工程创新能力的新教育模式及其方法研究

葛杨 史冬岩 滕晓燕

[摘要]大教育格局下，工程化专业学生需要建立终身学习和自我发展的能力增长新机制。从亟待提升的工程化专业学生创新能力的问题入手，从适应知识扩张性、连续性和快速性的变化需求出发，提出了构建动态、双向的创新能力CDIO目标培养模式。能力培养以“问题”为导向，通过概念引导和逻辑学习，将课程学习、概念构思、产品设计等内容有机融合，保证了学生创新能力的持续、高效扩张的增长。双创课程平台连续5年的课程教学实践和动态考评方法研究显示，CDIO创新能力培养的新模式能够充分适应现代设计创新性要求，保证工程化专业学习能力发展的可持续性和培养过程的高效性。

[关键词]工程专业；CDIO模式；创新能力；问题导向；可持续；动态考评

[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2017）06-0114-07

0引言

在产业结构优化升级和国民经济快速发展的大背景下，高等教育进入了新阶段、新特征、新常态[1]，教育部《关于深化教育领域综合改革的意见》指出：在知识学习、过程掌握和内容效果方面传统教育存在着明显不足，创新教育体系尚不能完全适应国民经济发展需要，服务国家战略的能力尚显不足。社会发展的大教育格局对工程专业学生创新教育模式提出了新的挑戰[2]。

为了强化创新教育的指导、引导作用，促进专业教育和创新创业教育有机融合，我国许多高校参与了多项CDIO 教育改革研究和试点工作，并取得了明显的效果[3，4]。利用CDIO 工程化教育的优势，许多高校通过系统化的CDIO工程化创新实践和能力培养，提高了专业学生在学习中发现问题、解决问题的能力并形成了可持续学习的培养新机制，因而一定程度上解决了工程化专业教育在课程设置、培养环节与学术学位区分度不高的突出问题[5]。

CDIO教育模式强调创新学习过程，培养模式由工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面组成，形成了以构思、设计、实现和运作等要素为核心的主要内容。有别于“人本”思想出发点传统课程教学[6-8]，创新CDIO新教育模式力求构建协同发展的教育教学与工程实践相结合的育人体系，并通过12条标准化理念将其教育目标、机制、内容融于整个教育与教学的全流程[9-11]，形成了创新能力培养新机制。基于对CDIO创新教育目标的理解与应用，课题组将CDIO 创新教育培养模式引入到双创平台课程《通用设计与创新设计方法》的教学过程中；同时，通过对工程设计类专业课程创新能力培养的教学探索，课题组从跟踪连续的教学实践效果的分析中获得了一些有益的经验。

1CDIO工程创新教育模式

CDIO工程创新教育以问题为导向，在课程设计上将精巧的创新构思作为教学的起点，并将其理论知识运用到实践当中去，体现了专业化、可持续的教学理念，多角度、立体化地构建新型的教育模式。如图1所示，在学习中CDIO教育把教学理念与团队精神、合作理念相融合，将CDIO培养目标的“大工程”设置成若干个教学内容，通过概念、逻辑与内容等培养要素与具体工程任务相结合以及每个任务的完成展现学习成果和个人基础知识的掌握程度；强调通过工程化专业创新学习增强学生工程与实践能力，增强学生创新精神、创业意识和创新创业能力，机制上实现了目标与内容的双向互动，使工程化专业知识有可能再通过在实验室工作或在工厂内实习的机会得到加强。

CDIO新教育模式工程化互动、交流式的专业学习过程特点鲜明，重视将人才培养模式与设计课程过程有效融合。以问题为引领，逐步展开学习，利用实际工程问题承载知识，利用创新工具和信息加载，内容上形象、生动，在工程上具有极强的可操作性。围绕创新能力培养，CDIO 教育模式提倡知识的创新学习与工程化创新能力培养并重，教育目标围绕问题进行构思设计——提出问题，设计问题，解决问题，然后通过创新认知能力的阶段性培养以及工程化问题的设计与实现使创新能力逐级攀升，形成螺旋状、塔基形的教育过程。

CDIO 能力教育强调培养内在逻辑和深入学习。在考虑知识连续性条件下，通过工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统4个层面的能力培养内在逻辑。CDIO 教育拓展了学习的逻辑空间，增大了课程学习内容的弹性，加强了学生课程学习中所获得的概念、逻辑等知识的传递强度；同时，充分满足课程设计中不断提出的创新需要，从学习和设计的双向过程实时互动，增强了课程设计的内生驱动力，有效激励课程设计效果。如图2所示，基于工程化的CDIO创新学习，通过合理利用知识工具以及连续的被教育过程，使学习者建立了由表及里的层次型现代学习理念。

只有对知识持续积累并不断学习，学习者才能不断提高创新能力。CDIO教育基于对事物现象与本质的认知，“构思”创新设计问题。学习者对“构思问题”的创新认识，形成了创新教育的新内涵。因此，依据工程化专业培养目标，学习者不仅需要具有技能掌握与整合的能力，还应具备合作、沟通以及项目管理等多学科应用能力。CDIO教育需要通过概念理解，课程互动等构思问题，学习者需要对工程化知识进行记忆、分析、合成、应用，连续的思维形成认知过程。因而，在创新的大环境下以及社会、文化多样化、全球化背景下，学习者亟待成为能够不断进行创新学习、持续获得创新能力的终生探索者。

