基于系統(tǒng)工程理念的工程教育創(chuàng)新實踐

基于系統(tǒng)工程理念的工程教育創(chuàng)新實踐

明確的教學(xué)目標(biāo),把握教學(xué)過程中的教育執(zhí)行原則項目是通過抽象知識創(chuàng)造具體產(chǎn)品（或特定服務(wù)）的能力。與此相應(yīng),教育,特別是工程教育,通過提供一個知識積累與探索的情境,讓工程人員逐漸掌握抽象知識與具象產(chǎn)品之間的聯(lián)系并加以運(yùn)用,從而提升工程能力。這個以情境為本的概念,就是CDIO的第一個標(biāo)準(zhǔn)(CDIOasContext)。CDIO共有12項標(biāo)準(zhǔn),它系統(tǒng)地收納了工程教育主要的需求。其中心思想就是利用這12項標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)工程教育的利益相關(guān)者,依據(jù)不同社會環(huán)境(Context)中的可用資源來滿足工程教育的需要(12項標(biāo)準(zhǔn)見圖1)。CDIO是一個產(chǎn)品導(dǎo)向的教育指導(dǎo)原則,它對運(yùn)作的細(xì)節(jié)沒有硬性的規(guī)范,因為在CDIO的框架中,工程教育被視為一個培養(yǎng)工程師能力的服務(wù)性產(chǎn)業(yè),所以需要與時俱進(jìn)地認(rèn)識其服務(wù)對象和環(huán)境變化,并修正其服務(wù)手段。不同的地區(qū)性產(chǎn)業(yè),不同的學(xué)生來源,決定著教學(xué)手段的差異性。CDIO的目的在于掌握不同時空背景下教育方法的共性,以抽象的工程能力需求作為執(zhí)行教育工作的標(biāo)準(zhǔn)。而各學(xué)?；虻貐^(qū)的教育相關(guān)人員,必須掌握其時間與空間的特性,以具象的手段執(zhí)行并滿足這指導(dǎo)原則。自萬維網(wǎng)問世以來,學(xué)校的教學(xué)模式,社會的信息需求,與科技知識的內(nèi)容都在高速演化,由此對工程教育質(zhì)量構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。從宏觀角度看,工程教育的成效決定著整個社會應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的綜合實力,因此如何基于現(xiàn)代化的信息基礎(chǔ)建設(shè)來設(shè)定教育目標(biāo)是一種挑戰(zhàn);從微觀的角度看,工程教育直接影響個人吸收新的科學(xué)技術(shù)的能力,因此如何運(yùn)用現(xiàn)代化的信息技術(shù)來提升教學(xué)成果是另一種挑戰(zhàn)。我們?nèi)魧⒁粋€工程教學(xué)的任務(wù)歸類為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程任務(wù),那么,它必然同時考量人、社會和技術(shù)這三個背景環(huán)境中的需求和挑戰(zhàn)。以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法為例,授課內(nèi)容是陌生的離散數(shù)學(xué)概念,授課對象是一群大多數(shù)沒有編程能力的學(xué)生。而學(xué)生主動學(xué)習(xí)的時間和意愿也因為同學(xué)期的近八門必修課而受到限制。矛盾的是,授課目標(biāo)是在一學(xué)期內(nèi)初步培養(yǎng)學(xué)生將數(shù)學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)化為可由計算機(jī)執(zhí)行的代碼的工程能力;而由于編程工具與離散數(shù)學(xué)需要一段時間的密集化訓(xùn)練,許多學(xué)生無法在一個學(xué)期安排出自學(xué)時間來掌握這種能力。所以,類似于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”等課程的教學(xué)效果牽涉到許多變數(shù),如學(xué)生,教師,學(xué)習(xí)風(fēng)氣,信息科技的基礎(chǔ)建設(shè),包含網(wǎng)絡(luò)信息的取得和學(xué)生上機(jī)的工作條件等。以此推論,許多工程的課程也面臨同樣的問題:不僅是課程知識的內(nèi)容,也牽涉到人、社會與基礎(chǔ)建設(shè)的背景等問題。我們選工業(yè)工程系的課程作為試點,原因之一是便于學(xué)生與教師通過互聯(lián)網(wǎng)參考全球相關(guān)課程的教學(xué)方法和內(nèi)容,并順便印證知識可由多種管道獲得,而學(xué)校與課堂只是學(xué)習(xí)活動的一個環(huán)節(jié)。然而,無序的學(xué)習(xí)只能當(dāng)作一種業(yè)余的嗜好,學(xué)校和教師必須以人文科學(xué)的理念和系統(tǒng)工程的手段來引導(dǎo)和控制學(xué)生群體的組織性學(xué)習(xí)行為。在《CODE》CDIO強(qiáng)調(diào)學(xué)生的工程能力不是單純的理論知識或直觀的技能,而是兩者的綜合經(jīng)驗。同理,一個班級、一個科系或一所學(xué)校的教學(xué)能力,也是一種綜合實力,它的教育執(zhí)行力應(yīng)是這4種動力的總和。所以,課程設(shè)計不能只按照暢銷教材來決定學(xué)習(xí)的方式和內(nèi)容,而應(yīng)采用系統(tǒng)工程的方法論和工具來分析學(xué)生和產(chǎn)業(yè)的綜合需要,并將相關(guān)的誘導(dǎo)力與約束力對應(yīng)于前述的4個動力來考量。例如,在執(zhí)行教學(xué)任務(wù)時必須考量學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)與學(xué)習(xí)風(fēng)氣等社會常態(tài),同時,教師可以制定一系列的評分法令和獎勵性的市場機(jī)制,并將學(xué)生分組的架構(gòu)、實驗器材和工具的架構(gòu)與CDIO教育的目標(biāo)相結(jié)合。我們甚至可以進(jìn)一步地將CDIO的12個標(biāo)準(zhǔn)分門別類地與這4個動力源相結(jié)合(如圖2所示)。CDIO的第一個標(biāo)準(zhǔn)是環(huán)境和情景(Context)。在制定教育計劃時,我們必須對環(huán)境中的主導(dǎo)因素做一些分析,而根本的問題包括以下兩個面向:(一)人才和價值觀的喪失1.服務(wù)產(chǎn)業(yè)缺乏由于資本市場環(huán)境的變異,以及工程師由個人技能獲得高報酬的可能性低于類似金融業(yè)、律師業(yè)等與資本直接打交道的服務(wù)產(chǎn)業(yè),從而造成頂尖人才被其他科系所吸引,而這些頂尖人才可能帶來的創(chuàng)意及活力,也因他們的流失而使得課程與課堂的活力下降。2.紙證書的法律性質(zhì)許多學(xué)生,包括那些資歷或資質(zhì)極高的學(xué)生,片面地認(rèn)為,學(xué)習(xí)工程僅為取得一紙證書而非以工程為終身事業(yè),學(xué)校所教的各項工程技術(shù)和原理僅被視為獲取學(xué)歷而不得不去攻克的關(guān)卡。這種學(xué)習(xí)態(tài)度極大地降低了學(xué)生在課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新動機(jī),而這種學(xué)習(xí)態(tài)度與社會風(fēng)氣相互呼應(yīng),造成了對工程教育最具有威脅性的挑戰(zhàn)。(二)技術(shù)的進(jìn)步改變了傳統(tǒng)的工程模式1.