【旧文新贴】加拿大的大学工程教育出了问题

晨枫

这是老文了。那边flyrathabu说起工程教育的问题，想起来这篇，以前在西西河贴过，忘记是否在爱坛贴过了。
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上个星期，应邀到一个大学去参加一个研讨会。主题是研究大学工程教育和工业界实际需要脱节的问题。这是化工系自控这一边主办的，所以围绕着自控，但问题不限于自控，甚至不限于化工。工业界来了很多人，有实际做自控的，也有自控出身但现在做技术行政的，也有纯技术行政不懂自控的。大学里来了一伙教授，还有一伙研究生。主持人和我在读博的时候是同学，在化工界和软件界干过，现在在大学，三面的情况都看到过，知道问题的严重性。这家伙做了一件大好事。工程教育和工业实际脱节的问题很多年了，一般是大家发大家的牢骚，谁也不动一下屁股干一点实事。这是我所知道的第一个。希望我只是孤陋寡闻，很多地方都在动起来了。

加拿大大学的工程教育出了问题，理论和实际严重脱节，毕业生或者coop到公司里来，关于专业的第一句话一般是“我们学的东西都没有用，我们需要的东西都没有学”。这当然是夸大其词了，但并非完全离谱。相信美国也是一样的情况。不太清楚欧洲的大学工程教育，中国的大学工程教育我只知道20多年前的，现在的情况也不知道了。20多年前的中国，问题也有，但和现在加拿大的情况不是一个数量级的。大学工科毕业生到厂里是很快就要独当一面的。很多时候你就是“独养儿子”，更本没有师傅传帮带，太脱节了怎么成？

回到加拿大。尽管这样一个研讨会终于开起来了，但还是可以看到，问题的根源在于心态，而心态远远没有调整过来。研讨会的前一半是大学教授介绍自己，这是应该的。但所有人都在大谈自己的研究方向，如何对工业界有实用价值，就是不提在大学本科教育里有什么新想法、花了多少精力。这些教授都有规定，需要给本科上多少学时的课，加上答疑、出考卷等（批改作业和带实验主要是研究生的事），花的时间确实不少。问题在于时间不等于精力，这些是要打发的时间，还是要全身心扑进去的时间，这里面差别大了。个人感觉，他们的精力全在研究上了。
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这不能怪教授们。教授们有本科教育的指标，也有研究指标。本科教育完成N小时就完了，研究是要出文章的。这文章不比西西河里灌水，是要时间和智慧火花一起才能出东西的。一个是有形指标，一个是无形指标，孰轻孰重，不难想象。这个会本来是研讨教育和工业实际脱节的问题，结果很大一部分不知不觉地就转移到大学如何把工业界结合进来做研究的问题了。这个问题也很大，另外再谈。
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) `3 z& F1 U. g& w+ Z! T- G工程教育的一个问题是课程设置，太多的课时用于理论，太少的课时用于实用知识。对于自控专业来说（这个化工系有Chemical Process Control option，比一般化工系学生多学5-6门自控有关的课，像模型控制、辨识、信号处理等，所以相当于一个专业，尽管和国内的专业概念还是有所不同），工业界还需要这些方面的知识：
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-        仪表的选型和安装（孔板流量计需要x倍管径的直管段，coriolis流量计的位置，辐射液位或者雷达、超声液位的选位等）
- e, n9 T( ]* h-        网络和电脑（防火墙、OPC、网络管理等）
-        编程
-        程控（PLC）
-        工业安全规范（SIL、HAZOP、PHA等）
& m" N9 C: ^0 S9 o1 c- X# b- 工程设计过程（MOC）
/ S% w6 }  W# ]$ \) C5 S-        读图纸（P&ID）
% b4 d) J" ]3 t  j" a; R-        人机界面设计（MMI）
% ~- J. P3 [2 G# t) Y-        工控系统常识（系统的一般网络结构，什么是tag，基本上每一个新来的人我都要花好多时间解释）
0 ?2 \$ k: ]3 O7 i% K* }7 b-        单元操作的典型控制方案
-        和工人、管理、非控制专业技术人员的交流
-        项目管理

