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前沿研究丨21世紀工程領域的重大挑戰
來源:中國工程院院刊 時間:2020-11-20 字體:[ ]

近期,中國工程院外籍院士、美國國家工程院院士C.D. Mote Jr(牟德)在中國工程院院刊《Engineering》撰文指出,工程的基本使命是為用戶進行創造,20世紀是一個工程成就非凡的時期,而21世紀是工程創新和技術變革加速的世紀。文章回顧了20世紀工程領域中取得的20項標志性重大成就,闡述了21世紀工程領域重大挑戰的愿景與目標,尤其強調工程愿景的規劃要關注工程的使命就是解決客戶——人和社會的需求,并且認為實現工程愿景與目標還要重視人才培養,實施重大挑戰學者計劃。

一、序言

工程的基本使命是“為用戶進行創造”,這一使命已經毫不動搖地為人類、史前人類和其他生命形式,如昆蟲、魚類、鳥類和哺乳動物服務了數億年。人類工程與其他生命形式工程的不同之處在于,人類具有一種獨特的能力,能夠去設想“為用戶進行創造”,然后進行創造并最終實現,以滿足重要的“用戶需求”。其他生命形式很可能是通過進化過程從前輩那里學到了工程創造,如建造蟻穴、蜂巢和鳥巢。它們的創造更多的是對早期經驗的學習復制,而不是運用智力應對新境遇。沒有開辟新領域的用戶進步限制了物種的進步。以上的生命形式是所有工程用戶種類中的典范,但只有人類工程才能帶來引領顯著的用戶進步的新的創造。

現代人類有30萬年的歷史,人類的語言可以追溯到5萬年前,而智人在350萬年前就從巖石上鑿出了鋒利的工具。350萬年前,人類在所有生命形式中的地位并不突出。經過人類不斷地“為用戶進行創造”,通過新的想法、能力和價值來滿足“用戶需求”,從而促進人類的生活、知識和繁榮,人類在生命形式中的地位逐漸突出。其他生命形式無法與人類競爭,因為它們在思想、機會、行動和理解自身需求方面的適應能力有限。人類工程帶來的如今的物種進步而不是滅絕的故事漫長且具有優勢。因此在數千年后的21世紀,我們可以提問,人類工程應該如何利用其全球主導地位來保護而不是剝削地球。這是本文背后的終極問題。

二、概述

20世紀是一個工程成就非凡的時期,世紀之交激發了美國國家工程院(NAE)與27個美國專業工程協會合作,表彰、排名和紀念其前20名的工程成就。NAE在2003年發布了成就卷,題名為《百年創新——改變我們生活的20項工程成就》(A century of innovation: twenty engineering achievements that transformed our lives),并在網站http://www.greatachievements.org/上進行了總結。該成就卷配有當時的照片,加深了人們對那個時期的了解,并使公眾能夠獲得相關的信息。專業協會將這些成就按其重要性由高到低依次排列,最后的綜合排名如表 1所示。這份榜單對許多人來說是鼓舞人心的,因為這些成就都是在短短100年間內取得的。

在該卷出版后,21世紀的工程創新立刻就成為了人們的興趣所在,因為這是一個技術變革加速的世紀。因此,在2007年NAE成立了一個由18人組成的國際委員會,由斯坦福大學的William Perry擔任主席,他們設想了21世紀可能會有哪些非凡的工程創造。然而,委員會的結論是,在新世紀要可信地確定非凡的工程創造并為其排名只能靠回顧實現,21世紀的加速變革使得人們甚至無法預測變化最大的領域,更不用說預測其中最重要的領域。作為一種替代方法,委員會提出,他們可以根據目前對這個時代的工程挑戰的理解,發表“21世紀工程領域需要實現的目標”,這并不是一件微不足道的事。

當委員會著手這份聲明時,它認識到了21世紀工程領域預測的兩個附加的限制。首先,在2007年,工程已經是一項全球性的事業,而不是地方性或國家性的,因此百年的工程愿景必須放眼全球——這是歷史上的第一次。其次,工程的每個領域和規模都可以用4個英文單詞來描述,從而將工程的技術部分“創造(creation)和解決方案(solutions)”與工程的用戶部分“人(people)和社會(society)”聯系起來。然而,在整個20世紀和更早的時候,在美國的工程教育中只有兩個詞,即“創造”和“解決方案”,被用來描述工程,在許多人的腦海中工程本身亦是這樣。相比用戶部分,工程的技術部分占主導地位。

