一、引言

法国工程师这一职业有着古老而闻名的历史。迄今为止，法国社会很多耳熟能详的科技成就都是工程师的杰作。闻名于世的埃菲尔铁塔由工程师古斯塔夫·埃菲尔(Gustave Eiffel, 1832-1923)于1889年为世博会设计建造。基础物理学方面，工程师查尔斯·奥古斯丁·德·库仑(Charles Augustin de Coulomb, 1736-1806)提出库仑定律；菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel, 1788-1827)是波动光学的奠基人。热力学方面，法国陆军工程师尼古拉·约瑟夫·居纽(Nicolas Joseph Cugnot，1725-1804)制造出第一辆蒸汽机驱动的汽车；尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺(Nicolas Léonard Sadi Carnot，1796-1832)是热力学的创始人之一。航空学方面，法国工程师克雷芒·阿德尔(Clément Agnès Ader，1841-1925)发明了历史上第一架飞行器，至今法语中的飞机一词“Avion”便是来源于此飞行器；马塞尔·达索(Marcel Dassault，1892-1986)是著名的法国飞机设计师和企业家。

以上各位杰出代表均接受过法国精英教育——工程师教育体系的培养。法国工程师教育体系沿用至今，仍保持着其不同于其他国家工程教育的优势和特色。迄今为止, 中国已有多所高校引进了这一教育理念, 通过联合办学、学位互认等方式建立了广泛的合作。^[1-2]但国外教育理念如何更好地服务于中国高等教育，探究有中国特色的卓越人才培养模式，一直是中国高等教育界关心的问题。

不同于描述教育体系整体框架的研究，该篇文章的特色是通过探究工业科学这个法国工程师预科体系中新生且重要的一门课程的诞生、发展和变革的整个历程，深入理解法国工程师体系的特点和优势，并依托北京航空航天大学(以下简称“北航”)中法工程师学院的实际教学经验，讨论工业科学课程在中国教育体系中的引入和优化，为中国高等教育的发展提供一定的参考。

二、法国工程师预科教育体系的诞生

法国第一所军事工程师学校(École nationale de la marine marchande de Marseille，2010年并入法国国立海事大学)建立于1571年，随着18世纪中叶工业革命的兴起和传播，第一所国立工程师学校(École des ingénieurs-constructeurs des vaisseaux royaux，现并入ENSTA ParisTech)于1741年建立。经历了约275年的发展，法国现有207所法国工程师职衔委员会(法国工程师职衔委员会成立于1934年)认证的拥有工程师学位授予权的工程师学校。^[3]

法国工程师教育体系的诞生和发展演变与世界工业革命及法国工业化进程息息相关。第一次工业革命时期，法国工程师教育蓬勃兴起、不断成长，确立了其国家意志的精英教育地位；第二次工业革命时期，法国工程师教育壮大成熟、不断规范，确立了其品牌质量的国际地位；第三次工业革命时期，法国工程师教育主动变革、加强国际化，推动了其科技与产业融合的时代变革。延续至今, 这一教育体系仍然伴随着社会的进步不断的寻求发展和变化。

法国工程师学校建立的初衷是为军队选拔培养优秀的科技人才(例如炮兵等)，使其能够在军事国防、建筑交通、工业环境等领域发挥作用。除此之外，法国大部分工程师学校都有授予硕士、博士学位的权力，工程师毕业后可以直接进入博士阶段学习，这为毕业生提供了更宽的升学选择。得益于工程师学校毕业生的高就业质量和高社会声誉，越来越多的优秀青年希望能够被选拔进入工程师教育体系，随之竞争激烈的考试体系便也慢慢建立起来。在此背景下，法国工程师预科教育体系于18世纪末19世纪初诞生了，预科教育阶段和工程师教育阶段紧密相关，共同组成了现在的法国工程师教育体系。

