终身制的工程教育途径

武夷山

美国工程院院刊The Bridge季刊2025年夏季号发表Jerry Branson（工程教育家）和 Randy Roush（情报和特种作战业务咨询专家）合著的文章，Revolutionizing National STEM Education to BUILD a Future-Ready Workforce。标题中的BUILD既是“打造”的意思，也是一个工程学教育计划的首字母缩写（Better Utilization of Interdisciplinary Learning and Development，更好地利用跨学科学习与发展进路），这就无法翻译了。原文见https://www.nae.edu/338945/Revolutionizing-National-STEM-Education-to-BUILD-a-FutureReady-Workforce 。

对BUILD计划感兴趣者可浏览其网站https://www.build4edu.com/。

请DS翻译了全文，我做修改。这篇译文的后三分之二部分，DS根本没有按我的要求做翻译，而是根据自己对内容的理解，将原文的每一段话概括成一个又一个小标题，概括得不一定准确，而且与原文的形态肯定是对应不上的。我没有时间将这些文字重新翻译一遍，就这样了。

译文如下。

终身制的工程教育途径

终身制的工程教育途径有助于恢复美国作为全球技术领导者的地位。在快速演变的工程和技术领域，重新思考如何在个人一生中教授科学、技术、工程和数学（STEM）至关重要。尽管数学和科学教育已投入大量资源，但成果难以量化。显而易见的是，工程教育并未受到同等重视，迫切需要创新和改革（Kotecki 2025, NRC 2011, Sorby 2021）。现代工程中普遍存在的多学科、团队合作和工具丰富的方法在教育机构中被忽视了。更好地利用跨学科学习和发展（BUILD）项目，该项目为当前的工程学生和应届毕业生做好准备，使他们能够立即作为充分发挥效能的工程师做出贡献，已显示出在工作效率和整体生产力方面的显著改善。本文提出了一个从儿童早期到退休的终身制工程教育愿景，为实现持续改进提供了全面视角。

美国工程教育的现状

技术教育，特别是工程学院的教育，越来越与当代需求脱节。现代工程实践强调团队合作，需要跨学科团队采用整体进路来开发复杂技术。对制造的稳健理解现在已成为工程文化的一个关键组成部分。技术已取代手工计算。工程实践需要创造力，需要工程界内外紧密沟通。尽管出现了以上趋势，但传统工程教育并未跟上步伐，导致工程师队伍中存在显著差距和低效。这是大家都承认的事实，例如美国国家科学基金会的“改革工程学部”（RED）意见征集活动（NSF 2024）。许多国家已经采取了终身制技术教育途径，在整个职业生涯中优先考虑持续学习和技能发展。德国、日本、芬兰和瑞典以强大的终身学习系统而闻名，这些系统通常侧重于职业培训和行业合作（Thomson 2024）。欧盟也积极将终身学习作为其战略的关键要素。美国曾是技术领域的明确领导者，但现已落后于世界大部分地区（Alarcón 2023; Rivera and Fortenberry 2024）。

在全国范围内引入一种半通用、体验式、基于项目的工程课程，贯穿个人一生，将有助于美国重新确立全球技术领导者的地位。学生必须学会如何在当代世界中工作，当代世界的特征是，工程师在跨学科团队中工作。大多数工程学院认识到这一需求，并试图通过顶峰项目（capstone projects）来解决，但这些项目主要集中在高年级学生身上，到最后一学期才让学生体验到什么是有意义的教育，已经为时太晚。

新的工作要求

工程工作的性质已经发生转变。工程师现在在全球市场中运作，处理的是需要跨学科合作方能解决的多侧面复杂问题。现代工程师必须理解复杂的制造过程，并对几乎所有任务采用系统视角。如果没有对制造的深刻理解，工程师会制定出效率低下、成本高昂且无效的规范。工程师还必须与非工程师合作。用户界面和用户体验已成为至关重要的因素，产业界必须将它们纳入其生命周期流程。我们的教育框架必须发展以应对这些新挑战，否则我们将很快变得无关紧要。

‌历史镜鉴与BUILD项目特征‌

‌历史演进轨迹‌

家父1957至2017年的机械工程生涯清晰映射了工程领域的范式变迁。彼时教育体系培养的工程师可独立承担项目专项任务，知识传授直指专业技能精进。典型如1960年代其设计的磁带录音机：机械结构与电气系统由不同工程师独立完成——这种割裂式设计在当时行之有效，因模块化架构允许各系统自主运作。

