基于CDIO教育理念的

基于CDIO教育理念的工程学科教育改革与实践陈春林朱张青（南京大学工程管理学院控制与系统工程系，江苏南京210093）摘要：本文系统论述了南京大学工程管理学院以CDIO教育理念为指导，进行工程类本科教育改革的基本思路和实践探索，并以“机器人学”课程为例，简要介绍了工程项目教学法在具体课程教学中的应用，实践证明该项改革取得了良好的教学效果，为工程教育改革积累了经验。关键词：CDIO；工程学科；项目教学法；机器人学中图分类号：G642文献标识码：AReforminEngineeringEducationBasedontheConceptofCDIOEducationCHENChun-lin,ZHUZhang-qing(NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210093)Abstract:AreportispresentedonNanjingUniversity’sreforminundergraduateengineeringeducationbasedontheconceptofCDIOeducation.Aparticularcaseistheteachingoftheroboticscoursewhereaproject-basedteachingmethodisappliedwithsatisfactoryresults.Thisworkhasacquiredusefulexperienceforthereforminengineeringeducation.Keywords:CDIO;engineeringdiscipline;project-basedteachingmethod;robotics自工业革命以来，工程技术人才对国家经济和科技进步一直起着巨大的推动作用，是否拥有大量高素质的工程人才已成为影响一个国家核心竞争力的重要因素。另一方面，随着我国社会和经济越来越广泛地融入到国际社会，所面临的人才竞争也越来越激烈，过去那种只注重个体单方面素质的狭义人才观已被不仅注重人才个体的学识和经验，更注重人才的合作与沟通、创新与决策能力的广义人才观所取代。因此，创立先进的教学理念，改革传统的教学思路和方法，已成为高校教学改革的迫切任务，而我国的工程教育，多年来由于受科学主导工程的思想影响，过于强调理论学习，不重视工程实践和综合能力的培养，更需要进行教育观念创新和教学模式改革。CDIO工程教育模式［1,2］是近年来国际工程教育改革的最新成果。自2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究组织，经过四年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验。其教学大纲满足美国、加拿大和其它华盛顿协议国家职业工程师组织对工科教育的要求，其教学框架体现了创新的教育思想。为适应新形势下对创新型人才的需求，加强学生的能力和素质培养。我们从21世纪人才观的转变，即从以前的个体单角度审视转变为个体、团体、组织和社会的多角度、全方位审视的特点出发，借助于CDIO教育理念，并在其工程学科培养目标能力结构框架（图1）思想的指导下，结合我国的具体实际和南京大学的学科背景及南京大学工程管理学院的特点，确立了本科教育的培养理念和目标，构建了相应的培养体系，并在此基础上进行了理论和实验教学方面的大胆改革和实践。4．构想、设计、实现和运作1．技术知识和推理能力2．个人和专业能力3．人际交往能力图1CDIO能力结构一、工程教育改革思路南京大学工程管理学院（以下简称学院）建有三个具有工科特色的本科专业：自动化、工业工程和信息工程。对南京大学而言，这些都是年轻的专业。虽然新专业的建设面临资源缺乏的困难，但从另一角度看，新专业负担较少，可以进行教学思想和方法的改革和创新。