基于CDIO模式的测控专业建设构建与探索

摘要：提出了基于CDIO模式的测控专业集成式、一体化人才培养模式；建立了与培养目标一致的课程设计流程；编写了相关专业设计矩阵；并对教学方式和教学手段进行了相应的改进，明显提高了教学效果，提升了本专业学生专业设计和创新的能力，形成了基于CDIO模式的具有测控专业特色的培养模式。

关键词：测控技术与仪器；CDIO；人才培养

作者简介：张广明（1965-），男，江苏江都人，南京工业大学自动化与电气工程学院院长，教授。（江苏 南京 211816）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0056-03

随着信息工业和国民经济的发展，对高层次人才培养提出了新的要求。测控技术与仪器专业知识面覆盖广，强调动手能力和逻辑思维能力。从教学的经验来看，测控专业的学生需要加强实践环节培养。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的成果，以构思、设计、实施、运行为工程教育理念和实施体系，其教育模式提出了具有可操作性的能力培养、全面实施及检验测评的标准。本文以测控专业的培养目标为依据，按照CDIO的模式构建一体化的专业人才培养模式，有效地提高了学生的实践能力，同时对工科应用型人才培养起到了良好的指导作用。

一、专业现状及要求

1.社会对专业人才需求的趋势

（1）社会对本专业人才需求的趋势。仪器科学与技术学科是信息产业的重要组成部分，是信息工业的源头，也是信息技术中的关键技术，涉及数据采集、信号传输、信号处理、自动控制等测控过程。进入21世纪以来，随着计算机技术、软件技术、微纳米技术的发展，测控与仪表技术呈现出虚拟化、网络化和微型化的发展趋势。测控技术与仪器专业涉及国民经济各部门，是应用十分广泛的专业，人才需求旺盛。随着以电子技术、信息技术和生物技术为代表的知识经济的发展，对测控技术与仪器学科专业的人才需求将进一步增加。南京工业大学测控技术与仪器专业于2002年首次招生，依托机电专业学科群，以信息测量、信息控制为重点，以化工过程分析仪器设计和虚拟仪器设计为特色，具有较扎实的学科基础。同时测控技术与仪器专业毕业生的一次就业率近年来呈现逐年提高的趋势。

（2）国内高校同类专业的发展状况及趋势。目前，我国已有近200所高校设有测控技术与仪器专业。由于各学校原来的相关专业情况不同，现有的办学条件、专业规模以及教学水平也各不相同。一些 985 所属高校该专业办学时间长，办学实力雄厚。如：天津大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、清华大学、上海交通大学、南京大学、南京理工大学等。各个学校服务的对象不同，如北京航空航天大学偏重于航空领域，长春理工大学偏重于光学领域，成都理工大学偏重于电子技术及核技术等。所以国内各高校测控专业在专业方向、课程设置、实践内容等方面的设置存在着很大差异。

（3）本校测控专业现状及社会对专业人才的需求。南京工业大学测控专业办学时间较短，目前办学实力不及以上各高校，但依托化工行业，办学特色鲜明。从各高校的招生情况看，近几年测控专业的学生构成并不理想，主要原因是该专业的社会认知度不高。但测控专业涉及面广、需求量大，各高校的就业率普遍较高，出现了分配热的局面。所以加强测控专业人才培养是培养高素质工科人才的质量需求，也反映了工程师所应具有的能力和素质。

2.现行培养模式

目前高校提出了很多新型培养模式。有以培养卓越工程师为目标，依照国家和行业的培养标准，以工学交替为手段的“有创意、能创新、善创业”的人才培养模式；建设“高水平”、“双师型”、科研能力强、工程经验丰富、教育教学水平高的师资队伍；以企业需求为导向，以项目需求为载体，修订教学内容，采用“导师负责制”，鼓励吸引优秀本科生参与课题和项目；探索启发式、探究式、讨论式、互动参与教学模式；“以学生为中心”进行教学改革等等。这些对于本科生的培养模式改革、提升测控专业的学生就业竞争力起到了一定的作用，但这一方面仍是“通识教育”；另一方面，进行的一系列教学改革系统性差，目标不清晰，没有形成可持续发展机制。CDIO模式则有所侧重，对于本专业不同层次人才会有不同的侧重点。本文对基于CDIO模式的测控技术与仪器专业集成化设计教学方案进行探讨。

二、CDIO模式简介

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和運作（Operate），它以产品研发到产品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。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面。大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标，包含12条标准与4种能力大纲。如表1所示。

