【预印本】谢笑珍 许璟怡：《从疏离到同构：科技革命与工程教育变革的逻辑关系研究》

基金项目：全国教育科学规划课题国家社科一般课题“高等工程教育模式的嬗变与创新”（BIA180216）；广州市社科规划项目“广州打造国际科技成果转移转化中心研究”（2022GZGJ132）

作者简介：谢笑珍，华南理工大学高等教育研究院研究员；许璟怡，华南理工大学公共管理学院硕士研究生。

党二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑^[1]，教育、科技和人才“三位一体”统筹部署和融合发展，推进科教兴国和科教融合，打造集成创新的国家创新体系，驱动创新型国家强国建设。

教育、人才与科技的重合起始于19世纪德国洪堡的现代大学模式——教学与科研统一，推行实验室制度。科技与工程教育结合则始于20世纪30年代，卡尔.泰勒.康普顿开启的麻省理工学院（MIT）向新型研究型大学转型——理工融合，“教育（以科技为核心的人才培养）、创新研究（聚焦于可转化的前沿科技）、社会服务（聚焦于科技成果转化）”一体化。科技与工程教育结合，科技为自身发展拓展了新的出路；而工程引入科技原理，快速提升其有效性。MIT也一跃而成为全球理工教育的最高典范。

时至今日，科技革命是驱动工程教育变革的关键驱动力之一，研究科技革命与工程教育变革二者之间的逻辑关系，无疑是亟需研究的现实课题。本文梳理历次科技革命与工程教育变革的历史脉络，探讨历次科技变革产生的突破性理论和技术，如何深刻影响工程教育各方面的变革；而工程教育通过历次转型，如何回应-顺应科技变革而赋能科技革命，在此基础上构建科技革命和工程教育变革的理论模型，探索在新一轮科技革命背景下工程教育应如何变革，形成科技变革与工程教育之间的新型逻辑关系，支撑中国经济高质量发展。

一、工程教育的四次重大转型

从工程教育演进的历史脉络来看，至今为止，工程教育经历四次重大转型，演进为五大范式：学徒制、技术范式、科学范式、大工程范式，以及正在进行的新工科范式（NEET范式）。

1.从学徒制演进为工程技术范式

工程教育起源于古代学徒制，在第一次产业技术革命时期，学徒式的工程教育范式发展成为各种类型的职业技术学校的教育模式，形成早期的工程技术范式。从18世纪中叶开始直至20世纪50年代，工程技术范式成为工程教育的主要范式。

2.从工程技术范式演进为工程科学范式

20世纪50年代开始，新的科技革命时代到来，科学技术作为独立的生产力要素，其作用空前提高，科学教育应该摆在工程教育的首位，工程教育开始向工程科学方向转变，“工程科学”范式成为全球工程教育主要范式之一，大大提高了工程活动的有效性和创新性。

3.从工程科学范式演进为大工程范式

20世纪80年代以后，为扭转工程教育体系“过度工程科学”化发展趋势，美国工程教育界、工业界等率先倡导“回归工程运动”，重新思考工程理论和工程实践之间的关系，从一个更加宽阔的视角审视工程教育，强调现代工程教育对各类核心要素的整合集成，以此重构工程教育体系，发展新的工程教育范式。以MIT为首的高校对工程教育开展一系列理论研究与教学实践改革探索，催生大工程范式。

4.从大工程范式演进为新工科范式

进入21世纪之后，全球工程教育面向未来持续演进，开始从工程教育新转型，即新工科运动。目的是重新思考工程教育理念和开发工程教育新方法，培养面向智能化时代的新工程师。

二、科技革命演进的历史脉络

科技革命是科学和技术领域发生的根本性变革，由新的科学理论或新技术推动，并直接引发产业技术变革。根据科技革命产生的突破性的理论、代表性的新技术与新机器系统，整合科技革命的相关理论，全球共产生六次科技革命（见表1）。^[2,3]