% y; y, l1 b% i3 Z+ s这个单子可以列很长，但意思已经在这里了。毕业生马上成为这些方面的专家当然不可能，工业界都提供培训，公司标准也各有不同，但现在的问题不是这个，而是新毕业生对这些以后的吃饭家什的东西毫无概念。研讨会后来工业界的人谈的时候，很多工业界常见的术语一串一串的，下面的教授和研究生大眼瞪小眼，都不知道在说些什么。连语言都不通，谈什么掌握呢？大学需要的不是培养出现成的专家，但这和电脑语言一样，学会了一种通用高级语言，以后转别的语言，基本的概念和软件工程知识都有了，只是语法和关键词的问题，还有一些语言特定的问题，这上手就快了。要是程序员什么电脑语言的概念都没有，这算什么程序员？
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另一方面，大学里学的拉普拉斯变换、动态矩阵在实际上都看不到，使用的都是现成的算法，在商业化的界面里参数调来调去，数学模型什么的根本看不见、摸不着。难怪有“我们学的东西都没有用，我们需要的东西都没有学”的说法。

当然，有些东西不能因为说什么就信什么。比如说，很多毕业生会说，只有大四学的东西还有用，前面学的都没用。这不对。我常反问他们：如果大一到大三统统跳过，直接进大四，你行吗？一般都是怔了一下，然后说不行。学习是一个渐进的过程，没有前面的铺垫，哪有后面的收获？但是现在的问题不是铺垫的问题，而是后面缺乏收获。到了最后，都不知道学的东西可以干什么用。

这么说也不尽公平。现在的事实是，本科毕业后，到工业界觉得实用的东西两眼一摸黑；继续研究生学习，则觉得数学远远不够。工业界的问题前面说了一点，学术界的问题简单提一提。研究生通常都是理论路线的，所谓实际也大多是实验室规模或者接一个工业界问题，在工业界眼里，依然十分地理论。自控理论在本质上是微分方程理论的一个分支，现在有蔓延到数学规划和信号分析的趋势。这些都是好东西，当年我也靠这些混文凭。但加拿大大学本科出来，离冲击自控理论的尖端所需要的数学功底相差太远。拉普拉斯变换学的结结巴巴，要是给他一个李群，还不要了他的命？
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/ K( t9 v% V. n/ k  W6 @: P所以现在的问题就严重了：现行工程教育体制两头不讨好，既缺乏足够的工业界所需要的实际知识，也缺乏必要的理论研究的数学基础。

类似的问题加拿大的高中很早就意识到了。一些人要升大学，一些人高中毕业就直接工作了，这两拨人对高中的要求是不一样的，所以高中里现在分班，一些人像中国高中一样数理化，另一些人数理化还是要学，但要求降低，挤出时间学一些实用的本事，如电焊、机修、金工、理发、缝纫、化妆等，北美大多数高中都有一些这样的课程。大学也可以这样，为什么要一刀切呢？一些人加强数学和理论，另一些人降低对纯理论的要求，多学一点上面罗列的实用知识。相信这样是一个双赢，可以做到各取所需。

* K  z# S9 e# e' W) a9 V! l  r但这只解决了一半问题，另一半问题是工程教育变了味。在某种意义上，工程师在科学家之前就出现了。在还没有牛顿力学的时候，人们也造桥、造房子、造机器，靠的是摸索，但东西造出来了。这就是工程和科学的最大差别：科学的目的在于根据已知发现未知，而工程的目的在于解决一个给定的问题，不管这里面都有多少已知或者未知。这决定了科学方法和工程方法的根本差别。

科学研究整个宇宙，但这个问题太大，所以科学将一个太大的问题逐步分解，直到可以研究为止，基本上到最后总是从理想化的假定开始。研究的结果将知识的边界向外推了一步，这成为新边界，发现新问题，继续科研的循环。随着人们对世界的认识的加深，知道得越多，才发现未知更多。这就好像一个球一样，球里是已知的世界，球外是未知的世界。球每增长一分，球的表面积就按平方增长。所以科学的分类越来越细，专业化越来越厉害。为了突破知识的边界，首先要了解这个边界，这个了解的过程越来越繁重，反映到大学课程，就是要学的东西越来越多，课时不够用。