基于CDIO的专业建设内容的主要任务有：

（1）人才培养方案：基于标准2（CDIO的教学目标结果）和标准3（集成化的课程设置）。

（2）教学管理制度：基于标准1（CDIO关联原则）和标准6（CDIO的工作环境）。

（3）教学资源建设：创建高校与行业企业联合培养人才的新机制、基于标准9（教师CDIO能力）和标准10（教师教学能力）。

（4）教学方式和方法：基于标准5（设计制作实践）、标准7（集成化学习过程）、标准8（主动学习）和标准12（CDIO项目评价）。

（5）学习效果评价：基于标准11（学生CDIO能力评价）。

CDIO原则就是把工程师职场环境作为工程教育环境，基于CDIO模式进行专业建设不是强调“内容”，是环境中的“关联”；培养“做事”和“做成事”的能力，学以求知、致用、共处、做人。

根据CDIO原则制订的测控专业的集成式、一体化人才培养模式主要包含三个方面的内容：一是专业目标为细化、可落实、可观测的目标，每一门课程可根据课程描述提炼专业目标。二是根据信息技术领域对人才的质量需求，把电子工程师职场环境作为工程教育环境，培养具有五种能力的高素质的优秀工科人才：获取知识（自学）、运用知识（解决问题）、共享知识（团队合作）、发现知识（创新）、传播知识（交流沟通）。并以此为专业理念制订培养计划。三是培养计划设置包括专业设置和课程大纲及课程描述，每一门课程根据知识点设置专业目标。

三、基于CDIO的测控技术与仪器专业集成化专业设计方案

1.课程设置与培养目标集成化教学设计

与传统的学科导向课程体系不同，集成化课程体系以学科为主，把项目穿插其中；教师之间团队合作，分工协调，实习、项目开发与授课穿插进行。

（1）以电子实习为起点，以测控技术概论为导向，将学生引入嵌入式系统世界，焊接实际的单片机开发平台，培养学生电子设计的兴趣，提高他们的动手能力。

（2）以嵌入式系统三门课程为主线，聘用具有工程背景的教授授课，系统地培训单片机、嵌入式系统、片上操作系统知识，没有照本宣科。课程全部采用案例教学，每堂课要求每个学生在单片机开发平台上分析2个案例并进行修改，以达到灵活运用的目的。一门课程对应一个实习，每个实习完成12个简单项目。

（3）最后将分析仪器设计、智能仪器设计、虚拟仪器设计三门课程作为课程体系的最终三大设计任务，将理论学习与工程实践集成在这三门课程的课程设计中。

本课程体系共包含三门课程、三个实习，不少于24项实训项目。分成6大模块，可根据需要自下而上进行组合，满足不同层次、不同级别的教学、科研需求。

学生主动学习，动脑动手，全部课程体系结束后可成为适应现代社会需求、具有扎实的理论基础、丰富的电子知识和具有良好的电子电路分析和设计能力的电子工程师。

基于集成化的教学设计、一体化专业设计的思想进行课程设置的培养目标设计。本专业的培养目标为以光、机、电、计算机、化工分析一体化为特色，培养在信息技术领域（计量、测试、控制工程、智能仪器仪表、计算机软件和硬件等高新技术领域）具有扎实的新型嵌入式系统软硬件设计能力，具有研究、设计、制造、应用、维护、管理现代仪器仪表和测控技术装备的能力，具有多元人文背景，有道德、善学习、勤思考、重实践、富有创新意识、团队合作精神和敬业精神的“研究开发型”和“工程应用型”技术人才。

为使课程设计与培养目标一致，首先根据专业目的、专业理念设计教学计划，根据教学计划完成专业设计矩阵和相关课程描述，并编写课程大纲。同时，以专业目标为核心对专业设计矩阵和设计的课程进行完善和补充，形成一体化专业设计方案。如图1所示。

2.基于CDIO模式的课程知识能力矩阵和课程体系方案

根据课程目标制订了专业设计矩阵，指明了课程与专业目标的对应关系，使得学生在每门课程修完之后都会获取一定的知识，提升相应的能力。

由表2可看出，在入学初期以概论引导和基础理论学习为主，旨在将学生的思维和学习方式从高中阶段转变过来；学习中期以专业基础培训为主、兴趣导引为辅，一方面为进入专业学习打基础，另一方面有目的地培养学生的专业方向；本科学习后期，主要进行工程实训和大型的专业设计课程，为就业和进一步深造做好准备。整个课程内容和开课时间按照CDIO模式进行设计、分配，合理、高效地利用学生的全部学习时间。

图2为测控专业培养计划與课程体系鱼骨图，体现了课程体系在四年大学教育中的培养进程，主干课程和辅助课程的关系一目了然，有助于师生在教学过程养成课程体系观念，形成系统的培训思维。

