工程教育體系CDIO理論研究

1、工程教育體系 CDIO 理論研究CDIO是 Conceive、Design、Implement 和 Oper-ate 的縮寫，是一種 新的教育理念和模式，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體， 讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程與產(chǎn)品之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。 CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的水平分為工程基礎(chǔ)知識、個人水平、人 際團(tuán)隊水平和工程系統(tǒng)水平四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使 學(xué)生在這四個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)【 2】，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程水平，此 水平不但包括學(xué)科知識，而且包括學(xué)生的終身學(xué)習(xí)、團(tuán)隊交流和在社 會及企業(yè)環(huán)境下從事產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思設(shè)計實施運行等 水平。以 1994 年美國工

2、程教育協(xié)會發(fā)表的面對變化世界的工程教育 的報告為標(biāo)志，美國及西方國家開始了一系列關(guān)于工程教育改革方面 的研究和探討，掀起了高等工程教育界“回歸工程”的浪潮，這個浪 潮集中體現(xiàn)了一個思想，那就是面對迅速變化的世界，工程教育必須 改革，而改革的主要方向是要使建立在分化的學(xué)科基礎(chǔ)上的工程教育 回歸其本來的涵義，更加重視工程的系統(tǒng)性和實踐性，培養(yǎng)具有集成 知識、系統(tǒng)方法和工程實踐水平的人才【 1】。當(dāng)前，已有幾十所世界 著名大學(xué)加入了 CDIO組織，其中在某些學(xué)校和專業(yè)領(lǐng)域，取得了良好 效果，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生深受社會與企業(yè)歡迎。我國高等工科教 育的迫切任務(wù)是盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，不過

3、我國工科的 教育實踐中還存有很多問題，迫切需要改革。繼汕頭大學(xué)、江西理工 大學(xué)、大連東軟信息學(xué)院等高校先后實行 CDIO試點以來，河北工程大 學(xué)也在 2009年被列為全國試點高校。一、“ fourto ”理論與 CDIO早在 20世紀(jì) 50年代，西方的高等教育界就出現(xiàn)了“ fourto ”理論， 即，作為大學(xué)生，在大學(xué)幾年究竟應(yīng)該如何度過，究竟應(yīng)該學(xué)到哪些 本領(lǐng)。該理論認(rèn)為，大學(xué)教育，首先是“ tobe ”教育，也就是說大學(xué) 生要成長為一個什么樣的人，要樹立什么樣的人生觀和世界觀。我認(rèn) 為，這個點和我們國家的大學(xué)生政治思想教育不謀而合，都強(qiáng)調(diào)做人 與做事相結(jié)合，做人通過做事體現(xiàn)，做事通過做人保

4、證，并在培養(yǎng)過程中注重人文精神的熏陶，都是要培養(yǎng)出情操高尚、胸有大志、講道 德、講誠信、責(zé)任感強(qiáng)和職業(yè)化的人才，這是最大的“構(gòu)思”，是 C 的重中之重；其次是“ toknow”，即，大學(xué)幾年究竟理應(yīng)學(xué)會哪些理論 及專業(yè)知識，具備哪些實踐技能，掌握哪些學(xué)習(xí)、創(chuàng)新的方法和分析 解決問題的水平，這是 C與D的綜合，既是對C的具體思考，也是實 現(xiàn) D 的充要基礎(chǔ)條件 ； 第三是“ todo ”，即，大學(xué)畢業(yè)之后，要做什么， 能夠做什么，也就是說自己應(yīng)該具有怎樣的職業(yè)水平，能夠在哪一方 面適合社會工程實踐的需要，為社會做出貢獻(xiàn)，這就要求有合適的D，既包括學(xué)習(xí)設(shè)計，也包括職業(yè)設(shè)計，這種設(shè)計，務(wù)使自己能夠盡

5、快適 合社會實踐，同時也要與I和0聯(lián)系起來，即構(gòu)思好如何貫徹落實自 己的設(shè)計目標(biāo)并合理運行 ； 第四是“ together ”，即，培養(yǎng)出的人才應(yīng) 具有較強(qiáng)的團(tuán)隊精神和協(xié)作水平，較強(qiáng)的溝通水平、表達(dá)水平和較強(qiáng) 的集體觀點和組織意識，在能夠保證團(tuán)隊成員共同完成任務(wù)目標(biāo)、明 確的協(xié)作意愿和協(xié)作方法，并盡量揮灑個性、表現(xiàn)特長的基礎(chǔ)上，使 人人都有使命感、歸屬感和認(rèn)同感，通力合作、戮力同心，以期實現(xiàn) 完美的 0。二、當(dāng)前工程教育模式存有的問題2010 年 12 月 24 日至 25 日，由河北工程大學(xué)車輛工程系發(fā)起，由亞 盛集團(tuán)、臨工集團(tuán)、中鐵三局、宣工集團(tuán)、長城汽車等用人單位和 CDIO試點專業(yè)工程

