摘 要：通过对新工科背景下跨学科教育的重要性进行探讨，提出工程领域跨学科教育应具备的五个要素：具有现实关注超出单门学科范畴的复杂问题，以既有学科为基础和依托，整合多门学科解决问题的迭代过程，以通过设计实现解决方案提升学生能力素质为目的，体现对利益相关者的关注。这五个要素与跨学科的教师、学生及环境一起构成跨学科的课堂。研究试图厘清关于跨学科教育的认识，结合三个案例分析了上述各要素如何在跨学科教育中发挥作用，并从教学设计、教师发展、课程计划等方面针对跨学科课程建设给出建议。
关键词： 新工科 跨学科 课程建设 西南交通大学
一、引言
教育部从2017年开始，积极推进实施新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”。随着新工科研究与实践项目的发布，新工科建设正在引领着高等工程教育的深刻变革。
作为新工科建设的重要内容，跨学科教育受到广泛关注。吴爱华等指出，“新工科”建设应探索多学科交叉融合的人才培养模式，包括开设跨学科课程，组建跨学科教学团队、跨学科项目平台，推进跨学科合作学习。刘进等从MIT“新工程教育转型”（NEET）计划出发，指出新技术需要传统工程领域以外的跨学科知识，现有以学科为体系的培养模式已成桎梏，工程教育课程应更强调跨学科学习 。高松提出在华南理工大学实施“新工科建设F计划”，推进学科交叉融合，建设跨学科课程、高质量跨学科项目以及跨学科专业。曾勇等提出在电子科技大学实施“New E3”新工科建设方案，建设跨学科项目课程体系。
本文首先从工程活动的复杂性和高等教育改革两个角度，探讨高等工程教育开展跨学科教育的必要性。之后，基于现有的跨学科研究定义，我们提出了定义工程领域跨学科教育的五个关键要素。以此为基础，本文讨论了跨学科教育与双学位（辅修）培养、通才教育、多学科教育的区别，指出跨学科教育不是试图找到公认的知识内核，而是让学生在解决复杂问题过程中对多个学科进行整合。最后，分析了三个跨学科教育案例并提出跨学科课程建设的若干建议。
二、高等工程教育开展跨学科教育的必要性
美国国家科学院在其报告《促进跨学科研究》中，确定了跨学科研究与学习的四大驱动力：自然与社会的内在复杂性，探究不囿于单门学科问题的渴望，解决社会问题的需要，以及创造生成性技术的需要。基于这些见解，本研究从工程活动本身的复杂性，以及跨学科教育对高等工程教育改革的重要意义两个角度，阐述跨学科教育的必要性。
1. 工程活动的复杂性决定了跨学科学习的必要性。
首先，从工程活动的四个复杂性出发，探讨为何从事工程活动需要跨学科学习。
第一，问题的复杂性。工程，是针对问题寻求解决方案，提升生活质量的过程。然而，现实世界的复杂性决定了问题的复杂性。当今社会我们所面临的所有重大问题，都不能通过单一学科独立解决，比如气候问题、能源危机、DNA测序、肥胖、全球饥荒、宇宙起源、大规模流行性疾病防控、文化认识与艺术表现等。显然，所有这些问题，都超越了单一学科的范畴，甚至跨越了自然科学、社会科学和人文学科，需要综合多门学科的知识、观点、方法、工具来解决。
第二，约束的复杂性。国际生产工程科学院（CIRP）将工程活动定义为“应用技术和科学原理制造产品，目的是保护环境、节约资源、促进经济进步、考虑社会关切和可持续发展的需要，同时优化产品生命周期，最大限度地减少污染和浪费。”面对复杂约束，基于全生命周期的产品开发是优化设计提升效率的有效途径。然而，充分实施全生命周期工程，需要工程师具有足够的知识经验积累、形成对相邻学科的理解、具备表达沟通技能以及创造性，才能提出新的想法或创新的解决方案，因而同样需要综合多个学科。
第三，系统的复杂性。现实世界大多数工程系统，都是复杂系统，因而既需要了解系统中各部分如何运作，也需要了解这些部分间的相互关系，以及时间和环境如何影响它们的运作模式与相互关系。雷普克指出，如果只经过公修课和单一传统学科的学习，学生往往会形成“筒状视角(silo perspective)，缺乏对整个系统背景的理解以及通过多学科视角观察现实和特定问题的能力。而跨学科研究和学习，可以通过借鉴与特定问题相关的多门学科知识，将其研究的最小系统与更大的整体联系起来。
