CDIO 工程教育模式的分界、循环和融合

张永林，肖凤翔

(天津大学 教育学院，天津300072)

一、引言

CDIO 工程教育模式是美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院、查尔摩斯工业大学、瑞典林雪平大学于2004 年共同创立的工程教育崭新模式，代表着国际工程教育改革的最新成果。CDIO 即构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)，它以产品的生命周期为载体，将学科知识与产品研发实践相结合，培养学习者的工程意识和工程能力。

我国学者对CDIO 工程教育模式已经做了大量研究，主要集中在以下三方面:一是对CDIO 工程教育模式的教学大纲和CDIO 标准的理论解读;二是关注CDIO 工程教育模式在我国的本土化发展，如汕头大学工学院引进、消化、开发、实施了注重职业道德、诚信和职业化的工程教育模式(EIP-CDIO);三是探讨专业课程采用CDIO 教学取得的效果。如清华大学工业教授顾学雍在“数据结构”和“数据库技术”两门课中采用CDIO 方法教学，取得了良好效果。以上研究多属理论解读或实践经验介绍，缺乏方法论层面的反思。法国著名社会学家布迪厄提醒研究者，要“始终保持对研究活动所采用方式方法的适用范围及其背后理论假设的反思性关注”〔1〕。因此本文尝试性地在方法论层面从分界、循环和融合三个角度深入剖析CDIO 工程教育模式的运行机理，并廓清对CDIO 教学大纲和CDIO 标准的认识误区，以期对一体化课程的设计和教学具有一定的理论指导意义。

二、CDIO 工程教育模式的分界

分界是打开CDIO 工程教育模式秘密的钥匙。分界过程是一个从具象到抽象再到具象的过程，即从客观实存到概念实存再到客观实存的过程。借鉴康德认识论的分界方法，在实际工程项目和个体认知规律之间划定内容、环境、经验、认知结构和能力五部分。

1.来自工程实践的学习内容

CDIO 工程教育的学习内容包括产品、流程和系统，这只是一个简化的表达，代表工程实践的感性直观。

有的学者对CDIO 工程教育的学习内容有不同的理解。他们认为CDIO 工程教育的学习内容主要是工作世界的具体工程项目，是一种客观实存。将具体工程项目视为主要学习内容，属于实体主义思维方式。这种思维方式将工程教育看作银行储蓄，即通过储存工程项目来填满学生的大脑容器，储存的工程项目数量越多，越有利于工程能力的生成。

笔者认为CDIO 工程教育的学习内容来自工程项目，但不是工程项目本身。CDIO 工程教育模式强调“基于项目学习”(Project-based learning)，基于(based)一词的语义表明工程项目是作为支撑或背景存在的，而不是以工程项目作为全部学习内容。查建中教授也持此种观点，他认为，“需要防止把具象工程项目作为教育的内容引入，使教育陷入狭隘的传授具体知识的误区”〔2〕。

2.与内容相区别的环境

“将产品、流程、系统生命周期的开发与运用——构思、设计、实现、运行——作为工程教育的背景环境”〔3〕是CDIO 工程教育模式标准1 的内容。背景环境可简称为环境，也可称为载体，指构思、设计、实现、运行四个阶段，代表对工程师创造的各类不同问题解决方案的描述〔4〕。现实中的工程项目很多，每个工程项目都是唯一而独特的，如果将工程项目作为学习内容，在数量上无法穷尽，而工程项目的解决方案有共通性，都要历经构思、设计、实现、运行四个阶段。

CDIO 工程教育模式用背景环境概念从具体工程项目中抽象出来，背景环境所起作用类似于布鲁纳、施瓦布等主张的“科学的结构”的作用。通过“科学的结构”尽可能统摄所有的知识，即借助结构的“质”来解决知识的“量”的问题，强调结构能够使七零八落的现象得以系统化。

CDIO 工程教育模式方法论的哲理隐含于标准1 中，即在方法论上区分环境(context)和内容(content)。区分出来的背景环境也暗合建构主义的基本假定——学习者所学到内容是他的背景环境、活动和目标的函数。

