來,新能源、新材料、大數據、人工智能、物聯網、智能機器人、增材制造(3D打印)等新技術開始進入工業應用乃至人們的生活。工科專業教師自然需要把自身專業的新技術融入到課程體系、課程內容的改革。但如果只是簡單地就技術論技術,通過增加新課程或在課程中增加新技術的內容,恐怕還未悟到未來工程教育改革的真諦。如何使學生從單純的技術發展上升到更高的層次,進而領悟新工業革命的影響?如何從更深的層次體會技術在工業和社會中的走向?未來技術融合而致的大趨勢、人類社會存在的重大問題對技術的挑戰、新技術應用場景中人的作用和地位是什么?這些都是未來卓越的工程師及技術人才需要關注和思考的,自然也是今后工程教育改革中需要特別重視的問題。

本文分別從問題、趨勢、邏輯和人的視點去看未來工程教育改革。

一、問題視點

于一個優秀的工程師或工程技術研究者而言,“問題視野”比“知識視野”更重要。中國教育中存在的一個普遍問題,便是重知識、輕問題。教師多看重知識的完整性、系統性,而不注重引導學生聯系“問題”,不注重拓寬學生的問題視野。如此方式培養出來的學生不僅難以具備解決重大或復雜工程問題的能力,而且也難以在關乎人的生活質量之“小問題”上取得原始創新。

二十一世紀工程與技術本身面臨很多重大挑戰,如能源、環境、氣候變化、健康、航天等等。切莫以為某一重大問題只是與其緊密相關的學科有關,其實每一個重大問題都可能與多數工程專業有關。如能源、衛生健康問題都分別與機械、材料、電子、控制、計算機等諸多專業相關。因此,專業教材和課堂講授中理應加強相關知識與重大問題的關聯,以有利于學生拓寬問題視野。

缺乏對社會問題的關注,恐怕也是今后工程教育需要正視的問題。社會中存在的很多問題,如貧窮、清潔水資源、老年社會等一系列問題的解決至少部分依賴工程技術。這些不僅是技術問題,也是工程專業學生應有的情懷。

問題視野還應該涉及到對人的日常生活、生存質量之“小問題”的細微關注。這種細微關注其實也是創新之源。以馬桶蓋為例,這一產品尚未問世之前,人們根本不知道有此需求。如果缺乏對日常生活中人的生存質量的細微關注,就根本不可能想象出這種需求,也不會產生開發這種產品的欲望和沖動,更不用說獲得這種發明創造了。換句話說,對生存問題的細微關注有可能導致想象需求、創造需求,乃至產生原始創新。

總之,不管是重大工程技術面臨的挑戰、人類社會中存在的“大問題”,還是涉及人們日常生活中的“小問題”,于工程專業的學生而言,需要拓寬“問題視野”,至少應該養成關注“問題”的意識。欲達此目標,其實無需增加學時。只不過在教材中可增加若干“問題”案例,教師在課堂講授中稍加點撥,實踐環節中啟發學生自己去關聯,如此而已,何難之有?

二、 趨勢視點

本文不可能討論某一個工程專業的技術發展趨勢。卓越的工程師顯然不能局限于掌握自己所從事專業領域的一些知識,他們還需要了解技術綜合發展(即指超越于專業之外的)的大趨勢及對其相關專業或行業的影響,或者自己所從事的專業或行業對大趨勢可能的貢獻。因此,為了拓寬工科學生這方面的視野,需要從以下幾個主要視點看問題。

1. 人機智能。

物聯網、5G、大數據、虛擬/增強現實、人工智能等技術賦予機器或裝置更強的智能,越來越多的智能器件、裝置成為人的伙伴,提升人的能力。他們不僅進入工業經濟領域,也走進人的生活,世界將逐步進入人機智能時代。所謂人機智能,主要指機器與人融合,發揮各自的長處,以決策并執行對變化之環境或對象的合理或最優反應。

今天智能手機已經如影隨形,它不僅可以成為工作中的幫手,也可以成為生活消遣的伙伴;手表已不只是計時的裝置,它還可以是通訊、甚至承載某些健康信息的工具;汽車不再只是代步工具,也可以是辦公或娛樂場所;智慧城市、智慧樓宇……還有太多的智能產品我們今天無法意識到而只能期待未來工程師們的想象。