第四，知识方法的复杂性。如今的大部分工作都变得越发知识密集，而计算技术的发展更加剧了这种复杂性。无论是雷普克所说的建立模型进行模拟，还是德里克所说的使用数字技术生成分析大量数据，分析与解释模型和数据经常需要多个学科的知识。与此同时，这种抽象的模型和数据加大了解读知识的难度，因而更要求人们掌握理解、运用和整合多学科的知识和方法。
2. 跨学科教育是高等工程教育改革的有效推动力。
美国国家工程院在其报告《教育2020年工程师》中指出，“我们正在失去对年轻人想象力的争夺……许多人认为工程教育是一种公式化的、枯燥的、个性化的活动，很大程度上是由获得碎片化的、深奥的技术技能驱动的。在学生的头脑中，工程与他们关心的问题之间的联系是模糊的。”
如果说新工科建设必将推动高等教育深层次变革[1]，那么跨学科教育将有效助推高等工程教育改革。纽厄尔等指出，跨学科研究可以有效地推动通识教育、专业培训、社会经济与技术问题解决，培养批判性思维、教师发展以及生成新知识等。以下我们从学生、教师以及学校三个角度，探讨跨学科对于高等工程教育的重要意义。
（1）学生将从跨学科教育中受益
《教育2020年工程师》指出，“现实世界中的问题很少被界定在狭窄的学科范围内。本科学生应该从隐藏于这些问题中的学科之间的相互作用中学习受益。”跨学科教育可以从学习动机、素质能力与信心培养等方面使学生受益。
首先，跨学科教育能够提升学生学习动机。安布罗斯等指出，如果学生认为自己的学习目标有价值，其学习动机的水平会更高。学习目标的价值可分三类：一是成就价值，即从完成学习任务的结果中获得的满足感；二是内在价值，即对学习任务感兴趣或认为其有意义，在完成过程中获得的价值感；三是工具性价值，即通过完成学习任务获得的外部奖励。跨学科教育会带来学习目标价值的提升。首先，跨学科教育会“基于那些重大的、扣人心弦的问题开设课程”。由于情感目标和社会性目标在课堂中扮演着重要角色，因而这类重大问题会让学生获得更大价值感。同时，跨学科教育以解决问题为目标的迭代过程与最终结果，会激发学生学习兴趣并带来满足感。进一步，学生通过跨学科学习会认识到，他们在课堂上所解决的这些问题，能够帮助他们成为一名高水平的工程师，进而获得为未来职业做准备的工具性价值。
第二，跨学科教育能够提升学生的成功智力。雷普克介绍了成功智力的三个方面：创造性智力用以构想出解决方案，分析性智力理解方案并评估其功效，实践性智力是以有效方式实现方案。而增进成功智力，需要在这三种思维方式之间保持平衡。我们传统的课程，往往过分突出惰性的分析性智力培养，忽视了更关注现实世界多样性的另外两种思维。在跨学科教育中，学生针对复杂问题，整合不同学科认识，设计并实现解决方案，因而可以有效提升他们的创造性与实践性智力。
第三，跨学科教育能够全面提升学生的素质与能力。《教育2020年工程师》指出，基于多学科团队参与重大挑战的本科工程教育将有多种效益，包括领导力、沟通和团队合作技能、跨文化和跨国家意识，最重要的是，学生对自己为科学和工程界做出贡献的能力有信心。雷普克则从大量有关跨学科研究的文献中提取出跨学科研究者所共有的素质和技能，其中素质包括事业心、爱学习、反思、容忍复杂状态的歧义和悖论、对其它学科的接受能力、愿意熟识多门学科、重视多样性、愿意合作、谦逊等，技能则包括交流能力、抽象思维能力、辩证思维能力、创新思维能力以及整体思维能力等。
（2）教师将从跨学科教育中受益
跨学科教育对于教师同样具有积极作用。首先，由于跨学科教育是以解决真实复杂问题为目标，同时包含了寻求解决方案的研究过程，因此教师更容易将教学与科研进行融合，与学生建立学习共同体，形成新的创新性的见解。其次，不同学科教师在共同开展教学的过程中，通过交流合作熟识彼此学科领域，更容易找到学科交叉领域的新的研究方向与研究方法，形成新的研究增长点。正如《教育2020年工程师》所述，“教师们将体验到学习新事物和建立新伙伴关系带来的智力上的兴奋，并能够把更多的精力集中在他们真正关心的事情上，比如开展更重要的研究，真正改变年轻人生活，为社会做出贡献。”
（3）学校将从跨学科教育中受益
