CDIO工程教育模式初级项目课程的探索与实践

赵世伟，申利平，李静昭，张 迪

（中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300）

CDIO工程教育模式初级项目课程的探索与实践

赵世伟，申利平，李静昭，张 迪

（中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300）

介绍了初级项目的实施背景，详细描述了初级项目课程的构思依据、课程设计所遵循的原则、试做与指导过程和初次运行情况，并从教师-学生两个角度，对CDIO工程教育模式下首次进行初级项目教学过程中的一些收获进行了总结，最后对初级项目课程中的一些不足之处提出了有价值的建议。为目前CDIO工程教育模式以及未来“卓越工程师计划”中的实践教学环节提供参考。

CDIO；初级项目；实践教学；设计-实现经验

1 初级项目课程实施的背景

高等工程教育是高等教育的重要组成部分，其任务是培养具有宽广知识基础、国际化视野、综合素质能力和社会意识的高级工程技术人才，为经济全球化的高速发展和科学技术的更新换代提供人才基础和智力支持[1]。但由于高等教育大众化，以及20世纪后期高等工程教育科学化，专注于科学理论知识，忽视实践能力，与社会、企业等利益相关主体对工程教育实践能力的诉求不相匹配，因此出现了工程人才短缺和工程教育质量问题这一世界性难题[2]。

CDIO工程教育模式以现代工程项目的构思（conceive）-设计（design）-实施（implement）-运行（operate）的全生命周期为载体，提出了系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验等12条具有很强的可操作性标准，并以一体化教学计划的形式将设计-实现经验与工程科学相结合，培养学生个人、人际交往能力和产品、过程和系统的建造能力，为工程教育改革提供了明确的方向[3]。中国民航大学电子信息工程专业CDIO试点班从2010年开始在培养目标、教学理念、教学内容等方面进行全方位的改革，目前已完成了实践教学环节中设计-实现课程中初级项目的教学过程。

初级项目课程是一体化课程计划中最重要的组成部分。CDIO标准3明确提出：一体化课程计划是一个由相互支持的专业课程和明确集成个人、人际交往能力以及产品、过程和系统的建造能力为一体的课程计划。它包括学科课程和设计-实现课程两大部分。设计-实现课程既有利于保证学生在一个自然的环境中培养个人能力、人际交往能力以及产品、过程和系统的设计与实施能力，又有利于加深多学科知识的理解，促进学科知识之间的融合，具有双重的学习效果[4]。基于设计-实现经验的重要性，CDIO标准5特别要求在课程计划中包括两个或者更多的设计-实现的经验，其中一个是初级的，一个为高级的。初级项目课程即为学生体验设计-实现经验的初级设计-实现课程。

为了在CDIO工程教育模式下实现初级项目课程的理想教学效果，对初级项目课程的结构和内容运用C-D-I-O的理念进行了精心设计[5]。下面从初级项目选题构思，实施过程的详细设计，指导教师的试做与指导过程，以及项目实施的情况等方面进行说明。

2 初级项目课程的CDIO

2.1 初级项目课程的构思

人才培养目标和专业背景是初级项目的构思依据。中国民航大学电子信息工程专业人才培养目标是适应航空航天与民航高可靠性的特点，依托电子技术、计算机技术、控制技术、通信技术等相关学科基础，突出高等工程教育中系统性、工程性的教育特点。培养能够适应国内外现代民航发展和通用电子信息行业发展所需要的，在电子系统理论与设计、航空电子系统维修工程方面具有较强工作能力的工程师[6]。作为行业院校，人才培养目标同时也决定了人才培养方向为航空航天，因此在此领域内的选题更容易引起学生的关注和兴趣。初级项目课程的题目以及选题的背景来源如表1所示。

表1 初级项目题目及选题背景Tab.1 Primary project topics and backgrounds

综合性是初级项目课程构思的显著特点。初级项目是在学生已经完成基础课程、专业基础课程，以及经过课程内3级项目和课群内2级项目训练，掌握一定专业技能的基础上实施的，如图1所示。同时还要考虑到实际工程项目中一般会存在专业以外的知识和技能，如机、电部件的测试与建模等，而这些知识和技能应是学生通过自学等方式能够掌握。初级项目课程目的是利用项目综合知识和技能，并设置一定的难度和深度，通过项目实践对学生进行必要的锻炼。

图1 CDIO初级项目实施基础Fig.1 Foundations of CDIO primary project

初级项目实施环境也是构思过程中不得不考虑的一个现实条件。由于初级项目作为一门课程，与其他课程一样也有进度要求和时间限制，学生在多种课程任务的压力下，初级项目上所能消耗的精力和时间需要考虑。此外，在现实社会环境下学生执行电子/机械部件的购买，需综合考量所需部件的经济性、可靠性、精度等问题。因此项目的难度设置一定要适度。