预科教育是连接高中和工程师阶段的中间环节。法国大革命以后，高级军官等职位不再预留给贵族，而是面向公众开放，选拔的唯一标准是个人能力。19世纪初，拿破仑对高中教育进行了改革，在高中之后增加了两年特殊的“高等教育班”，为巴黎综合理工、高等师范学院的工程科学专业和军事院校等培养和选拔优秀人才，这便是预科教育的雏形。19世纪中期，此类的预科学校仅有15所，且诞生伊始，仅有与科学相关的学科。直到19世纪末，文学和商科才慢慢出现，20世纪中叶，民主化广泛发展之后，预科教育才大面积普及。根据法国1994年11月23日颁布的法令(Décret no94-1015, www.legifrance.gouv.fr)，目前的预科教育体系分为工程师学院预科、商学院预科和文学学院预科三类。文章将着重介绍法国工程师预科教育体系。

三、法国预科教育体系的现状及工业科学课程的建立

同其他国家的高等教育不同，法国持有高中会考毕业证书(Bac)的优秀高中毕业生不是直接进入大学学习，而是进入工程师预科学校。法国的预科学校，又称为“大学校预科班”(Preparatory Classes for the “Grandes Ecoles”，CPGE)，作为法国高等教育的一部分，一般设立在教学质量良好的重点高中。预科班的录取取决于学生高中二年级和三年级的综合成绩以及老师们的评语。预科班学生经过两年或三年的高强度学习之后，通过淘汰率很高的入学考试(Concours)方能进入大学校(Grandes Ecoles)，其中大部分为工程师学校。因其拥有特定的优质资源，教育规模必然受到限制，所以它并不是全民教育，而是专门为优秀学生打造的“精英教育”。法国工程师预科教育体系在世界上是独一无二的，为了满足工业界的需求变化，预科教育的课程体系也在不断的自我完善和改革。但是，这一体系的存在与否却很少被政府或者教育研究者质疑。法国教育界普遍认为，跟传统大学相比，预科教育给学生提供了更高水平的师资、更扎实宽广的基础知识以及更严格的筛选和监管制度。

法国工程师预科教育体系涵盖的基础知识范围很广，涉及工程科学各个领域的基础学科，传统课程包括物理、数学、化学、生物、地球科学等。政府还会根据工程师学校专业设置的变化和社会需求的变化不断地调整预科专业分布及知识结构。

20世纪90年代，面对经济全球化、信息技术革命、人口老龄化的背景，源于美国的新技术革命发生了。以法国和德国为代表的曾具有优越工业技术能力的欧洲模式受到挑战，这迫使法国强调发挥技术劳动者的积极性，促进企业把创新技术应用于生产。同时，学科交叉和宽口径培养被公认为是未来工程教育的趋势。1995年，在工程师学校的强烈要求下，工业科学课程被引入工程师预科教育体系中的多个专业方向，工业科学课程体系开始正式建立起来。工业科学课程设置的目的是培养学生系统思维能力和多学科综合运用能力，主要内容是培养学生运用力学、机械、自动控制等相关基础知识对实际工业系统进行分析和建模，培养学生学习检验已有设计系统的性能并完成系统优化。工业科学课程的学习和考核主要采取理论学习、实践研究、口头报告等多维度能力培养的方式。

自1995年起，预科学校第一年设置的五类专业方向中，有三类增加了工业科学的课程，分别是数学物理和工业科学(MPSI)、物理化学和工业科学(PCSI)、物理和工业科学与技术(PTSI)。在预科第二年设置的六类专业方向中，有三类专业方向包含工业科学的课程，分别为数学物理(MP)、物理和工业科学(PSI)、物理和技术(PT)。此外，其他三类分别为物理化学(PC)、生物化学物理和地球科学(BCPST)、工业科学与技术(TSI)。预科学校的第一年的五类专业方向与第二年的六类专业方向有着密切联系，如图 1所示。

预科一年级选择数学物理和工业科学(MPSI)、物理化学和工业科学(PCSI)两个方向的学生，在第二学期必须选择一个小专业：数学物理和工业科学(MPSI)的学生可以选择计算机科学(Info)或者工业科学(SI)；物理化学和工业科学(PCSI)方向的学生可以选择化学(Chimie)或者工业科学(SI)。选择了工业科学(SI)的学生在预科二年级可以进入物理和工业科学(PSI)专业学习，选择了计算机科学(Info)和化学(Chimie)的学生在预科二年级将分别进入数学物理(MP)和物理化学(PC)专业学习。此外，预科一年级选择物理和工业科学与技术(PTSI)方向的学生在预科二年级也可以选择物理和工业科学(PSI)或者物理和技术(PT)方向。预科一、二年级的生物化学物理和地球科学(BCPST)、工业科学与技术(TSI)专业方向是一一对应的。