《教育2020年工程师》还指出，“如果精心构建新的教育环境，可以在许多方面造福于学校：提高学校与利益相关者的信誉，因为大学开展研究的目的是解决当地社会问题；与当地组织和国际盟国建立更好的伙伴关系；使学校对于来自不同背景的学生和教师更有吸引力。”事实上，如果学校能够有效推动跨学科教育，将能够更好地解决重大问题，激发教师与学生的积极性、活力与创造力；能够与开展跨学科教育的同类机构建立伙伴关系并共享资源和成果；能够使得不同学科间更好融合促进，进而生成更多新的研究与教育增长点。
三、如何定义工程领域的跨学科教育？
下面我们从跨学科研究与教育的定义出发，探讨工程领域的跨学科教育应具备的要素，并以此为基础呈现三个观点：跨学科教育不同于双学位（辅修）或者通才教育、跨学科教育不应试图寻找公认的知识内核、跨学科教育与多学科教育不同。
1. 工程领域跨学科教育的五个要素。
雷普克指出，“研究”是跨学科不可分割的一部分，因为开展研究意味着寻找解决人类面临的各类复杂问题的新方法，是对已有知识结构的根本挑战。因此，这里我们从跨学科研究的定义出发来定义工程领域的跨学科教育。
雷普克归纳了广泛认同的跨学科研究的五个定义。作为五种定义中的一种，罗顿等在《文科院校的跨学科教育》一文中，将跨学科教育定义为：一种课程设计与教学的模式。在该模式下，单个教师或团队对两门或多门学科或知识体系的信息、数据、技术、工具、观点、概念或理论进行辨识、评价与整合，以提高学生理解问题、处理问题、评价解释、创造新方法和解决方案的能力，而那些方法和解决方案超出了单门学科或单个教学领域的范畴。
雷普克则从五种定义中识别出跨学科研究共有八个关键要素，即
①跨学科研究有特定的现实关注。
②跨学科研究所关注的内容超出单门学科视野。
③跨学科研究与众不同的特点，即它关注复杂问题。
④跨学科研究有可辨识的进程或研究模式的特征。
⑤跨学科研究明确以学科为依托。
⑥学科为跨学科研究特定的现实关注提供了见解。
⑦跨学科研究以整合为目的。
⑧跨学科研究进程是务实的：以新知识、新产品或新意义的形式推动认知进步。
基于此，雷普克给出跨学科研究的整合式定义：跨学科研究是回答问题、解决问题或处理问题的进程。由于这些问题太宽泛、太复杂，靠单门学科不足以解决。它以学科为依托，以整合其见解、构建更全面认识为目的。
在已有文献中，未见到针对工程领域跨学科教育的明确定义。这里，我们在工程教育领域对上述要素进行重新梳理，定义工程领域跨学科教育的五个要素如下：
①问题：具有现实关注，并且超出了单门学科能够解决范围的复杂问题。
②学科：指既有的（单门）学科，包含学科内的信息、资料、技术、工具、观点、概念或理论等。（单门）学科是跨学科的依托，跨学科不是没有学科，而是建立在多个（单门）学科基础之上。
③过程：针对复杂现实问题，整合多门学科寻求解决方案的迭代。这种过程，不是偶然的、突发的，而是有步骤有计划，不断重复迭代改进，最终导向目的。
④目的：跨学科学习活动的直接目的是形成新的设计、产品等，而跨学科教育的目的，则是在整合多门学科，解决复杂问题过程中提升学生素质能力。
⑤利益相关者：广泛采纳学界以外的声音，即利益相关者的观点。在工程活动中，从用户需求出发，关注工程对社会、环境等的影响，是工程教育的核心内容之一，因而应充分体现在跨学科教育中。
2.关于跨学科教育的三个观点。
基于上述定义与讨论，我们给出关于跨学科教育的三个观点。
观点1：跨学科教育不同于双学位（辅修）培养与通才教育，是不同学科间的整合。
尽管广义来看，双学位（辅修）培养也属跨学科教育范畴，但显然这种形式既无法针对所有学生开展，同时每个学生至多只能研修2~3个学科专业，更重要的是，学生只是学习了多个单门学科，缺乏整合过程，因而与本文所强调的，跨学科教育是通过整合多门学科，解决复杂问题，进而提升学生的素质和能力，有着明显不同。
大类培养的通才教育，同样有违跨学科教育的初衷。我们不妨设想，如果用“通才教育”的方式制订机器人工程专业培养方案，就会将与之相关的机械、电气、控制、电子通信等专业开设的若干门专业基础课和专业课并置于课程计划中。这样做会发生什么？
根据学习理论，作为某一领域的专家，我们经常在脑海中无意识地创造并储存一个复杂的知识网络，这一网络把重要的事实、概念、程序与本领域中的其它要素联系起来，而且我们还会围绕某些有意义的特征和抽象的原理来组织本领域的知识。而作为新手的学生，他们和专家相比，所掌握的概念、事实和技能之间的联系密度或数量不同。对于他们来说，知识组织方式将决定他们学习质量的高低。