半個世紀前,我是工程系的一名學生,當時許多學生被工程學吸引,原因是這樣他們就不必與“人和社會”(人的組織)打交道。工程教育中的人文和社會科學部分明顯處于次要地位,甚至與技術部分脫節。這一現實已經造成了眾所周知的負面結果。首先,工程教育使工程學學生與工程用戶脫節,以及工程用戶與工程脫節。由于沒有認識到工程的確切責任是服務用戶、人民和社會,因此工程教育是不完整的,更糟糕的是工程教育甚至具有誤導性。對美國公眾關于工程看法的定期調查證實,大多數公眾不相信工程師會關心社會問題。其次,要糾正《21世紀工程重大挑戰》(Grand Challenges for Engineering in the 21st Century)愿景(vision)中對工程認識的不足,必須在工程系統愿景陳述中將用戶部分作為工程的目標突出顯示。

下面的愿景陳述是工程系統解決方案的目的,該解決方案通過對象目標的滿足來達到用戶的需求。共同創建的工程設計及其性能和操作規范陳述了系統的愿景、目的和目標的順序。

Perry委員會的主要任務是為工程領域的重大挑戰創建一個長達百年的全球性愿景,確定工程的技術部分,即“創造和解決方案”明確地服務于用戶部分,即“人和社會”。對這個問題的愿景陳述表達了他們的工程系統解決方案的目標為“人和社會”。這份聲明抓住了對用戶的關鍵承諾——全球愿景;地球上人類生命的延續;在可持續性、安全性、健康和生活樂趣或某種程度的生活質量方面向用戶提供更好的服務。

目的是專門選擇的“技術計劃”,當與通過目標獲得的解決方案結合在一起時,能確保滿足上述愿景陳述,即對用戶的關鍵承諾。目的的數量和說明超越了滿足愿景所需的結果。實現愿景的特定目的不一定是唯一的。當把這些目標放在一起時,其可在指定的輸入范圍內滿足每個目的。共同創建的工程設計及其性能和操作規范構成了系統的愿景、目的和目標。

三、愿景——工程重大挑戰

根據委員會的審議和結論,愿景提出了工程重大挑戰的目標,或者簡明扼要地說,是“21世紀工程需要實現的”用戶問題。該愿景保證用戶從工程、人民和社會問題中受益,但沒有規定實現這些的技術問題。因此,愿景是工程系統解決方案中一般用戶可以理解的非技術部分。因為針對目的所提出的技術基礎會實現愿景,愿景是系統問題的基礎。沒有愿景,系統解決方案就沒有指定的目標。我直接根據Perry委員會的報告和其中提供的材料以及這里提出的目的起草了上面的愿景聲明。Perry委員會報告沒有提出愿景,但如果它提出了愿景,很可能與這里的愿景相似。這些目的是委員會報告中的技術部分,其單獨的解決方案在設計上將滿足愿景中要求的用戶需求。表2中所示的通過創造解決方案來滿足的14個獨立的目的被稱為工程的重大挑戰。

在選擇幫助討論這一點的極端情況下,在任何地方實現這一愿景聲明都將通過提高可持續性、安全性、健康和生活樂趣或生活質量來改善地球上人類的生活。雖然實現這一愿景聲明將在這4個領域推動地球的發展,但該聲明沒有聲稱要根除或避免影響任何問題。地球上的生命在這4個領域中的進步并不排除局部進步的不平衡。然而,這些愿景確實解決了工程如何通過滿足目的和達成目標來明確地服務于“人和社會”。

四、目的——工程重大挑戰

Perry委員會發現,為領域中的14個目的創建解決方案是實現愿景所需的最低要求。當你回顧這些目的時,你能將它們與滿足4個愿景期望(可持續性、安全性、健康和生活質量)中的一個或多個聯系起來。推進目的的解決方案可以提高愿景和用戶目標的滿意度以及對“人和社會”的服務。其他目的也可以確保實現愿景,因此可能是實現愿景的備選方案。目的不一定是唯一的,其他候選因素如成本、可用性、可靠性、安全性等可能成為有吸引力的替代選項。