考慮多種因素下的工程技術(shù)與工程手段在技術(shù)現(xiàn)代工程系統(tǒng)中的核心問題在于,當(dāng)我們面對錯綜復(fù)雜的大型工程項目時要解決建模、設(shè)計、實施、控制等一系列問題,傳統(tǒng)的工程技術(shù)與工程手段在面對多層次、跨領(lǐng)域以及大規(guī)模的系統(tǒng)時所產(chǎn)生的局限性,使我們不得不改而采用創(chuàng)新性的工程技術(shù)和手段。另外一個趨勢是隨著環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的工程理念不斷普及與深化,要求在系統(tǒng)設(shè)計之初就能夠完整地整合相關(guān)技術(shù)與方法,因而對工程師的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力以及對新技術(shù)的敏感性提出了更高的要求。2.健全課程內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣近年來大量普及的信息技術(shù),如移動信息平臺與網(wǎng)絡(luò)化的知識庫等,從根本上顛覆了傳統(tǒng)工程技術(shù)的實踐與運(yùn)作手段。對復(fù)雜的工程系統(tǒng),近代工程需要自動化地生成、驗證與修訂工程設(shè)計方案的技術(shù)能力,這些概念與技術(shù)經(jīng)常不被現(xiàn)有的課程內(nèi)容所涵蓋。因此,學(xué)生在校園內(nèi)便無法與工業(yè)界所需的新工具和設(shè)計理念接軌,不能主動參與構(gòu)思和實踐相關(guān)的工程任務(wù)。如前所述,設(shè)計教育產(chǎn)品是一個產(chǎn)品開發(fā)的過程,我們可以針對這些挑戰(zhàn)確立教育產(chǎn)品的內(nèi)容與階段性目標(biāo)。以下九宮格以課程為中心描述了我們在不同階段教學(xué)的理想化目標(biāo)(見圖3)。假設(shè)學(xué)生具備良好的學(xué)習(xí)態(tài)度,并投入足夠的學(xué)習(xí)時間,以上理想目標(biāo)應(yīng)能完成。但是,學(xué)生的真正問題恰恰是缺乏學(xué)習(xí)動力,從而影響到對所有學(xué)科的理解與學(xué)習(xí)。筆者遺憾地注意到,許多學(xué)生處于非常被動的狀態(tài):他們既缺乏主動學(xué)習(xí)的興趣也缺乏應(yīng)有的時間安排能力;而且不知道課程之間的連結(jié)關(guān)系,不知道前面課程的學(xué)習(xí)成果會影響后面課程的理解深度;在安排學(xué)習(xí)時間的決策上,經(jīng)常是被動地受到同學(xué)和教師的影響,哪一門要求嚴(yán)格,哪一門花的時間就多。這種態(tài)度使他們不能有效地達(dá)到學(xué)習(xí)的整體目標(biāo)。我們希望,學(xué)生能夠主動地發(fā)掘課程之間的關(guān)系,而且找到貫穿全部課程的學(xué)習(xí)策略。確切地說,我們需要系統(tǒng)地幫助學(xué)生培養(yǎng)個人及群體的學(xué)習(xí)習(xí)慣。引導(dǎo)學(xué)生形成習(xí)慣不能僅靠學(xué)生的自覺性,應(yīng)找到相應(yīng)的宏觀與微觀機(jī)制來系統(tǒng)地控制他們的整體行為。從宏觀角度看,當(dāng)下的學(xué)習(xí)價值觀(市場)與校內(nèi)的學(xué)習(xí)風(fēng)氣(社會常態(tài)),都存在削弱學(xué)生主動學(xué)習(xí)意愿的弊病。從微觀角度看,當(dāng)下的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)工具(系統(tǒng)架構(gòu))與學(xué)習(xí)成果評分標(biāo)準(zhǔn)(法令規(guī)章),也無助于學(xué)生建立抽象概念與具象技術(shù)的聯(lián)系?？傮w而言,學(xué)生的迷失感或?qū)W習(xí)障礙可以歸結(jié)為幾個層次(見圖4)。如圖4所示,以上問題可歸結(jié)為兩極。宏觀上看,學(xué)校有義務(wù)倡導(dǎo)尊崇工程與科學(xué)素養(yǎng)的價值觀,學(xué)生必須對工程師的本質(zhì)有所認(rèn)識,體認(rèn)到工程能力有如藝術(shù)家的品味,不可能一蹴而就。所以我們在設(shè)計課程時必須培養(yǎng)學(xué)生的工程價值觀,作為未來的工程師,工科學(xué)生必須既具備科學(xué)家的務(wù)實判斷力,又要有藝術(shù)家的創(chuàng)作激情。學(xué)校也應(yīng)策略性地展現(xiàn)工程職業(yè)生涯的長期市場誘因,利之所趨,才有投入學(xué)習(xí)和工作的動機(jī)。由于考試得到高分不一定能反映相應(yīng)的工程素質(zhì),因此從價值觀(市場)的角度看來,教師的評分手段應(yīng)當(dāng)盡可能與提升素質(zhì)的目標(biāo)保持一致。這些考量可以納入具體課程活動的格式中。從群體行為(社會常態(tài))的角度來看,當(dāng)多數(shù)學(xué)生對學(xué)習(xí)的強(qiáng)度與密度采取經(jīng)常性的高標(biāo)準(zhǔn),其他學(xué)生必然也會投入更多的學(xué)習(xí)力度。微觀上看,課程內(nèi)容的具體表現(xiàn)方法牽涉到特定的學(xué)習(xí)工具,可分為幾個層面:①個人生活習(xí)慣;②協(xié)同群體的方法論;③具體的數(shù)理概念與信息管理工具。為了培養(yǎng)學(xué)習(xí)習(xí)慣,我們安排了一個專門的“工業(yè)工程概論”必修課(標(biāo)準(zhǔn)四:工程概論IntroductiontoEngineering),這門課由本系常務(wù)系主任鄭力親自授課,并推薦學(xué)生閱讀《高效能人士的七個習(xí)慣》(The7HabitsofHighlyEffectivePeople)古希臘領(lǐng)域的順序?qū)?yīng)關(guān)系和財務(wù)價值的前因子工程師的工作理念建基于運(yùn)用抽象規(guī)則創(chuàng)造并反復(fù)不斷地回顧和修正具象的產(chǎn)品。當(dāng)工程經(jīng)驗的累積達(dá)到相當(dāng)成熟的階段時,工程知識經(jīng)?？梢詽饪s為一些簡單而完備的指導(dǎo)原則,甚至對應(yīng)于一個奠基性的數(shù)理框架。經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研以及實踐,我們很幸運(yùn)地找到了伽羅瓦連接(GaloisConnection)來指導(dǎo)工程知識的累積和傳播過程。在數(shù)學(xué)中,特別是在代數(shù)理論中,伽羅瓦連接是指兩個偏序集(PartialOrderSetorDomain)之間的順序?qū)?yīng)關(guān)系(OrderPreservationRelations)。簡言之,伽羅瓦連接能運(yùn)用某領(lǐng)域(Domain)的順序結(jié)構(gòu)信息,擴(kuò)大或縮小其他領(lǐng)域順序結(jié)構(gòu)信息的映射法則。伽羅瓦連接的四個代數(shù)算子(AlgebraicOperators,如圖5中的α,γ,?,≤)恰好能對應(yīng)于CDIO的4個知識累積階段。在此我們借用這個概念作為CDIO教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計指導(dǎo)原則,其4個基礎(chǔ)運(yùn)算符恰好可以一對一地映射于CDIO的4個過程元素。