工业革命与高等工程教育的挑战

工业革命与高等工程教育的挑战

王帅 1 周开发 2

重庆交通职业学院，智能制造与汽车学院，重庆， 402247 重庆交通大学，土木工程学院，重庆， 400074

摘要：工业4.0需要工程教育4.0。任何一次工业革命不但会促进工业生产力和社会经济大发展，也会促进教育大变革，特别是工程教育的发展。工业革命需要新型工科人才，工程教育改革促进工业革命发展。新工业革命将极大地改变人们的工作和技能，实施工业4.0需要卓越的工程师和教育家。因此，我们必须探讨如何基于核心能力和有效利用深度学习，来构建新工科人才培养模式，为工科学生应对新工业革命的挑战做好准备。

关键词：工业革命；工程教育；发展

一、工业革命与高等工程教育的变革

每个时代都有相应的教育体系，以解决其需求。在19世纪，教育发生根本性转变的趋动力是，以家庭为中心的生产模式转向工厂制造与产业组织模式。此时，家庭、工作场所、社区生活在教育系统中失去了其早期的许多功能。学校变成了教育的中心机构，工业时代成了学校时代。当前，第四次工业革命又一次改变着教育体制。

在前工业社会，家庭是教育的中心点，孩子们知晓几乎所有的生产活动，并自觉参与其中。每个人都知道生产系统为什么运作和如何工作，以及每个参与者都在做什么。但是，进入工业革命时代，基于工厂生产的扩张意味着教育机会的巨大变迁。

与这个开放的家庭生产系统相反，工业生产系统创造出复杂的劳动分工。此时，家庭失去了提供职业教育的能力；专业化的学习地点必须被建立起来。加速的城镇化和迁移，受到工厂作为工作和收入中心的作用的驱动，也产生前所未有的社会多样性。在城市中，广泛多样的社会群体混合成一个共同的社会经济系统。将有用的学习从老一代传递到年轻一代变得日益艰难，并成为一个社会性问题。

在工业时代，工厂的生产模式对教育产生了新的要求。首先，工人与机械的有效结合，需要时钟、准时和紧密的协调。第二，将生产活动拼接到专业化任务之中，需要分级控制和服从。第三，工厂工人必须接受这样的事实，即生产任务的动机和意义越来越未知。第四，特别是在科学管理方法引入工业之后，工人们必须能够阅读和书写明确了工作流程和标准的文件。第五，无论是大人和小孩，他们都推动一些工厂业主设立学校，以改善他们工人的生活条件和生存率，以及他们工厂的生产力，而不是早期工厂工人的悲惨生活条件所致。

直到20世纪初期，生产劳动和个人发展之间的联系变得日益松散。在工厂中，人们的工作也消耗了大量的时间，工作通常缺乏内在的意义与动机。因此，正式教育也需要弥补这一工作中个人发展机会的下降趋势，学校教育成为一种义务，为社会提供了一个越来越重要的基础。反过来，学校教育越来越多地围绕专业化的位置和机构被组织起来，同时，家庭、社区、工作场所和教会失去了教育的能力。因此，工业时代成了学校时代。

二、工业4.0对高等工程教育的挑战

1．工业4.0时代工程发展新趋势

随着科学技术的不断创新与快速发展，工程领域也呈现出不断的发展变化趋势，以满足消费者、全球市场和政府的需求。与前三次工业革命一样，第四次工业革命正改变着人们的生活和工作方式，影响着高等工程教育系统的演变和人才培养。未来十年，工程发展将呈现如下一些新趋势，它们将影响产品和结构的设计、制造与服务。

（1）可持续发展。资源减少和能源消耗的问题日益明显，而且减少碳排放问题已成为一个突出的政治议题。工程领域更加敏锐地意识到可持续发展与实践的必要性。因此，工程领域的创新需求将持续上升，以确保技术和产品更具可持续性。

（2）计算能力。近年来，微型化带来传统计算能力的巨大增长。几十年前需数月才能完成的工程计算，现在几乎可以立即完成。自主学习计算方法使简单工程任务实现自动化，从而帮助工程师完成更复杂的工程任务，并提供更高价值的服务。尖端新技术工具和跨学科合作，可提升个人和团队解决复杂难题的能力。

（3）大数据。随着计算能力的提高，收集和评估大量数据的能力，使研究者能够发现和分析新的数据模式。数据科学作为一种跨学科领域的科学方法，已被称为科学研究的“第四范式”^[1]。借助数据挖掘、数据分析和相关方法，研究人员能够探讨以前难以应对的科学领域。