3.建立持续改进机制，解读CDIO标准

集成化教学设计的基本要求为课程设计、教学方法、学习方法、考核方法与培养目标一致，并能够持续改进，从而建立了图3所示的集成化教学设计方案，实现了可持续发展。

测控专业基于CDIO模式的教学改革实行过程中注意了以下几点：

（1）强调环境和关联，提供各种机会而不是增加学习内容。以案例、项目式教学方式把电子工程师职场环境作为工程教育环境：课堂的案例教学强调CDIO作为工程教育的环境，而不是作为工程教育的“内容”；通过参与科研项目，培养学生的知识交流能力、团队配合能力等，实现手段是实践、重复、反馈的方式，而不是单纯的讲授。

（2）能力与素质培养。培养实际的工程能力不是“软能力”，交流和团队工作需要技术知识的应用和表达，所以技术交流能力、团队工作能力、解决问题的能力、职业道德等都属于工程能力。课堂教学一段时间后集中进行学习和培训，而不是附加能力课程，重点培养“做事”和“做成事”的能力，而非某一门课程知识，强调知识的运用而非知识本身。在实践中锻炼个人，人际、产品、过程和系统构建能力是应用、表达技术知识的方法。工程能力是在这样的技术环境中培养的。因此针对测控专业不同层次人才培养，CDIO更侧重于嵌入式系统工程师的培养。

4.教学管理改革和教学团队建设

在现有学校和学院教学管理制度的基础上，为实现基于CDIO模式的教学改革，创建以学生为中心的教学管理改革模式并且有效利用现有机制。

首先，打造双师型教师。对教师的基本要求是：具有较高的文化和专业理论水平，有较强的教学、科研能力和素质；有广博的专业基础知识、熟练的专业实践技能、一定的组织生产经营和科技推广能力及指导学生创业的能力和素质。

其次，培养专业带头人与骨干教师，建立新型教学模式管理制度、监控制度。并对教有所成和学有所成的师生采取一定的激励措施。

最后，充分发挥现有测控专业教师的主动性，有效利用工科院校优质师资，联合企业工程技术高级人才，在教学和科研上将理念与实际紧密融合，聘用实际工程经验丰富的授课教师，通过学科的横向拓展和纵向深入实现综合创新。

5.教学内容、方式和方法改革

在授课方式上，以信息传递为主，经验授课为辅。围绕嵌入式系统的专业知识，确定了“嵌入式工程师”的主要培养方向，在课程内容建设和人才培养的各个环节狠下功夫，着重实施了以下措施：

（1）授课环境的改革。体系内的课程全部在实训中心授课。为保证授课效果，人数不得超过80人。学生人手一台电脑、一套学习开发系统，具有丰富实践经验的教师将讲授的全部例题当堂演示，学生当堂实验，有问题现场解决，真正做到了听讲、练习、疑难解答一体化。学生课后也可以使用开发系统自行练习、设计、开发。

（2）授课内容的更新。授课内容精挑细选，自下而上，由浅入深，将学生从普通的电子爱好者培养成经验丰富的电子工程师。首先，电子实习焊接的开发板根据单片机授课内容自行开发；其次，授课过程中的所有实例自行开发设计，且全部在开发板调试通过，示例代码注释详尽，说明文档参考资料丰富、可靠，方便学生自学；最后，在单片机实习和嵌入式系统实习中，要求完成实训项目结合工程项目实践，极大调动了学生的积极性，提高了学生的动手能力。

（3）专业实验室建设。依托中央与地方共建项目新建和改建了4个专业实验室，其中包括1个实训中心和虚拟仪器实验室、传感器技术实验室、智能工业检测技术实验室。

四、测控技术与仪器专业教学改革总结

针对测控专业学生的系统学习采用基于CDIO模式的集成式、一体化人才培养模式，将工程项目生命全周期引入工程教育环境；结合工程实践，既开展通识教育，又培养了学生运用知识和发现知识的能力。具体措施有：学生边学边做，在课堂内外进行实践；做中促学，学生产生问题现场解决；实验、实习创新，积极引导学生的创新思维，参加各类竞赛和项目；以项目引导学生，培养学生的创新实践能力。

测控专业学生培养模式改革已实施一年，培养本科生近120名，参与各类学科竞赛约20項，参与科研课题45项，撰写论文5篇，发表专利3项，获得省级以上奖励8项，参与的课题和项目涉及嵌入式系统、虚拟仪器、智能仪器、分析仪器、过程控制、电气控制等领域，培养的毕业生的就业前景普遍好于往届毕业生，获得了用人单位和校内师生的一致好评。

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（责任编辑：王祝萍）