2新教育模式下工程创新能力的实现方法

设计是在知识、手段与方法不充分的条件下，利用创新求解的过程。创新源于突破规则。在教学过程中，CDIO新模式对工程创新问题的构思、设计与实现进行双向、互动式的连续设计。针对设计问题，辨识概念是创新的起点，学习者利用创新思维、工具、方法，在双向探求、逐次逼近答案的求解过程中，评价与检验创新能力，形成了工程创新能力自我提升的双向工作机制。同时，在知识传递、接收与掌握过程中，问题构思、概念辨析、决策判断与现实重构形成了CDIO新模式培养的不同阶段，连续构思、设计、突破与创新则成为CDIO工程创新能力培养的显著特点。

2.1目标导向型的学习内容

导向型的CDIO教育以构思问题为中心，将学生对创新方法的学习融入CDIO模式下的各个核心要素之中，保证创新方法高效融入课程设计效果。创新教育将需求、知识、方法与理论综合，建立课程学习的双向激励机制，通过课程知识的表达作用于学习者。

學习者结合知识表达和知识重用的过程，利用隐示的知识，得到预期设计结果；课程设计者经过方案的构思、梳理，通过技术设计内容的取向，完成课程设计的单循环过程。然而，知识只有经过不断的传递循环，才能被稳定的吸收和再利用。为此，学习中的技术类构思设计必须从工程设计的角度出发，以工程问题为导向。如图3所示，教育者需要依据具体的课程设计目标、原则和评价标准，完成创新设计和系统工作方案，提高决策科学性和正确性，使课程评价结果更为准确、客观、有效，进而为教育决策提供可以进行比较和判别的依据。

2.2概念的辨识与创新构思方法

针对设计问题，设计者需要不断地辨识概念，构思问题；对设计问题形成创新认知，创新设计，解决问题。因而，相对于创新设计其他过程，CDIO创新学习尤其重视概念的辨识与创新构思的形成过程。

首先，面对问题，设计者通过概念和概念间逻辑关系的学习，形成基础知识；对概念的内涵与概念间的隶属关系进行不断辨识，设计者从基础知识的创新学习，进一步形成对“构思问题”的创新认识。以发动机磨损问题解决为例，笔者进行磨损概念的创新学习：在发动机工作时，液压油泵连续不断地将洁净润滑油输送至全部运动件的摩擦表面，形成油膜，实现发动机液体润滑。然而，由于杂质磨损， 油膜破坏，发动机工作可靠性无法保证。同时，相对磨损问题，清洁是解决问题的关键方法之一。因此，根据目标导向，引入莲叶效应知识点，见图4。

莲花出淤泥而不染，高洁的形象千年流传。莲花出淤泥而不染的品质源自何处？莲叶自洁的效应能否用来弥补发动机使用上的不足呢？通过对莲叶的显微观察可以看到：莲叶表面结构存在着“山包”状突起和蜡质层结构，这就使得尺寸上远大于这种结构的灰尘颗粒、雨滴等降落在叶面上后，在莲叶表面微结构与灰尘、雨滴之间形成一层极薄的纳米空气层。由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得雨滴不能渗透。雨滴能够在莲叶表面自由滚动，带走灰尘，清洁莲叶表面，从而形成特有的莲叶效应。概念需要不断的辨识才能形成创新认知。

对“莲叶效应”的自洁功能，作进一步的概念辨识：通过滚滴接触角的变化可以看出，水滴对于不同材料的表面（亲水、拒水材料）具有不同的滚滴接触角。当通过表面张力的聚集形成的水滴尺寸大于莲叶表面山“山包”状突起时，由于形成了一层极薄至纳米级的空气层，依靠蜡质层的托持作用，莲叶形成自洁能力。见图4。

利用对莲叶自洁概念的创新，结合头脑风暴和知识库等创新工具，CDIO教育模式下的学习者可以很容易将“莲叶效应”的自洁功能移植到发动机的设计中， 利用“纳米空气层”减少了发动机机件磨损，降低了产品功率消耗，从而保证了发动机工作可靠。

2.3概念间的逻辑学习与创新能力的培养

CDIO课程为构思—设计—实现等要素的循环。创新逻辑学习与能力培养的循环，构成CDIO工程化教育的模式。现以莲叶效应和空化现象概念、原理及其工程应用为例，进行概念间逻辑的分析、对比与综合。

1） 现象与问题。如图5所示，螺旋桨通常在边缘处会出现点蚀问题，影响产品的使用寿命，那么原因是什么？

2） 原理解释。盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。高压的冲击性造成螺旋桨破坏，见图6。

3） 空化作用与创新设计产品。超声波空化作用是指存在于液体中的微核空化气泡，在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。中药制剂纯化就是利用空化作用进行加工的实例。如图7所示， 由于液体中形成的空穴崩溃而产生的高温、高压、放电、发光和激震波等的作用，空化作用可用于促进化学反应，粉碎液内悬浮物，制造乳剂，杀灭细菌或清洗机件等。

