工程教育ＣＤＩＯ课程体系研究

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［摘要］长期以来，国内专家学者对于工程教育的研究大多停留在对教育政策和国外教育模式的初步解读上，对工程教育方面的定性研究较为有限。本文从工程教育起源出发，重点阐述了工程教育结构、课程体系及CDIO工程教育改革领域的系列核心问题。

［关键词］工程教育；CDIO课；程体系

一、工程教育起源

所谓工程学是指用数学和其他自然科学的原理来设计有用物体的进程的一门应用学科。人类以工程技术作为职业的历史可以追溯到原始社会［1］。早期的工程技术与人类的军事活动密不可分，人们为战胜强大的军事对手需要营建坚固可靠的军事防御工程。由此产生了土木工程、军事工程等早期的工程项目和以营建防御工事、打造各类兵器装备为职业的工程技术人员。一般认为工程技术职业化的标志是公元前3000年左右建造的位于埃及古城孟菲斯塞加拉的阶梯金字塔。早期工程技术人员的出现极大地推进了人类基础设施建设方面技术的革新。人类社会真正意义上的工程教育只能上溯到18世纪。1702年，德国的弗赖贝格人建立了第一所以教授采矿和冶金技术为主的专门学校；1707年在今捷克首都布拉格人们建立了人类历史上最早的工程技术专门学校———捷克科技大学；国立桥路学院（1747）和国立巴黎高等矿业学院（1783）的建立标志着法国工程教育的开始；创建于1794年的巴黎综合理工学院是欧洲第一所教授数学和科学基础知识的技术专门学校。到了19世纪末，世界主要工业化国家都已建立起自己的工程技术教育体系。工程教育的发展与人类历史进程是密不可分的。每一项工程技术的进步都伴随着人类生产生活方式的改变。从人类学的角度来说，人类区别于其他生物的最为显著的特点即是人类能够通过设计和使用工具来满足人类自身生活的需要。人类能够设计和使用工具的这一特征加速了人类社会的进步。在一定意义上说，工程学发展史是贯穿广义上的人类发展史的（人类文明史、人类经济史、人类社会发展史等）。石器时代、青铜器时代、铁器时代、蒸汽时代、信息时代都与工程学的发展和进步息息相关，工程学的进步不断地建构出新型的人与世界之间交互影响的关系。工程学的发展同样延续了人类现有的文化遗产，联合国教科文组织在位于埃及南部尼罗河沿岸的阿布辛拜尔神庙的重建项目就能很好地证明这一点。