表 1  历次科技革命产生的突破性科学理论与技术

六次科技变革产生突破性理论、及新技术和新机器系统，深刻影响工程教育人才培养模式、专业设置、课程、教学方法等方面，工程教育范式随之转型。

三、科技革命与工程教育变革的互动关系分析

科技革命产生各种新理论和新技术的突破，引发工程教育变革；而工程教育通过培养新型工程人才、生产新思想和新理论，赋能科技变革。

1.科技革命引发工程教育变革

第一次和第二次科技革命中涌现了飞梭、珍妮纺纱机、蒸汽机等新技术，开启机械革命时代。这时期科学与技术分离，新技术更多是基于工匠们的经验性知识积累而非新的科学理论。这种较低水平的科技革命实际上并不能直接推动和影响工程教育变革，两者的关系较为疏远。科技革命更多是解放生产力，大规模机器生产引发对技术工人需求量激增，推动工程教育从个性化培养的传统学徒制向院校化工程教育的第一次重大转型，现代工程教育随之兴起。

第三次产业革命中，法拉第提出电磁感应理论，为开发电力技术提供了关键的理论支撑，电力技术直接敲开了电气时代的大门。电力技术广泛应用推动电气化制造产业蓬勃发展，进一步催生了社会对掌握机械操作方法和基本工作原理的电气工程师的大量需求，急需推进电气化学科与专业的发展，工程教育的专业设置和专业课程教学内容随之变革，许多大学增设与电力技术相关的新专业，电气专业逐渐发展成为主要的学科专业，如哥伦比亚大学、康奈尔大学、施罗普理工学院（加州理工学院前身）以及麻省理工学院等院校纷纷开设电气工程专业培养电气工程师。此外，顺应汽车、飞机和石油大量运用的需求，设有航空、农业、建筑、汽车、冶金、磨矿、采矿、化学工程、蒸汽等专业，通过各种涉及具体技术应用的课程培养工程师实践能力。^[4] 以麻省理工学院的电气工程系为例，该系以工程电子学为核心课程，学生除了需要学习有关电学和磁学的理论知识，还要通过实践选修课掌握电机设计、无线电通信、蓄电池的工作原理和相应技术。这些课程代表了当时电学和电气技术的核心内容。因此，第三次科技革命时期的工程教育为学生提供理论和实践相结合的课程，培养熟练掌握某项技术的技能型工程师，支撑美国石油、机械和电气等产业的发展。

20世纪40年代，战争推动了技术进步，催生第四次科技变革。这时期相对论、量子力学、黑洞理论等现代物理学理论大爆发推动着科学体系成熟和完善；热电子效应、光生电动势效应以及阴极射线的发现与应用推动雷达、微波、导航系统、电子计算机等高精度电子技术的出现；航空航天和机械领域高速空气动力学和燃气涡轮发动机等方面的研究也逐步深入，这些新技术的产出不断丰富和完善工程科学体系，并由此而引发对这些领域的大量人才需求。

鉴于在第四次科技革命中发挥首要作用的是科学家而不是技能型工程师，工程师创新素养的不足使得工程教育亟需转型。美国工程教育协会（ASEE）发布《哈蒙德报告》，提出新知识、新技术和新领域迫切需要在学生的课程中得到足够的重视和体现，工程培训需要增加更多的科学基础知识。^[5] 在《哈蒙德报告》及《Grinter报告》等文件的指导下，工程教育向科学范式转型，开设新的学科专业，同时彻底变革工程课程结构和课程内容，随之引发全球范围内的工程科学范式转型。

第四次科技革命同样引发工程教育的专业变革。如麻省理工学院着眼于第四次科技革命中核物理领域取得的重大突破成立核研究实验室、开设核工程系，并在原有的电气工程系下新设电气科学与工程、及计算机科学专业；康奈尔大学同期新设原子物理学专业。这些新专业更加强调学生对科学理论的掌握。

新知识的快速积累和技术进步推进工程课程更新速度，空气动力学、原子物理学等领域的重大突破性新理论被吸纳到课程中，将数学、物理和化学科学基础置于主导地位，机械加工、测量和工程设计等工程实践课程被大大压缩，退居次要地位^[6]，强调培养具有严谨科学理论基础和研究能力的科学家型工程师。