当今工程实践已彻底革新。以智能手机设计为例：天线工程师必须与团队深度协同。传统天线能在空气中保持理想电气长度，而现代设备的天线需在物理短尺寸内实现电气长性能，更需协调周边导体、电路及人体近场干扰等复杂因素。

无论有意与否，当前工程教育仍困于过时的学科孤岛模式。2010年苹果iPhone 4爆发的"天线门"事件即为明证：用户握机姿势导致导体遮蔽天线馈点时通信中断。这不仅造成数亿美元损失，更重创品牌公信力（Brochet and Palepu 2013）。手机巨头由此汲取血泪教训：天线设计必须与人机工程专家无缝协作！

‌BUILD项目核心架构‌

工程教育的价值在于知识转化能力——运用科学技术解决现实难题。BUILD项目秉持"学习-掌握-应用"三位一体哲学，设置四门旗舰课程，每门配套综合实践项目。这些项目不仅内在贯通，更可串联整个工程课程体系（详见项目官网）。虽以四年制本科为核心，但其理念应渗透早教、K-12 STEM教育乃至退休后终身学习。以下核心特征的大规模实施将重塑美国工程教育：

‌自主应用能力：不可或缺的基石‌

60余所高校的工程学子普遍缺乏基础电工工具操作能力，现状触目惊心。以示波器使用为例，我与一位最近毕业的学生的典型对话揭示了深层危机：

‌学子‌："感谢精彩课程！电路调试成功令人振奋。昨夜苦战却无从下手，数字万用表收效甚微，唯示波器拨云见日。恳请点拨示波器使用要诀，此恩千金难换！"

‌导师‌："可先从基础问起：此前用过示波器吗？"

‌学子‌："实验室确曾频繁使用，但始终未窥门道。以往按实验手册机械操作按钮，纵得全A评价，仍不解步骤逻辑。至今不明旋钮功能，畏惧自主调试..."

此类对话已成常态。学子常怀羞愧于课后单独求教，自认是唯一未掌握者。实则近全体学生均因缺乏设备原理认知与实践能力而分别求助过，此系统性缺陷亟需根治。

我们彻底摒弃按部就班的教学指南，转为：当学生受困于时变信号分析时，在其求知欲最强时展开示波器原理研讨。此法结合下述"三遍法则"，在锻造终身技能方面成效卓著——远胜于仅为提交实验报告而学的功利模式。

‌三遍法则：深度学习的核心机制‌

当知识仅接触一次时，学习者往往浅尝辄止，需用时难以有效提取。实践证明：单次学习通常无法形成长效知识留存（见图1）。

我们确立的三阶学习模型成效显著：

‌课前兴趣激发‌：新生建造步进电机3D打印机，实测径向跳动值并探索速度极限

→ 设计评审会解析机械局限根源："为何产生跳动误差？如何优化？速度瓶颈何在？"

→ 观摩高年级闭环节点PID伺服系统：通过微分方程应用实例，直观展现理论如何提升设备速度与精度

→ 激发学习期待："掌握微分方程=我的设备能提速三倍！"

‌课堂学术深化‌：数月后进入微分方程课程

→ 前置实践建立明确学习动机

→ 理解方程的现实应用场景

→ 主动投入高强度学术训练

‌课后实践内化‌：大三设计拾放机器人系统

→ 运用微分方程与控制理论解决实际问题

→ 主动驾驭"棘手的微分方程"完成工程项目

→ 三次接触实现知识终身固化

‌教学相长机制‌

成为领域专家的最佳途径是传授知识。BUILD项目创新性推行"跨级传授"制度：

大二学生指导新生

大三学生培训大二生

核心载体：跨年级设计评审会参与机制

‌课程全景映射‌

我们以黄金三阶模型重构工程课程体系（图1）：

‌大一（黑色箭头）‌：在高低年级评审会中见证微分方程赋能设备升级

‌大二（棕色箭头）‌：深度研习微分方程并理解其工程价值

‌大三（双向红箭头）‌：设计-建造-测试拾放机系统，双向应用理论

‌大四（橙色箭头）‌：知识运用与教学传承

图1注释：四大旗舰课程通过三阶映射增强原有课程体系，无需修改课程本身

‌医学教育范式印证‌

此教学法近乎复现医学教育经典模式——"观摩-操作-传授"(SODOTO)。该模式肇始于19世纪，至今仍是外科教学的核心方法论（Kotsis and Chung 2023）。