二、现代工程学视角下的工程项目

美国麻省理工学院约瑟•萨斯曼教授认为工程项目首先是具有一定的复杂性的大型项目系统，在此特点上工程项目应该具备一定的结构和行为特征。不同的工程项目之间是相互联系的，因而发展工程项目科学的远景目标是开发社会化技术，构建开放型技术社会。据此，约瑟夫•萨斯曼提出了工程项目系统的CLIOS模型，基于对CLIOS工程项目系统模型的深入分析，可以认为，一个完整的工程系统（如图2）首先是由一连串的工程项目组成的，工程师在以同一产品目标为导向的工程项目管理模式的基础上协作完成连续的工程项目以达到项目目标。一方面，工程系统本身是处在某一特定工况条件下的，而单一工况条件又是位于整个社会经济、自然环境之中的，因此工程师在进行项目设计与运行时必须考虑项目与环境之间的相互影响。另一方面，为达到较好的经济效益，工程师设计和运行一个新的工程系统需要实时接收新的技术信息以提高自身工程素养，同步了解商业信息，帮助企业进行项目决策。在新的工程系统中，单一工程是由多个相互配合的项目系统组成的，在项目系统协调作业的过程中需要工程师之间相互沟通、协同完成整体任务。由于作业系统在实际作业时存在不可预期的突发事件，工程师在实际的系统设计、维护与运行中应该尽可能地考虑突发事件的诱发因素，并制定相关对策。在上述工程项目系统中，以下概念需要特别注意：技术和商业信息：技术信息包括本行业新材料、新结构、新工艺、新理念等，工程师必须不断革新自己的工程技能才能研发并运行新产品。商业信息包括同行业的企业和产品信息、产品原料和销售信息、同区域的产品使用信息等，工程师获取上述信息的途径包括主动咨询企业销售代表、主要客户，举行产品会，分析销售报表、城市规划细则等。突发事件处理：突发事件包括安全事故、设备故障、自然灾害和其他不可预期的自然、社会因素导致的紧急事件。突发事件的处理应该贯穿工程项目的构思、设计、实施与运行全程，在项目的构思阶段应该充分考虑工程项目可能存在的不可控因素（包括操作失误、设备故障等）。在项目的设计阶段应该遵循安全设计原理，进行基于避免伤害的安全装置的设计。并在项目说明书中详细介绍与项目有关的工程系统操作要求、防护技巧及突发事件的应对策略。在项目的实施阶段要严把质量关，保障产品安全性能符合安全设计要求。在项目的运行阶段，工程师要实时监控项目系统运行情况，定期对系统进行安全评估，排查安全隐患，确保系统运行安全。处理突发事件的熟练程度是工程师工程技能的重要体现形式之一，工程师只有具备过硬的突发事件处理能力才能满足多样化的工程项目需要。项目：在工程学上将开发（或引入）并运行一项新的工程产品的所有行动理解为项目。对于一项完整的工程项目而言，除常规的项目设计与研发工作外，还应涉及项目决策、项目维护与管理等流程。一项完整的工程项目应该包括项目调研（商业调查、技术研究）、项目分析（可行性分析）、项目实施、项目维护、项目终止（以产品服役终止为标志）、项目运行评估等。应该注意的是，工程项目并不是孤立于项目环境存在的。工程师在构思、设计、实施、运行工程项目时需综合考虑社会、工况、环境等项目伦理问题。项目系统：为完成某一工程项目所研发或引入的工程系统。一个完整的项目系统应该包括控制组件、执行组件、安全组件和定位组件4个部分。工程项目通过控制组件来控制项目整体进展。在这一过程中，安全组件保障整个项目系统安全、稳定地运行，定位系统保障项目系统的顺利安装与平稳作业。目标导向的项目管理：项目管理的目标是指在一定预算资金的支持下，在一定的时间内，按一定的技术和绩效标准，完成既定项目。依据项目管理对象的不同，项目管理可分为任务管理、技术管理、组织管理、资源管理4大类。好的项目管理应该是基于明确的项目目标的。这是因为明确的项目目标属于项目决策所必需的工作内容，可用于确定重点的项目任务和关键问题，可用于分清必需和不必需的工作，以避免人力和资源的浪费。人际交往：指工程师通过一定的工程学表达方式、语言文字技巧、肢体动作、面部表情等表达手段将工程项目信息传递给工程项目相关人员的过程。良好的人际交往关系有助于工程师更好地研发并运行项目系统。运行：一项完善的项目运行应包含项目执行的所有细节，具体说来应包括原料采购管理、设备管理、安全管理、环保管理、产品质量管理、项目进度管理、财务控制管理、行政管理、突发事件管理等内容。环境：即项目运行环境，环境是项目管理的基本要素之一。一个项目的完成通常需要对项目所依存的大环境有着敏感的认识和正确的理解。项目及其管理在通常情况下对环境有着极大的影响，但同时也受环境受制约。项目环境分为内在环境和外在环境。具体说来工程项目运行所需环境包括自然环境、社会经济环境、政治环境、员工作业环境等。

三、CDIO与CDIO课程体系

CDIO（Conceive－构思，Design－设计，Im－plement－实施，Operate－运行）教学模式是美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所院校在Wallenburg基金会的资助下，经过几年的研究、探索和实践，于2004年创立的一种新型工程人才培养模式［3］。CDIO模式下的工程人才培养模式主张以产品研发到产品运行为载体，注重以主动的、实践的方式学习。CDIO教学模式的最大特点是与工程项目联系紧密。结合玛丽亚•克努森威德尔等人在第三届国际会议上阐述的观点，［4］表1中给出了CDIO教学模式各阶段与工程项目活动的对应关系：

四、学科背景下的CDIO工学课件

CDIO教学模式强调的一体化教学模式既不同于传统的学科教学，亦不同于传统的项目教学（如图3所示）：传统教学模式下的学科式教学缺乏工程实际应用方面的指导，传统项目式教学在理论知识储备方面的表现又明显不足，CDIO教学模式试图在学科教学与工程项目实践之间寻求一个契合，以期建立集系统化的理论知识与科学化的项目实践于一体的教学模式。结合学科的基本特性（即相对独立的知识体系）和已有的研究结论［6］，在考虑学科体系完备性的基础上，本文拟定了如表2所示的不同层次的CDIO一体化教学模式下的学科课程体系对照表：