結(jié)合伽羅瓦連接以及CDIO的四個過程元素,我們將工程的流程概括為從抽象域的設(shè)計層次(Design)到具象域的操作(Operate),以及聯(lián)系兩者的構(gòu)思(Conceive)和實踐(Implement)。即每個工程師從現(xiàn)實的經(jīng)驗中獲得啟發(fā)和靈感,用以構(gòu)思產(chǎn)品的設(shè)計理念,同時根據(jù)從現(xiàn)實世界抽象得出的規(guī)則和方法,進(jìn)行排列和重組,產(chǎn)生一種或多種設(shè)計方案。工程師們通過實踐把抽象的設(shè)想變成具象的產(chǎn)品或服務(wù),進(jìn)而產(chǎn)生新的具象的經(jīng)驗,循環(huán)反復(fù),刺激抽象知識的完善和具象產(chǎn)品的提高。CDIO強(qiáng)調(diào)認(rèn)知過程需要雙重刺激(DualImpact)由于伽羅瓦連接對現(xiàn)代數(shù)學(xué),尤其是計算科學(xué)有奠基性的貢獻(xiàn),它簡要地指出跨領(lǐng)域信息之間可由反復(fù)疊代的篩選比較過程來提煉出新的知識,而這個理念正是工程學(xué)科的共同特性,所以,我們有必要將其邏輯思路納入工程科學(xué)的基礎(chǔ)教程,并利用這一數(shù)學(xué)化的信息歸納理論引導(dǎo)工程知識的積累。社會常態(tài)與工程價值觀根據(jù)圖2所述,教學(xué)課程的策略可依此四種群體控制動力而順序制定。由系統(tǒng)架構(gòu)(Architecture)開始,課程的順序和學(xué)生的組織結(jié)構(gòu)大體上確定,可以作為設(shè)計課程內(nèi)容的先決條件。根據(jù)教學(xué)目標(biāo),評分與獎懲的法令(Law),可以明文記錄于課程大綱之中。學(xué)生自發(fā)性選擇的小組項目,可以創(chuàng)造一種對技術(shù)知識的市場(Market)需求。最后,定期提供的進(jìn)度報告和在課程中所傳授的學(xué)習(xí)習(xí)慣,可以轉(zhuǎn)化成一種社會常態(tài)(Norm),進(jìn)而影響全體學(xué)生的學(xué)習(xí)效能,并引導(dǎo)學(xué)生建立一個以創(chuàng)造產(chǎn)品為目標(biāo)的工程師價值觀。用伽羅瓦連接的語言來描述課程構(gòu)思和設(shè)計的過程,課程架構(gòu)(Architecture)和評分法則(Laws)算是抽象的行為規(guī)范,這些規(guī)范的抽象性在于它對各個具象課程如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)庫等均可適用,換言之,它描述了一個集合的特征,便描述了所有相應(yīng)的個別案例。在CDIO教學(xué)平臺上,所有需要所謂雙重沖擊(DualImpact)的課程,均可共用一個類別的架構(gòu)和法則。課程架構(gòu)與評分法則的細(xì)節(jié)內(nèi)容應(yīng)記錄在課程大綱(Syllabus)中。在學(xué)期開始前,教師應(yīng)邀請學(xué)生共同討論與修正課程大綱。學(xué)生理解了課程架構(gòu)與評分法則的設(shè)計思路,便能更好地明確學(xué)習(xí)目標(biāo),并基于這些指導(dǎo)原則來規(guī)劃學(xué)習(xí)活動。工程價值觀(Market)和學(xué)習(xí)風(fēng)氣(Norm)是課程構(gòu)思和設(shè)計的具象成果的展現(xiàn)。學(xué)生個人及小組作業(yè)的質(zhì)量能反映其價值觀;而作業(yè)的平均質(zhì)量則反映了學(xué)習(xí)風(fēng)氣的水平。這些具象成果將成為下一階段課程構(gòu)思和設(shè)計的參考指標(biāo)。這4個動力的細(xì)節(jié)內(nèi)容可以如下展開:1.課前時間安排課程架構(gòu)包涵課程內(nèi)容的架構(gòu)與課堂時間安排的架構(gòu)。課程的內(nèi)容架構(gòu)有別于傳統(tǒng)課程,四個學(xué)習(xí)活動均以學(xué)生為主體(見圖6)。例如,課堂講授不必由教師親自上臺,可以讓學(xué)生先作預(yù)習(xí),以小組分工的方式,輪番上臺,學(xué)生以自己的語言展現(xiàn)他們對每周課程內(nèi)容的理解思路。這樣做也有助于教師觀察學(xué)生理解的盲點或創(chuàng)新點。同樣的原則亦可用于個人作業(yè)、小組項目的選擇與進(jìn)度報告。除了上述內(nèi)容架構(gòu),時程安排也應(yīng)有一個通用的過程架構(gòu)。以一個三學(xué)時的課程為例,每周三個課堂小時,可以分解為相應(yīng)的內(nèi)容安排(見圖7)。這種時間分配模式,是針對學(xué)生為主體的思想而設(shè)計的。雖然縮短了教師上臺的時間,但對學(xué)生的要求反而提高了。從第一節(jié)課的小組進(jìn)度報告開始,學(xué)生每周都要展現(xiàn)他們的小組項目進(jìn)度。這對所有學(xué)生都是督促。第二節(jié)課,由學(xué)生上臺講授理論。在臺前授課內(nèi)容應(yīng)先在教師監(jiān)督下預(yù)演和修正。第三節(jié)課,隨時間許可,安排隨堂小考?？荚噧?nèi)容可由負(fù)責(zé)演講的學(xué)生小組擬稿,由助教和主講教師審核定稿。最后由教師總結(jié)該周的整體學(xué)習(xí)內(nèi)容。2.生意見的手段,有助于更好地理解教師教學(xué)的整體策略由于CDIO是一種產(chǎn)品導(dǎo)向的教學(xué)模式,課程也被視為產(chǎn)品,所以課程大綱與評分法則也該與時俱進(jìn)。一個直接得到學(xué)生意見的手段,是邀請學(xué)生參與課程大綱和評分法則的設(shè)計。學(xué)生參與課程大綱的撰寫,有利于他們從全局性的角度而不是以個人得分高低的角度去看待學(xué)習(xí),從而更好地理解教師教學(xué)的整體策略。即使課程大綱與評分法則已有定案,在每學(xué)期的第一周,教師與學(xué)生仍應(yīng)把課程大綱與評分法則當(dāng)作一個重要的課題來討論,如有需要,可根據(jù)學(xué)生反饋再次改動。3.選擇合適的工具課程目標(biāo)是提升學(xué)生的工程能力,最具象的辦法就是讓學(xué)生自主地構(gòu)思、設(shè)計、實踐與操作工程產(chǎn)品。師生應(yīng)把小組項目和個人作業(yè)當(dāng)成實質(zhì)的工程項目,把學(xué)習(xí)時間、審稿和修正的過程作為工程進(jìn)度來管理。而課堂講授與進(jìn)度報告,則應(yīng)被定位為服務(wù)性的產(chǎn)品。學(xué)生和教師都應(yīng)當(dāng)關(guān)注聽眾的反應(yīng)和接受程度。在創(chuàng)造產(chǎn)品的過程中,選用產(chǎn)品開發(fā)的工具異常重要。尤其是軟件的開發(fā),選用一個標(biāo)準(zhǔn)的編程語言,有如選擇一個通用的知識貨幣。針對不同的產(chǎn)品開發(fā)過程,應(yīng)選用不同的工具。形成這個選擇工具的能力一般需要相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗。教師對尋找與選用標(biāo)準(zhǔn)工具占有決定性的地位。例如,規(guī)定學(xué)生使用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件開發(fā)環(huán)境(IntegratedSoftwareDevelopmentEnvironment,IDE),可幫助初學(xué)人員以群體互動的學(xué)習(xí)力度快速進(jìn)入技術(shù)熟練的狀態(tài)。這種群體學(xué)習(xí)的策略可以歸類為一種市場行為,因為統(tǒng)一化的軟件工具可以比擬為統(tǒng)一的知識貨幣,而統(tǒng)一的貨幣經(jīng)常能提高市場的流通性與效率。