3.居中存在的“双元经验”

CDIO 创造的学习经验，称为“双元经验”，包括“初级的”和“高级的”经验〔3〕。它产生于CDIO 两个运行环节:运作—构思环节和设计—实现环节。将前者称为运作—构思(C—O)经验，将后者称为设计—实现(D—I)经验。这两个环节分别包含一个“双元经验”。“双元经验”存在于主客体之间，是主客分离的媒介〔5〕。

初级经验属于一般经验，指通过感官被动获得的一些散乱的感觉、知觉等感性经验。初级经验与环境、技术基础相联系，指向具体工程实践活动，与实际的工程项目操作相联系，也被称为具体经验或直观经验。而高级经验属于对初级经验的抽象概括，本质上是一种前概念或实际概念，它由认知结构派生而来。与传统的经验概念完全不同，“双元经验”不再是通过机体感官被动获得的一些散乱的感觉或知觉印象，而是机体与环境相互作用的过程〔6〕。

4.建构生成的认知结构

认知结构是存在于大脑中的系统化的、符号化的工程知识体系，属于抽象的概念实存。它也是一种心理结构，决定着人们对数据和新信息的察觉〔7〕。

从产生过程看，认知结构不是主观意志产物，也不是“从行动者的解释中建构出来”〔8〕的，它产生于主体与工程实践活动的互动中。皮亚杰的发生认识论观点认为，有些认知结构来自先天遗传，具有生物学的先验性，更多的来自与后天实践的互动，具体包括两条发展途径，即同化和顺应。

从认知结构的派生结果看，CDIO 工程教育模式秉承建构主义知识观，强调认知结构是主体主动建构的结果。认知结构一经生成，就有自我建构能力，自身会生成、成型、成熟，会不断派生出专业知识和工程能力。

5.解决实际问题的工程能力

工程活动遇到的问题是没有被预先定义过的，需要创造一个原本不存在的客观存在物。工程的责任就是在一个组织里，为了设计和实现一个产品、过程或系统所需要完成的一系列任务〔3〕。工程能力主要表现为工程师具有提出工程问题解决方案的能力。对工程能力的描述焦点集中在解决问题的能力上，而不是在认知和定义问题的能力上〔9〕。工程能力具体表现为“产品、过程和系统的建造能力”〔3〕。这在CDIO 标准2①中描述的很清楚，也是CDIO 工程教育模式所希望的学习效果。

CDIO 工程教育模式坚持整体论的能力生成观，反对能力还原主义。不妨将其与能力本位课程模式(CBE/DACUM②)的能力本位观对照分析。CBE/DACUM 将岗位能力作为分解对象，逐层分解为众多小任务。这属于“原子论式的”研究方式或方法论的还原主义。CDIO 工程教育模式坚决反对以上做法，它将工程能力视为一个生成性的整体，是生成的而非预设的，是总体存在的而非各部分的简单加和。所以，CDIO 工程教育模式并没有将标准2 的规定作为预设，没有对应具体工程项目逐层分解。

三、CDIO 工程教育模式的循环

循环指物体按环形、闭合回路的轨道运行。CDIO 工程教育模式的循环是指工程教育按照CDIO 所设置的轨道往复回旋、螺旋上升的过程，具体包括载体循环、认知结构循环、抽象域与具象域的循环。如图1 所示，顺时针循环即载体循环，逆时针循环即认知结构循环，抽象域和具象域之间也存在循环。

(一)载体的循环

载体指产品、流程、系统生命周期的开发与运用，即构思、设计、实现、运行四个阶段。用英文首写字母代表四个阶段，可将载体的循环简写为C→D→I→O 循环。此循环为具体工程项目的完成提供基本循环规则和循环结构。