6、導(dǎo)論任課教師等相關(guān)人士參加的“高等工程教育改 革研討會”在我校舉行，來自企業(yè)界、工程界、教育界的多位領(lǐng)導(dǎo)、 專家、教授多視角“會診”我國的工程教育，深人探討我國工程教育 面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，就“如何培養(yǎng)一批受市場歡迎的優(yōu)秀工程師”等 問題展開討論。1. 宏觀問題。會議認(rèn)為，我國的工程教育主要存有以下幾個問題： (1) 規(guī)模遠(yuǎn)勝于質(zhì)量。近年來高校招生規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，截至 2009 年，我國 設(shè)有工科專業(yè)的高校大約占普通高校數(shù)的 89%，工科專業(yè)在校生更達(dá)到 600多萬，但是，社會對畢業(yè)生的素質(zhì)評價不高。 (2) 高層次工程科技 人才培養(yǎng)方向存有偏頗。有 23%的用人單位認(rèn)為，高校培養(yǎng)的學(xué)生完全 不符

7、合或基本不符合國家技術(shù)發(fā)展需要，近一半的企業(yè)認(rèn)為，我國高 校培養(yǎng)的工程專業(yè)學(xué)生與企業(yè)接軌困難，學(xué)校培養(yǎng)與企業(yè)應(yīng)用有脫節(jié) 現(xiàn)象【 3】。 (3) 與發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國高等工程教育力量相當(dāng) 薄弱，各高校普遍存有生均資源匱乏之情況。 (4) 從 2006 年起至今， “考生疏遠(yuǎn)工科”的現(xiàn)象有逐年增加之趨勢，如果這樣的趨勢繼續(xù)下 去，對我國傳統(tǒng)制造業(yè)帶來的危害就可想而知了，也許日本制造業(yè)上 世紀(jì)“質(zhì)量災(zāi)難”的現(xiàn)象很可能會在當(dāng)代中國重演。2. 微觀問題。針對近幾年來車輛工程專業(yè)大學(xué)畢業(yè)生的就業(yè)狀況和用 人單位的意見反饋以及當(dāng)前教學(xué)中存有的普遍現(xiàn)象，我校當(dāng)前的車輛 工程教育存有以下幾個問題： (1)

8、 重理論輕實踐：所有理論課的教學(xué)環(huán) 節(jié)都能按照教育部教學(xué)大綱的要求圓滿完成，但是在實踐環(huán)節(jié)上，雖 然很多教師有博士學(xué)歷、教授職稱，而因為我們對企業(yè)實際需求了解 不夠，從思想上輕視了實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)時安排、精力投入嚴(yán) 重不足，畢業(yè)生缺乏必需的崗前職業(yè)培訓(xùn)，從而使那些剛走出校門的 大學(xué)生的實際工作水平難以達(dá)到崗位要求，而考慮到成本因素，很多 企業(yè)只愿意招聘具有一定工作經(jīng)驗的求職者 ;(2) 傳統(tǒng)的板書式或多媒 體灌輸型教學(xué)模式，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，學(xué)生在課 堂上基本不做筆記，學(xué)生對知識的領(lǐng)會率低，教學(xué)效果差 ;(3) 生均教 學(xué)資源按可比價格計，有逐年下降的趨勢，從參觀、實習(xí)、

9、實驗到課 程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計，經(jīng)費捉襟見肘，不能滿足教學(xué)需要，致使很多教 學(xué)環(huán)節(jié)大打折扣 ;(4) 當(dāng)前的培養(yǎng)內(nèi)涵無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致 高年級學(xué)生到課率低、聽課率低，或盲從于考試，或無所事事，更談 不上創(chuàng)新性培養(yǎng)和自主性學(xué)習(xí) ;(5) 合作精神和協(xié)調(diào)水平培養(yǎng)的缺失： 以幾人一組的畢業(yè)設(shè)計為例，學(xué)生在課題設(shè)計期間，各自為戰(zhàn)，溝通 困難，不善交流，致使設(shè)計任務(wù)支離破碎，難以整合與協(xié)調(diào)，這顯然 有悖于工程界的團(tuán)隊精神與合作意識 ;(6) 成績評價體系陳舊過時：對 學(xué)習(xí)成績的評價仍然沿用傳統(tǒng)的筆試，多數(shù)學(xué)生都以期末理論考試為 指揮棒，不能如實反映學(xué)生的實際水平 ;(7) 教師的科研與大學(xué)生教育