四、工业科学课程大纲的要求及历次调整

工业科学课程分阶段贯穿在法国预科教育的第一年和第二年，不同年级、不同阶段、不同专业的课程设置和教学大纲均有所不同。上文提到，工程师预科教育中引入工业科学课程是应工程师教育的需要。同样的，工业科学课程的改革也是为了向前与高中教育接轨，向后适应工程师教育的需求，同时满足工业行业对工程师院校毕业学生的需求。自1995年设立工业科学课程以来，进行了两次大改革，第一次是2003-2004年的早期改革，第二次是2013年的近期改革。其中工程师学校全面参与了2003-2004年工业科学课程改革大纲的撰写。

(一) 1995-2002年预科工业科学课程的设置

设立工业科学课程之初，法国教育部以官方文件形式公告，规定了该课程的教学大纲和要求。^[4-6]

1995-2002年工业科学课程的大纲设置如表 1所示。可以看出，不同专业的学生，课程设置略有区别。比如，物理和工业科学与技术(PTSI)专业方向的学生，预科第一年的工业科学课程第一部分关于力学的内容要更多一些，第四部分关于工程交流技能的内容增加了技术图表及机械制图部分。物理和技术(PT)专业方向的学生，预科第二年的工业科学课程第二部分关于自动控制原理的学习内容更详尽，增加了非线性定常系统表述、频域响应和时域响应等。

(二) 2003-2004预科工业科学课程的改革

2003年，预科教育对其第一年的工业科学课程大纲进行了改革。^[7]比如，针对MPSI专业，第二阶段的自动控制原理部分，加入了有限状态控制的内容；针对PTSI专业，第一阶段的力学和机械原理部分，删除了向量和向量簇内容；针对MPSI和PCSI专业，第一阶段的刚体运动学建模移到第二阶段，第二阶段的线性定常系统的表述移到第一阶段，同时在第二阶段的工程交流技能中引入功能分析导论。针对所有专业，这次改革把第二年的自动控制原理部分的时域响应，统一移动到第一年的第二阶段。

2004年，预科教育对其第二年的工业科学课程大纲也进行了改革。^[8]主要是针对MP专业，在系统研究部分引入了系统的结构分析及功能链的分析，以及结构和功能链的建模，将原来针对PSI专业的自动控制原理部分的时序系统和GRAFCET模型引入MP专业；针对PT专业，将力学部分的刚体动力学引入导论内容；将自动控制原理部分的控制系统分析中引入Routh-Hurwitz判别法，这样就使得各种控制器的内容都得到讲授；将加工工艺的内容加以扩充，增加了对现有系统的分析(包括实际功能分析和结构分析)和针对技术功能的设计方法。针对MP和PSI专业，在自动控制原理部分中，加入了Black和Nyquist频域分析图、setback分析准则、稳定性裕度等。针对所有专业，在自动控制原理中引入主极点和降阶简化方法。改革的主要变更内容对比见表 2中粗斜体部分。

(三) 2013年预科工业科学课程的改革

法国预科工业科学课程最近的一次改革是在2013年，改革针对预科一年级和二年级。^[9]具体内容见表 3。

这次改革的背景可以概括为两个方面。一是2010年1月28日，法国新一轮的高中教育改革方案向社会公开征求意见。高中改革的目的是赋予学生更多的选择机会、给学生更个性化的帮助，让学生更加适应时代的需要。为了同新的高中教学大纲更好衔接，预科教学大纲也做了相应的调整。这次改革由预科学校独立完成，工程师学校仅提供了指导。二是随着产品(系统)复杂性的不断增加，传统的基于文件的系统工程已经无法满足需求。2010年前后，基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering, MBSE)这一概念逐渐成熟并发展起来。虽然，目前MBSE仍然是系统工程领域的前沿阵地，其定义和应用也在逐渐完善过程中。但随着国际上一些著名工业集团的大规模使用(如波音、IBM、EADS、GE等)，教育部门认为非常有必要给学生讲授这一概念，因为当若干年之后，这一概念方法趋于成熟时，现在的预科学生将成为那时工业界工程师的主力军。因此，2013年的工业科学课程改革的一个主要内容是引入MBSE的概念及方法，并统一介绍用于此模型的系统工程建模分析的应用语言SysML，引入了一种表述多物理现象模拟的模型及其算法结构。