第五次科技革命以现代物理学为理论基础，并糅合了半导体材料学、信息学、电磁学、统计学、数学等多个学科的信息技术，及以基因工程为代表的生物医学技术迅猛发展，推动现代信息产业技术、生物医学产业技术蓬勃发展，并发展为支柱性产业。

第五次科技革命的典型特征是科技进步需要综合运用多学科理论解决复杂的系统性工程问题，引发大量新的跨学科专业产生。如2000年美国教育部更新了学科专业目录（CIP），公布了新设的交叉学科，包括：会计与计算机科学，涵盖社会科学、生物医学多领域的行为科学，涵盖生物医学和食品科学的营养科学，神经科学，认知科学等等。^[7] 在课程方面，第五次科技革命中技术迭代要求课程资源具有前瞻性、前沿性和时效性，例如欧琳工学院要求所有课程资源设置有效期，并根据工程技术和实践的变化及时更新课程资源。^[8] 在培养目标和育人模式上，工程问题不仅仅是纯技术问题，为了应对日益复杂工程环境，回应信息产业和服务业对劳动力的工程实践能力以及信息技术素养、社会责任感和工程伦理、团队合作与沟通能力、项目管理等软技能的新诉求，美国工程教育以“大工程”思想为指导，重塑工程教育系统，构建CDIO模式，培养学生以严格的科学和数学素养为基础的工程实践能力和人文素养。在教学手段上，得益于互联网技术和计算机技术的成熟，美国颁布《国家教育技术计划》推动工程教育数字化转型。如斯坦福大学开发了虚拟实验室技术，学生们借助互联网使用实验室，降低实验室的运行和使用成本。加州理工学院、霍普金斯大学、杜克大学等一系列顶尖高校构建网络学习平台提供线上教育等等。

第六次科技革命中，社会将进入以新一代信息科学技术为发展原动力的新知识经济时代。人工智能、大数据等新一代信息技术和生物医学技术直接刺激生物医药行业、信息技术服务业、互联网与云计算大数据服务等新型产业的发展及传统行业的转型，这对工程人才数量、结构和质量提出全新的要求，亟需培养更多能够发现和设计新智慧机器系统的新工程师，及掌握人机交互、机器学习、神经网络等在新一轮科技革命中涌现出来的先进技术以及拥有终身学习和跨学科合作与思考能力的新工程师，以满足先进制造、网络安全、人工智能等科技行业人才缺口。^[9]

人工智能等新一代信息技术深度影响工程专业和课程变革。如美国又一次更新了学科专业目录，与CIP-2000比较，CIP-2020新增了人机交互、海洋科学、基于网络生成和高性能计算的计算科学、可持续性研究等交叉学科，以回应科技变革的诉求。^[10] 麻省理工学院于2017年启动NEET项目，该项目瞄准未来技术和新产业，开设了四大跨学科的串编（Thread）项目：自主机器、数字城市、生物机器、气候与可持续发展系统，均与第六次科技革命中的前沿性关键技术密切相关，旨在人工智能、智能制造等关键领域培养可以应对未来社会发展的拥有强大分析思维、计算思维、实验思维、创造思维和人文精神的创新型工程师。跨学科、先进性和项目制是当前工程教育课程变革的主要方向，NEET为学生提供跨学科挑战项目，例如2020年的微型汽车机器人编制搜索策略以用传感器检测网格上放置的球体^[11]，学生围绕项目主题开展创新设计，在这个过程中不断接触来自不同领域的新知识和新技术。在教学手段上，AI、VR等技术持续深化教育数字化转型，帮助学生批判性地使用AI，培养学生的数字素养。