参考学习理论中的知识组织示例，图1中给出学生在A、B两个学科专业领域的知识组织情况示意图。图中的圆点代表了概念、事实和技能等知识点，连线则表示这些知识点之间的联系。如果连线的密度越大，数量越多，则表明精熟水平越高。
图1 两个学科知识组织示例
如果学生选择通过双学位同时修读A、B两个学科专业，那么最好的情况是图1(a)，学生在两个学科领域中都形成了具有较为丰富意义联系的知识组织结构。而经过通才教育式的大类培养，最好的一部分学生也有可能达到图1(a)，但他们可能会抱怨，其在A、B两个学科领域中学习的精深程度不如这两个专业的学生。
对于主修A而辅修B学科领域的学生而言，他们所形成的知识结构很可能如图1(b)所示，即在主修的领域内建立了较为丰富的联系，但在辅修领域里面，只习得了一些分散的知识点，由于没有形成有效的知识组织结构，学生既很难深刻理解也很难应用这些知识点，因而很容易遗忘。
对于大多数通才培养的学生来说，由于需要学习的课程太多太散，很可能造成他们在所有涉及到的专业领域里面都是分散而缺乏联系的，如图1(c)所示，这会严重影响他们的学习质量。比如我们前面所举的通才教育式的机器人工程专业培养方案，其结果很可能是大多数学生毕业时只粗略掌握了几个专业的基本知识。
但即使是图1(a)，也不是本文所强调的跨学科教育。跨学科教育不是简单地将多个学科的知识传授给学生。我们无法达成共识哪些知识属于跨学科范畴，学生也无法将这些离散知识相关联。跨学科教育的最终目标，是培养学生整合多个学科解决复杂问题的能力，因而一定会在不同学科领域间建立联系。显然，跨学科教育的知识组织结构，应该如图1(d)所示。
从以上分析中可以看出，不同学科间的整合，是跨学科教育的重要组成部分和最重要特征。
观点2：跨学科教育不是找到公认的知识内核，而是面对真实复杂问题开展研究。
在图1中，如果我们把每门学科比喻成包含数以千计圆点的匣子，每个圆点代表了本学科里的各种视野、见解、概念、理论、资料、方法、数据，在这些学科之上，我们该如何构建跨学科体系呢？
雷普克指出，传统学科有一个普遍公认的知识内核，即总课程，该内核又细分为具体科目。一般来说，每门学科的知识内核（总课程）是普遍公认的，也就是说，把上述匣子里的哪些圆点拿出来构成该学科的知识内核，是有规可循的。那么，这是否意味着，如果我们想要开展跨学科教育，就需要从多个学科里面抽取并重新整理知识圆点，用这些圆点构成跨学科的知识内核呢？
以土木+信息跨学科教育为例，如图2所示，土木工程学科的知识内核，包括测量、材料、力学、结构、施工、工程造价等，而信息学科的内核则包括软硬件设计、信息传输与处理、检测、控制等。该从两个学科匣子里，选取哪些知识圆点呢？显然，不同教育背景、行业、岗位的专家和从业者，在这个问题上很难达成共识。例如，处于土木工程全生命周期规划、设计、施工、运维四个不同阶段的从业者的看法可能大相径庭，而同样从事土木信息化的两个毕业生，如果学历层次、修读专业等教育背景不同，也会对此抱有分歧。
图2 土木与信息学科知识内核示意图
因此，一个或许悲观的论断是，我们可能始终都无法找到跨学科研究和教育中普遍公认的知识内核。正如雷普克所指出，“跨学科研究者对单纯重新整理这些千变万化的知识圆点不感兴趣，他们感兴趣的是将其整合成新的更全面认识，也就是知识的累积”。
跨学科研究与教育的初衷，是为了解决复杂的、现实的、超越了单个学科范畴的问题。因此，寻找合适问题，才是跨学科教育的出发点。以土木+信息为例，桥梁结构在服役过程中，会受到环境载荷作用、材料老化、疲劳反应等影响，加之自然或人为灾害，会对桥梁健康状态带来影响，严重时甚至会发生灾难性垮塌事故。基于信息传感与处理技术的健康检测系统的迅速发展，有效弥补了传统人工检测方式的不足，特别是大数据技术的应用，更为其提供了良好的发展前景。显然，面对该问题开展跨学科教育，就无需纠结于知识内核的提取，而是关注如何设计与实现解决方案，这就是下文将介绍的课程——交通基础设施健康监测。
观点3：跨学科教育不是多学科教育，不是学科间的对话，需要突破学科边界。