图1 CDIO 工程教育模式的三大循环

载体的循环有两个目的，第一是区分工程教育的环境和内容;第二是超越产品、流程、系统等具体客观实存进入概念实存。亚里士多德说:“各种本体以及任何其他一般的存在的东西都是从某一载体生成的。”〔10〕概念实存就是“一般存在的东西”——一个包含主体人的决定性结构。该决定性结构有两个特点:其一，它来自工程项目，但不是工程项目本身;其二，它加入了主体的感知、思想和行动的模式。载体的循环偏重建构主义取向，在完成实际工程项目中充分考虑个体因素。经此循环，通过分离环境和内容，实现了与客观主义的决裂。

(二)认知结构的循环

认知结构的循环发生在个体大脑内部，主要指认知结构沿着时间轨道的形成、发展和演变，反映了人类个体的认知周期。该循环借助O→I→D→C实现，即CDIO 双向循环的逆时针循环。在此循环中，学习者亲力亲为地完成工程项目，逐渐领会、掌握专业技能，同时，动作、经验逐渐内化，最终在大脑中生成认知结构。贯穿O→I→D→C 循环的主线是动作—经验—认知结构—能力。O→I→D→C的每次循环都会使得认知结构不断生成、成型、成熟。认知结构一经生成，就具备客观性，成为一种结构化的客观实存。认知结构循环偏重结构主义取向，独立于行动者的意识和愿望而客观存在，并能够引导或约束人的行动。经此循环，认知结构逐渐客观化，实现与主观主义的决裂。

C→D→I→O 和O→I→D→C 是CDIO 双向互动循环的两个方面，从方法论层面看，大体对应着康德的建构与范导。C→D→I→O 等同于建构的方法，从抽象到具体，其结果是产生具体的工程实践经验判断;O→I→D→C 等同于范导的方法，从具体到抽象，其结果是产生一种具有主观假设性的工程项目解决方案。

C→D→I→O 和O→I→D→C 两大循环将环境、内容、经验、认知结构和能力五部分串接起来，并在五部分之间有序互动，使它们成为一个逐渐融合的连续体。

(三)抽象域与具象域的循环

域即范围。工程师解决工程实际问题时面对的具体工作范围，称为具象域。具象域主要包括工程项目的内容和环境，代表真实的工程项目的实现和运作。工程实际问题反映在人脑中，人脑侧重运用抽象概念进行分析、总结对象的本质，称为抽象域。抽象域主要包括学科知识和个体的认知结构，主要作用于工程项目解决方案的构思和设计。抽象域与具象域的循环，是借助CDIO 的双向循环来实现的。循环往返的主线是工程问题的解决方案。工程师在抽象域中构思、设计工程蓝图，然后在具象域中运作、实现或验证该蓝图。

CDIO 工程教育模式的三大循环不是学者凭空设计出来的，它们反映了工程发展规律和个体认知规律。

首先，工程教育必然要遵循工程发展的规律〔11〕。工程实践是有意识、有目的的能动性的活动，核心是设计和实施项目的解决方案，这是一个叠代化的修正和创造过程。所以，工程师的工作理念建基于运用抽象规则创造并反复不断地回顾和修正具象的产品〔12〕。其次，CDIO 工程教育模式强调认知过程需要双重刺激(Dual Impact)〔13〕。一方面工程师必须运用逻辑思维理解抽象知识，另一方面，工程师需要感性直观地体验该知识在具象环境中的应用。再次，按照科尔伯关于经验学习的理解，学习过程需要适应两种对立模式的紧张关系，即学习者从具体经验到抽象概念、从反思观察到主动经验〔14〕，即学习者需要在抽象域与具象域之间循环往返。

四、CDIO 工程教育模式的融合

融合是循环的目的，环境、内容、经验、认知结构和能力五部分借助循环融为一体。双元经验在融合中起着重要的作用。CDIO 工程教育模式的融合分为以下三类。

第一，工程实践问题和学科问题的结合。其他工程教育模式也考虑到了两者的结合，基本做法是分设理论课程和实践课程，试图借助叠加效应实现两者的融合。CDIO 工程教育模式认为，工程师需要不同于科学知识普遍性的离散知识形式，这是工程实践问题和学科问题结合后的知识表征。离散知识如何获得?三大循环使内容、环境、经验、认知结构和能力五部分互动融通，并逐渐冷凝为理实一体化的离散知识形式。这种离散知识形式既有来自学科体理论的知识，又有来自工程实践的具体经验。