10、脫節(jié)：教師的科研項目基本不涉及大學(xué)生理論教學(xué)和實踐活動，導(dǎo)致大學(xué)生對科研課題的申報、立項、實驗、結(jié)論、分析等環(huán)節(jié)一無所知， 對大學(xué)生的創(chuàng)新和科研水平的培養(yǎng)及其不利。三、CDIO試點教育模式探討針對以上問題，結(jié)合邯鄲市重汽及裝備制造業(yè)基地建設(shè)任務(wù)以及我校 大學(xué)生教育CDIO試點工作，我們吸收先進(jìn)的教學(xué)理念，設(shè)計出一套車 輛工程方面應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)水平、創(chuàng)新水 平、協(xié)同工作水平，培養(yǎng)大學(xué)生職業(yè)道德和誠信為本的理念。1. 項目由來。河北省邯鄲市于 2006 年被國務(wù)院列為全國重汽及裝備 制造業(yè)生產(chǎn)基地，幾年來生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品類型日漸增加，從外協(xié)加工、 產(chǎn)品仿造、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品銷售

11、到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)基本上達(dá)到了一定 規(guī)模和形成了獨特的經(jīng)營模式，但是從老產(chǎn)品改造、新產(chǎn)品研發(fā)、到 生產(chǎn)工藝革新、員工素質(zhì)的提升，都還處于起步階段，尤其是技術(shù)力 量還比較落后，創(chuàng)新水平不足，能耗大，生產(chǎn)效率低，迫切需要大量 的工程類專業(yè)的、既具有一定理論知識又有一定工程實踐水平的技術(shù) 人才充實其中，以提升人員素質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)形象、增加企 業(yè)效益，推動邯鄲區(qū)域經(jīng)濟(jì)又快又好發(fā)展。 2009 年河北工程大學(xué)被教 育部列為第一批CDIO教育試點院校，而機(jī)電學(xué)院的車輛工程又被列為 重點試點專業(yè)，根據(jù)教務(wù)部門的安排，我們在 2009 級學(xué)生中選擇了 15 名同學(xué)參與CDIO教學(xué)試驗工作，并結(jié)合“電動汽

12、車電液復(fù)合制動研究” 項目，提出了一整套CDIO教育方案。該項目需要收集電動汽車各類路 況的行駛數(shù)據(jù)，利用仿真實驗研究、制動能量回收過程，分析影響制 動能回收的相關(guān)因素，論證電液制動對制動力分配調(diào)節(jié)的可行性，項 目完成后，能夠達(dá)到節(jié)能減排、降低勞動強(qiáng)度、制動靈活可靠等目標(biāo)， 具有機(jī)、電、液一體化的綜合認(rèn)知價值，學(xué)生在參與CDIO教學(xué)當(dāng)中，能夠得到良好的工程實踐鍛煉。2. 前序工作。參與該項工作的學(xué)生在一年級就接受了“工程導(dǎo)論”教 育，該教育為學(xué)生提供了一個工程實踐的框架，這個框架大致勾勒出 一個工程師的任務(wù)和職責(zé)以及如何應(yīng)用學(xué)科知識來完成這些任務(wù)，這個課程還包括人際交往水平、知識和態(tài)度的訓(xùn)練，

13、這些水平對于學(xué)生 今后實行更高級的產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建造項目至關(guān)重要。3. 項目原理簡圖。按照CDI0的基本理念，該項目在教學(xué)過程中的實 施可用圖 1 來描述。4. 項目的實施。“電動汽車電液復(fù)合制動”的設(shè)計開發(fā)具有很強(qiáng)的工 程實踐和生產(chǎn)應(yīng)用背景，所以，在以該課題的 1級項目為載體，實施 CDIO模式培養(yǎng)的進(jìn)程中，必須注重教學(xué)過程的實踐性、開放性和專業(yè) 性，必須本著培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、科學(xué)調(diào)研、責(zé)任心強(qiáng)、具有團(tuán)結(jié)協(xié) 作、創(chuàng)新和應(yīng)變水平的目標(biāo)實行教學(xué)各環(huán)節(jié)的設(shè)計，所以，我們把課 程的所有教學(xué)內(nèi)容均設(shè)計為 4個教學(xué)項目，圍繞項目的完成開發(fā)若干 子任務(wù)單元，并根據(jù)實際的工作過程來實行教學(xué)。每個任務(wù)單元的