4.幫助建立一個以產(chǎn)品為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)氣流除了傳授特定的專業(yè)知識,一門理想的課程應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)自學(xué)該專項內(nèi)容的興趣。當(dāng)多門課多個學(xué)期采用上述課程架構(gòu)與評分方法之后,其累積效應(yīng)可幫助建立一個以產(chǎn)品為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。由于學(xué)生頻繁上臺表演,勢必帶來多種詮釋同樣知識內(nèi)容的不同視角,從而幫助學(xué)生與教師重新審視一個或許已被忽略的思考角度。學(xué)生群體的學(xué)習(xí)態(tài)度和創(chuàng)新風(fēng)氣當(dāng)然不是一蹴可成的,它需要長時間的積累。只有致力于建立以學(xué)生為主體的教學(xué)架構(gòu),才能有效地吸納學(xué)生的創(chuàng)意,并扭轉(zhuǎn)被動學(xué)習(xí)的不良風(fēng)氣。5.轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)理念工程的本質(zhì)是精益求精地開發(fā)實用產(chǎn)品,工程教育也不例外。上述四個控制群體行為的動力也會有循環(huán)性相互增強(qiáng)的效果。在教學(xué)中,我們必須糾正學(xué)生認(rèn)為接受工程教育僅僅是獲取學(xué)歷的途徑這一錯誤概念,并幫助學(xué)生樹立工程是一種不斷追求卓越的過程,必須經(jīng)過多次回顧、反復(fù)修正、不斷創(chuàng)造及深入探索這一理念。這個循環(huán)性的學(xué)習(xí)態(tài)度與價值觀是個人成功乃至整個工程教育成功的必要條件。在轉(zhuǎn)變學(xué)生從分?jǐn)?shù)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品導(dǎo)向的價值觀的路途中,我們發(fā)現(xiàn),較之僅僅告訴抽象的學(xué)習(xí)原則,提供其他同學(xué)的成功案例并將其置于一個不斷對產(chǎn)品進(jìn)行討論與修正的過程中,更能加深學(xué)生對這類知識的印象(DualImpact)。從伽羅瓦連接的理論框架來解釋,工程知識的累積需要連結(jié)抽象知識與具象經(jīng)驗,這個規(guī)律也適用于工程課程的設(shè)計、構(gòu)思、實踐和操作的教學(xué)全過程。核心能力:數(shù)學(xué)原理與基礎(chǔ)編程上述抽象的課程構(gòu)思和設(shè)計理念可應(yīng)用于多個課程,以清華大學(xué)工業(yè)工程系的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這兩門課為例,其目標(biāo)分別為:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——使用形式化的科學(xué)語言,提升學(xué)生工程思辨能力;數(shù)據(jù)庫——提供一種工程的技術(shù),幫助學(xué)生建立管理與分析大量數(shù)據(jù)的能力。這兩門課一個著重數(shù)學(xué)原理與基礎(chǔ)編程工具的熟練程度,另一個則提供了現(xiàn)代信息處理工具。學(xué)生通過運(yùn)用課程中所學(xué)原理創(chuàng)造出具象的產(chǎn)品,不但漸進(jìn)式地加強(qiáng)了運(yùn)用抽象知識創(chuàng)造產(chǎn)品的能力,認(rèn)知到成熟的工具可以使管理與處理訊息更高效,也理解了更深層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理念。由于本系的課程設(shè)計整合了各類相關(guān)課程教學(xué)時間的關(guān)系,加上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫均由本系教師執(zhí)教,因而更有利于實現(xiàn)將課程內(nèi)容與本系其他課程內(nèi)容做橫向與縱向的連貫設(shè)計,體現(xiàn)了CDIO標(biāo)準(zhǔn)三關(guān)于集成課程設(shè)置(IntegratedCurriculum)的理念。(一)根據(jù)課程設(shè)計中五個部分的課程內(nèi)容組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)介紹和指導(dǎo)1.課堂協(xié)同,隨堂分析。根據(jù)樹課堂講授主要包括兩個方面的內(nèi)容,一是基礎(chǔ)知識的講授以及課程內(nèi)容的布置,主要由教師、選定的學(xué)生和助教共同完成,這個產(chǎn)品的目標(biāo)客戶是學(xué)生,所以在制定課程內(nèi)容時就必須考慮他們的接受能力和意見。另一方面,在學(xué)生上臺講演環(huán)節(jié),主要由指定學(xué)生就相關(guān)課程內(nèi)容交流學(xué)習(xí)心得。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中,教師每堂課都會以講授和提問的方式簡短回顧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識,如什么是樹,什么是二叉樹,圖與樹之間的關(guān)系等等。這種口頭測驗及隨堂小考幫助教師得到學(xué)生掌握知識的情況。與此同時,向大家介紹新的工具,布置下一次的教學(xué)任務(wù)。同時,每周要求一組學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容課前預(yù)習(xí),在課堂上則根據(jù)自己的理解,交流學(xué)習(xí)到的知識以及心得。學(xué)生可以采用多種形式,力爭通過形象的表達(dá)引起其他同學(xué)的興趣,幫助同學(xué)理解抽象的數(shù)學(xué)概念。講演以內(nèi)容講授與同學(xué)理解的結(jié)合為評定標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止,話劇、音樂、錄像等均已被學(xué)生引入講演之中。在上臺之前,至少有一次要在教師面前排演,以保證技術(shù)含量以及相關(guān)學(xué)術(shù)內(nèi)容的正確性。不僅如此,我們還要求學(xué)生就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),并以隨堂測試的形式,幫助全體同學(xué)培養(yǎng)提前預(yù)習(xí)和持續(xù)學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。在這里,教師不再是一個知識的單純講授者,更像是一名教練或者導(dǎo)演,把課堂當(dāng)作是一個交換知識的工作空間,掌握著全體學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度。這個環(huán)節(jié),既培養(yǎng)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣(標(biāo)準(zhǔn)8:主動學(xué)習(xí)ActiveLearning),也讓教師對學(xué)生吸收知識的進(jìn)展有進(jìn)一步的認(rèn)識(標(biāo)準(zhǔn)10:教師的教學(xué)能力EnhancementofFacultyTeachingSkills)2.