第二，载体与认知结构的衔接。布迪厄认为，“科学知识开始于一种客观主义的步骤:因为客观知识确立了互动得以发生、主观知识得以生产的条件”〔8〕。CDIO 工程教育模式方法论的客观主义开始于载体和认知结构的形成中。这两个结构其实是同一结构存在的双重方式，具有结构上的同构性，这是两者融合基础。布迪厄用“初级的客观性”和“次级的客观性”阐释建构主义和结构主义融合的哲理〔15〕。初级的客观性指物质资源的分配手段、物质构成或物质关系;次级的客观性指社会世界中的意识因素或意识关系。在CDIO 循环中依靠建构主义形成的载体，相当于布迪厄理论中初级的客观性，依靠结构主义形成的认知结构，相当于次级的客观性。布迪厄的哲理阐释是载体与认知结构得以衔接的理论基础。载体是客体主体化，即内在性的外在化，认知结构是主体客体化，即外在性的内在化，两者彼此的规定性相互适应成为各自的一部分。

第三，主客体的统一。在工程教育中，主体指工程师，客体指工程。CDIO 工程教育模式没有把主体与客体绑在一起，而是先决裂，再融合。工程是事实，是一种实然。工程师提出的工程问题解决方案是希望实现的有价值的东西，属于应然，如果直接从实然推论应然，容易犯自然主义错误。哈贝马斯将规范用一种类似于事实的方式加以解读，使其充当事实与价值沟通的桥梁，规范使得事实与价值得以弥合。CDIO 工程教育模式最有价值的地方，在于提供一种规范来弥合工程项目与问题解决方案间的距离，从而消除主客体二元对立，使主客体走向融合。

以上三大融合，离不开双元经验的接口和转化作用。双元经验内嵌于CDIO 中，是循环和融合得以发生的关键接口，它是借助自身的转化起到接口作用的，如图2 所示。

图2 CDIO 工程教育模式的双元经验及其相互转化

双元经验的转化具体经历四个适应性阶段，即具体经验、反思性观察、抽象概括、主动实践〔16〕。四个阶段被称为库伯经验学习圈，内含两个二分法，作为两个维度彼此正交。主动实践与反思性观察作为X 轴，更倾向将经验转化为知识。抽象概括与具体经验维度作为Y 轴，在个体如何掌握或者吸收信息方面作了区分。两个维度正交构成四个象限，每个象限设置性质不同的问题，即四种不同学习类型。从象限1 到象限4，问题依次是“怎么样”、“是什么”、“为什么”、“如果”;学习类型依次是聚合、顺应、发散、同化〔16〕。经验学习圈顺时针旋转，螺旋上升，将初级经验和高级经验搅合在一起，又甩向对方。如果学习过程经历四个阶段，知识的转化率和保持率将明显提高，知识保持率能达到70%。对于复杂的工程问题，学习圈要反复多次，形成螺旋周期。随着学习圈的螺旋上旋，双元经验的水平不断提升，性质也越来越复杂，从而产生CDIO 标准5③所说的“两个或更多的”经验，这就让CDIO 工程教育模式的循环和融合更为顺畅。

五、结语

工程教育的目的是培养合格工程师，CDIO 工程教育模式是实现该目的的手段，“手段对于给定的目的的适当性问题，是绝对可以进行科学考察的”〔17〕。CDIO 工程教育模式的贡献在于以普遍化的唯物主义为基础，为工程教育提供一个总体性的可操作图景，既能够反映工程本性和工程师本性，又能够反映两者的互动。这就使得该模式超越二元对立，走向视域融合，大体达到手段的合目的性。

