cdio工程教育模式中國化的探索

cdio工程教育模式中國化的探索

中國已經(jīng)確定了2020年建設(shè)創(chuàng)新型國家的目標。提高高校的自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，是實現(xiàn)創(chuàng)新型國家人才的基礎(chǔ)。如何培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才,是國內(nèi)外教育改革的焦點問題之一。CDIO是國際工程教育與人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式,2000年10月以來,由美國麻省理工學院和瑞典皇家理工學院等四所大學組成的工程教育改革研究團隊提出、并持續(xù)發(fā)展和倡導了全新的CDIO(Conceiving-Designing-Implementing-Operation)即構(gòu)思——設(shè)計——實現(xiàn)——運行的工程教育理念和以能力培養(yǎng)為目標的CDIO理念,并于2004年成立了CDIO國際合作組織。CDIO模式強調(diào)綜合的創(chuàng)新能力,與社會大環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展;同時更關(guān)注工程實踐,加強培養(yǎng)學生的實踐能力。CDIO工程教育模式中國化的實踐將成為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才的有效途徑。一、文獻檢驗和設(shè)計過程CDIO大綱的目標首先強調(diào)了技術(shù)的知識與科學基礎(chǔ);第二個目標是培養(yǎng)學生能夠引領(lǐng)新產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)的創(chuàng)新和運行,相應(yīng)地,需要培養(yǎng)學生的個人和人際技能以及產(chǎn)品、工藝、系統(tǒng)的掌控技能;第三個目標是教育學生能夠理解在社會背景下研發(fā)的重要性和戰(zhàn)略價值,科學家和工程師要解決從衛(wèi)生保健到娛樂方面的難題并提高國家競爭力,從而貢獻社會,研發(fā)過程必須考慮到社會責任和可持續(xù)發(fā)展。CDIO大綱將以上目標分為4大類14條70點,CDIO大綱的能力目標與創(chuàng)新型人才的素質(zhì)要求存在相當高的契合性。CDIO大綱制定者認為,工程教育畢業(yè)生應(yīng)該可以在一個現(xiàn)代化的以團隊為基礎(chǔ)的環(huán)境下,構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行復雜的增值工程系統(tǒng),期望工程教育畢業(yè)生發(fā)展成為完整的、成熟的、有思想的個體。CDIO大綱的第一部分是關(guān)于工程技術(shù)知識原理和技術(shù)推理,包括基礎(chǔ)科學知識(1.1);核心工程基礎(chǔ)知識(1.2);高級工程基礎(chǔ)知識(1.3)。CDIO大綱的第二部分為個人和職業(yè)技能和特質(zhì)。工程師所進行的熟練的專業(yè)的三種思維模式是:工程推理和解決問題(2.1);實驗中探尋知識(2.2);系統(tǒng)思維(2.3)。這三個方面也可以稱為工程思維、科學思維和系統(tǒng)思維。工程推理和解決問題包括:認識和系統(tǒng)表述問題(2.1.1);建立模型(2.1.2);判斷和定性分析(2.1.3);帶不確定性因素分析(2.1.4);解決方法和建議(2.1.5)。實驗中探尋知識包括:建立假設(shè)(2.2.1);查詢相關(guān)書刊或者電子文獻(2.2.2);實驗探索(2.2.3);假設(shè)檢驗和論證(2.2.4)。系統(tǒng)思維包括:整體思維(2.3.1);系統(tǒng)內(nèi)的緊急性和互交性(2.3.2);確定優(yōu)先級和焦點(2.3.3);決斷時權(quán)衡、判斷和平衡(2.3.4)。每個部分的組成都以“闡明問題”開始,然后穿越該思考模式的所有特例,最后以實質(zhì)性“解決問題”結(jié)束。如圖1所示,在個人技能中,主要用于職業(yè)環(huán)境下的那些個人技能與態(tài)度、不同于三種思維模式的,被稱為職業(yè)技能與態(tài)度(2.5);不同于職業(yè)環(huán)境下的和人際的,稱為個人的技能與特質(zhì)(2.4)。個人技能和態(tài)度包括:主動和愿意冒險(2.4.1);執(zhí)著與變通(2.4.2);創(chuàng)造性思維(2.4.3);批評性思維(2.4.4);自省個人的知識、技能、態(tài)度(2.4.5);求知欲和終生學習(2.4.6);時間和資源的管理(2.4.7)。