CDIO模式在系统工程概论教学中的应用研究

魏龙生，王新梅，刘 玮

(中国地质大学(武汉)，武汉 430074)

CDIO模式在系统工程概论教学中的应用研究

魏龙生1，王新梅2，刘 玮3

(中国地质大学(武汉)，武汉 430074)

深入分析系统工程概论的教学现状和存在的问题，将CDIO教学理念引入到课堂教学中，着重研究CDIO教学大纲的制定和CDIO教学模式的实施，分别运用到系统工程概论教学的构思、设计、实施、运行中，改变原有封闭孤立的教学方式，激发学生的主观能动性，培养学生的实际动手能力，提升本课程的教学效果。

CDIO；系统工程概论；教学方法

系统工程概论是高校自动化专业和管理专业的一门专业选修课，其目的是让学生理解并掌握系统学基础、数学规划基础、图与网络、系统优化、决策分析、系统分析与系统建模、网络计划法、系统可靠性分析等知识[1]，为毕业生从事与系统工程相关的科研、技术工作奠定基础。

CDIO是一种全新的教育理念，即Conceive phase—Design phase—Implement phase—Operate phase，也就是构思阶段—设计阶段—实施阶段—运行阶段[2]。本文试图将CDIO的教育模式应用到系统工程概论的教学中，推动课程教学改革。

一、系统工程概论课程教学现状

系统工程概论是一门综合性很强的课程，涵盖了线性代数、运筹学、控制论、信息论等现课程，是这些课程的后续课程，也是研究生学习系统工程课程的基础，其重要性不言而喻。然而，经多年的教学发现学生尽管对该课程十分重视，但仍存在很多问题，影响了教学效果。

(一)缺乏系统的观念

“系统”是一个很抽象的概念，世间万事万物皆可看成系统，大到宇宙，小到细胞。系统是指由两个及以上有机联系且相互作用的要素组成，具有特定结构、功能和环境的整体。系统工程是研究系统元素之间的各种关系、对所有系统具有普遍意义的一种方法[3]。然而学生往往关注特定关系的本身，缺乏整体感和宏观的概念，不利于后续很多知识的理解。当然，传统的课堂教学方法和手段也阻碍了学生对系统概念的形成。

(二)注重理论轻视实践

由于自动化专业的核心课程如：电路理论、自动控制原理、电力电子技术等偏重于理论学习，管理专业也注重方法论的研究，而系统工程概论在这些课程之后开设，所以学生容易形成惯性思维，以为学好了理论部分就行了，不重视具体的实践应用。在具体的教学过程中，教师也会偏向理论部分，这样授课比较轻松，而实践教学教师需要寻找实验场地，与相关部门沟通，时间和经费的不足也影响了实践教学的效果。

(三)专业基础不扎实

由于系统工程概论是一门综合性课程，先续任何一门课程的薄弱都会影响到这门课程的学习，特别是贯穿课程始终的线性代数和数理统计的相关知识。由于这些课程与本课程相隔较远并且部分学生的专业基础不扎实，使得在讲授单纯形法、系统优化、决策分析等内容时，学生难以理解和运用，教师往往需要花费一定的时间复习以往课程的知识点，这样打乱了教学计划，不能将有限的时间全部运用到本课程的教学中，影响了教学效果。

系统工程概论课程教学过程中存在的问题已越来越受到专业教师和学生的广泛关注, 这就需要在今后的教学过程中，探索新的教学模式，推动课程教学改革，以适应实际的教学需求。

二、CDIO 教学模式

随着我国高等教育的日益普及，培养目标也逐渐从精英教育过度到大众教育，乃之普及教育，具有实践能力的专业技术人才越来越受到就业单位的青睐，然而，高校的大部分课程仍然以理论教学为主，培养的毕业生难以满足工程实际的需要，往往需要再培训上岗，增加了企业成本，所以高校教育要主动调整培养模式以适应当前企业的需要。正是在这种情况下，美国麻省理工学院倡导大学教育的“大工程观”，强调教学要“回归工程”，并在本世纪初，与瑞典的林克平大学、查尔姆斯技术大学和皇家技术学院联合提出了一种全新的教育理念，即CDIO。

CDIO以产品的整个生命周期为实际载体，涵盖了从研发、运行、维护到报废的过程，构建了相互支撑一体化的课程教育体系，让学生以实践的方式学习各门知识，对抽象的知识有直观的理解，增强了学习效果，提高了学生的动手能力。在CDIO模式下，制定相应的教学大纲和实施对应的教学模式是成功达到CDIO教学目标的两个关键之所在。