問題是,于工程教育而言,指望某一個現有的或新的專業去培養能夠創造諸如此類新玩意兒的人才顯然不現實。這恰恰需要諸多的工科專業致力于培養學生“人機智能”的意識和視野。如關于智慧城市的問題,機械、交通、城市建設、計算機、軟件、排水、環境……甚至某些社會學科專業的學生都應該具備“人機智能”的意識(不一定需要很深、很細節的知識),從而為智慧城市貢獻與自己專業相關的創造。

2. 生命與機器的融合。

新工業革命時期,新技術應用呈現的重要特征之一恐怕是生命與機器的融合。

生命與機器的融合首先應用在醫療與健康領域,即讓器件或裝置融入人的身體以達到診療效果。如某些MEMS(微電子機械系統)器件可進入人的身體,檢查是否存在某種病變,如進入腸道的膠囊可拍片以探測胃腸道組織情況;MEMS“機器人”進入血管疏通血栓;人工假肢完美地融合于人體使人能夠完全自如地行動……

哈佛大學的生物工程學家Charles Lieber等,打破了生物和機械之間的隔閡,他們制造出半機械版人體組織[1]。這些組織可以是神經元、心臟細胞、肌肉組織或血管組織,而制造它們的原材料竟然是納米線和晶體管。這些半機械組織都可以呈現出某些正常的生命特征。中科院沈陽自動化所微納米課題組用一種基于肌細胞亞細胞結構的細胞機械動力學模型,描述肌細胞跳動的動力學行為[2]。研究以彈簧、變阻尼和電動機等機電部件模擬心肌細胞的亞細胞結構,獲得單個心肌細胞的機械動力學模型。所有類似的努力將來都可能為人類的健康長壽帶來福音。

生命和機器的融合還表現在人們試圖賦予機器某些生命特征,類生命機器人是機器人領域的一個重要方向。人造皮膚顯然能夠使機器人看起來更像人類,情感機器人具有喜怒哀樂。加上人工智能的應用,機器人就更接近成為人的真正伙伴。

面對生命與機器融合的趨勢,很多工科專業都在尋找創新的機遇。前述的應用或研究,涉及到材料、電子、機械、控制、計算機、軟件、生物醫學工程等諸多專業。為了使學生在未來這一大趨勢中能夠有更好的作為,工科教育應該著手培養學生關于生命與機器融合的意識和視野,以便將來能夠產生一批創造性的人才。

3. 數字空間與物理空間的融合/虛擬空間與現實空間的融合。

不難理解,今天虛擬世界與現實世界、虛擬空間與現實空間的界限變得模糊了。第四次工業革命的標志是CPS(Cyber Physics System),即數字與物理世界的深度融合。融合首先表現在任何一個物理的實體都應該有一個數字映射。企業中人們開始意識到數字孿生體(Digital Twin)的意義,其作用幾乎貫穿在產品的全生命周期,主要表現在三個重要環節:產品設計、生產、運行。如GE為每一臺正在運行的航空發動機構建數字孿生模型(Digital Twin),對其服役狀態進行實時監控與仿真,從而進行故障預測與預警。數字孿生體貫穿在發動機的設計、生產、運行性能等多環節。

企業生產中很多物理過程是靠數據驅動的,在滿足個性化需求的流水線上,體現個性化的數據驅動機器相應的動作以滿足客戶特定的需求;哪怕是工人手工干的事情,也需要數據驅動。

虛擬空間與現實空間的融合也表現在對物理過程的仿真和模擬。科學與技術的進步使我們有可能從微小尺度上比較真實地模擬物理世界。如基于計算材料科學的ICME(Integrated Computational Material Engineering)不僅可用來分析某些結構的性能,也可用來模擬某些過程,如鑄造、焊接等。

虛擬空間與現實空間的融合更在于AR(增強現實)、MR(混合現實)技術的發展。現在AR技術已經開始應用于裝配、維修、操作過程培訓等等。未來的應用場景會越來越多,不僅是工業領域,還包括人們的日常生活領域。

總之,虛擬空間與現實空間的融合將彌漫于各行各業。這同樣需要在工科專業教育中增加相關的知識與案例,一方面使學生具備融合虛擬與現實空間的意識和能力,以利于解決實際生產或工程中的問題;另一方面培養學生融合虛擬與現實、數字與物理空間的想象力,這種想象力往往是原始創新之源。