雷普克将多学科与跨学科研究分别比作水果拼盘和混合果汁。水果拼盘中的每种水果代表一门学科，它们紧紧相邻，外观味道彼此独立，对于水果类型和数量的选择，可能是为了好看。混合果汁则不同，它以预期的味道外观等（最终结果）为目的，来选取水果（学科及其见解），而水果的混合（整合进程）改变了每种水果的成分并形成了新的东西（更全面认识）。图3来自报告《促进跨学科研究》，很清楚地给出了多学科与跨学科的差异。
图3 多学科与跨学科的区别
事实上，多学科是将不同学科并置来寻求解决，每个学科就共同关心的问题自说自话，每门学科的特有要素仍然保留其本来特征。尽管与跨学科一样努力克服学科的单一性，但多学科仅仅是意识到学科边界的存在，并且通过定义接口保持本学科的独立，如图4(a)所示。而跨学科不同于多学科，它是以解决复杂问题为目标，有意识地整合不同学科的资料、概念、理论和方法，因而需要突破学科边界，如图4(b)所示。
图4 多学科与跨学科中学科间关系示意图
下面我们分别以两门课程为例，来阐明多学科教育与跨学科教育的区别。第一门课程是“设计+信息”的智能产品设计，其目标是设计、制作智能产品。第二门课程是“土木+信息”的交通基础设施健康监测，其目标是设计、实现用于桥梁、隧道等交通基础设施的健康监测系统。
在智能产品设计课程中，工业设计专业的学生对自己的定位是完成产品的功能、外观等设计，拿出能够“更好满足人的需求”的设计方案。而信息学科学生的定位是根据产品的设计方案，形成电子线路与计算机软硬件系统，其追求体现在“用更好技术实现”。显然，如果在课程里面开展多学科教育，两个学科的接口就是产品设计方案。这样做的问题在于，设计专业的学生没有机会去完成并进而不断修正完善他们的设计原型，而信息学科学生也没有关注到用户需求与经济约束等因素，以及如何从技术实现角度，实现更好的功能与外观设计。
交通基础设施健康监测课程中，在土木专业学生看来，信息学科就意味着工具，为桥梁等基础设施的监控提供传感设备（电子）、传输通道（通信）、数据存储处理（软件）等。而从信息学科来看，桥梁检测是其应用场景，只需按照需求实现电子设备与软硬件系统。事实上这正是目前基础设施健康检测领域的实际状况，即土木和信息两个学科都止步于本学科。举例来说，如果希望采用基于机器学习的方法来预测可能出现的桥梁非健康状态，可能由于土木学生不了解算法原理，信息学生不了解桥梁结构、材料等特征，双方都无法对机器学习中的数据提取、特征构建、算法选择、模型训练与诊断等进行联合优化，进而影响效率和性能。
显然，如果要在上述两门课中实现真正的跨学科教育，就一定要有让双方学生突破学科界限的学习活动。比如设计专业学生应完成原型的制作与迭代，信息学科学生应完成产品的需求设计，双方共同完成外观设计等。而在交通基础设施健康监测课程中，土木学生应理解软硬件系统的工作原理，信息学生要理解土木的分析模型，双方共同设计系统架构和解决方案。
因此，我们认为，经过跨学科教育，所有学科学生都应能理解系统整体框架，包括各模块作用、输入输出、模块间关联；同时能够理解并充分发挥本学科在整个系统中的作用与优势；进一步，能够熟识其它学科，与其它学科的人用对方学科语言进行交流与合作；最重要的是，能够理解不同学科间的耦合关系，并基于这种理解，改进优化解决方案。
四、跨学科教育案例分析
上文我们定义了工程领域跨学科教育的五个要素，将其整理在表1中，分别为“具有现实关注超出单门学科范畴的复杂问题（问题）”、“作为基础和依托的学科（学科）”、“整合多门学科的迭代过程（过程）”、“通过设计实现产品提升学生能力素质”（“目的”）、“体现对利益相关者的关注（“利益相关者”）。我们基于这五个要素分析三个跨学科教育案例。
表1 跨学科教育案例要素分析
案例1：欧林工学院的教学实验
第一个案例是欧林工学院院长理查德·米勒提到的一次教学实验：“当你把这些没有足够的物理学和微积分知识储备的18岁学生，置于一个真实的工程设计问题之中，同时也不告诉他们没有备好他们所需要的材料，同时还要期望他们能够取得成功，他们会怎么做？”
具体来看，这个实验是让学生在五周之内自己设计并制作一台脉搏血氧仪。学生可以查阅文献，请教老师专家，有些工具和部件，仅此而已。奇妙的是，尽管老师们自己也没有做过，且认为学生不可能按时完成这项任务，但是学生最终把脉搏血氧仪做出来了，并且与医院的仪器功能完全一样。