職業(yè)技能與態(tài)度包括:職業(yè)道德、正直、責任感(2.5.1);職業(yè)行為(2.5.2);主動規(guī)劃個人職業(yè)(2.5.3);與世界工程發(fā)展保持同步(2.5.4)。人際技能是個人技能的特別子集,分為團隊精神(3.1)和溝通(3.2)。團隊精神包括:組建高效團隊(3.1.1);團隊工作運行(3.1.2);團隊成長和演變(3.1.3);領(lǐng)導能力(3.1.4);技術(shù)協(xié)作(3.1.5)。溝通包括:交流戰(zhàn)略(3.2.1);交流結(jié)構(gòu)(3.2.2);寫作交流(3.2.3);電子和多媒體交流(3.2.4);圖表交流(3.2.5);口頭表達和人際交流(3.2.6)。適當情況下,掌握外語也是必要的:英語(3.3.1);其他歐洲語言(3.3.2);其他外語(3.3.3)。大綱的第四部分是企業(yè)與社會背景下構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行(CDIO)系統(tǒng),它反映了產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)是如何經(jīng)過以下四個階段的:構(gòu)思與工程系統(tǒng)包括:設(shè)立系統(tǒng)目標和要求(4.3.1);定義功能,概念和體系結(jié)構(gòu)(4.3.2);系統(tǒng)建模并確保目標可能達成(4.3.3);項目發(fā)展的管理(4.3.4)。設(shè)計包括:設(shè)計過程(4.4.1);設(shè)計過程分期與方法(4.4.2);設(shè)計中對知識的利用(4.4.3);本學科專業(yè)設(shè)計(4.4.4);跨學科專業(yè)設(shè)計(4.4.5);多體綜合設(shè)計(4.4.6)。實施包括:設(shè)計實施的過程(4.5.1);硬件制造過程(4.5.2);軟件實現(xiàn)過程(4.5.3);硬件,軟件的結(jié)合(4.5.4);測試,驗證,認證以及取得證書(4.5.5);實施過程管理(4.5.6)。運行包括:設(shè)計和優(yōu)化操作(4.6.1);培訓及操作(4.6.2);支持系統(tǒng)的生命周期(4.6.3);系統(tǒng)改進和演變(4.6.4);棄置處理與產(chǎn)品報廢問題(4.6.5);運行管理(4.6.6)。產(chǎn)品和系統(tǒng)都是在企業(yè)與商業(yè)環(huán)境下創(chuàng)建和運作的(4.2),包括:認識不同的企業(yè)文化(4.2.1);企業(yè)策略,目標和計劃(4.2.2);技術(shù)創(chuàng)業(yè)(4.2.3);成功地在組織中工作(4.2.4)。同時,工程工作(構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作)和企業(yè)都是存在于更大的社會與外部環(huán)境之中(4.1),包括:工程師的角色和責任(4.1.1);工程對社會的影響(4.1.2);社會對工程的規(guī)范(4.1.3);歷史和文化環(huán)境(4.1.4);現(xiàn)時的焦點和價值觀(4.1.5);發(fā)展全球觀(4.1.6)。我們可以發(fā)現(xiàn),CDIO大綱的能力要求和創(chuàng)新能力相當?shù)仄鹾稀＜夹g(shù)知識與推理是創(chuàng)新的知識基礎(chǔ)。而大綱第二部分所要求的工程思維、科學思維和系統(tǒng)思維,則恰恰是創(chuàng)造力經(jīng)常的心理運作過程;在這三種思維模式中,從發(fā)現(xiàn)問題、到提出假設(shè)、驗證到解決問題正是創(chuàng)造力的心理歷程,在這些過程中將會產(chǎn)生不尋常的產(chǎn)品。如心理學家托蘭斯(Torance)將創(chuàng)新能力視為“這樣一個過程,即對問題、不足、知識上的缺陷、基本元素的丟失、不協(xié)調(diào)、不一致等現(xiàn)象變得敏感,并找出困難,尋求解決途徑,做出猜想或構(gòu)成假設(shè),對假設(shè)進行檢驗和再檢驗,也許是修改和再檢驗,達到最終結(jié)果”。Nickerson認為創(chuàng)造力是發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的連續(xù)歷程,產(chǎn)生歷程是發(fā)現(xiàn)問題,探索歷程是解決問題;Ward,Smith,&Finke也指出,創(chuàng)造力是產(chǎn)生(generation)和探索(exploration)歷程的循環(huán)認知歷程。