4. 互聯(連)。

前述第四次工業革命的顯著標志是CPS。第二次、第三次工業革命中的自動化主要處理確定性的問題,而第四次工業革命則需要處理工業過程中、人們生活中所廣泛存在的不確定性問題,這恰恰是數字和智能時代最本質的特征。現實世界中,不管是社會系統還是工程系統,對于試圖清晰認識乃至駕馭它們的人類而言,不確定性恐怕是最大的困擾。系統中相互關聯的因素太多,到底哪些因素相互關聯?又互相影響到何種程度?幸運的是新工業革命時期發展起來的大數據、人工智能等技術為人類開啟了進一步認識和駕馭客觀世界不確定性的大門。不難理解的是,大數據、人工智能等技術得以應用的基礎和前提是萬物互聯,這也是為什么物聯網技術成為智能制造、智慧城市等很多領域的必備技術。

因此,培養學生的“互聯”意識應該成為工科專業教育改革的緊迫任務。專業教師需要思考,如何把“互聯”的思想和方法手段貫穿或融匯在教材及課堂中。

“互聯”意識說到底是系統意識。以前,工程師們開發一種設備,滿足于對設備的淺層次認識,即通過零部件和/或軟件特定的功能組合以適應用戶對設備的基本功能和質量的需求。其中部件或零件相互之間的關聯基本上是顯性的。至于在產品運行的整個生命周期中部件或零件對設備運行性能、故障發生規律、加工質量等問題的隱性影響因素,受限于對整個系統的認識,只能被忽略。現在,人們可通過在機器的很多部位裝傳感器,獲得大數據,進行大數據分析,甚至深度學習,從而獲得對系統更深刻的認識和有效的控制。

人們還可以從更大的系統去看互聯。如田野上不同類型的農業機械組成的系統,他們之間需要數據的連接及交換。以前制造拖拉機的廠家只考慮拖拉機本身的功能,現在得考慮拖拉機和其它類型農業機械(如收割機等)之間的連接,以便在田野中工作的各種農業機械都處于最佳配置及最優工作狀態。

總而言之,一個工程或產品系統的合理或最優的運行,其各個部分(某一設備也可能是其中一部分)之間的互聯是基礎。基于此獲得的大數據及其分析,方可能對不確定性有更深的認識,從而使產品或系統達到更高的性能。設計開發一種新的產品,有時候需要跨界地考慮和其它不同類型產品之間的某種信息連接。如關于汽車的設計,需要考慮其與智慧城市、娛樂、生活等諸多信息的連接。

互聯意識和素養當然需要在學生階段就開始培育,也就是說,教師需要在教材、課堂教學、實踐環節的指導中穿插相關的內容。

三、 邏輯視點

新技術發展一方面導致技術本身細微的邏輯變化,另一方面引發教育中某些邏輯的變化。

增材制造(3D打印)技術的發展使得設計理念產生些許變化。如過去設計一個結構,首先考慮的問題是在滿足基本功能的前提下如何能夠最容易被制造出來,這里的邏輯是“實現性優先”。而有了增材制造技術之后,基本不受零件結構的限制。尤其在某些重要的場合,工程師們可首先從如何最優地滿足功能的視角考慮問題,此乃“功能性優先”的邏輯。

以前,人們設計機器、裝置或者軟件系統,皆視其為人的工具。未來,或許現在已經開始,事情正悄悄地起變化。如應用AR技術于裝配、維修等場景的人機智能系統,工人一步一步的操作均在智能系統的指揮下。此情此景之下,誰是誰的工具?人和工具的邊界在哪里?是否存在理念或邏輯的變化?本來機器是人的工具,但是形式上人卻成了機器的工具或者智能系統的工具,人和工具的邊界在哪里?上述情況中,工人愿意成為智能系統的“工具”,因為操作更方便了。所以從人的角度看,此情此景下的智能系統本質上還是還原成提升人的能力的一個工具。一個很嚴肅的問題是,未來會不會出現一種情況:人機系統中的人無法有“能力提升”的感覺,反而是受智能系統役使的感覺?如果是這種情況,顯然非人所愿,當然也不應該為人機系統設計者所為。前一種情形,智能系統還原成提升人的能力的工具,如果說人看起來像“工具”的話,我們不妨稱之為“形式工具”。后一種情形的人機系統中,如果人真正地被智能系統所役使,人似乎就成了“本質工具”。因此,人和工具的邊界在哪里?我們在什么程度下能夠容忍人作為系統里的一個“工具”?簡單的回答似乎是,我們能容忍“形式工具”,要避免“本質工具”,這是工程教育今后要面對的問題。