2.科技革命引发工程教育变革的路径

溯源科技革命影响工程教育变革的历程，可以发现：科技革命主要通过两条路径引发工程教育变革。

第一，科技革命中出现的新理论和新技术植入工程教育之中，直接推动工程教育变革。

科技变革产生的新理论和新技术直接植入工程教育专业、课程和教学内容之中，引发工程教育专业、课程和教学内容变革。

第一次和第二次科技革命中的新技术和理论对工程教育的直接影响并不明显。但是从第三次科技革命开始，科学与技术紧密结合，科学理论与技术知识成为工程教育的核心教学内容，如表2所示，历次科技革命中新理论及技术迭代的新内容都会以学科、专业和课程的形式直接植入工程教育之中，革新工程教育课程体系。而技术发展推进教学手段变革，推动工程教育范式和人才培养模式的转型，如表2所示。

表 2  历次科技革命的新理论与技术突破对工程教育变革的影响

第二，科技革命引发产业变革，引发工程教育培养模式、人才结构、质量和教育方法等方面的变革。

历次科技革命中新理论和新技术的广泛运用，推动产业转型升级，引发社会对工程人才的数量、质量以及结构上需求的变革，倒逼工程教育及时调整学科专业结构、人才培养目标和人才培养模式，培养满足产业领域所需的掌握不同硬技能和软技能的工程人才。

从人才结构与数量来看，在第一次和第二次科技革命时期，规模化的工厂生产对技术工人的数量激增，推动学校形态的工程教育的产生。第三次科技革命时期，电力技术带来的机械制造、电气等行业的兴起，相关行业对工程人才的需求量增加，从而推动工程院校设立新学科专业培养专业人才。第四次科技革命后计算机等通信技术以及生物科学技术兴起，工程院校也积极调整学科布局，培养相关领域的工程人才，如表3所示，美国在通信技术、计算机科学、生物医学等专业的学位授予量在1970年后飞速发展，为相关行业科技发展提供人才支撑。

表 3  1970年至2020年美国不同专业授予学士学位数量

数据来源：根据美国国家教育统计中心公布数据整理

人才质量层面，工程人才的质量随着科技革命的演进而提升，第一次第二次科技革命要求掌握机械操作的技能型工程师，到第三第四次科技革命要求具有扎实学科理论基础的科学型工程师，从具有解决复杂工程问题实践能力的综合型工程师，再到第五第六次科技革命要求的面向未来的创新型复合型工程人才，对人才质量的诉求推动工程教育革新教学方法和培养模式，从最初的实践型教学，到理论与实践相结合的教学，从重视科学理论基础的培养模式到回归工程实践的CDIO模式，再到如今理工融合的NEET模式，不断推动工程教育质量的提升，如表4所示。

表 4  历次科技革命与工程人才数量、质量和结构的变化

3.工程教育赋能科技革命

自第三次科技革命开始，工程教育开始赋能科技革命。大学尤其是工科优势型大学是承担工程教育的场所，通过系统化培养科技创新人才、产出科技创新思想和突破型理论、研发新技术，成为科技革命的关键发源地。

第一，工程教育为科技变革提供源源不断的创新人才，成为孕育前沿科技的温床。

工程教育为科技革命源源不断提供人才。大学作为承担工程教育实体组织，在历次科技革命中直接孕育了具有划时代意义的关键性技术，产出许多重大的科技发明与发现，如表5所示。

表 5  历次科技革命中的重大理论和技术及其发明者

历次科技革命中产出了多项关键性技术和理论，通过转移转化，在对应的产业领域中起着里程碑式的作用，促推后续的研究。

表 6  1995年-2023年大学年度专利授予量

数据来源：根据美国专利商标局及各大学技术许可办公室年报公布数据整理

从1995—2023年各大学被授予的专利数量来看（如表6），作为承担工程教育大学成为孕育前沿科技的温床，几乎等同于科技前沿的代名词，在第五、第六次科技革命中，“政府—大学-企业”共创的科技创新三螺旋体系，在国家创新体系下聚焦于人工智能、生命医疗、可再生能源等重要领域，引领新一轮科技创新（如表7）。

表 7  工程教育赋能科技革命

四、科技革命与工程教育变革的动态演进模型

基于科技革命与工程教育变革的历史脉络及逻辑相关性分析，两者的关系并不是一成不变的，而是一个动态演进的状态，科技革命与工程教育变革关系经历三个阶段：从疏离到交互赋能到同构，如图1所示。