表1中，这个制作脉搏血氧仪的学习活动，在“问题”、“过程”、“目的”三个选项上我们设置为“强”。脉搏血氧仪是在医院实际使用的生理指标测试仪器，且其设计与实现涵盖了生命、医学、电子等多个学科，显然这是一个真实情境下的复杂问题。尽管没有详述学生完成制作的过程，但不难想象学生所经历的一次次尝试、失败、再尝试的过程。正如米勒校长所言：“学生教给我们一条非常重要的道理。这个道理也很简单：工程不是一个知识体。它包含知识，却不是知识体。工程是一个过程，是个迭代变化的过程。人们尝试做某个物件，行不通；然后稍加改变，再次尝试，还是行不通；你坚持改变，直到它变得越来越好。”从结果来看，造出一台能够使用的脉搏血氧仪，是直接结果，而在这过程中学生的成长，才是学习的最终目标。“我们得到同样重要的另一个认识是，设计和制造这个装置的经历对学生产生了深刻影响......他们洋溢着热情与自信。”
表1中，我们将欧林教学实验的“学科”与“利益相关者”两个选项设置为“弱”。前者是因为，尽管需要多个学科的知识，但学校并不直接对学生提供这方面的教学，主要依靠学生自主学习。需要关注到的一个背景是，欧林工学院的学生数量少、学习动力强、能力素质较高，因而只能是工程教育改革的试验田。如果在普通高校工程教育中直接照搬这种模式，风险较大。更为稳妥的方法是，在课程中更有计划地开展针对“学科”的学习。对于“利益相关者”选项来看，因为这个题目为教师指定，因此没有考虑用户需求。当然这是由该教学实验的特殊背景决定，并不代表欧林工学院其它课程情况。
案例2：跨学科课程——运动科技与智慧人生
第二个案例是西南交通大学已开设四年的跨学科课程——运动科技与智慧人生。简单来说，这门课程的目标是设计开发与运动相关的科技产品。课程教学团队由五位分属体育、力学、机械、电气、经管学科的教师构成，学生来自全校各专业，甚至包括中文等文科专业。
表1中，我们将这门课程的五个选项都设置为“强”。从“问题”选项看，课程超越了单个学科范畴，将体育学科与工程学科有机结合，设计实现能够辅助运动员与运动爱好者进行科学有效运动的软硬件产品，能够很好贴近青年学生对体育运动和科技产品的爱好。
从“学科”选项看，五名来自不同学科的老师，以及丰富合理的学习活动，能够有效降低学生学科背景不足导致的失败风险，同时持续保持学生的学习兴趣。比如通过拆卸乒乓球发球机学习机械原理、亲身体验攀岩运动学习力学知识、调试机器人模块学习电子电气、设计营销方案展示产品等。
课程的教学设计充分体现了迭代的“过程”。从体验到实践、从简单到复杂、从模块到系统、从构想到成品。而课程通过让学生体验多项运动，调研运动中的科技运用，研究运动过程中人体肌肉变化，从而进一步思考如何提升运动的效能、安全性，有效引导了学生对利益相关者即用户的关注。
学生最终拿出的产品，如“射箭辅助智能训练”、“多功能登山杖”、“攀岩向导APP”等都是多学科整合的成果。而在学生的课程心得体会中，也能清晰看到学生的成长。有学生表示“这门课让我从一个‘小透明’到在团队中能主动动手参与其中，这是我从小到大学过最有意义的一门课。”也有学生说“这门课带给我们的更多是惊喜，一次次看到自己潜在的能力，一次次运用所学的知识创造新的产品。”还有学生说“其实在上这门课之前，我们就知道最终要自己做出一个关于运动的产品，当时想，这怎么可能完成啊，我们才是大二的学生啊！没想到最终竟然真的可以做出来。”
案例3：跨学科课程——从代码到实物：造你所想
第三个案例是来自西南交通大学创客空间的跨学科课程——从代码到实物：造你所想，带有较明显的创客教育特征。正如田中浩也指出，“制造”可以分为三种类型：作为手工文化的民间工业和工艺制作；用于量产的工业和制造业；随着信息技术发展起来的新型工业个人化制造，即可以放在办公桌面上的，用以处理“信息”的计算机与处理“物质”的制作设备，如3D打印机、激光切割机等，由此个人拥有了制造的能力。
具体来看，学生会在课程中学习3D打印、电子线路板设计制作、激光切割、雕刻与铸造、开源硬件、软件编程等多门计算机、机械、电子专业课程的最基本内容，在这些工具与材料的学习中，不断修正自己“制造什么”的想法，最终将构想变为成品，完成制造过程。