大綱第三部分的團隊精神和溝通能力則是在現(xiàn)代組織和企業(yè)中創(chuàng)新的必要條件,也是增強協(xié)作創(chuàng)新、打造創(chuàng)新團隊的個人品格要求。大綱的第四部分則提出了新產(chǎn)品或新系統(tǒng)創(chuàng)造和執(zhí)行過程的要求,并要求考慮商業(yè)和社會環(huán)境,而“產(chǎn)品”是創(chuàng)造力的結(jié)果體現(xiàn)。Runco、Plucker和Lim指出,“創(chuàng)造力經(jīng)常是根據(jù)產(chǎn)品來定義的?！币话愣浴靶路f”與“實用”是創(chuàng)造力產(chǎn)品定義中的普遍內(nèi)涵。大部分學者均普遍認同這樣的創(chuàng)造力定義:“創(chuàng)造力是一種歷程,是創(chuàng)造出能為團體所滿意與接受的新穎或?qū)嵱玫漠a(chǎn)品。”Sternberg也認為,有創(chuàng)意的產(chǎn)品必要條件是新穎、恰當、質(zhì)量和重要性。費斯特(Feist)則指出創(chuàng)新能力的觀念是“新穎而且適于作為問題解決的方法”。魯巴特(Lubart)指出:“從西方心理學研究來看,創(chuàng)新能力可以被定義為產(chǎn)生新穎且適用的工作產(chǎn)品的能力?！蔽覀儗Χ哧P(guān)系不妨列表如下:二、教學方式及缺乏創(chuàng)新環(huán)境我國大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中存在的問題是培養(yǎng)模式陳舊,課程體系僵化,教學手段單一、教學方式多為灌輸式,大學生評價和激勵機制不合理,缺乏創(chuàng)新環(huán)境(包括物質(zhì)與精神環(huán)境)。為了實現(xiàn)CDIO大綱的目標,CDIO國際組織同時制定了12項CDIO標準作為CDIO改革的評價和實施指南,按照12項標準進行改革將會大大促進工科大學生創(chuàng)新能力的提高。(一)綜合學習經(jīng)驗CDIO大綱目標的實現(xiàn)將伴隨著教育模式的變革,有利于培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力CDIO的12項標準都是圍繞如何實現(xiàn)CDIO大綱目標的,進行CDIO改革,將帶來從理念到課程到教學到評估的整體改革。標準3是“統(tǒng)一綜合的課程”,要求構(gòu)建滿足CDIO大綱四方面能力要求的課程體系,課程應(yīng)是跨學科的和相互聯(lián)系相互支撐的;標準5是“培養(yǎng)設(shè)計經(jīng)驗”,要求課程計劃中包含兩個或兩個以上的培養(yǎng)設(shè)計經(jīng)驗的課程,包括一個基本水平的和一個高級水平的;在課內(nèi)外活動中學生有機會參與產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行;標準7是“綜合性學習經(jīng)驗”,綜合學習經(jīng)驗是達成基本知識、個人能力、人際關(guān)系技能,產(chǎn)品和系統(tǒng)建構(gòu)技能獲得的基本途徑;標準8是“主動學習”,主動學習是學生直接參與到思考問題解決問題的活動中,不提倡被動的知識傳授,而是讓學生運用知識去操作、應(yīng)用、分析和評測。這幾個標準在培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力方面有很大的作用。如MIT的《航空工程和設(shè)計導論》課程通過航空學、太空航行學和設(shè)計講座強調(diào)了航空太空飛行工程的基本概念和方法,積極地引導學生利用信息技術(shù)自主學習航空宇宙部分。學生小組要自己動手努力完成一項LTA(Thelighter-than-air)飛行器設(shè)計專題,其內(nèi)容包括:設(shè)計、制作、試飛無線電操縱的LTA飛行器,通過實際項目使理論與實踐結(jié)合。在LTA飛行器競飛前要進行必需的設(shè)計評估,評估LTA飛行器的性能、重量和理論特性,根據(jù)新生可理解的程度,闡明所應(yīng)用的物理、數(shù)學與化學知識。本課程重點是在讓學生運用已學的航空太空飛行工程和設(shè)計的知識,而不是去掌握新科學和數(shù)學。標準6是“CDIO工作空間”,CDIO工作空間和實驗室有利于學生動手學習、直接學習、知識建構(gòu)、人際關(guān)系學習,有利于培養(yǎng)CDIO大綱目標的能力;這提供了學生創(chuàng)新的硬件環(huán)境。標準11是“學生CDIO能力的考核”,CDIO大綱所要求的能力的考核方法必須與CDIO的理念相一致,考核方法包括筆試、口試、學生行為觀察、等級量表、學生反思、日記、檔案袋評價、同學評價和自我評價等。如MIT的《航空工程和設(shè)計導論》課程的評分方法是學生的成績將由課堂表現(xiàn)、讀書筆記、習題集和LTA飛行器設(shè)計專題這幾部分來評定,無測驗和期末考試。