‌终身学习闭环‌

大学阶段虽无法覆盖所有知识的三阶学习（如首学期课程缺少前置接触，末学期课程缺少后续实践），但通过BUILD基础K-12计划及研究生导师项目实现闭环。这种终身培养体系真正教会学习者：

✓ 掌握学习方法论

✓ 锻造批判性思维

✓ 养成求知内驱力

✓ 预备探索未知领域

‌教育体系革新：基础已备，全局待行‌

当前工程教育改革的要素大多已开发验证并局部实施，唯缺国家战略层面贯穿终身（早教至退休后发挥余热）的系统性规划。

‌学前STEAM教育‌

将艺术融入STEM领域形成的STEAM教育正蓬勃发展：

婴儿技术启蒙读物激增：露丝·斯皮罗《热力学启蒙》、克里斯·费里《婴儿光学物理》点燃早期探索欲

塞缪尔·布兰森创新双轨体系：婴幼儿绘本+家长解读手册

→ 家长可即时解答儿童疑问

→ 天赋异禀者自主研读手册，培育诺奖级潜力

‌K-12 STEM教育突破‌

弗吉尼亚州贝尔维迪尔小学等标杆项目取得重大进展：

First Robotics等实践项目激发技术操作兴趣

一些军事情报机构的研究生计划较好地解决了动手操作环境问题，路易斯维尔大学正在本科层次上试点，最后要创立一个本科层次的BUILD项目

→ 推动全国工程教育革命

北弗吉尼亚"银发工程师"计划：退休专家指导新锐开发高科技万圣节项目，实现退休价值再创造（Fenston 2010）

‌高校试点成效‌

路易斯维尔大学BUILD课程验证：

✓ 本科阶段可系统培养实践技能

✓ 学生参与度与实操能力显著提升

✓ 符合现行认证标准，具备推广可行性

获校方、学生及雇主三方高度认可

‌现实制约‌

实验课程成本远超理论教学（经费方案详见官网）

课程体系调整面临制度阻力

‌军事特战技能训练范式‌

2004年启动的军事技术人才计划破解核心难题：

‌培养对象‌：高动机低技术背景的陆海空军人员

‌能力目标‌：跨学科任务执行（编程/机械设计/化学/电子等）

‌方法论革新‌：

深度实操导向

缺陷改进驱动理论内化（系统不足→激发数学工具学习需求）

真实场景转化：掌握史密斯圆图=解救人质关键能力

‌成果转化‌：学员退伍后进入工程领域成就斐然

‌军事与BUILD哲学契合‌：该体系天然践行"需求驱动→实践内化→能力迁移"教育逻辑，印证工程教育革新路径。

‌精英导师计划：情报界CORE训练体系‌

情报共同体（IC）CORE项目历时十年，为60余所高校毕业生提供跨学科实践训练，锻造具备敏捷工程能力、快速制造设计及中型团队协作素养的顶尖工程力量。

‌导师制核心价值‌

资深从业者（在职/退休）与教授联合执教

传授教授理论知识的实践维度

多次授课后晋升为领域顶尖专家

双重价值：青年工程师智库+工程团队核心战力

退休导师持续贡献，实现价值延续

此模式已成为BUILD项目哲学内核

‌工程伦理：技术时代的核心素养‌

技术伦理正成为工程领域关键议题（Madhavan 2015）：

‌技术渗透‌：原型设计/可靠性/优化等工程思维已深入交通、医疗、零售等领域

‌AI挑战‌：人工智能革命加剧伦理治理需求

‌BUILD伦理教育路径‌

‌全程浸润‌：将人本思维植入技术教育全流程

‌场景化教学‌：

团队协作中直面可持续性/安全/伦理困境

设计自动化系统时要思考打几个方面：

✓ 受益/受损群体

✓ 系统偏见与风险

✓ 信息可信度验证

‌跨学科融合‌：

工程师+教育家+商业战略家+心理学家协同

探索责任/公平/沟通/社会价值命题

‌长效机制‌：

反思性设计评审

导师深度对话

长期影响评估

呼应美国国家工程院(NAE 2004)倡议：超越技术能力，培育全球视野/伦理决策/公众参与力

‌结语：重塑终身工程教育‌

‌改革迫在眉睫‌

构建早教至退休的STEM通识体系

本科阶段强化：

制造导向的实践学习

跨学科团队协作

创建国家教育计划：

✓ 锻造高适应性技术人才

✓ 捍卫美国科技创新领导力

‌BUILD工程教育基金会的使命‌

集结现存资源与伙伴网络，此刻即行动之时