類似的因為技術發展而致的細微邏輯或理念變化,在不同的專業中自然有不同的內容或形式。專業教師們需要認真審視類似情況,而且要把相關內容及時補充到專業教學中。

新技術的發展,尤其是網絡技術的發展,使得知識的邏輯在悄悄變化。知識的存在邏輯在變化:知識不僅存在于老師那里、存在于書本中,還存在于網絡中,也存在于人工智能系統中(如AlphaGo中就存在新的、原先棋手們未意識到的圍棋知識),甚至存在于看似垃圾的數據里(大數據中可能潛藏著人們完全未意識到的關聯或知識);知識的傳遞邏輯在變化:跨越時空界限,網絡中知識傳遞呈現碎片化、去中心化等特征。

知識的存在和傳遞邏輯的變化,應該促使教師們改變傳統的教學內容和形式。對于那些很容易在網絡中查閱到而且不難理解的知識,課堂中盡量少講,甚至不講。教師應該更看重知識的節點,而且要引導學生善于在知識節點之間建立關聯(網絡就是最好的關聯手段)。教師應該摒棄“以教師為中心”的教育模式,如何利用學生的“群體智能”和自學習能力,使學生掌握的知識更“完整”、更“系統”,使學生的“問題視野”更開闊,這些都是需要教師在教學實踐中進一步探索的問題。

值得注意的是,近些年來創新的邏輯在悄悄變化,創新的理念越來越開放。現在發達國家中已經相當流行的“開源”就是很好的創新文化,而“開源”在中國尚未真正流行。海爾的研發創新模式,以前是“先有產品再找用戶”,現在則是“先有用戶再有產品”,他們利用互聯網平臺COSMOPlat將用戶的碎片化需求進行整合,用戶可以全流程參與設計[3]。此外,創新的組織與運作也有一些新的模式,如美國LocalMotors的開源造車令世界汽車行業震驚,他們沒有龐大的研發中心,沒有龐大的組裝車間,沒有龐大的營銷團隊,包括CEO在內只有10來名正式員工[4]。還有如馬斯克的SpaceX和特斯拉,都體現出創新組織與運作之邏輯變化,幾年前馬斯克就宣布開放特斯拉的所有專利技術。

可以置邏輯視點相關的內容于“工程導論”課中,當然也可以穿插于一些專業課的教學之中。這些對于培養學生的創新創業能力尤為重要。

四、 人的視點

工程與技術都是為人服務的,教育又是培養人的,因此從人的視點去看工程教育改革自是理所當然。人,首先是學生,人又是工程與技術所服務的對象,也可以是技術的使用者,還可以是工程與技術的創造者。下面分而述之。

1. 人的自由發展。

應該把人的自由發展,即學生的自由發展視為教育最重要的的目標。讓學生自由發展,也就是讓他們成為更好的自己。筆者曾專門討論過此話題[5],此處不再贅述。

2. 人機智能時代人的作用

工程教育顯然應該為進入人機智能時代而開始準備。如果“準備”只是停留在增加與智能相關的知識,那樣的工程教育不僅不能引領未來人機智能時代工程與技術的發展,甚至可能使產業誤入歧途(盲目追求智能)。

新工業革命肯定會引發職業的變化,一部分職業會消失,很多職業的形態會發生變化。自動化不再只是替代人的體力的工作,很多腦力的工作也將被取代。那么智能時代人的作用到底是什么?總不能讓眾多的人都無所事事,人也不能只是智能系統的“工具”。前述“形式工具”與“本質工具”應該成為工程技術人員分析此類問題的出發點。

在人機智能時代,人與機器共融可能是常態。人和機器發揮各自的優勢,面對不確定性的環境,協同進行最優或合理的決策。人機系統中,人反饋的某些信息使智能系統變得更聰明,另一方面智能系統或裝置也可以使人的能力大大增強(如看到通常不可能看到的東西,迅速知道通常不可能知曉的事情,快速推理……)。換言之,某些智能系統或裝置可以賦予人以“超能”,人在整個工作系統中的作用更強了,人在整個系統中處于更“自由”的狀態。

今天的工業界中,人們時常談到“匠心”的重要意義,它是工業發達、技術進步不可或缺的。那么在智能時代“匠心”的表現形式是什么?或者說“匠心”的表現形式與今天有何不同?如何讓“匠心”在未來的先進技術中生息,工程教育責任重大。今天,人們也許很難對此類問題給予清晰、圓滿的回答,但這不能成為在工程教育中對其漠然置之的理由。哪怕只是讓學生意識到這些問題是值得思考、值得討論的,那也是頗有意義的。如果學生能夠有一些哪怕是“幼稚”的思考,對于他們未來的成長可能有莫大的好處。