次作業(yè)設(shè)計設(shè)計學(xué)生的個人作業(yè),主體思想在于強(qiáng)調(diào)不同作業(yè)之間的相關(guān)性,前一次作業(yè)是后一次作業(yè)的軟件基礎(chǔ),以讓學(xué)生體認(rèn)到產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性,向他們灌輸可持久化的工程理念,并告訴他們產(chǎn)品開發(fā)的過程與產(chǎn)品的表象功能同樣重要。以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程為例,第一次作業(yè)要求學(xué)生計算或簡化一個數(shù)字與符號并存的表達(dá)式及輸出以樹狀結(jié)構(gòu)顯示的運(yùn)算結(jié)果。緊接著,第二次作業(yè)要求學(xué)生通過讀取XML文件記錄的多個表達(dá)式并計算表達(dá)式的結(jié)果來判斷該圖形結(jié)構(gòu)中的一些邏輯特質(zhì),并最終用圖形的格式輸出邏輯判斷的結(jié)果。這樣,在第二次作業(yè)中,學(xué)生就必須通過調(diào)用第一次作業(yè)的軟件成果來完成第二次作業(yè)的指定功能,從而保證第一次作業(yè)和第二次作業(yè)間不可分割的聯(lián)系。進(jìn)一步地,第三次作業(yè)要求學(xué)生利用前兩次的作業(yè)成果,實現(xiàn)一個圖形的遍歷與知識搜索,并最終輸出符合條件的路徑。這里,不僅讓學(xué)生實踐了圖形的遍歷和知識搜索,也讓他們更明白之前樹形結(jié)構(gòu)存儲與計算的利用價值和意義所在。這種作業(yè)的設(shè)計手法,通過實踐向他們灌輸了可持久化的工程理念。顯然,作業(yè)評分的結(jié)果也應(yīng)改變以分?jǐn)?shù)為導(dǎo)向的價值觀。3.團(tuán)隊協(xié)作思想課程內(nèi)容中小組項目環(huán)節(jié)的安排正是基于工程學(xué)習(xí)要以創(chuàng)造產(chǎn)品為導(dǎo)向的理念,采用在產(chǎn)品開發(fā)中學(xué)習(xí)具體知識,再用學(xué)到的具體知識進(jìn)一步指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)的學(xué)習(xí)模式。我們希望通過這些項目的實踐向?qū)W生證明,任何學(xué)習(xí)層面的學(xué)生都可以對工程和科技的發(fā)展做出貢獻(xiàn),學(xué)生也不必等到畢業(yè)或參與了一份全職工作,才可以獲得直接的工程經(jīng)驗。在小組項目的實施過程中,我們主要應(yīng)用整合與劃分——“分而治之,合而擊之”的團(tuán)隊協(xié)作思想?！胺侄沃?合而擊之”是一種在抽象與具象領(lǐng)域都適用的設(shè)計模式。英文為:DivideandConquer。全班同學(xué)整個學(xué)期都有一個共同的目標(biāo)——做一個完整的系統(tǒng)軟件,即最終的產(chǎn)品。這個大的項目在開學(xué)初經(jīng)過大家討論確定,接著按小組(每組六人)劃分成多個子項目系統(tǒng),而在每個小組內(nèi)又會有分工,不同的人負(fù)責(zé)改組任務(wù)的不同部分,比如模型(Model)組、控制(Control)組、界面(View)組。作為小組中的一員,平時不僅要做好自己那部分工作,還要與本組同學(xué)溝通,并利用課堂及課外時間積極與其他小組交流,相互討論設(shè)計接口及其他相關(guān)事項,從而使各自的子系統(tǒng)可以互相兼容,在學(xué)期末的時候把所有的子系統(tǒng)整合在一起,從而形成一個完整的產(chǎn)品。而這種相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)過程,也體現(xiàn)了工程師需要培養(yǎng)縱觀全局的可持續(xù)設(shè)計能力(標(biāo)準(zhǔn)3:集成課程設(shè)置IntegratedCurriculum)的理念。各組內(nèi)兩人配對的工程任務(wù)分配模式,來自極限編程的方法論《Beck2004》。這種人員組織架構(gòu)直接制約并有助于形成學(xué)生日常協(xié)同合作的習(xí)慣,從而影響學(xué)習(xí)風(fēng)氣,建立共同學(xué)習(xí)及相互督促的社會常態(tài)。4.從個人工作流程到小組進(jìn)度管理在《高效能人士的七個習(xí)慣》一書中,作者強(qiáng)調(diào)采用周計劃(WeeklyOrganizing)為時間管理的基本單元。在周計劃中要闡明本周工作的角色(Roles)、目標(biāo)(Goals)以及計劃(Plans),我們據(jù)此設(shè)計了小組進(jìn)度報告環(huán)節(jié)。CDIO教育的目標(biāo)之一,是讓學(xué)生體認(rèn)到工作流程可以左右產(chǎn)品的優(yōu)劣,在實際的軟件開發(fā)流程中,我們導(dǎo)入了極限編程和測試驅(qū)動開發(fā)的概念,并使用開源軟件OpenProj對項目進(jìn)度進(jìn)行可視化的管理。這些工具提供了一個工作模式,讓學(xué)生先將個人和小組的最終目標(biāo)精確地用文字記錄而引導(dǎo)學(xué)生與其團(tuán)隊的學(xué)習(xí)和產(chǎn)品開發(fā)行為。我們明確規(guī)定,每個小組每周都必須上臺報告自己本周取得的成果、下周的目標(biāo)以及實現(xiàn)目標(biāo)的計劃(標(biāo)準(zhǔn)11:學(xué)生CDIO能力評價,CDIOSkillsAssessment;標(biāo)準(zhǔn)12:CDIO項目評價,CDIOProgramEvaluation)。起初各個小組計劃質(zhì)量并不高,不太知道如何做計劃,但實施一段時間后,學(xué)生對項目的把握和控制能力明顯增強(qiáng)。不少同學(xué)反映,他們正是在一次次小組進(jìn)度匯報中逐漸明晰了小組的努力方向,并找到了實現(xiàn)的方法。從CDIO的教學(xué)實踐成果看,這項措施的實施不僅有利于督促學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)保質(zhì)保量完成任務(wù),而且有利于他們養(yǎng)成做計劃的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。(二)為了確保cdi教育實踐的發(fā)展，在教育過程中采取了以下四種措施1.注意使用的工具由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫均與軟件開發(fā)技能有直接聯(lián)系,所以軟件開發(fā)的基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)境也是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)當(dāng)體驗的必要條件。不論是選用編程語言還是建立源代碼的同步分享,都必須讓學(xué)生體驗工程產(chǎn)品的優(yōu)劣與開發(fā)產(chǎn)品的流程和所使用的工具息息相關(guān)的道理。我們發(fā)現(xiàn),學(xué)生在大二階段雖已經(jīng)上過一門C語言基礎(chǔ)課程,但大多數(shù)學(xué)生除了能寫簡單的程序外,對軟件工程的工具與作業(yè)方法一無所知,也沒有興趣。工業(yè)工程專業(yè)必須使用不同層次的抽象思維,其選用的工程分析工具和具象應(yīng)用也應(yīng)與一般的工程專業(yè)如機(jī)械、電機(jī)等有所區(qū)別。