除了一些细节的调整，2013年教学改革的另一个焦点(不仅是针对工业科学，还包括其他课程)是如何让学生掌握学习的技能(即能力的培养)，而不是仅着眼知识本身。所以，工业科学课程的设置被重新分割，现在的课程组成形式是以学生应具备的能力为基础，着重培养学生的分析能力、建模能力、解决问题的能力、交流能力、实验能力和设计能力，而且对于不同专业的学生，能力培养的具体条目也有所变化。

(四) 工业科学课程的先修课以及同其他课程的联系

工业科学的先修课主要是数学，比如复数、极限、微积分、矩阵等概念。一般情况下，这些知识在法国预科学习的相关数学课程中都会讲授。

工业科学课程同物理课有着紧密的联系，比如力学、自动控制理论以及电子学等，但又同物理课讲授的知识有所区别，如力学方面，物理课中主要研究质点受力，工业科学中主要研究刚体及刚体系统受力；自动控制方面，物理课上介绍了几种滤波器以及基于波特图和傅里叶变换的滤波器的特性，工业工程课则在深度和广度上扩充了研究内容，研究多种控制器(包括物理课中学习的几种滤波器)，研究方法是基于波特图、Black图、Nyquist图和频域含义更广的拉普拉斯变换。

从某种意义上讲，工业科学课程融入的很多基础知识类似于中国高等教育大学一二年级的基础课，比如理论力学中的静力学、运动学和动力学，自动控制原理中的经典控制理论，以及微电子学等。

五、工业科学课程的授课形式及组织实施

工业科学有三种授课形式，理论课、习题课和实践课。理论课的目的是传授给学生课程大纲规定的理论知识。习题课是小班授课，在老师的指导下完成，主要是给学生一个生活或工业中具体的案例，并通过一系列事先由教师设计好的问题，慢慢引导学生独立运用理论课学习的方法，逐一分析问题，最终解决问题，并在这一过程中，体会如何应用理论知识解决实际问题。实践课是让学生认识并感知实际工业系统或实验仪器的复杂性，培养动手实践能力。工业科学实践课使用的设备和系统都最大限度地复现生活或工业中使用的真实设备和系统，只是为了教学需要会做稍许改动，比如增加了一些传感器便于学生测量数据等。下面我们将简单介绍两个教学案例：

教学案例一：在预科第二年的力学课程里面，刚体动力学有一部分内容是关于刚体绕固定轴转动的平衡分析。理论课上将给学生们讲授刚体平衡的条件和如何进行刚体静力学和动力学的力学分析。与理论课相关的习题课将设计一个真实的机动车轮作为例子，提供给学生车轮质量惯性矩阵，然后让学生自己选择合适的位置给车轮增加质量，使其达到并保持静力学及动力学的平衡。实践课将研究一个平衡系统，让学生们测量一个汽车轮子的惯性矩阵的系数，并追加质量对其进行静力学和动力学平衡分析，最后，应用平衡仪器检验惯性矩阵是否为或近似对角矩阵。

教学案例二：在预科第一年的自动控制原理课中，第三章主要是对线性定常系统的确定。理论课会讲授一阶及二阶系统的阶跃响应和响应相关特性。习题课会要求学生用一阶及二阶系统的阶跃响应去复现一个实验曲线。实践课让学生通过仪器测量得到一个物理量的实验曲线，然后用一阶和二阶系统的阶跃响应去近似拟合以获得这个实验曲线，并用相关的软件进行建模，最后比较建模模拟结果和实验结果，验证模型的有效性。

理论课、习题课和实践课三种授课形式对应三种考核形式，即家庭作业、笔试和口试。家庭作业的难度和形式同习题课相当，但是要求在没有老师的帮助下独立完成。笔试分多次定期举行，以便于督促学生复习掌握所学内容，同时为工程师入学考试的笔试部分做准备。口试也是分多次定期举行，学生面对评委用一个小时的时间在黑板上解决一个实际的问题。评委们会不时地提问以便检查他们对问题的理解，也可以对学生进行一定程度上的引导。口试可以帮助学生准备工程师入学考试的口试部分。