利用学校的多学科综合优势，完全可以在继承南大一贯的人文底蕴和科学精神基础上，在一个高起点上，以创新的思维进行人才培养和专业建设。根据21世纪对人才能力需求的转变，按照CDIO教育理念，学院认真贯彻落实学校办学指导思想，以本科教育为立院之本，以提高人才培养质量为目标，遵循教育规律，并据此确立了本科教育的培养理念：“国际共识、中国国情、南大特色、学院文化”。具体来讲，“国际共识”就是根据CDIO所提出的培养具有系统观念和综合能力的新型人才的理念，使培养的人才具有国际化的系统观念，并能在实际工作中综合运用各方面的知识和经验；“中国国情”就是立足我国已成为全球制造业中心的国情和改革开放以来科技和经济迅速发展的实际，使培养的人才具有创新思维和人文精神；“南大特色”就是依据南京大学“诚朴雄伟、励学敦行”的校训，依托南京大学百年树人的教育积淀和深厚的文理底蕴，使培养的人才具有扎实的文理基础；“学院文化”就是按照“学道酬实，至任于群”的院训，根据学院交叉融合的学科特点和强大的科研实力，使培养的人才具有厚实的专业基础和全面的专业技能。按照新的本科教育理念，学院确立的本科教育目标是：“国际视野、人文精神、综合能力、领导才能”。即培养具有开放视野和远大胸怀、奉行“诚信、道德、奉献、责任”精神，具备学习、决策、创新的个人能力和沟通、协调的团队能力的，不仅能从事本专业技术工作，而且能胜任组织、决策的领导岗位的全面型、复合型人才。在这一人才培养目标下，确定的专业培养目标是：“培养视野开阔、人格健全、情操高尚、基础扎实、知识面广、工程实践能力强、能够跟踪本领域新理论新技术、具有创新精神的复合型高级工程技术和管理人才”。培养体系是实现人才培养理念和培养目标的支撑体系，是实现人才培养目标的技术途径。学院依据新的人才培养理念和培养目标，借鉴国内外成功经验，结合南京大学的具体实际，建立了全新的本科人才培养体系（图2）。该体系以师资队伍建设、科研优势和教学条件的完善为支撑，以管理队伍建设、完善的教学管理制度和教学质量监控制度为保障，以学习辅导、心理辅导、文体活动和职业规划等作为促进，完成了专业知识教育体系的建构。而在专业教育的具体实践中，我们同样也采取创新的教学模式。图2南京大学工程管理学院本科培养体系在传统的专业教育体系建设中，不同专业之间缺乏有效沟通、同一专业课程设置缺乏系统性，造成了一些课程中知识重复讲授，浪费了宝贵的课时；另一方面，又使学生知识面狭窄、综合创新能力弱。针对这一现象，我们设想打破不同专业之间的壁垒，在以系统工程的理念进行专业的纵向教学体系设计的同时，进行专业横向交叉与渗透。我们认为，工业工程与信息工程专业的学生掌握了自动化专业的控制理论与知识，可以更好地理解和实践工程的设计与管理；而自动化专业的学生掌握了工业工程的相关理念和方法，可以从一个更高、更系统的层次解决自动化领域的专业技术问题。因此，在专业教育知识体系的具体建设和实施中，坚持以宽口径专业教育为出发点，积极引导学生个性发展，柔性化培养，采用“理论教学、实践教学、自主研学”的三元化教学模式，使学生知识、能力、素质协调发展。学院按照国际上先进的工程类本科学生培养模式（CDIO模式）构建本科专业的教育知识体系，即通过CDIO强调工程教育的预期成果，详述个人的、人际的、产品(系统)建造的学习成果。个人学习成果主要指学生个体的认知和感性发展，如工程推理和问题解决能力、实验与知识发现能力、系统思维能力、创造性思维能力、批判性思维能力和职业道德；人际的学习成果是指关注个人和团体的互动，如团队合作、领导能力和沟通交流；产品(系统)建造的学习成果是指关注在企业、行业和社会环境中构思、设计、实现、运作产品(系统)的能力。可以看出，CDIO强调的是从个体能力到综合能力的培养体系，而无论是个体能力还是综合能力的培养都离不开基础知识的积累，特别是综合能力更需要学生具有宽广的基础知识；再结合我国和南大当前的本科专业教学特点，我们以基于通识教育的宽口径专业教育为出发点，着眼于为学生未来的个性发展和柔性化培养打下坚实的基础；按照学科融合和交叉的思想确定教学计划、课程体系，明确课程与知识、能力、态度培养之间的关系，从而建立了较为完整的专业教育知识体系。