8 Z6 T+ J0 G( G; y8 r工程的对象是一个具体问题，问题多大是由需要和资源决定的。但工程问题不能象科学研究一样简化成理想问题，所有想像得到的但不能确定的都要包括进去。比如说，造房子的基本要求是不能倒塌，接下来就要考虑在积雪重压下，在暴风吹佛下，在豪雨浇注下，也不能倒塌。要是要求再高一点，失控的汽车撞上了，失控的飞机撞上了，炸弹直接命中了，原子弹直接命中了，也不能倒塌。这里面有的有历史数据或者测试数据，有的没有直接的数据，只能用类似情况下的数据，还有的什么数据也没有，只有用加大保险系数。这是典型的工程方法。工程方法的核心在于在一个非理想和充满不确定因素的环境里，在有限资源的条件下，最大限度地降低不确定因素的影响，保证设计要求的实现；或者在容许的不确定程度下，最大限度地降低成本或增加收益。工程方法的另一个特点就是自上而下，而不是科学方法的自下而上。科学研究可以把世界细分为各个专业研究领域，每一个专业研究领域可以不顾相邻或远离的领域的发展而独立发展。工程方法可以把一个大项目分解成很多小项目，但最后一定要拼回来，重新组成一个完整的大项目。不管小项目多成功，最终的大项目要是不能达到设计要求，总体就是失败的。
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在没有科学的年代，工程师们靠经验和保险系数。科学验证了经验的可靠性，保险系数可以大大减小，极大地降低了成本。工程教育由师传徒这样的手工传授进步到工程教育，关键就在于引入科学的方法，使工程实践减少了很大的任意性。但在科学方法逐步渗入工程教育之后，工程教育本身也被科学方法同化了，记住了分解这一摊，却忘却了综合这一摊，至少做得不够。更重要的是，工程教育基本忽略了工程思维过程的教育，培养了一代又一代的工程软件操作员，而真正的工程方法留待他们到工作岗位后自学。

要是大学开设讲座，请工业界或者科技史方面的人来讲具体事例，从具体事例的成功和失败经验中启发学生的创造性和整体性思维，这对工程教育将是十分有意义的一件事。这又牵涉到和上面相似但又不同的一点上：工程实践既有科学的一面，也有艺术的一面。科学的一面指按部就班的方法、规范，大多数工程设计公司和工业界的日常工作都属于这个范畴。工程实践的艺术方面不是指琴棋书画那样的雅事，而是指创造性思维，脱离传统的所谓out of the box思维。这东西是不能教的，但可以通过实例给人以启示。比如说，坦克炮发射后，火药烟是一个很大的问题。常规思维是用抽烟机强制通风，但创造性思维则是在炮管中段加一个密闭膨胀室，炮弹经过时，高压火药气体进入膨胀室；炮弹离开炮口后，炮管前端减压，火药气体回注入炮管，从炮口高速出去，引起文丘里效应，把炮管里的火药气体抽出去。这就是创造性思维的一个例子，但这样的例子是通常的理论学习里学不到的。炮管设计专业的人可能会把这当作炮管的标准设计来学，但无关专业的人很可能永远都不知道这样的例子的创造性火花的启示作用。

这里又扯出另一个问题：工程系的教授大多是从大学到大学。他们都是绝顶聪明的人，学术研究功力很深。但他们没有工程实践的经验，最多只有从书本或者和工业界合作中得到的二手经验，很难体会工程方法的精髓，当然也就谈不上教授工程方法的精髓了。他们的研究也是科学方法，把本领域里的问题分解的细之又细，然后加以研究。这样的背景很难不把科学方法作为“唯一”的思维方式教给学生，而忽略对于工程师来说更加重要的工程方法。从工业界中请一些人来教实用类的课，或许是解决这个问题的一个方法。工业界的人自己有工作，不一定有这个时间。但接近退休的人或者提前退休的人有这个时间，他们又不追求tenure，没有论文数量的压力，教授工程实践是出于职业责任感和未来工程师的关注，而不是个人的专业发展前景，效果反而会好一点。