 

3. 創新的內心世界。

近些年來,大學普遍重視培養學生的創新創業能力,不少學校甚至成立了“創新創業學院”。在那里基于各種大賽的創新活動此起彼伏,基于市場驅動的某些小產品或某種“模式創新”令人眼花繚亂。但是,如果稍微仔細地觀察與思考,這樣的活動中似乎還缺少某種東西。轟轟烈烈的活動有余,安安靜靜的內心世界不夠。

不要把創新或創業本身作為目的,還有比創新創業更高的目的、更重要的意義,那就是人的意義。這也是為什么我們要從人的視點去看創新創業的原因。馬克斯·韋伯談到職業時言,以職業作為生活的意義,意義的重要性會漸漸喪失,甚至被工具化,這最終會導致意義的缺失,讓人放棄個人的自由[6]。創新創業何嘗不是如此。

對于工程教育者而言,一方面讓學生投身于轟轟烈烈的創新創業活動,同時更重要的是,讓學生有一個安靜的、充實的內心世界(創新創業的目的是)使人類的生存更便利、更自由。基于這種內心世界、出于此種目的的學生在進行創新創業活動時,自身也處于更自由的狀態。

需要注意的是,這不僅僅是一個道德和情懷問題,其實還關乎創新的質量。因為一個人有安靜、充實的內心世界,他可能敢于做別人不敢做的事情,他可能想別人根本不愿意去想的事情(如市場上尚不存在的需求),其興趣也會更持久,投入會更執著。這些都是高質量創新所需要的。不難想象,馬斯克如果僅僅考慮市場的驅動,他甚至沒膽量做SpaceX的事情。在這個世界上人們還不知道需要馬桶蓋的時候,僅僅瞄著市場上需要什么的人是不會去琢磨馬桶蓋的事情的。

4. 工程與技術倫理。

從人的視點看工程教育,就不能不關注工程與技術的倫理問題。

法國哲學家加斯東.巴歇拉爾曾說,征服多余的比征服必需的能給予我們更大的精神刺激,因為人類是欲望的產物而不是需求的產物[7]。這種欲望使人類不斷地創造出“超世界存在”(世界上本來沒有的存在)。毫無疑問,幾千年來人類不斷創造出的“超世界存在”使人類社會更文明、更進步。今天,人類對客觀世界、對自身的認識能力進入一個全新的時代,越來越多的人對諸如生命密碼之類的問題充滿了好奇。部分人不再把技術僅僅視為手段,技術本身似乎成為目的。如同漢斯·約那斯所言,“現代人更多地考慮技術上能否做到,面對技術說‘不’的能力和智慧已經蕩然無存了。”[8]另一方面,人類潛藏的貪婪、自私本性所致的趨利動機使少數科技人員無所顧忌。如,利用基因編輯技術進行定制的嬰兒居然已經問世。

工程教育要面向未來,絕不僅僅是培養學生創造和應用新技術的能力,而且要讓學生能夠辨別可能導致人類失控的某些技術應用。因此,工程教育改革中一定要增加關于工程與技術倫理方面的內容。

五、結語

工程教育改革需要特別關注那些對多數工程學科產生廣泛影響的大趨勢,如人機智能、互聯、生命和機器的融合等。因科技發展而致的某些邏輯或理念的改變需要引起教學內容及方法的改變。

要分別從學生、工程與技術之服務對象、技術使用者、工程與技術創造者的視點去審視工程教育改革。其中人在智能系統中的作用、工程與技術倫理等是未來工程教育不可忽視的問題。

 

參考文獻 

[1]S ANTHONY. Harvard creates cyborg flesh that’s half man half machine[J].ExtremeTech,August 29,2012.

[2]沈陽自動化所.沈陽自動化所類生命機器人研究獲進展[EB].中國科學院網,2018-01-11.

[3]海爾.工業大規模定制白皮書[R].2017.

[4]e-works.開源造車,這家美國公司把前沿技術和眾包理念玩出新高度![EB].數字化企業,2018-05-05.

[5]李培根.從人的意義上理解教育[M]//認識大學.商務出版社,2015.

[6]馬克斯·韋伯.新教倫理與資本主義精神[M]. 閻克文,譯.上海人民出版社,2010.

[7]喬治·巴薩拉.技術發展簡史[M].周光發,譯.復旦大學出版社,2000:15.

[8]張旭.技術時代的責任倫理學:論漢斯·約那斯[J].中國人民大學學報,2003(2):66-71.


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