最終成績大致由以下方法評定:習題集和閱讀摘要占30%;學生個人設(shè)計文件集占15%;LTA飛行器設(shè)計專題占45%(包括初步設(shè)計評論、建議性設(shè)計評論、試飛和競飛成績);出勤率、參與度、綜合評價占10%。(二)從學生實際出發(fā),并進行項目學習進行CDIO改革,會帶來怎么樣變化,對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)又有什么具體的作用呢,這里用新加坡理工學院和汕頭大學兩個個案加以說明。新加坡理工學院(SingaporePolytechnic)從2003年到2005年進行了CDIO改革,實行了PBL(projectbasedLearning)實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),學生在以下幾個方面有特別的收獲。毅力:學生在C—D—I階段開始時,往往會遇到許多困難;學生需要在艱難的情況下堅持下去。提高了學習動機:學生會主動搜尋更多的完成項目做需要的額外信息。學會如何學習:該項目提供了充分的機會,讓學生從他們的朋輩和教師了解如何學習,學生舉行專題介紹會分享他們的項目經(jīng)驗。靈活思維:由于該項目提供了許多創(chuàng)造性思維的機會,在idea的產(chǎn)生和設(shè)計階段學生必須靈活地思考;從這次實踐中,學生從同學中學會了許多產(chǎn)生新觀念的技巧。追求正確和精確:如果學生在測試電路和編程時很草率,項目就不能完成;所以很多學生在完成項目中學會了追求精準性。在新情況下應(yīng)用知識:在學習了不同的學科知識之后,學生應(yīng)用所學的知識完成項目;這非常不同于傳統(tǒng)的在考試時背誦答案的情形。收集數(shù)據(jù):學生需要對所需的觀念和信息進行廣泛的研究;這個機會是有益的訓練,學生變得更加足智多謀。創(chuàng)造,想象和創(chuàng)新:學生完成的項目普遍非常新穎;由于有創(chuàng)意的解決方案,兩個團隊的項目被當?shù)匦侣剤蟮?。整合?學生需要整合他們所學的理論,以完成他們的項目。汕頭大學2005年進行CDIO改革,汕頭工學院首先成立了CDIO工程教育改革委員會,組織全院教師多次集體學習和研討CDIO培養(yǎng)大綱和標準。對照大綱,找出差距,針對實際,明確目標,我們主要的改革措施如下。1.突出了工科學生的職業(yè)道德我們調(diào)查了中國工程領(lǐng)域的實際情況,和許多專業(yè)協(xié)會反復探討,參照CDIO大綱,我們制定了EIP—CDIO課程大綱。大綱包括:工程師職業(yè)道德;基本理論知識;個人能力和職業(yè)技能;人際交流與合作能力;在企業(yè)和社會環(huán)境中構(gòu)思、設(shè)計、執(zhí)行和使用各種系統(tǒng)的能力。與過去相比,新大綱突出了工科學生的工程師職業(yè)道德意識、基本理論知識、個人綜合能力的培養(yǎng)。新大綱以課程群的方式將全部專業(yè)核心課程有機結(jié)合起來,避免相關(guān)課程之間的重復,學生能以多元因素合理聯(lián)想的方式掌握專業(yè)知識;新大綱也將項目實施的主線貫穿課程教學的全過程。2.cdio項目設(shè)計CDIO是一種以工程項目設(shè)計為導向、工程能力培養(yǎng)為目標的工程教育模式。工程項目設(shè)計是工程實踐的精髓所在。功能、技術(shù)、經(jīng)濟以及環(huán)境、社會乃至歷史的要求及其限制都要在項目設(shè)計的過程中得到反映,CDIO培養(yǎng)模式就是通過項目設(shè)計將整個課程體系有機而系統(tǒng)地結(jié)合起來的,所有需要學習和掌握的內(nèi)容都圍繞項目設(shè)計這個核心。我們設(shè)計的CDIO項目分為三級:一級項目為包含本專業(yè)主要核心課程和能力要求的項目;二級級項目為包含一組相關(guān)核心課程、能力要求的項目;三級項目是為單門課程而設(shè)的項目。整個培養(yǎng)計劃是以一級項目為主線、二級項目為支撐、三級項目與核心課程為基礎(chǔ),將核心課程教育與對專業(yè)的整體認識統(tǒng)一起來,并結(jié)合項目訓練對學生的自我更新知識的能力、人際和團體交流能力以及對大系統(tǒng)的掌握、運行和調(diào)控能力進行整體培養(yǎng)。3.cdio工程教育模式對提高大學生創(chuàng)新能力的作用在教學方法上,EIP-CDIO培養(yǎng)計劃要求教師更新教學觀念,樹立“以學生為中心”的新觀念,引導學生“主動學習”。工學院致力于改變教師隊伍重科研、輕教學,重理論研究、輕工程實踐的傾向,同時聘請有海外教育經(jīng)驗和工程實踐的教師。教師要預(yù)先明確所授課程在本專業(yè)知識結(jié)