為此,我們介紹了一些易于學(xué)習(xí)且功能豐富的軟件工具,如WolframResearch所提供的Mathematica編程語言及其動態(tài)的Notebook人機(jī)界面,以此激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。在選用Java為主要開發(fā)語言的同時選用eclipse為主要的開發(fā)平臺,并要求學(xué)生共同使用這些標(biāo)準(zhǔn)工具來完成個人和分組項目。這種方式不但促進(jìn)了學(xué)生的互相交流學(xué)習(xí),在短時間內(nèi)掌握開發(fā)工具的操作技能,更培養(yǎng)了他們積極主動的學(xué)習(xí)態(tài)度(標(biāo)準(zhǔn)8:主動學(xué)習(xí)ActiveLearning)。在軟件開發(fā)的實際流程中,我們導(dǎo)入了敏捷開發(fā)、極限編程以及測試驅(qū)動開發(fā)等概念。這些工具的使用使得學(xué)生能夠先將個人和小組的最終目標(biāo)精確地用文字記錄下來,從而引導(dǎo)學(xué)生與其團(tuán)隊的學(xué)習(xí)和產(chǎn)品開發(fā)行為,使整個開發(fā)模式標(biāo)準(zhǔn)化。其次,我們也明確規(guī)定學(xué)生必須使用基于SVN的源代碼版本管理系統(tǒng),使用該系統(tǒng)不僅能讓學(xué)生理解大型軟件開發(fā)流程,也讓他們懂得,必須使用版本管理的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同科技,才能降低開發(fā)過程中無謂的混亂。2.把課程內(nèi)容和產(chǎn)品納入到課程過程中,培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣我們在課程開始前兩周便進(jìn)行課程結(jié)構(gòu)安排,每6名同學(xué)為一個小組,并發(fā)放預(yù)習(xí)作業(yè),設(shè)置小組項目以及上臺講演等環(huán)節(jié),還為每個小組設(shè)立了匯報時間點,有效進(jìn)行時間管理。在課程開始前,安排兩組學(xué)生進(jìn)行預(yù)演,使他們開學(xué)第一天就能上臺講演,為全體同學(xué)樹立一個很好的標(biāo)準(zhǔn),讓大家意識到,如果不能做到更好,分?jǐn)?shù)就會受到影響。同時,我們把課堂項目報告當(dāng)作一種服務(wù)性產(chǎn)品,并對報告(產(chǎn)品)質(zhì)量給予評價。評價標(biāo)準(zhǔn)是項目運(yùn)行的表現(xiàn)和通過課堂測驗而得出的其他在場同學(xué)的吸收效果的結(jié)合,這兩方面占相同比例。為了扭轉(zhuǎn)唯分?jǐn)?shù)是論的價值觀,筆者取消了期末考試,把分?jǐn)?shù)分散到學(xué)生平時的作業(yè)、小組項目和上臺講演中。通過這樣一種把創(chuàng)造力、時間管理、過程管理與學(xué)生課程得分強(qiáng)制性綁定的方法,培養(yǎng)了他們良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。我們始終強(qiáng)調(diào),學(xué)生在課堂上需要學(xué)習(xí)的不止是知識,良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣更為重要,這有助于他們在各個方面都做到最好。課程設(shè)計不僅要滿足單一的課程知識的傳遞,更要滿足全面工程能力的提升,包含技術(shù)知識與推理能力,個人技能與人際關(guān)系的提升,并充分考量知識應(yīng)用于企業(yè)與社會的可能性等(標(biāo)準(zhǔn)二:CDIO的教學(xué)目標(biāo)結(jié)果,CDIOSyllabusOutcomes)。3.學(xué)生互動數(shù)字空間工作空間包括學(xué)生學(xué)習(xí)的情景與環(huán)境,前述的課堂情景與環(huán)境是工作空間的一部分,我們將整個學(xué)生團(tuán)體當(dāng)作一個復(fù)雜的社會系統(tǒng),以極限編程與高效能人士的7個習(xí)慣等“軟”科學(xué)手法,來幫助學(xué)生改變其工作空間,進(jìn)而影響學(xué)習(xí)習(xí)慣。工業(yè)工程作為一門系統(tǒng)科學(xué),或稱軟科學(xué),并不專注于單一的工程產(chǎn)品或服務(wù)本身的技巧,而是強(qiáng)調(diào)各種產(chǎn)品與服務(wù)之間的交互關(guān)系。管理變異性大、影響面廣的技術(shù),需要的就是“軟”知識,清華工業(yè)工程系同年級的學(xué)生雖然有共同的作息時間,但他們并沒有專屬的自習(xí)空間。為此,我們把課堂發(fā)展為學(xué)習(xí)的互動空間,把教師的辦公室當(dāng)成預(yù)演的空間,并根據(jù)學(xué)生的需要由學(xué)生設(shè)計教師的辦公室,命名為“ToyHouse”,其主要目標(biāo)是方便學(xué)生互動。相應(yīng)的軟硬件(包括專用的國際網(wǎng)絡(luò)等通信管道)都特地設(shè)計在其中,同時還提供了高速計算機(jī)以及大容量硬盤空間,幫助學(xué)生分享學(xué)習(xí)的數(shù)字化內(nèi)容,包括iTunesUniversity與YouTube等教學(xué)視頻內(nèi)容。從CDIO的角度看,抽象的數(shù)據(jù)存儲空間與具象的幾何空間同樣是學(xué)生累積與利用知識的工作空間(Workspace)。4.cdio學(xué)習(xí)方法的選擇。依據(jù)以下的點,教學(xué)學(xué)生常告訴我,學(xué)習(xí)新的工具難,創(chuàng)造新的產(chǎn)品難;同事們常告訴我,改變學(xué)生的習(xí)慣難,改變學(xué)生的態(tài)度難,無須提高學(xué)習(xí)內(nèi)容的挑戰(zhàn)性而制造不必要的挫折感。這些難易的判斷并沒有太多建設(shè)性價值。工程的本質(zhì)是分析什么是該做的事情,什么是必須做的事情,在必須和應(yīng)該的先決條件之下,再去選擇作業(yè)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)的方式,這才是工程師應(yīng)有的基本態(tài)度。工程學(xué)科的師生們應(yīng)該運(yùn)用工程的態(tài)度來優(yōu)化學(xué)習(xí)的方法。在實踐CDIO的過程中,我們應(yīng)告訴學(xué)生,工程師的任務(wù)就是把困難的東西變成容易的東西,如果一碰到困難就放棄,那就很難想象工程技術(shù)的突破或工程教育實質(zhì)內(nèi)涵的改革。再說,教師對學(xué)生的期望經(jīng)常是學(xué)生自我要求的最高上限,如果我們對他們的期望低,在很大程度上就扼殺了他們在這個時期的學(xué)習(xí)潛力。所以,在每學(xué)期開始的幾堂課,教師必須刻意提高對學(xué)生心理的沖擊,以達(dá)到足夠的心理震撼效果,這一策略使所有學(xué)生體認(rèn)到學(xué)習(xí)中充滿不可預(yù)期的挑戰(zhàn),從而調(diào)整放假剛回校園的松散心態(tài)。我們要求學(xué)生所有的表達(dá)都必須完全使用英文。不但要自主預(yù)習(xí)課程,閱讀英文課本,用英文做課堂報告與即席問答,還要注重知識的傳遞效果和與其他同學(xué)溝通互動。這對那些一直以分?jǐn)?shù)為導(dǎo)向和從未接受過英語授課的大二學(xué)生確實是一大挑戰(zhàn)。