14、實 施都包含構(gòu)思 (conceive) 、設(shè)計 (Design) 、實施 (implement) 、運作 (0perate)4 個環(huán)節(jié)，力爭在真實的工作環(huán)境中，推行項目導(dǎo)向、任務(wù) 驅(qū)動、課堂與實訓(xùn)一體化的“教、學(xué)、做”集成化培養(yǎng)模式 (以 2級項 目制動器設(shè)計為例，如圖 2 所示)?？紤]到工程類項目的實踐性特點， 以該項目為載體，以教師的導(dǎo)引與點評為指導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以學(xué) 生專業(yè)水平的培養(yǎng)為核心，學(xué)生全面參與信息收集、方案選擇、計劃 制定、計劃實施、反饋控制、階段考核、結(jié)果評價等教學(xué)全過程 ; 在整 個教學(xué)過程中，教師為學(xué)習(xí)過程的組織者、咨詢者和伙伴，教學(xué)過程 與工作過程融合，努力使學(xué)生通過

15、自己的實踐和行動來提升工程水平。 每一任務(wù)單元都能夠采用構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作 4 個階段來實現(xiàn)。(1) 構(gòu)思階段明確各級項目的任務(wù)目標(biāo)，并為完成任務(wù)做充分 的準(zhǔn)備。要求學(xué)生帶著問題參與課堂學(xué)習(xí)，懷著目標(biāo)參與各項試驗與 實踐，充分確立學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主體地位，結(jié)合項目任務(wù)分配，明白 自己要做什么，在相關(guān)引導(dǎo)下，通過認(rèn)真獨立思考明白應(yīng)該怎樣完成 任務(wù)。針對“電動汽車電液復(fù)合制動”的工程環(huán)境、作業(yè)模式、基本 技術(shù)指標(biāo)、動力傳動原理、電動機(jī)選型、控制電路的設(shè)計等條件，研 究和分析適合“電動汽車電液復(fù)合制動”功能的實現(xiàn)方法與組成，引 出各教學(xué)子項目的主要任務(wù)目標(biāo)。教師有針對性地實行理論教學(xué)，提 供學(xué)習(xí)資

16、料，說明可利用的資源，回答學(xué)生的疑問 ; 學(xué)生自己通過走訪 調(diào)研、查閱資料、網(wǎng)絡(luò)搜索、現(xiàn)場參觀、實物研究等手段進(jìn)一步熟悉 工作任務(wù)。在教師給予一定的旨在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的輔導(dǎo)下，盡量 培養(yǎng)學(xué)生自己觀察、主動學(xué)習(xí)、深入分析和認(rèn)真思考的水平，明確項 目總體目標(biāo)和任務(wù)要求，獨立構(gòu)思出宏觀實施方案。(2) 設(shè)計階段項目具體實施方案設(shè)計。要求學(xué)生根據(jù)具體的任 務(wù)分配，自己設(shè)計出相關(guān)項目的具體實施方案。針對“電動汽車電液 復(fù)合制動”的項目特點，學(xué)生分成“電機(jī)選型控制與制動能回收”、 “制動器設(shè)計與制造”和“液壓系統(tǒng)設(shè)計”三個小組，各小組首先分 別討論、編寫計劃書，實行任務(wù)描述，說明任務(wù)目標(biāo)，并明確各小組

17、之間的聯(lián)系；其次，各小組至少設(shè)計選擇34個備選方案，并對各方 案實行分析、對比與篩選，確定兩個方案 ; 第三根據(jù)學(xué)生制定的方案， 指導(dǎo)教師實行點評，與學(xué)生一起分析討論計劃實施的可行性，提出修 改或改進(jìn)意見，并由學(xué)生實行修改 ； 第四，在教師的宏觀指導(dǎo)下，各小 組之間對各自所選方案實行協(xié)調(diào)和匹配，對沖突和干擾之處實行再修 改，如此反復(fù)，最終確定項目實施方案。(3) 實施階段任務(wù)的分解與貫徹落實：根據(jù)項目實施方案，要 求學(xué)生自己動手完成每個階段的工作任務(wù)。教師在充分研究學(xué)生項目 實施方案，并從基本理論、傳動原理、控制方法、預(yù)期效果等多方面 做出評判后，針對各小組不同的項目目標(biāo)，以小組為單位，利用各