2.4创新能力的双向激励机制

创新问题源于对事物本质现象的再认识。针对创新问题，设计课程应该在规划学习程序性知识的基础上，有效利用创新方法和创新工具，通过创新能力培养的双向激励机制，提高学生对事物的认知能力，求得对创新设计问题的解决方法。

如图8所示，结合“莲叶效应”与“空泡现象”两个案例，教师从对自洁和清洁的概念对比分析，再到新产品设计，并从设计产品问题再回到创新概念进行反向思考。通过创新认知的双向激励，学习者可以得到如下启示，具体见表1。

3新教育模式的动态考评方法

CDIO模式将传统课堂教学方法集成化综合管理，构筑CDIO创新教育骨架结构。新模式充分利用头脑风暴、网络学习、在线测试等方法和手段建立动态完整机制，并创新考核方法，对学习者进行有效的综合评价。

3.1工程创新能力的动态考评机制

在当前全球化工程背景下，创新与适应能力由分析训练、设计指导问题、分析与评判、基本的科学素养等内容构成，其全方位的知识结构、团队协作、二次学习与项目管理和有效交流能力形成工程创新能力的变量关系。如图9所示，创新能力存在于方法、环境、课程等集成因素中，通过整理问题型鱼骨图[9-11]方法，进行创新能力因素关联性的整体性分析。创新能力作为考评的目标，首先将作为鱼头，方法、环境、课程等因素与其直接相关，构成鱼骨，以期为建立CDIO教学模式的多侧面综合考评机制做准备。因此，对创新能力教育进行结构化分析，把创新能力因素当作变量来处理，建立学生课堂学习效果和实践能力延伸递增的机制，变静态考评为动态考评，能使综合考评方法和评判过程真实、有效。

3.2专业课程的评价体系与考核内容

动态考评作用机制如图10所示。依据整理问题型鱼骨图，整理创新能力培养的关键影响因素，建立开放式的学习内容动态扩充机制。创新能力课程考核体系，将CDIO教学效果与教学方法相结合，评价专业课程教学效果，动态考评原则内容包括：1） 改变单一的考核评价体系。鼓励学生利用工程专业知识探索工程应用，参加各类型的创新比赛，参与科研项目。学校将学生所学内容的应用计入考评内容和指标体系；2） 课程内容设计多样化。利用横向课题，带领学生到企业利用设计方法解决工程问题；（3） 评价方法最优化。参考优化的评价方法，结合学生课程设计能力，对毕业生进行跟踪评价。

3.3动态考评的方法与效果

本研究利用双创课程教育平台，对通用设计方法与创新设计方法课程进行教学模式（前3年未采用CDIO模式）探索，建立学科课程利用率简单抽样图（图见11）和创新能力直方图（见图12）。

1） 采用GPA方法进行统计分析，并通过课程利用率、选课人数等“量化”实验效果对比分析，确定课程教学总体、课程设计、课程实施、课程作用维度与教育现象间的因果关系。

2） 连续5年抽取15%样本，对毕业后的机械工程类专业学生进行网评课程效果跟踪分析，并对后续3门专业课程知识的利用率进行数据采集、随机抽样、连续跟踪和统计分析。

从CDIO教育模式与非CDIO教育模式效果分析可知，在对比课业考核成绩、学习课程的知识利用率、创新能力效果比率3个指标，采用CDIO创新教育培养模式之后，综合成绩比率明显提高。CDIO创新教育的良好效果，保证了课程设计内容的持续、高效的扩张性，数值见表2。

4结束语

结合CDIO创新培养模式，通过问题的快速构思，以及动态自主学习、双向式激励和工程化设计的培养过程，建立以“创新问题”为导向的教育教学的实现过程，对学生进行专业化设计与创新能力的培养，对CDIO教育目标实现效果的分析与论证，从多个角度也证明了CDIO新教育模式所构建的测评体系及其各量表具有稳定性和合理性。CDIO培养教育模式能够充分适应专业创新能力的要求，满足学生未来实际工程化实践的需要。

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AbstractUnder the situation of big education，engineering students need to establish a new mechanism of capacity growth for lifelong learning and self-development.Starting from the enhanced problem to improve the innovation ability，this paper，from the points of knowledge expansion，continuously and fast changeable social needs，proposed the construction of the CDIO training mode of dynamic and bidirectional innovation capability.The new mode of problem oriented and task driven learning，through the concept guide and the course learning，organically integrate such factors as concept conceiving，product design and other content，and to ensure the sustainable and efficient expansion of students innovative abilities.Based on the use of the dual creative course platform，this paper makes a study of evaluation methods for 5 consecutive years of teaching practice and teaching research，which shows that dynamic effect：CDIO training mode for innovation abilities can fully adapt to the modern creative design requirements，and ensure that process the development of engineering professional learning abilities can be sustainable and efficiently cultivated.

Keywordsengineering specialty；CDIO mode；innovative ability；problem orientation；sustainability；dynamic evaluation