五、CDIO工学课程体系

以机电安全工程课程为例，从工程实践的层面来看，机电产品安全体系的确立有赖于工程技术人员过硬的机电安全知识，课程大致体系如图4所示：考虑到教材的不易变更性和课程编排的灵活性，拟定CDIO项目层次、课程体系、教材内容和课程内容的对照表如下：

六、CDIO课程改革关键词解析

基础课程（Cornerstone）：即工程学基础课程，包括数学、力学、信息技术、语言表达等相关课程，一般在第1－6学期开设。顶层课程（Capstone）：即工程实践课程，后于基础课程开设，包括设计课程、建造课程和运行课程等，一般第7－8学期开设。IDE－studio：全称为IntegratedDevelopmentEnvironmentStudio，即集成研发中心，通常是学生以项目团队的形式在一个被称为“虚拟原型”的环境中进行项目开发，用于支持真实的工程项目。“虚拟原型”应该包括用于虚拟开发环境的计算机、项目虚拟系统、视频会议设备等。图5和图6分别给出了以机械工程和电气工程为例的集成研发中心结构示意图：纵向研究：研究者连续跟踪研究一个学习小组数年学习状况。纵向研究能够较好地研究实行CDIO课程对受教育者的积极影响，获取较为全面、及时的效果反馈。疑难卡（MuddyCard）：一种课堂卡片。用来让学生反馈课程重点难点。疑难卡不仅可以用来掌握学习者课堂中存在的疑难，而且可以用于预习效果的反馈，甚至可以作学习者家庭作业的一部分，用于实时检测学习质量。朋辈评价：学习者之间的相互评价。可以作为常规性教学评价的重要参考依据，弥补当前学生工程伦理评价、团队协作评价等诸多方面的缺失或不足。

七、尚未涉及的问题

本文虽然提出了一个较为可行的工程项目系统的概念，并结合具体的课程开发实例，诠释了一个较为完善的CDIO工程课程体系，也对CDIO工程教育改革中的核心概念进行了初步分析，但尚有以下问题亟待解决：首先，CDIO课程评估标准的考虑。CDIO课程提到了“一体化的教学”的概念。但诸如一体化的教学如何设计、一体化的教学如何评估等核心问题尚未涉足。一体化教学评估体系的建立是进行CDIO工学课程改革的重中之重，这是因为只有明确了一体化的教学评估的标准才能为相关课程的改革提供一个可参照的具体依据。其次，关于工程项目引入的决策问题。既然CDIO工程教育改革强调对学习者“工程实际应用方面的指导”，那就必然要在CDIO工程教育体系中引入切实可行的工程项目。任何新生事物的引入都存在一个价值的问题，工程项目也不例外。这类价值的讨论或许会集中在“引入的工程项目是否贴合工程实际”、“工程项目与课程体系的相关性如何”、“学生是否参与工程项目的立项构思”、“教师是否对工程项目的实现及运行进行可行性分析”等问题上。再次，CDIO课程考核模式的确定。参考麻省理工学院已有评价体系及最新的教育评价研究成果，现在只能初步拟定如表4所示的粗糙的综合能力评价方案：最后，普通本科院校的CDIO工程教育改革问题。普通本科院校为数众多，生源也较为集中，如何在普通本科院校开展CDIO工程教育改革是摆在我国工程教育改革道路上的重大难题之。

参考文献：

［1］UNESCOReport2010：Engineering－majoris－sues，challengesandopportunitiesfordevelopment．［R］．UNESCOPublishing．2003－978－92－3－1039－03－4：30－31．

［2］Prof．JosephSussman．FrameworksandModelsinEngineeringSystems／EngineeringSystemDesign：LectureNote6：3．MITCourseNumber：ESD．04J／1．041J／ESD．01J．

［3］［5］E．Crawley，etc．RethinkingEngineeringEd－ucation－TheCDIOApproach．［M］．SpringerPress，2007．1－4，88．

［4］［6］MariaKnutsonWedel，JohanMalmqvist，Pe－terGoodhew．CDIOAppliedintheContextofMaterialsSci－ence．ProceedingsoftheProceedingsoftheInternationalCDIOConference，June11－14，2007：3－7．

作者：胡兴志1 丁飞己2 单位：1华北科技学院 2汕头大学