18、階 段所學(xué)知識，結(jié)合各自具體任務(wù)，獨立思考，認(rèn)真完成各階段任務(wù)， 利用虛擬加載、模擬控制、仿真分析等手段，進(jìn)一步提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)、 分析、解決問題的水平，從而提升學(xué)生的實踐技能。(4) 運作階段項目協(xié)調(diào)、管理與評價：根據(jù)任務(wù)要求，對學(xué)生 各階段、各子項目的任務(wù)實行統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)，考核階段成果，對各階段 完成情況實行評價和反饋。每個小組成員都要在各階段按照任務(wù)書要 求在理論上實行總結(jié)匯報，在實際操作上實行相對應(yīng)的演練，并完成 各階段的產(chǎn)品試制和最終的組裝與調(diào)試，教師及小組成員對任務(wù)的完成情況實行自評、小組互評、教師評價和總體評價，根據(jù)各階段考核 評價表以及實際運行結(jié)果給出學(xué)生各階段的成績和最終綜合成績。

19、5. 項目實施各階段目標(biāo)與要求(1) 第13學(xué)期：完成工程導(dǎo)論、數(shù)學(xué)、外語、心理學(xué)等主要基礎(chǔ)課 的理論學(xué)習(xí)和相關(guān)實踐教學(xué)任務(wù)，要求教師在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、教學(xué) 策略的選擇等方面，要結(jié)合實際工程情境中學(xué)生的認(rèn)知、動機(jī)、情感 和需要等因素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生如何實行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)， 讓學(xué)生“被動學(xué)”成為“主動學(xué)”。為此應(yīng)做到：1 )圍繞工程項目確定課堂教學(xué)的內(nèi)容和目標(biāo)，確定教學(xué)的重點和難點 ;2) 結(jié)合主要教學(xué)內(nèi) 容，討論一些讓學(xué)生敢于提出質(zhì)疑的問題，引導(dǎo)他們實行創(chuàng)新性思 維;3) 有針對性地布置一些能夠起到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立解決問題 水平的作業(yè)和實驗 ;4) 有必要時，做一些與工程項目相

20、關(guān)的專題講座。 第4學(xué)期：研究項目任務(wù)目標(biāo)，了解 CDIO教學(xué)模式的功能、特點 和要求; 在完成相關(guān)主干課程的同時，查閱、搜集國內(nèi)外相關(guān)電動汽車 復(fù)合制動方面的資料，到同濟(jì)大學(xué)、長城汽車等單位實行實地調(diào)研， 其中應(yīng)包括生產(chǎn)情況、底盤構(gòu)造、制動器及控制類型、現(xiàn)有制動模式 及利弊、雨雪風(fēng)天氣應(yīng)對措施、企業(yè)經(jīng)營狀況等，并寫出調(diào)研報告。(3) 第 5學(xué)期：在調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出創(chuàng)新性的電液復(fù)合制動方案， 要求從電機(jī)選型、能量回饋、控制原理、動力傳動方式、制動器類型 結(jié)構(gòu)、制動效果、維護(hù)措施等方面做出分析與判斷，做出必要的可行 性論證。(4) 第 6 學(xué)期：在指導(dǎo)教師對學(xué)生方案做出評判并修改后，開始繪制

21、傳動及控制原理簡圖，圖中應(yīng)包括機(jī)械、液力部分的動力傳遞方式以 及電工部分的控制電路等。簡圖經(jīng)指導(dǎo)教師審核并同意后，能夠開始 工程圖形的繪圖，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子控制、液壓傳動三部分。要求 將所有零部件按照分類，分別繪制裝配圖與全部零件圖，進(jìn)而交叉互 審每一張圖紙，確保每個零件都能生產(chǎn)出來，保證實際工程的實施。(5) 第 7 學(xué)期：完成詳細(xì)的項目設(shè)計說明書，并在相關(guān)經(jīng)費有所保障 的前提下，利用實習(xí)工廠和協(xié)作單位的廠房設(shè)備對產(chǎn)品實行試生產(chǎn)， 而后在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生實行裝配與調(diào)試，調(diào)試無誤后再實行空 載實測。(6) 第 8 學(xué)期：組織學(xué)生到試車場實行實地測試，在可能的情況下， 還能夠嘗試實行市場開發(fā)和用戶跟蹤。內(nèi)容包括： 1) 晴好天氣、柏油 路面上的制動效果：制動滯遲時間、制動距離、偏剎情況、振動及噪 聲等。 2) 模擬雨雪天氣潮濕泥濘路面情況下的效果：制動速度、制動 效果、振動及噪聲、打滑及跑偏情況等。 3) 觀測電控系統(tǒng)：傳感器的 靈敏度、顯示與報警情況、控制靈活性等。 4) 總體狀況觀測：制動力 大小、制動力分配、制動器溫升、泄