五、目標——工程重大挑戰

愿景和目的建立之后,將通過目標為每個目的創建解決方案。但是,Perry委員會未提出實現每個目的相對應的目標,也未提出實現該愿景的每個目標的相對重要性。

我們建議為這些目標提出兩種不同但都合理的解決方案。其中一種方案是把每個目的的目標當成一個“工程系統問題”。此方案的A組工程師團隊已擁有為目的開發目標解決方案所需的必備能力。另外 B組工程師團隊當前尚不具備為該目的開發目標解決方案所需的能力,因此,B組團隊的目標將需要先準備承擔實施工程系統計劃的適合勞動力,隨后開發出目標解決方案。因為這是一個長期的、全球性的問題,所以選用尚未具備實現目標所需的能力的勞動力(B組),或者選用已具備實現目標所需的能力的勞動力(A組),似乎都是可行的選擇。最終,B組將為A組提供勞動力,或者他們將簡單地合并。

六、重大挑戰學者計劃——打造人才團隊

2008年,在NAE發布的《21世紀工程重大挑戰》中,Perry委員會僅在其中提出了愿景和目的,卻沒有對目的的實現、排名或實施進行討論,也沒有為重大挑戰提供解決方案,而是將目的解決方案和愿景實施的問題遺留給后人。之后,Thomas Katsouleas先生(杜克大學工程系主任)、Yannis Yortsos先生(南加州大學工程系主任)和Richard Miller先生(歐林工程學院前校長)得出結論:如果21世紀工程領域的發展方向要朝著實現《21世紀工程重大挑戰》中的愿景和目標的方向邁進,那么現在是時候將工程學學生和工程學教育系統引入其中。如果這些挑戰要對21世紀的工程產生影響,那么現在的學生未來將可能成為實現這一目標的工程師。因此,他們實施了重大挑戰學者計劃(GCSP)。當前的工程教育課程總體上缺少對學生應當具備應對工程重大挑戰風險所需的理解力和職業素質要求,因此這一計劃旨在著重培養工程專業學生的這一素質。GCSP有潛力推動工程和工程學教育成為21世紀社會需求的中心。

GCSP是對現有所有工程項目的補充,旨在培養多文化、多學科的學生團隊,以創建全球性問題的解決方案,從而為人類和社會服務。簡而言之,GCSP培養學生擁有面對工程重大挑戰的全球視野。自2009年提議以來,GCSP的大學成員不斷增加。

GCSP計劃有5個特征,這些特征對于重大挑戰的最終成功至關重要。首先,GCSP是對任何國家/地區的任何大學提供的任何傳統工程項目的補充。該計劃幫助學生理解和準備當今時代協作性、多文化、多學科的全球工程行動,如(但不限于)工程重大挑戰。作為一個教育橋梁,GCSP將每個國家的工程項目擴展到全球范圍。其次,該項目促進學生對工程重大挑戰的理解,從而為之后他們激勵全球社區的工作奠定基礎。再次,工程重大挑戰的愿景的采納實際上取決于GCSP在全球范圍內的成功擴展,因為未來將由這些學生及其繼任者把工程重大挑戰思想推廣到全世界的社區、大學和社會。通過這樣做,他們可以幫助塑造全球工程教育的未來。最后,那些完成了大學學業,并希望繼續以專業人士和(或)志愿者的身份與GCSP結盟的學生,將有機會通過不斷壯大的GCSP社區支持未來的學生。

為了方便執行,GCSP必須清晰、簡單并要注重學生的必備核心能力,而當前一般的工程學課程并沒有這種要求。學生的能力是從教育經歷中獲得的。對于學生而言,GCSP并不是關于計劃的管理。每個參與GCSP 的大學管理者管理自己相應的課程。每所大學在以下方面擁有自主決定權:學生錄取、教學方法、評估學生能力的方法;依據學生在每項能力頒發重大挑戰學者證書;向美國NAE主席推薦有資格獲得重大挑戰學者獎的學生等。NAE主席會以個人祝賀信的形式認定每位合格的學生為重大挑戰學者。

若申請舉辦GCSP,請訪問GCSP網站(www.engineeringChallenge.org/GrandChallengesScholarsProgram. aspx)。申請者需要提供大學選拔學生計劃的信息,以確保學生5項能力的培養發展以及計劃的成功舉辦。

七、學生能力

GCSP能力是對現有任何教育計劃的補充,可以幫助學生在全球范圍內與其他國家的學生和專業人士參與聯合工程合作。這是21世紀工程要求的一項重要能力。該計劃的基礎是學生成績,而不是行政運行程序,因此任何計劃都可將其作為教育補充。每所大學自主決定其行政程序并自主決定學生錄取、課程準備,以及學生在5項能力領域中每個領域的最終能力(通常大多數都不是工程學課程的正常組成部分)。