表1中，我们将这门课程的“学科”、“过程”、“目的”三个选项都设置为“强”。与案例2将学科内容的学习内置于体验式学习活动略有不同，这门课程更为显性地让学生学习和了解各类工具与原材料，并在学习过程中不断修正“制造什么”的想法，避免尽管有很好的想法，最终由于工具和材料的限制无法完成制造过程。学习完每个电子、机械或计算机的设计、制造工具单元后，学生都有机会使用这些工具去完善其原型设计，进而不断迭代，逐渐接近最终的成品。从学生的成果来看，即使是低年级学生，也能够完成较为复杂的产品设计制作。其学习成果正如一位学生所说，“我在每周一次的课程中一次次接触那些技能：Fusion 360、数控雕刻、3D打印......在期末结课时完成了一个避障小车，从画电路，到编程，再到外观设计......我们对大千世界、学习成长、达到新的卓越境界和发现新事物都深深着迷。我们的热情从学习或工作中的一个具体领域延伸到各个学科领域。”
表1中“问题”和“利益相关者”两个选项，我们设置为“强/弱”，是想说明可能存在的风险。与设计思维中强调“以用户为中心”不同，创客教育是“以创客为中心”的“随心制作”，因而有可能忽视对现实复杂问题以及利益相关者的关注，这也是将创客教育引入课程时需要重视的问题。在实际授课过程中，课程教师团队通过引入设计思维，引导学生关注现实问题，很好地规避了上述风险。
五、关于跨学科课程建设的建议
跨学科教育包含多种形式，其中以本科生参加教师科研团队为主要形式的课外科研训练，能够取得非常好的效果。但正如伍德所指出，课外科研训练100%的参与率是不可能的，其主要约束并非来自实验条件的约束和教师时间的限制，而是由于本科生自身的动力不足，准备不够。因此，我们主要针对跨学科课程的建设给出几点建议。事实表明，如果设计得当，与课外科研训练相比，跨学科课程可以让更多学生参与，其效果也更有保证。
首先，需特别关注如何让学生“获得问题”。如果直接把问题给学生，更容易保证问题是复杂且跨学科的，并可通过跨学科整合实现解决方案，但从学生角度看，可能会忽视现实关注与利益相关者。反之，如果让学生从自身经验出发，结合实地调查和市场反馈等方式来确定问题，他们会更好地关注真实情境和各种约束，但在保证问题的复杂性、跨学科性，以及可通过整合来解决及实现等方面存在风险。因此，需要通过有效的课程教学设计，让学生“获得”恰当的“问题”，并在获得问题的过程中成长。
第二，要将“制作产品”作为课程的直接目标。这里的“产品”，可以是解决方案、设计原型或者成品，总之是经过“制作”过程之后的结果。这种“制作”过程，在把学生的构思创意转化为实际“产品”的过程中，承载着整合不同学科知识，实现不断迭代优化，进而培养学生创新精神、终身学习、团队合作、关注社会、沟通交流等素质能力的教学目标。如果没有这样的“制作”过程，就缺少了达成教学目标的载体，使课程变得空洞而乏味。
第三，教学设计应特别关注“学科”和“迭代”。教学设计要重点关注如何学习学科知识、如何设计学习活动、如何在多个学习活动间实现迭代等问题。从学科知识看，一方面需要在课程中有组织有计划地让学生来学习，另一方面，这种学习只需要做到雷普克所说的“熟识而非精通”[10]即可，学生会在迭代过程中不断深化他们的学习。在设计每项学习活动时，要关注学生学习兴趣及其与课程整体目标的关系，特别是要把握其深度与难度，保证学生跳一跳能够得着。而在安排多项学习活动时，要体现从简单到复杂的过程，要让学生不断有机会将学到的学科知识加以应用和整合，要有让学生修正其设计与实现的机会。要在课程过程中让学生不断克服困难并获得满足感，最终要有为学生带来巅峰成就感的成果展现形式。
第四，将设计思维引入跨学科课程。设计思维可以让学生更好地关注利益相关者，包括个人经历与体验、用户、产业、社会与环境等。美国国家工程院在其报告《2020年的工程师：新世纪工程的愿景》中指出，工程是一个创造性的过程，是在各种约束下进行设计。设计思维以“用户为中心进行设计”的核心精神，正好与工程实践应更多关注人，关注工程实践活动对人类生活影响的理念相吻合，帮助学生理解工程实践的本质是让社会和生活变得更美好。此外，设计思维为我们提供了一套以人为本的解决问题的方法论，即从人的需求出发，多角度地寻求创新解决方案，并创造更多的可能性。遵循这样的方法体系，学生能够更好地突破固有思维模式，能够学会关注用户的需求，设计的可实现性及其商业与社会价值，使得学生理解创新是有路可循，有工具可用的设计过程。