学生能力的培养如何在专业教学体系中实现，即如何将学生能力培养过程具体化并确定可操作的培养方案，一直是本科教学的焦点，同时也是在专业建设中难以把握的难点。学院借鉴CDIO理念，根据社会需求，确定学生毕业时应具备哪些知识、能力和态度，然后根据这些要求，明确课程与知识、能力和态度培养之间的关系，建立课程群体系和实验教学体系。在每一个课程群中，研究具体的课程教学内容应达到的教学目标以及重叠内容的衔接和过渡；设计课程实验和课程群大实验，深化教学内容与教学效果。我们还通过大型项目（作业）串联课程群知识体系，通过实验加强所学知识和应用能力；通过各种教学方法和手段的综合运用训练学生的表达能力。专业教育体系在本科教育中的具体实现需要有合适的教学模式相对应，为此，学院根据三个本科专业的特点，确定了理论教学、实践教学和自主研学三者相结合、相促进的“三维教学模式”，并将其与课程体系相结合，不仅保证了教学模式的先进性，也保证了教学模式的可操作性。我们所确定的三维教学模式和对应课程体系关系如图3所示。图3三维教学模式和对应课程体系关系（1）理论教学教学内容与课程体系是理论教学的基础，它决定着学生的知识和能力结构，决定着向社会输送的人才质量。为此，学院秉承办学理念，在课程体系设计中坚持厚基础、宽口径的思路，依托我校优势资源，在各专业的课程体系设计中充分体现学院的办学特色，并时刻关注分析社会需求和学生情况的变化，适时调整课程体系，不断优化课程结构，更新教学内容，加强课程之间逻辑衔接。通过几年的努力，学院建设了具有自己特色的合理的理论课程体系，即以单个课程为基础，形成课程群，再通过课程群对应于能力培养的理论要求。（2）实践教学学院的三个本科专业是属工程类的，实践教学尤为重要，它是增强学生感性认识，培养学生动手能力、实践能力和解决问题能力的重要教学环节。为保证并不断提高实践教学的质量和效果，学院按照学科交叉渗透、理论实践融合、资源优化共享的实践教学理念，根据“基础——提高——创新”三阶段实验教学体系，将实践教学细分为阶梯状的5个不同层次，构建了如图4所示［3］的实验教学体系。图4实验教学课程体系层次结构图4中所示五个不同层次实验教学所发挥的作用是不同的：第一层次是入门阶段，也是通识课程基础实验阶段，通过这一阶段学习，激起学生的兴趣并使其认识到实验的重要性；第二层次是专业基础性实验，也是验证专业基础理论的实验；第三层次是在前两个阶段基础上进行的小项目综合实验，是学生从基础到综合的一个过渡阶段；第四层次是系统性的实验，是由若干小项目组合的综合实验，它与第三层次一起构成了实验教学的提高教育阶段，主要是通过前阶段训练后，进一步培养学生的综合和设计能力；第五层次的大系统综合实验，则体现了不同专业知识的交叉与渗透，是实验教学的创新教育阶段，主要培养学生融合多专业知识、自主思考并进行创新性研究的能力。（3）自主研学自主研学是对学生综合素质的进一步提升，是培养其创新能力和科研技能的关键环节。教学中注重倡导学生的研究性学习，通过专题项目、科研和社会实践以及各类综合性竞赛活动等，培养学生综合运用专业知识进行创新性研究的能力和科研协作能力。在具体实施上，我们为学生的自主研学提供便利的条件，并以鼓励、引导为主，包括全方位开放各类实验室、设立“大学生创新实验研究基金”、引导大三年级的学生进入导师的科研，并坚持与企业的联合，充分利用社会资源为学生的能力培养服务。在教学改革中，CDIO的教学理念不仅体现在学科课程体系安排和整体教学实施上，还渗透进具体专业课程的教学实践中。本文以“机器人学”课程为例，简单介绍结合CDIO教育理念的工程项目教学法在工科专业课程中的一些教学实践和经验。项目教学法是通过实施一个完