这里需要说明一点，法国的预科教育一般是设立在高中，很少一部分是在大学或者工程师学校，所以预科学校同工业界的接触并不多。为数不多的联系之一便是工业科学课程的实践课所使用的实验设备，其最大限度地模拟了工业系统的真实设备和系统。除此之外，同工业界的另一个联系是有些预科学生会跟企业一起做自主研究项目(TIPE) (Supervised Personal Initiative Work)。学生在指定的大方向下选择题目，用数值模拟和实验的手段完成项目，然后口头汇报自己的工作。

六、工业科学课程在中国高等教育中的引入和启示

2005年北京航空航天大学同法国中央理工大学集团(Ecoles Centrales)合作创办了“北航中法工程师学院” (Sino-French engineering School, 法语：Ecole Centrale Pekin)，学制六年，在中国相当于本科阶段加硕士阶段，在法国相当于预科阶段加工程师阶段。工业科学课程于2012年开始系统引入北航中法工程师学院，刚开始也出现一些“水土不服”的情况，主要原因是中法两国学生教育基础不同以及中法两国课程设置阶段不同。因此，在教学模式的选择和教学大纲的确定等方面做出了一些适应中国学生和中国工程教育环境的调整与改进。

首先，针对中法两国学生的学习基础和学习方式有所不同，调整工业科学理论课、习题课及实践课学习的节奏和重点，扬长避短、循序渐进。中国的教育模式使学生习惯记忆式学习，中国老师在课堂上将公理及其衍生的各种定理，应用范例及其结果尽可能多地讲授给学生，学生据此再记住范例和结果。当遇到问题时，中国学生习惯用记住的知识去比对相似性来解决问题。法国的教育模式有所不同，法国学生需要侧重去理解为什么会产生这样的公理及其适用的条件，至于随之衍生的定理或者应用范例，法国老师可能不会讲授，需要学生自己在习题课或者实践中去获得。法国的教学模式可能短期效果不显著，但是长期看，在培养学生的创造能力和独立思考问题、解决问题的能力方面效果更好。在实际教学组织中，更适合中国学生的培养模式是加强理论课学习，让中国学生具备快速有效处理已知问题的能力，再帮助学生在习题和实践课中培养利用已有知识解决未知问题的能力。

其次，针对中法两国的工业科学课程授课阶段不同，利用中国工科高校的资源优势，拓展课程的深度和广度。中法工程师学院的工业科学课程大体安排在预科阶段(理论课和习题课在第三年，相当于法国预科第二年。实践课在第四年，相当于法国工程师阶段第一年)，但由于我们的预科教育集成在大学教育中，不同于法国预科阶段集成在高中。因此，在授课及实践内容的深度和广度上做了适当的挖掘和扩充，充分利用大学师资、科研及实验室资源，让中国的教育在质量上比法国的教育有所提高，实现青出于蓝而胜于蓝的超越。

鉴于工业科学课程的宗旨和定位，其对学生的能力培养所做出的贡献主要体现在问题解决能力、交流能力、分析能力、决策评估能力、实践能力及创新能力等培养和提升。将之与普林斯顿大学提出的用来进行教学评价的学生应具备的八个能力(即分别为交流能力、分析能力、审美能力、全球视野、问题解决能力、决策评估能力、社会互动能力及公民权利)进行比较^[10]，可以看出这是一门有利于培养工程类学生素养和能力的综合课程，贡献效果如图 2所示。

七、总结

文章研究中获得的启示可以总结为以下几点：

首先，高等工程教育课程体系的设置和调整应当紧密结合现代工业化的发展，积极配合社会及企业发展对工程人才的需求。这就从某种程度上要求课程大纲的制定和改革需要企业适度地参与和配合。

其次，高等教育课程的教学及考核应当紧密结合综合能力的培养和提升，将单纯的知识传授变成能力培养，打造适应社会转型期的复合型人才。

最后，高等教育课程的组织及设计应当紧密结合预定设置的人才培养目标，借鉴国际标准的同时充分结合中国国情，助力当前“新工科”建设和高校“双一流”建设。