更為重要的是,前兩組的成功演出也讓所有其他同學(xué)在開學(xué)初的兩周就認(rèn)識到了新的學(xué)習(xí)方式的挑戰(zhàn)。更加綜合的評價標(biāo)準(zhǔn)則使那些特別在意分?jǐn)?shù)的學(xué)生被迫改變獲取高分的手段。通過這種方式,我們鍛煉了學(xué)生的綜合能力,更使課程分?jǐn)?shù)與產(chǎn)品導(dǎo)向的教育目標(biāo)相互結(jié)合。與此同時,使用英文講授課程也體現(xiàn)了將學(xué)習(xí)經(jīng)驗國際化的目標(biāo)。教育是一個良心事業(yè),不是一個討好學(xué)生的娛樂事業(yè),我們唯有提高對學(xué)生的要求和希望,加大他們的學(xué)習(xí)壓力,才能激發(fā)他們的潛能。中小企業(yè)產(chǎn)品功能的要求工程的目標(biāo)在于創(chuàng)造更優(yōu)良的產(chǎn)品。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中體驗到創(chuàng)造新產(chǎn)品的快感,甚至理解工程技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價值。這些經(jīng)驗可以歸類為一種市場機(jī)制的激勵,因為學(xué)生必須負(fù)責(zé)選擇產(chǎn)品開發(fā)策略,低效的執(zhí)行能力必將減弱產(chǎn)品的質(zhì)量。為了激勵學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意愿,評估學(xué)習(xí)成果也應(yīng)當(dāng)以學(xué)生的產(chǎn)品功能為主要標(biāo)準(zhǔn)。在CDIO教學(xué)實踐中,我們采取了以下產(chǎn)品運(yùn)行步驟。(一)問題三:選擇合適的工具,讓學(xué)生自主選擇課堂學(xué)期開始之前,我們先由助教試驗性地使用一個完全陌生的編程環(huán)境Mathematica為開發(fā)工具。助教在兩天之內(nèi)學(xué)習(xí)了該工具的使用方法并成功開發(fā)了一個具有圖型化人機(jī)界面的跨越障礙路徑自動搜尋的編程案例(見圖8)。該案例將搜尋路徑的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與運(yùn)算的復(fù)雜度以及路徑的計算結(jié)果同時可視化。這個案例讓許多同學(xué)直觀地認(rèn)識到,適當(dāng)?shù)倪x擇新的軟件開發(fā)環(huán)境,并不會過度地增加他們的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),反而有利于解決復(fù)雜的工程問題。這類案例,刺激了學(xué)生使用新工具以及主動尋找新工具的意愿。為了刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,我們也開放式地讓學(xué)生自主選擇小組和課題。二年級的韓國留學(xué)生韓湘潤提供了一個創(chuàng)意產(chǎn)品:叮咚(見圖9)。該產(chǎn)品的功能是將音頻訊號(如鋼琴)轉(zhuǎn)化成音符,并影射到機(jī)械手臂的動作。開發(fā)這個產(chǎn)品的技術(shù)牽涉到離散數(shù)學(xué)與連續(xù)數(shù)學(xué)運(yùn)算技巧的結(jié)合以及實體機(jī)械設(shè)計與抽象系統(tǒng)設(shè)計能力的結(jié)合。該創(chuàng)意計劃在四周之內(nèi)便形成了一個初步成品,成功地整合了Mathematica、Java、藍(lán)牙通訊和Lego積木等多種工具。該案例讓其他同學(xué)認(rèn)識到抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識支撐了具象的娛樂功能,體會到游戲與高科技的緊密關(guān)聯(lián),更讓他們看到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這門看似枯燥的課程實際上充滿著娛樂性,從而激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情。(二)設(shè)計方案自動生成機(jī)由于現(xiàn)代工程的挑戰(zhàn)主要來源于工程的復(fù)雜度,而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正是對復(fù)雜度進(jìn)行分析的工程方法知識,因此,我們策略性地選擇自動化為主要研究內(nèi)容,用研究生和本科生畢業(yè)設(shè)計的累計成果,引導(dǎo)學(xué)生的小組項目。如此一來,較復(fù)雜的工程問題,就可以在分享前輩同學(xué)累積開發(fā)的成果上進(jìn)行了。在此,我們提出一個由學(xué)生主導(dǎo)的持續(xù)性研究項目,其研究內(nèi)容主要由兩部分組成,一部分是數(shù)據(jù)服務(wù)平臺,另一部分是設(shè)計方案自動生成機(jī)。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺項目由第一次學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的三年級學(xué)生開始,其主要任務(wù)是提供一套簡化的數(shù)據(jù)儲存代碼范例,以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫工具配置和常見疑難問題的幫助文檔。設(shè)計方案自動生成機(jī)的主要功能則是根據(jù)指定的物體位置關(guān)系,生成符合關(guān)系的三維空間布置圖像。在該工程的開發(fā)過程中,為了讓學(xué)生有更直觀的理解,我們將教師辦公室(ToyHouse)當(dāng)作辦公室家具布局的實際案例(見圖10～11)。在兩個四年級學(xué)生的持續(xù)開發(fā)過程中,我們使用可視化的技術(shù)與枚舉設(shè)計方案的符號設(shè)計理念,獲得了一系列研究成果,并多次在國內(nèi)與國際會議上展示并與同行業(yè)的研究人員交流。我們發(fā)現(xiàn),這些學(xué)生由于沒有受到現(xiàn)有思路限制,提出的計算方式反而拓展了該研究領(lǐng)域的范疇。符號運(yùn)算工具和可視化的結(jié)合不但能幫助設(shè)計人員自動搜索布局方案的可能性空間,同時,在不失邏輯完備性的前提下,也提供了利用有限的計算資源自動枚舉所有設(shè)計方案、檢視所有類型的布局方案并將抽象計算結(jié)果以具象視圖表現(xiàn)給非計算專業(yè)人員使用的可能性。這個研究成果對設(shè)計自動化行業(yè)有著多層意義。最重要的是,我們看到本科生和初學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的人都能在短期之內(nèi)提供自己的貢獻(xiàn),這也證明了研究型大學(xué)的研究資源不僅來自于研究生與全時研究人員,也可在課程開發(fā)與本科生的作業(yè)當(dāng)中獲得新的研究靈感。(三)信息服務(wù)系統(tǒng)在第一屆數(shù)據(jù)庫課程中,我們和學(xué)生共同構(gòu)思了一個具有包容性的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺,稱之為知識城(KnowledgeCity)。在這個平臺上,任何學(xué)生所提出的服務(wù)產(chǎn)品,即他們的小組項目,都必須能融合在該知識城中。