第五，从跨学科研究开始进行跨学科课程设计。正如前文指出，跨学科课程不应从寻找知识内核开始，而是应该从具有现实关注的复杂问题，以及找寻问题的解决方案出发。从跨学科研究开始，是因为研究项目会有很明确的研究意义、拟解决问题、研究内容、解决方案、预期成果（方案、产品、理论、方法)，这样的项目经过教学设计就可以转化为具有现实意义的跨学科课程。因此，在跨学科课程建设之初，首先需要不同学科老师通过研讨，找到共同感兴趣的研究点，作为整合领域。针对整合领域，教师合作开展跨学科项目研究，并将研究工作与课程教学设计相结合。
第六，打造跨学科的课堂。这里所说的跨学科课堂，除了前文提到的五个要素外，还包括教师、学生及环境。教师的跨学科特别重要。这并非意味着教师一定要来自不同学科。事实上，即使教师来自不同学科，如果他们没有突破自身学科边界开展真正的跨学科合作，学生往往会在不同学科间无所适从。此外，跨学科的学生组成，会给跨学科课程带来更丰富的多样性。但由于在跨学科研究中，不同学科发挥作用及所处地位不同，跨学科教育中学生也会对自己在跨学科团队中的角色作用进行定位，这一点从前面关于“设计+信息”和“土木+信息”的例子中不难看出。因此应关注不同专业学生的作用发挥，特别要有学习活动和考察环节促进他们突破自身学科边界。此外，配备相关仪器设备能够进行“制作”的空间，以及为教师学生学习共同体专设能够进行知识“分享”的教学环境，这都是跨学科课堂的重要的组成部分。
第七，从教学管理角度推动跨学科课程建设。除了经费投入与政策支持外，建议加强三方面工作。一是加强教师发展，特别是为不同教师的跨学科交流合作提供平台，可以采用的途径包括开设跨学科课程设计工作坊，支持跨学科的教学研究项目与跨学科课程建设项目等。二是建立跨学科课程质量评价机制，包括课程质量标准、评价方法与反馈改进机制，帮助教师不断提升跨学科课程质量。三是将跨学科课程列入学生培养方案，使更多学生能够从中受益。针对这个问题，要关注到学生的兴趣与适应性问题。因此30人以内小班教学、学校层面主导建立跨学科课程群为学生提供更多课程选择等，都是可以采用的方式。
第八，跨学科研究视野下重构课程体系。雷普克指出，“假如（课程体系中）每个相续课程都必须重新开始的话，跨学科研究课程就无法令交叉学科更深刻、更完备”。因此课程体系中的所有课程，都应对跨学科教育有共同认识，并将其进行呈现。也就是说，跨学科教育不仅可作为一种独立的课程存在，也可嵌入现有课程成为其有机体的一部分。此外，跨学科教育应尽早开始。一方面，正如德里克所说，跨学科的方法可以帮助学生保持对科学和工程的兴趣，特别是如果这样的方法能够贯穿他们的整个大学经历。第二，雷普克认为，交叉学科早期讨论越详尽，在后面的课程中，学生就越有可能对其有清晰的认识。此外，作为跨学科课程要素的迭代整合过程，也应尽早开始。正如《教育2020年工程师》中指出，工程实践的本质，包含了设计、预测性能、构建和测试的迭代过程，因此应该完整体现在课程体系中，特别应该从课程的最初阶段（包括第一年）开始教授。事实上，西南交大尝试将上述包含五个要素的跨学科教育模式融入新生研讨课，也取得了良好效果。
六、结论
本文探讨了新工科建设背景下跨学科课程建设问题，特别提出了工程领域跨学科教育的五个要素：问题、学科、过程、目的、利益相关者。以此为基础，分析了跨学科教育与双学位（辅修）培养、通才教育、多学科教育的区别，指出跨学科教育不是尝试找到跨学科的知识内核传授给学生，而是让学生在整合不同学科解决复杂问题的过程中，提升能力和素质。进一步，我们结合三个跨学科教育的案例，对其要素进行分析，并针对跨学科建设提出了八个方面的建议。
（作者简介：郝莉，西南交通大学信息科学与技术学院院长、教授、博士生导师；冯晓云，西南交通大学副校长、教授、博士生导师、国家级教学名师；宋爱玲，西南交通大学体育工作部教师；李君，西南交通大学信息科学与技术学院教师。）
（摘编自2020年3月10日《高等工程教育研究》）