(一)制定CDIO教学大纲

为了建立一套能被学术界和工业界普遍承认的知识结构体系，CDIO教学大纲对学生必须具备的理论知识能力、系统建模能力、人际交往能力进行了详细的规定，既可作为工程类专业学生的毕业标准，又可作为工程技术考核的认定标准[4]。

CDIO教学大纲要求学生拥有更好的理论技术知识，能领导新产品的研发与运行，具有强烈的社会责任感。为了使这些目标落实到具体过程操作中，CDIO通过分析工程师的工作，把工程师所需要具备的上述各项能力分解到CDIO 专业培养标准中，也就是CDIO教学大纲[5]，大纲精细到可直接观察学生表现行为的程度，可作为学习效果的评价依据。

CDIO提出了12条标准来保证教学大纲的实施，分别是背景环境，学习效果，课程体系，工程标准，设计经验，实践场所，学习经验标准，主动学习能力，教师教学能力，教师工程能力，学生考核标准，专业评估标准[6]。认真研读这些标准，发现可总结为四个部分：一是以产品为导向制定一体化课程改革；二是改变现有的教育模式以提升课堂教学质量；三是加强实验基地建设为人才培养提供基地；四是强化实践能力考核并调整评价体系。这些标准保证了工程教育目标的实现。

(二)实施CDIO教学模式

由于受到传统思维的影响，我国的教育方式都是以教师为主体，在标准化的教育模式下，强调教师对学生直接进行知识的传授，忽视对学生实践能力和创新能力的培养，给后续人才培养和技能的传承带来很多问题。西方国家在教育心理学的理论基础上，强调以学生为中心的教育模式，运用构建主义和人本主义的教学理论，教师在具体教学过程中营造更多的自由、宽松的学习环境，充分发挥学生的积极性和创造性，激发创新能力，国外新兴科技的不断涌现也证实了这种教育方法的有效性，如Google，Intel，Facebook等。

CDIO教学模式以工程项目为出发点讲授各种知识，是一种开放式的教学方法，引导学生从具体的工程问题到抽象的理论知识，再应用到具体的实践当中，让知识有了载体，学生在潜移默化和寓教于乐中掌握了新知识。从以教师为中心转移到以学生为中心，从以课堂教学为中心转移到以学习效果为中心，实现了教学思想和教学方法的根本改变。

CDIO教学模式以工程人员应具备的素质作为教育的主线，改变以往单一的课堂教学观念，建立了以工程为导向的价值理念。在整个学习过程中，学生是主体、教师是主导，学生不是被动地接受知识，而是积极主动地探索知识；教师则引导学生通过工程问题主动地获取新知识，获取的知识不断丰富其已有的认知结构，从而构建完整的知识体系。

三、基于CDIO系统工程概论教学改革

系统工程概论课程讲授一个学期，共有32个学时；共8周，每周4个学时，以项目为导向制定系统工程概论的教学大纲，将全课程划分为7个项目来实施。考虑到概念理解的需要，第一周安排理论教学，教师讲解这门课的内涵和外延，让学生加深对课程的理解，接下来每周完成一个项目。需要完成的项目如表1所示，每个项目根据CDIO模式分成4个阶段，每个阶段1个学时，这些项目按照由易到难的顺序安排，具有很好的实用性，易于推广和应用。

表1 课程实施的7个项目

(一)构思阶段

每个项目开始时，教师先讲解项目的背景及其相关的知识点，设定项目需要完成的基本目标，同时项目提供案例的多组数据，数据越多，计算越复杂，虽然项目的原理是一样的，但难度有很大的差别[7]。这决定了项目本身具有开放性和自主性，学生可以自由地选择数据，保证绝大部分人都能完成目标，又能区分各自能力的大小，最大程度上避免了项目抄袭。例如在第一个项目单纯形法求解中，两个变量的最优化问题很容易解决，但当变量增加到三个或更多个时，计算量会呈现指数级增长，给求解带来很大困难，这种由易到难的模式既可以培养学生的积极性，又可以给学生提供更多的挑战自我的机会，激发他们的创造力。

(二)设计阶段

这一阶段培养学生的自学能力，教师起到辅助和答疑的作用。学生通过各种途径查找资料，针对具体项目提出各种可能的解决途径，为下一步实施阶段作准备。以阿拉斯加原油输送方案的系统分析问题为例，即如何从美国阿拉斯加州的普拉德霍湾向美本土输油的问题，油田处于北极圈内，常年冰封，最低温度零下50摄氏度，每天需要运送200万桶。这是一个典型的系统分析问题，由于这个问题来源于实际，难度较大，让学生提出几种常规的原油运输问题，即方案1和方案2，方案3和方案4是作为已知选项提供，增强项目的针对性。