通過與來自不同文化、不同學科和不同觀點視角的人相互交流,學生最終能夠真正理解這5項能力。早在兩千多年前,孔子針對這一點提出建議:“不聞不若聞之,聞之不若見之,見之不若知之,知之不若行之?!币斫馔ㄟ^個人參與獲得的能力,不僅僅需要聆聽、閱讀、寫作或分擔責任。在當今全球互聯的世界里,為了成功開展合作,人際交往強調了適應的復雜性和必要性。

每所主辦大學都擁有并運行其批準的GCSP。以重大挑戰為主題的計劃設計將確保5項能力之間的一致性和連通性。GCSP不是規定性的計劃。它以結果為基礎并且運行靈活?!?1世紀工程師”的理念確保了機構執行計劃的靈活性。

NAE的作用是去激發和促進運動、倡導愿景、召集利益相關者和有關方面、參與社區互動和變革。NAE對 GCSP的運作不承擔任何責任,也不為任何GCSP提供資金支持。它主持批準新計劃的舉辦、存檔記錄并定期主持區域會議。它還為所有的GCSP舉辦年度會議,其中包括可能對計劃的發展感興趣的相關方。它還可以促進對GCSP的理解和在全球范圍內擴展,以幫助促進 GCSP的最終成功。然而,每項GCSP都獨立于NAE和其他GCSP。

八、重大挑戰學者計劃網絡

截至2019年12月16日,美國有75個大學組織開展了已批準的或正在審查的GCSP,另外有83所大學表示有興趣開展該計劃。在國際上,有17所大學計劃已經批準或正在審查中,另外53所大學正處于探索創建計劃過程中。已批準或即將獲取批準的國際計劃分別位于阿布扎比酋長國,澳大利亞,巴西,加拿大,中國內地、香港和臺灣,意大利,印度,黎巴嫩,馬來西亞,荷蘭,羅馬尼亞,新加坡和英國。其他國家和地區,如哥倫比亞、印度尼西亞、以色列、愛爾蘭、哈薩克斯坦、俄羅斯、韓國和越南,也正在探索開發該計劃。

一個由重大挑戰獎學金項目組成的全球生態系統,作為一個由多種多樣、獨立、獨特的項目組成的網絡,與其他有興趣采用相互學習的最佳實踐的項目形成共生關系,是非??扇〉?。通過GCSP在全球范圍內擴展這一生態系統以接觸到更年輕的工程師,這也是實現重大挑戰的全球實施的一個重要契機。

工程專業的學生將GSCP視為工程界及其專業未來的發展方向,并對全球GCSP表示出最大的興趣。GCSP 為學生帶來了前所未有的機會,如:

致力于全球視野和全球解決方案;

引入“人和社會”,提出全球工程解決方案,作為工程界的期望;

認識到文化對工程解決方案的可行性至關重要;

認識到經濟因素往往是解決方案是否可行的決定性因素;

認識到多學科、多文化的工程團隊對復雜的系統解決方案的變革性;

準備在全球范圍內從事重大挑戰以外的工程事業;

認識到工程計劃愿景可控的原因。

九、總結與討論

(1)工程重大挑戰是由地方解決方案組成的一項全球計劃。該計劃跨越全球,或者即使在一個小的國家內,GCSP也需要許多地方解決方案的協調合作。

(2)在參與美國GCSP的學生中,一半以上是女性和少數族裔,他們受到用戶對“人和社會”關注的吸引和啟發。

(3)盡管研究生很可能會從應對全球挑戰的準備工作中受益匪淺,但是讓本科生做好這種準備工作并不是工程教育的正常特征。

(4)當今的學生能夠接受GCSP愿景包括的工程技術和用戶責任。

(5)GCSP將每個國家的工程項目擴展為全球性項目,培養學生的多文化、多學科的創新能力,為人類和社會服務。

(6)世界上任何地方的任何大學都可以實施GCSP。

(7)GCSP幫助當今工程師為應對21世紀的工程問題做好準備,GCSP對其非常重要。

(8)工程重大挑戰愿景的實現取決于GCSP在全球范圍內的采納度。GCSP在全球范圍內的采納結果既能幫助工程師應對工程重大挑戰,又能將GCSP拓展至全球范圍。

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