CDIO 工程教育模式也存在一些不足和需要改进的地方。一是从具象工程项目抽象出的载体虽然反映了产品生命周期，但缺乏工程技术的参与和支持，在客观性方面稍有欠缺;二是人们对CDIO 工程教育模式的关注更多停留在课程实施阶段，着重构建实践场所和学习环境，而对课程设计阶段关注较少;三是CDIO 工程教育模式未深入探讨学科知识结构、载体结构、认知结构三者的关系。三者是否同源，是否存在转换体系?是否存在结构再生产的可能性?可见，CDIO 工程教育模式的未来发展，需要在原有理论基础上继续探索，进一步深入研究工程本性和工程师本性，在两者的互动中寻找一条工程教育中间路线，这也是笔者在今后研究中的重点探索方向。

注释:

①CDIO 标准2 的内容为:“具体、详细的学习效果——与专业目标一致，并得到利益相关者验证的个人、人际交往能力，产品、过程和系统的建造能力以及学科知识”。

②CBE(Competency-based Education)即能力本位课程模式，采用了DACUM(Developing a Curriculum)课程开发方法，是加拿大、美国的典型课程开发模式。

③CDIO 标准5 的内容为:“在课程计划中包括两个或更多的设计—实现的经验，其中一个为初级的，一个为高级的”。

〔1〕皮埃尔·布迪厄. 实践与反思:反思社会学导引〔M〕.李 猛，李 康，译.北京:中央编译出版社，1998:75.

〔2〕查建中，徐文胜，顾学雍，朱晓敏，陆一平，鄂明成.从能力大纲到集成化课程体系设计的CDIO 模式——北京交通大学创新教育实验区系列报告之一〔J〕.高等工程教育研究，2013，(2):10 -23.

〔3〕克劳雷.重新认识工程教育——国际CDIO 培养模式与方法〔M〕.顾佩华，沈民奋，陆小华，译. 北京:高等教育出版社:2009:97，12，250.

〔4〕查建中，何永灿. 中国工程教育改革三大战略〔M〕. 北京:北京理工大学出版社:2009:59.

〔5〕维尔纳·叔斯勒.雅斯贝尔斯〔M〕.鲁 路，译.北京:中国人民大学出版社，2008:78.

〔6〕Ralph W.Tyler.课程与教学的基本原理〔M〕. 罗 康，张 阅，译.北京:中国轻工业出版社，2008:183.

〔7〕菲利普·万科特，弗兰克·奥雷维克兹.工程教学指南〔M〕.王世斌，等，译.北京:高等教育出版社，2012:302.

〔8〕戴维·斯沃茨.文化与权力:布尔迪厄的社会学〔M〕.陶东风，译.上海:上海译文出版社，2012:66 -67.

〔9〕Bucciarelli L.L.Designing Engineers〔M〕.Cambridge:MIT Press，1994:135.

〔10〕苗力田，编.亚里士多德全集(第2 卷)〔M〕.北京:中国人民大学出版社，1993:190.

〔11〕李茂国，朱正伟.面向工程过程的课程体系研究〔J〕.高等工程教育研究，2014，(4):1 -5，14.

〔12〕顾学雍.联结理论与实践的CDIO——清华大学创新性工程教育的探索〔J〕. 高等工程教育研究，2009，(1):11 -23.

〔13〕Edward F. Crawley:Rethingking Engineering Education〔M〕. New York:Springer，2007:3，32，109.

〔14〕David A. Kolb. Experiental Learning〔M〕. New Jersey:Prentice-Hall，1984:35.

〔15〕唐 立，蒋安丽，车铭德.布迪厄:建构主义的结构主义者〔J〕.学理论，2013，(18):90 -92.

〔16〕John Heywood. Engineering Education:Research and Development in Curriculum and Instruction〔M〕. Wiley-IEEE Press，2005:130-131.

〔17〕马克斯·韦伯.社会科学方法论〔M〕.李秋零，田 薇，译.北京:中国人民大学出版社，1999:3.