方案1：油船运输。

方案2：用具有加温系统的油管运输。

方案3：把部分含氯化钠的海水加入原油中，原油和和海水一起运输。

方案4：油气混输，也就是将天然气转换为甲醇后加到原油中去一起运输。

(三)实施阶段

针对每一种设计方案，认真实施，鄙弃那些无法完成目标的方案，在可以达到目标的方案中，比较他们的优劣并分析原因，完成项目实验报告。仍然以阿拉斯加原油输送方案的系统分析问题为例，根据具体的分析和计算发现设计阶段提出的方案有下列优缺点：

方案1：每天需要4-5艘油船，同时要破冰船引航，始点和终点需建油库，但无保证、费用大、不安全。

方案2：可用成熟的管道输油技术，但沿途需要设立站点安排工作人员，加固管道也会增加成本。

方案3：原油和和海水一起运输，提高低温下原油的流动性，用普通油管即可输送。

方案4：油气混输不仅不需输送部分无用的海水，而且还可省去海水分离的流程，同时节省一条送气管道的费用，比方案3省了一半。

最终选择了最优的方案4。

(四)运行阶段

教师从提交的报告中，选择几名优秀项目的学生展示他们的思路和结果。教师总结项目中普遍存在的问题，分析原因且给出解决方法，然后再从项目回归到知识点本身，回顾复习相关该知识点，并推广应用到其他的场景，以不变应万变，拓宽学生的视野，提高教学效果。例如在故障模树分析法项目中，可以将系统可靠性分析拓展到事件树分析法、故障模式影响及危害性分析法中，这些方法彼此相关又紧密联系，更能加深学生对知识点之间的相互理解。

四、总结与展望

本文将CDIO理念应用到系统工程概论教学中，以项目为出发点，学生为主体，教师为主导，激发了学生的主观能动性，培养了学生的工程实践能力，提升了教学效果。CDIO模式打破了原有系统工程概论封闭孤立的教学方式，建立了具有大工程观和系统观的课程教育体系，形成了从工程中来到工程中去的人才培养模式。当然，CDIO模式还存在一些不足之处，由于没有现成教材可以直接使用，教师课前需要花费大量时间准备具有代表性的项目，增加了教师的工作量，而学生提出的解决方案过于分散，增加了评阅难度，笔者计划与不同高校，不同院系讲授系统工程概论的老师多联系，分摊制定教学项目的任务，减少每个教师的工作量；另外将学生分组，各组几种讨论项目的解决方案，在以后的教学中还要勇于探索，不断改进新的教学方法。

[1] 杨本家. 系统工程概论[M].武汉: 武汉理工大学出版社, 2007.

[2] 顾佩华, 包能胜, 康全礼, 等. CDIO在中国(上)[J] , 高等工程教育研究, 2012(3): 24-40.

[3] 陈伟.规范化法学教育实习基地的改革与完善[J].河南财经政法大学学报，2014(6):125.

[4] 王硕旺, 洪成文. CDIO:美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO 课程大纲的解读[J].设计艺术研究, 2009, 28(4): 116-119.

[5] 顾佩华, 包能胜, 康全礼, 等. CDIO在中国(下)[J] , 高等工程教育研究, 2012(5): 34-45.

[6] 邹龙成. CDIO工程教育12条标准及其对院校教学评价的启示[J]. 继续教育, 2015(4): 52-53.

[7] 朱向庆, 胡均万, 曾辉, 陈宏华. CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(11): 159-162.

Research on CDIOModel Teaching in Introduction to Systems Engineering

WeiLongsheng1, Wang Xinmei2, Liu Wei3

(ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074，China)

It is clear that the paper tries to deeply analyze the current teaching situation and problems in the course of introduction to systems engineering. Similarly, it aims at introducing the CDIO teaching method into classroom teaching. The purpose is to focus on the development of CDIO syllabus and the implementation of CDIO teaching model. On the other hand, it is important to apply them into teaching plan, teaching design, and implementation in the course of introduction to systems engineering. It is quite clear that this method may change the original isolated teaching methods. Therefore, it could stimulate the students' subjective initiative, cultivate the students′practical ability, and enhance the teaching effect of this course.

CDIO; introduction to systems engineering; teaching method

G642；N945

A

1673-3878(2017)03-0031-04

2017-02-22

魏龙生(1981-)，男，安徽安庆人，博士，中国地质大学(武汉)自动化学院讲师；主要研究方向：人工智能、图像处理.

国家自然科学基金项目(61603357)；复杂系统先进控制与智能地学仪器研究中心开放基金项目(AU2015CJ017).