1 t- t5 f) G8 ?具体到化工系一般学生和CPC学生，工厂里的工艺工程师和控制工程师的工作性质不一样。前者的技术方面只要求较高层次的理解，具体的事情其实轮不到他们做。调整工艺参数是操作工的事，过程挖潜改造是工程承包商的事，具体设备则是制造商的事，他们做的更多是协调、推动大小项目，其实更加接近技术管理，而不是纯技术。控制工程师就不一样了，DCS的系统到回路都是你的事，先进多变量控制从项目到调试到使用也是你的事。用军队作比方，工艺工程师好比常规部队的军官，指挥手下一大帮子兵去打仗；而控制工程师则好比特种部队的军官，手下没有什么兵，有时候根本就是光杆司令，要事必躬亲。既然有这两种不同的特点，工艺和控制的课程设计就应该反映出来，过于强求统一就不对了。

3 d) L8 z" S0 j1 g7 Q$ g4 t: Z还有一个事情很有意思：新毕业的工艺工程师一般一开始就是选择一个专业方向，比如乙烯厂从裂解还是后处理开始。隔一段时间可能换一个专业，但每个时间都有一个专业方向。资格老了，专业方向更加强化，比如成为公司里的精馏塔大拿，或者裂解炉大拿。控制专业的一毕业，不是钻进一个专业，而是学一大堆横向的东西，像DCS、网络、仪表、工艺（不懂工艺的控制工程师就像不知道人体解剖的医生一样无用），但资格老了，也有可能专业化，成为公司的APC大拿或者DCS大拿，这个时候常有“书到用时方恨少”的感觉，重新感到理论有用了。这和大学工程教育没有太大的关系，只是我的观察而已。
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啰里啰唆了一大堆，想说的就是，加拿大大学的工程教育改革势在必行，好在已经有大学意识到这个问题，而且已经在动了。

冰蚁

记得看过。

pcb

可不可以像医学院一样
  V5 v9 v: U. G  T) N5 e- ]搞科室轮转，住院医一样的制度
下厂实习

晨枫

pcb 发表于 2015-8-25 07:20
可不可以像医学院一样
搞科室轮转，住院医一样的制度
下厂实习

8 i7 H, T: T6 a: R- `有一个类似的co-op制度，大学四年（实际上要延长到5年）期间，到某一个（或者前后几个）公司实习，通常跟着一个导师工程师。我们招人的话，原则上只招co-op出来的人，很少例外，就是这个原因。

pcb

晨枫 发表于 2015-8-25 21:24
6 ]4 t5 U/ k1 g7 Z9 p有一个类似的co-op制度，大学四年（实际上要延长到5年）期间，到某一个（或者前后几个）公司实习，通常跟 ...

5 B" n7 v0 ~# K. O5 _有空讲讲co-op和国内实习的比较?

晨枫

pcb 发表于 2015-8-25 07:31
有空讲讲co-op和国内实习的比较?

好的，这要另外开一个题目了。你不怕晨色恐怖吗？

pcb

晨枫 发表于 2015-8-25 21:59
; k6 O4 f6 y1 M$ u9 q( Y好的，这要另外开一个题目了。你不怕晨色恐怖吗？

尽管来吧
只要是干货

楚天

从效果上判断，我相信中国的工科教育很成功，世界一流，也许这是中国教育的唯一亮点。

晨枫

楚天 发表于 2015-8-25 08:26
从效果上判断，我相信中国的工科教育很成功，世界一流，也许这是中国教育的唯一亮点。 ...

这个我倒不大同意，如果不是从进研究院的角度出发，中国工科大学的教育成功程度不超过加拿大，可能还不及一点。中国工科教授的纸上谈兵问题更大。

四处乱晃

占个位置，稍后再加俺的观点。

longcheng

现在国内大学这个问题很严重，招的老师都是从大学新毕业的博士生，没有工程经验。一些和工程实际结合紧密的课比如集散控制系统，老师自己都不太清楚，以其昏昏使人昭昭是不可能的事。