2.2 初级项目课程的设计

宽广的创新空间。“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达不竭的动力。”未来工程师的一个关键特质就是创新，而有创新能力的工程师首先要学会思考。为了培养学生的思考能力和创新意识，初级项目只提供了必要的功能描述和具体的技术指标。而技术指标转化为可实现模型以及模型具体实现形式等内容则留给学生去思考，使学生有足够的空间去构思，最大限度提升学生的创新能力。

规范的初级项目实施过程。实际的工程项目必须依据具体的行业规范，同时要合理地安排项目进度。为了规范初级项目的实施过程，参考具体的工程项目管理规范，制定了标准的项目开发文档（如方案设计报告、详细设计报告等），将初级项目的开发过程以“规定动作”的形式固化下来，要求学生在合理的时间内实施相应的项目进度，提供标志性的成果，成果的形式可以是设计文件、报告、半成品、成品等。同时在交流沟通的方式上也进行严格的限制，鼓励学生积极采用图纸（如电路图、机械图、流程图等）、数据等工程师的交流方式进行工程问题的交流，全面培养学生规范的工程意识。

团队协作的环境中实施和运行初级项目。现代工程师应能在团队协作的环境中构思-设计-实施-运行复杂的、高附加值的产品、过程和系统。初级项目的团队协作环境建设包括两个方面：有效的项目团队和适当的工作环境。有效的项目团队在学生充分了解项目要求的基础上，通过自愿结合的方式实现，根据项目的具体内容和要求，还可以邀请其他专业的学生参与。适当的工作环境通过建立CDIO工作坊来实现。CDIO工作坊由电子工作区和钳工区2个功能区组成，通过配置必要的电子开发仪器设备，如电源、示波器、信号发生器等，和必要的金属加工设备，如小型车床、铣床等，不仅可使学生能够尽快实现自己的构思和设计，而且可让学生相互学习、自由研讨交流，促进学生的能力和素质水平的提高。

2.3 初级项目的实施和运行

初级项目课程的指导教师团队分为2级结构：①初级项目专家指导委员会，主要由工程经验丰富的专家组成；②项目指导教师团队，主要由青年教师组成，具体结构如图2所示。

图2 初级项目课程指导团队组织结构图Fig.2 Organization of primary project steering team

为了验证初级项目的合理性，指导教师首先组队，作为初级项目的第1批“特殊学生”在专家指导委员会的监督指导下，按照初级项目的要求进行选题的试做，进一步探索如何更合理的将现代工程项目的生命周期映射到初级项目课程，以及挖掘在初级项目课程实施过程中可能存在的问题以及寻找解决的方法，项目试做安排在CDIO试点班的第4学期。

项目试做的教师团队在第5学期负责学生项目组初级项目的指导工作，对学生的项目进度进行控制，审查并监督学生的方案设计报告、详细设计报告等标志性成果，采用多种交流方式，如PPT、QQ、学习现场等，与学生共同探讨所遇到的问题，协助专家委员会在关键节点审查和验收项目情况。

3 指导教师—项目组学生的思与行

CDIO工程教育模式有2个重要的文件：CDIO大纲和12条标准。CDIO大纲覆盖了一个现代工程师应具有的科学和技术知识、能力和素质。CDIO的12条标准是一个对实施CDIO工程教育模式的指引和评价系统，包括工程教育背景、课程计划的设计与实施、学生的学习经验和能力、教师的工程实践和教学能力、学习方法、实验条件以及评价标准[4]。

3.1 初级项目对青年教师的影响

试做和指导初级项目丰富了青年教师的科学和技术知识体系。初级项目的选题具有一定的综合性，需要综合运用多学科知识。而青年教师多数是从学校到学校的学习—工作经历，缺少科学和技术知识在具体工程项目中的应用经验。在初级项目试做和指导过程中经常遇到的各种实际问题对青年教师的形成了一种“倒逼机制”，使其不得不再次进行深入细致的学习，相互研讨，以及向专家咨询。这一过程不仅完善了教师的科学知识体系，改进了教师的学习效果（标准2），而且提高了教师的主动学习的意识（标准8）。

试做和指导初级项目丰富了青年教师的工程经历，提高了青年教师的工程实践能力和实践教学能力，改善了个人能力和态度。初级项目课程是现代工程项目全生命周期的映射，指导教师组建试做团队依据CDIO初级项目规范，经历了构思-设计-实现等主要环节（标准1），成功地解决了初级项目中出现实际的问题，并且深化了如部件测试等重要环节对于系统设计影响的认识。通过初级项目一体化试做和指导，青年教师的工程实践能力和实践教学能力有了大幅提高（标准9和10）。更为重要的是，经过初级项目试做和指导过程，青年教师承受风险的主动性和程度都有了明显的提高。

初级项目试做和指导过程提高了青年教师的人际交往能力。人际交往能力包括有效的团队工作和交流。初级项目试做过程是基于指导教师团队进行的，初级项目的指导过程是基于指导教师团队和学生项目组进行的，指导教师团队—专家指导委员会、指导教师团队—学生项目组以及指导教师之间的交流需要有效的协作和交流。因此构建有效的团队和进行有效的沟通显得非常重要（标准2）。有效团队的构建应基于知识和能力的互补，有效地沟通方式包括书面的交流，如书面报告、PPT、口头表达。其中以图纸（结构图、流程图、电路图等）和数字为媒介的沟通交流显得特别高效。