图 1  科技革命与工程教育变革的动态模型图

从横向维度来看，低水平的科技革命引发社会各领域对工程人才大量需求，推动低水平的工程教育变革。高水平的科技革命产生新理论新技术的突破，引发对高水平工程人才数量、结构和质量需求变动，推动工程教育范式、专业、课程、方法、培养目标和模式的转变，而高水平的工程教育通过为科技创新培养工程人才和直接产出重大科技成果推动科技发展，两者形成交互赋能的关系。

从纵向维度来看，随着科技革命从低水平向高水平的跃迁，工程教育随之革新到更高的水平，科技革命和工程教育之间的关系也从原来的相对疏离，逐渐转变为双向赋能的关系。

早期科技革命主要引发产业界对技工数量需求大幅增加，倒逼工程教育变革，这时期的工程教育难以影响科技革命。这是因为在第一次和第二次科技革命的时间点上，低水平的科技革命对应的是低水平的工程教育。一方面，科学体系本身不完善，技术与科学相分离，难以为工程教育整体的变革提供完善的理论基础。另一方面，工程教育处于“手册式”工程教育阶段，只能培养懂得基本操作的“即用”型技术工人满足企业生产需求，同样难以推进科技发展。

从第三次科技革命开始，科学理论日趋成熟和完善，科学理论足以指导新技术的研发，科学和技术结合，并融入到工程教育专业和教学内容中，成为工程教育变革的方向标。前沿科学理论和技术植入工程教育之中，工程教育的质量和师资水平逐渐提升，发挥其在科研与育人方面的各种优势，促推乃至引领科技革命。高水平的科技革命与工程教育的关系日益紧密并构成双向赋能螺旋式上升的关系。

从第四次科技革命开始，工程教育通过持续培养创新人才、重大科技突破、新技术研发，加速科技革命进程，成为孕育新一轮科技革命的主要场所。

从第六次科技革命发展趋势来看，工程教育与科技革命同构，共创国家创新体系。

五、结论与思考

科技革命和工程教育变革有着各自运行的轨迹和运行逻辑。但是，随着科技革命产生的重大理论与技术同步植入工程教育之中，科技革命成为驱动工程教育变革的关键力量，而工程教育革新能够有效赋能科技变革。基于国家创新体系建设的需要，科技革命和工程教育变革将走向深度同构——科教融合，形成“教育（人才培养）—科技创新研究—社会服务（科研成果转移转化）”一体化的工程科技创新模式及新工程教育范式。

科技革命驱动工程教育范式、专业结构、课程体系、教学手段、人才培养目标以及培养模式等多方面的变革，工程教育通过打造“教育—创新研究—社会服务”一体化的教育模式，直接孕育科技革命。面对以生物技术、人工智能、大数据等新一代信息技术为主要领域的第六次科技革命，亟需不断推进科教融合发展，确保工程教育持续变革，支撑和引领科技变革。

1.高水平的工程教育才能支撑和引领第六次科技革命，需加速建设完善新工科范式。

2.科技与工程走向融合，乃至同构，既是科技革命发展的诉求，也是工程提升其有效性的必然选择，亟需构建“教育（人才培养）—创新研究（科技）—社会服务”一体化的模式，确保高水平的工程教育与科技革命趋同融合发展。

3.以前瞻性和前沿性关键技术集群式突破为使命，打造集“领军型人才培养+有组织科研+有组织成果转化”于一体的国家科技创新体系。

4.针对科技革命的关键领域及前沿领域，增设、调整、优化工科专业布局。

工程教育必须顺应科技革命需求及未来科技变革趋势，以科技革命的前沿性和关键性领域作为工程教育变革方向，在传承基础上，调整和优化学科专业布局，增设契合新科技革命发展趋势的新学科和新专业。

5.变革工程教育治理机制，工程教育保持灵活性和开放性，确保科技革命的内容能够及时植入工程教育之中，确保工程教育的前沿性、前瞻性和时效性。

6.开发新的工程教育方法，促推科教融合，形成新的工程科技创新体系。

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责任编辑：黄小青‍

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