（4）互联网与物联网。互联网使研究人员间可以实时交流，世界各地的研究小组可以分享想法和解决方案。通过智能感知、传感器设备、识别技术与普适计算等通信感知技术，物联网平台在任何物品与物品之间建立起超级链接，促进信息交换和通信。

（5）纳米技术和3D打印材料。纳米技术是一门跨学科的工程领域，它有可能为工业制造所面临的复杂问题提供解决方案，并用来提高产品效率和测试环境污染。3D打印与大量先进材料，如镍合金、碳纤维、玻璃、导电油墨、电子、制药和生物材料，其实际应用已扩展到航空航天、医疗、汽车、能源和军事等领域。

（6）跨学科合作。21世纪的科学和工程中，传统学科的界限已经变得模糊

^[2]。现代工程问题涉及到技术、经济、社会、文化和政治等，这要求不同学科协同合作，贡献集体的智力、创造力和精力来解决这些复杂的问题。跨学科合作能汇集不同的观点和知识，创造性解决复杂的现实问题。目前，在许多实验室研究、跨学科课程和学位项目中都有不同工程和学科领域之间广泛合作的趋势。

三、高等工程教育的新挑战

（1）生产服务模式的转换

在工业4.0时代，传统的生产和产业组织模式不会消失。在这些行业中，竞争力可以基于自然垄断或特权访问自然资源，旧的生产模式将几乎没有改变的需要。但是，在大多数行业中，产业模式正在迅速变化。生产现在发生在全球网络和生态系统中，此时，对于成本优势和市场扩张而言，创新是一个关键的驱动因素。

目前，产业模式的转变是由三大因素所驱动的。第一，与半个世纪前相比，现在的生产更为模块化了。这种模块化设计更便于将产品和服务要素快速结合起来，但是，它也需要高效的全球生产网络管理。在此，信息和通信系统显然有一个关键的支持作用。第二，信息系统使全球化的本质上新形式成为可能，此处，生产发生在全局网络之中。第三，鉴于在工业时代，生产规模往往足以维持盈利，而现在，成本优势和增长几乎总是基于不断创新。在这样一个世界中，不存在可持续的竞争优势。

（2）涌现新兴价值生产模式

向知识社会的转型不仅意味着生产历史模型的转变。更重要的是，它还引入了一个全新的价值创造模型。事实上，这是很有道理的，作为一个不同于过去的时代，这样谈论知识社会合情合理。知识社会不仅是工业社会的一次修正，具有补充的信息和知识，并在经济和日常生活中发挥着越来越重要的作用。它也从根本上产生了新的价值生产方式。在这种新模式中，核心组织原则不是工厂和生产量的扩大，而是价值。

这种新兴的价值创造模式在许多方面已经可见。它是以生产者和消费者之间传统界限的快速模糊，下游创新，同行生产，独特的用户生成的产品和服务等为特征。在这个模型中，价值也是在独特的背景下，“当场”创建的。它们使生产对创造者来说是有价值的。这种模式显然不定义目前的工业生产形式；相反，它是一种替代模式，对传统的生产也有着越来越明显的影响。

（3）对教育的新要求

在未来，教育的职业—经济目标，将更少地起支配作用。价值创造将要求一般社会能力和个人发展能力。目前没有看到这一点，学校将能够或被要求支持这些能力的发展。

教育改革的主导目标与目的被利益相关者所定义^[3]。相反，在当前系统的背景下，新出现的教育模式是次要的、不协调的且难以管理的。在知识社会中，工业界与教育机构的教育利益结盟已经失去。

算法革命将导致传统职业的减少，白领雇员将跟随蓝领工人的后尘。传统职业将主要在研究、开发、创新和反思任务等方面保持重要性。以“充分就业”、“全球竞争”和“经济增长”为目标的教育政策，将日益被这样的政策所取代，这些政策关注社会和个人幸福和发展。

新兴的信息和通信基础设施，对学习具有同样深远的影响。学习是一个需要记忆、理解和意义建构的过程。它通常依赖于社会互动，并且，只有通过交流，学习的结果几乎总是能够得以认识。

这个的重要结果是，便于信息和通信网络形成学习的重要基础设施。我们将我们记忆的大部分外包给它。我们的认识将大大地依靠它。我们将用它搞懂我们自身及世界的意思。并且，显而易见，我们的交流也将依赖于它。