3.2 初级项目对项目组学生的改变

大胆猜想、小心求证为学生带来不一般的设计-实现经验的体验（标准5）。由于初级项目提供给学生的只有简单的功能表述和技术指标的要求，为学生预留了足够的构思空间，学生解除了思想上的束缚，最大限度地发挥了创新能力。如“自动平衡装置系统”项目中，学生将要求的“滑块”变换成小车，通过控制小车的移动实现平台的自动平衡。指导教师经过仿真验证确认该方案的可行性后，对学生的创新构思进行积极的支持，学生为实现自己的设计方案发挥了最大限度的主动性和积极性，促进了创新意识的培养和项目的有效开展。在查阅了大量资料、实际进行多次测试的基础上，学生还找到了比教师试作所采用的编码器更加经济实惠的传感器，不仅实现了项目所要求的功能和技术指标，而且对照教师的试做作品无论从电路还是从结构上都显得更为简洁、合理，如图3所示。该项目验收时获得专家组一致好评。

图3 初级项目作品Fig.3 Primary project works

据不完全统计，初级项目完成后，CDIO试点班的学生参加各种竞赛（如合泰杯、电子设计大赛等）、科技项目（如创新训练项目等）的积极性和比例明显高于其他班级，而且能够积极创新，将工程技术灵活运用，如在2013年的“五·四”汇演中，CDIO试点班将自己制作的LED展板运用到汇报表演的过程中，取得了不错的效果。究其原因，初级项目所带来的成功的设计-实现经验（标准5）和一体化学习经验（标准7）不仅巩固和深化了科学技术知识，提升了学生的能力和素质，而且激发了学生的主动学习意识和基于经验的学习意识。

4 CDIO初级项目缺陷

虽然CDIO工程教育模式下的初级项目课程首次实施取得了良好的效果，同时也存在一些问题：

1）初级项目实施过程中指导教师、学生项目组对于如何构建有效的团队还需进行更进一步的探索，目前初级项目完成情况较好的项目组，基本都是由一个能力比较强的学生来支撑整个项目，“搭便车”现象比较普遍。

2）一体化学习经验要求培养学科知识学习的同时培养个人、人际交往能力以及产品、过程和系统建造能力。而青年教师普遍缺少工程实践经验，在指导学生如何有效将学科知识应用到工程实践方面存在能力不足。

3）课程管理和教学管理需要跟进。CDIO班课程涉及多个学院，一体化课程大纲的设计和执行需要协调和统一，教学管理的模式和方法需要进一步完善以适应CDIO教学模式的要求，此外相应的实验室管理和项目实施管理也需要进一步改进。

5 结语

CDIO工程教育模式虽然发展历史比较短，已经清晰地表明其符合工程人才的培养规律，代表国际先进的工程教育方法。在初级项目课程的探索与实践过程中，参与项目的师生更加深刻的认识到，CDIO还是一种工程教育的理念，这种教育理念对推动中国民航大学的工程教育改革，培养适应现代民用航空所需的工程技术人才具有重要的指导意义。

[1]李 妍.基于CDIO的我国卓越工程师培养研究[D].长沙：中南大学，2012.

[2]董健康.工程教育背景下多元化人才培养模式研究[J].中国民航大学学报，2012，30（4）：29-32.

[3]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-9.

[4]顾佩华，沈民奋，陆小华，等.重新认识工程教育—国际CDIO培养模式与方法[M].北京：高等教育出版社，2009：95-182.

[5]华克强，韩 雁.CDIO人才培养一体化培养计划的设计与实现[J].中国民航大学学报，2012，30（5）：34-37.

[6]赵树恩，李玉玲，张 铸，等.基于CDIO教育理念的工程实践教学模式研究与探索[J].重庆交通大学学报（社科版），2012，12（5）：120-122.

（责任编辑：黄 月）

Exploration and practice of basic level project course based on CDIO engineering educational approach

ZHAO Shi-wei，SHEN Li-ping，LI Jing-zhao，ZHANG Di
（Engineering Techniques Training Center，CAUC，Tianjin 300300，China）

Basic level project course is the first time for students to experience the whole process of conceiving，designing，implementation and operation under CDIO engineering educational approach.The project background is introduced with detailed description of course designing principles and bases as well as the trial and guiding process of the course.Respectively from the perspectives of teachers and students，the first teaching process achievements of basic level project are summarized and reflections about course defects are given with some suggestions for further teaching practice，hoping to provide beneficial references for CDIO engineering education and“outstanding engineer plan”.

CDIO；basic level project；practice teaching；design-implement experience

G642.0

：A

：1674-5590（2014）06-0056-04

2013-09-01；

：2013-09-20

中国民航大学教育教学改革研究项目（CAUC-ETRN-2013-75）

赵世伟（1980—），男，河北石家庄人，讲师，硕士，研究方向为航电系统维修研究与教学.