迄今為止,同學(xué)們已提出許多數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng),如食品安全追蹤、公交車排班、圖書館交換平臺、電影評論等信息服務(wù)。在設(shè)計中,所有學(xué)生均需考慮其技術(shù)內(nèi)容的特性和共性,從而使各組能利用它組的技術(shù)優(yōu)勢減少本組的技術(shù)阻力,并促使各組項目的技術(shù)成果更加完善。由于這些小組項目相互依賴,促使各小組相互溝通、相互學(xué)習(xí)并相互監(jiān)督,從而創(chuàng)造了新的學(xué)習(xí)互動機(jī)制。在班級這個微觀社會里,這種分工協(xié)作使他們認(rèn)識到個人對小組乃至全班學(xué)習(xí)的重要性和關(guān)鍵性,從而明白工程師必須具備的責(zé)任與義務(wù),同時,也營造了產(chǎn)品成果導(dǎo)向的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。(一)產(chǎn)品導(dǎo)向的工程教育理念工程的本質(zhì)是反復(fù)不斷地修正和改善現(xiàn)有產(chǎn)品以及創(chuàng)造前所未有的新產(chǎn)品和新功能,這種疊代化的修正和創(chuàng)造過程是工程師有別于科學(xué)家的特有態(tài)度。所以在工程教育中,更應(yīng)堅持產(chǎn)品導(dǎo)向的工程教育理念。更為重要的是,在我們所實施的幾個課程中,我們發(fā)現(xiàn)讓學(xué)生自主提出產(chǎn)品的規(guī)格,最能有效反映出學(xué)生的價值觀。當(dāng)學(xué)生親手創(chuàng)造了具象的產(chǎn)品或服務(wù)時,其認(rèn)知行為也便自然有所支撐。他們會發(fā)現(xiàn),在課程中創(chuàng)造一個產(chǎn)品的全過程雖然只有短短幾個月時間,卻包含了人際互動和科學(xué)知識、技術(shù)能力、時間管理等多層面的基礎(chǔ)技能,而這些技能都是在社會上生存所不可或缺的元素。只有這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生,才是真正具有工程知識和實用能力的工程人才。(二)積極創(chuàng)造新的生活方式和行為工程教育的利益相關(guān)者不僅包含工業(yè)界、學(xué)校,更重要的還是學(xué)生。而我們實施CDIO教學(xué)實踐最主要的目標(biāo)就是有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣,在CDIO過程中反復(fù)不斷地強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)體價值觀、個人學(xué)習(xí)態(tài)度以及以產(chǎn)品為導(dǎo)向的認(rèn)知習(xí)慣。學(xué)生在廣泛參與這些活動的同時,必須學(xué)會利用有限的資源展開互動,包括人員、時間、設(shè)備等等,都要綜合考慮,這一過程本身也為學(xué)生創(chuàng)造了一種新的生活方式和行為體系?？梢哉f,我們的工程教育改革雖然是在有限資源之下執(zhí)行的,但通過這些資源的綜合利用,仍然取得了可觀的成果。需要強(qiáng)調(diào)的是,清華大學(xué)工業(yè)工程系CDIO教學(xué)實踐的最主要參與者和貢獻(xiàn)者都是我們的學(xué)生。相關(guān)課程的目標(biāo)和大綱都是在課程開始之前征求學(xué)生意見的基礎(chǔ)上設(shè)定的。更為重要的是,如果我們充分利用每個學(xué)生的能力,把每個學(xué)生都當(dāng)成有能力和責(zé)任的學(xué)習(xí)主體,那么一個班級將會有30～60個老師。不僅如此,這些“小老師”甚至可以教授老教師一些新的理念和先進(jìn)的知識。如果每個學(xué)期都能這樣做,那將意味著未來學(xué)習(xí)這門課程的同學(xué)可以從同一個教師那里學(xué)習(xí)到更多不同的東西。對低年級的學(xué)生來說,以上經(jīng)驗將會是一種參照和影響。至于教師,則應(yīng)如一群協(xié)同合作的教練,全心致力于開發(fā)學(xué)生的素質(zhì)和潛力,并假設(shè)學(xué)生有可能在學(xué)習(xí)過程中超越教師的想像空間。這些以學(xué)生潛力為開發(fā)對象的教學(xué)模式,是鼓勵創(chuàng)新的校園風(fēng)氣和支撐條件。(三)cdio教學(xué)中的層次需求經(jīng)驗表明,教師的期望將直接反映在學(xué)生們的行為上。如果我們希望學(xué)生成為富有實踐能力的工程師,他們的行為就會更像工程師。如果我們僅僅希望他們是懵懂的學(xué)生,他們就會更被動地等待教師的指令。因此,提高教師對學(xué)生的期望層次,是實施CDIO教育理念的第一步。我們也曾對學(xué)生做過各種問卷調(diào)查及個人訪談。雖然有很多同學(xué)反映課程壓力太大,但我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的最直接反應(yīng)還是他們在做中學(xué)的過程中開發(fā)了他們自己從未開發(fā)過的潛力。多個學(xué)生用英文簡略地表達(dá)了他們的感受:“Nothingisimpossible!”因為開發(fā)產(chǎn)品的前期過程所能遇見的經(jīng)常是無限的未知變數(shù)以及有限的資源,所以直觀的判斷總是認(rèn)為在忙碌的課業(yè)壓力之下,要在一個學(xué)期內(nèi)創(chuàng)造一個未知的產(chǎn)品是不可能的。這個習(xí)慣性的態(tài)度是扼殺工程師創(chuàng)造力的元兇。因此,我們認(rèn)為改變這種態(tài)度是整個CDIO教學(xué)過程中直接而重要的改革目標(biāo)。學(xué)生只有樹立了不畏困難的工程師態(tài)度,才有可能自發(fā)地調(diào)動自主學(xué)習(xí)與自我創(chuàng)新的潛力。(四)提供免費(fèi)產(chǎn)品或軟件支持引用UNESCO產(chǎn)學(xué)合作講席查建中教授所倡導(dǎo)的策略方針,我們訂立了國際化、產(chǎn)學(xué)合作、做中學(xué)等三個策略,這也是我們在CDIO教學(xué)實踐中樹立的主要目標(biāo),為此,我們邀請了外國學(xué)生與教師加入我們的學(xué)習(xí)團(tuán)隊,它直接地提升了教學(xué)的品質(zhì)和產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)內(nèi)涵。WolframResearch、Apple和VisualNumerics等公司為我們提供了免費(fèi)產(chǎn)品及其他相關(guān)硬件和軟件支持。同時,WolframResearch的創(chuàng)始人TheodoreGray還應(yīng)邀來學(xué)校演講;VisualNumerics曾派遣公司員工當(dāng)場解答學(xué)生問題;更令人感動的是,一位住在沈陽的東北大學(xué)荷蘭籍講師HanVanTriest,犧牲他個人的假期到北京無償指導(dǎo)我們的學(xué)生使用Mathematica軟件,在教學(xué)過程中,他也發(fā)現(xiàn)CDIO框架可以應(yīng)用于他的學(xué)校;WolframResearch甚至派出一名全職人員從美國專程到北京來協(xié)助我們研發(fā)Mathematica的相關(guān)軟件長達(dá)兩個月,所有這些國際產(chǎn)業(yè)界與我們之間的互動與合作,都拉近了學(xué)校研究室與當(dāng)今產(chǎn)業(yè)界最先進(jìn)技術(shù)的距離,為學(xué)生提供了直接學(xué)習(xí)的機(jī)會。更直接的技術(shù)支