CDIO3.0标准下新兴工科专业工程教育的思考

郭惠芳　姜鲲鹏

摘要：新兴工科专业的工程教育存在着培养方案不成熟，教学内容不稳定等困境，从分析CDIO标准3.0版本中新增内容和精神，提出建设新兴工科工程教育的关键是可持续性的建设与改进以及着力培养学生可持续性学习能力。最后给出了一个快速响应的专业教育体系的构想，以解决新兴工科专业工程教育中的部分困境。

关键词：新兴工科专业；工程教育；CDIO3.0；可持续的学习能力；快速响应教学体系

1 新兴专业的工程教育现状

在新兴产业不断崛起的同时，以互联网和工业智能为核心的大数据、人工智能等新兴工科专业得到了快速发展。2021年度教育部高校新增备案本科专业1773个、新增审批本科专业188个，将31种新专业正式列入普通高等学校本科专业目录［1］。各个高校在新兴专业建设方面也投入了大量的资金和成本，在相对较短的时间内已建成了一些比较有影响力的新专业群。同时我们也看到由于一些新兴工科专业所对应的工程技术发展还不成熟，新兴专业工程技术人才相对缺乏，新专业的建设尤其距离工程教育标准的要求，还有不少差距［2-3］。

对于新兴工科专业来说，工程教育的探索可能需要更长的时间，部分高校对新兴专业工程教育内涵的研究不充分，对专业的工程教育认识模糊，导致对专业课程体系建设系统性不强，课程设置随意性大，人才培养模式趋同［2］。从高校培养人才的角度，当前主要存在以下几个方面的问题：

（1）培养目标比较模糊，具有较大不确定性。

（2）课程计划参考多个交叉学科的培养体系，多个相关学科的课程计划简单组合比较多，很难形成真正的整合交叉。

（3）传统课程与新兴课程的设置以及课程之间在内容和技术选择上比较混乱。

（4）涉及复杂工程问题的实训项目很难大规模地开展训练。

下面从解读CDIO3.0工程教育培养标准入手，试着探索新兴的工科专业的工程教育的解决之道。

2 CDIO3.0标准的解读

2.1 标准的修订背景

CDIO工程教育培养模式是将现代工业产品的生命全过程（构思、研发、运行及改良）作为载体来培养学生的工程能力，得到了包括中国在内的世界各国著名大学的支持和参与，也是我国高校工程教育认证的一个主要参照［4-5］。它包括一个愿景、一个大纲和12条标准或称之为要则，其中12条标准对整个培养模式的实施和检验给出了比较系统的阐述，国内学者对此也作了较多的研究［6-7］。在2020年第16届国际CDIO会议上，发布了对核心CDIO标准的修订，即CDIO标准3.0版［8］。该标准从2005年首次发布以来，经历了大量的实践与研究，为了适应近年的经济社会背景的变化，标准主要在4个方面进行了补充：（1）可持续性；（2）数字化；（3）服务；（4）教师任职能力。

2.2 修订的主要内容

在“背景”（Context）要则中，说明开发和部署可持续的产品、过程或系统、服务的生命周期，即构思、设计、实现及运营的整个过程是工程教育实施的背景。3.0标准中强调了可持续性以及服务是包含在产品、系统中的，关注其整个生命周期的。在“学习的成果”原则中，要求明确在个人及协作技能、产品、过程、系统和服务构建能力、学科知识等方面的学习成果，3.0标准中强调了可持续开发的概念和能力要求。在“一体化的课程计划”要则中强调课程体系要将上述的各种能力要求融入课程体系中，而不是一个补充，也就是说围绕标准2中提出的各种能力要求合理设计课程体系来支持。在“设计—实现经验”要则中强调了课程体系中需要有两个级别或以上的设计—实现实践活动，这种实践活动需要包括产品、过程和系统、服务开发的全过程：构思、设计、实现和运行。在“工程学习场所”要则中，增加了运用数字化技术作为新的学习环境来提升学生学习的体验以及教学效果。

在“综合的学习体验”要则中，阐述了要设计综合的学习实践活动，將专业工程问题与学科知识进行综合，并运用于产品（过程、系统或服务）的构建过程，同时在这个过程中考虑设计者的社会的、经济的以及环境责任。这个类似我们课程体系中的社会实践活动。在“主动学习”要则中，提倡基于主动式和体验式学习方法的教学，也就是问题求解式、讨论或辩论式的学习方法，以及在设计实践环节中的体验式学习。在后面的四个要则中阐述了提升教师的专业技能、教学方面的竞争力以及对学生学习的评估和整个工程教育过程的评估，其中都增加了可持续发展的竞争力的提升和评估，在“评估学习”的要则中增加了数字化评估方法，并说明其与口试、笔试的效力相同。

3 可持续的发展是必由之路

在CDIO标准3.0版本中凸显了“可持续性”的字眼，它的原意指培养开发可持续性产品或系统的能力，以及培养学生可持续学习的能力，以应对未来在工程实现生涯中的各种挑战。针对新兴工科专业工程教育的困境，可以从“可持续性”来入手解决。

3.1 可持续性的探索、改革和评估

从逻辑角度说，如果我们要培养具有开发可持续性产品或系统能力的学生，并使之具有可持续学习的能力，是不可能采用一套固有的、没有自我更新能力方法的，因此强调一种“可持续性”探索、改革和评估后再探索的路径是实现新兴工科专业工程教育的必然之路，在CDIO标准中对最佳实践的阐述中也在强调一个周而复始的革新过程。在真正实施中，出现了不少的偏差，其中可能的原因有：（1）纠偏需要勇气和担当，而守旧代价不大；（2）最初的方案一般是经过有权威的专业人士认可的，重新规划并实施风险较大。统一认识，实事求是，使可持续的改进逐渐成为一种常规。专业教学团队有担当，以培养合格工程师为己任，不断研究、探索，投入足够的教研精力和集体智慧，共同完成周而复始的改后评，评后再改的过程，使之逐渐跟上社会经济发展的需要。而教育主管部门和学校要给予足够的信任，形成良性循环、可持续发展的环境氛围。

3.2 可持续的学习能力作为重要培养目标

新兴工科专业既然是新的，相比传统专业，它的理论基础及应用模式都存在比较大的不确定性，可直接用于教学过程的现成项目及解决方案就比较有限，有不少来源于实际行业需求，其解决方案可能千差万别，部分需求可能没有成熟的方案，本身教学过程需要专业教师具备极大的创新精神和交叉学科研究经历。开展实验性的课程教学，需要充分发挥学生的学习能动性，在教师的引导下不断地提出问题、分析问题，与学生们共同探索出解决方案。这正是CDIO标准中提倡的体验式的主动学习，学习过程本身已经逐步变成一个探索工程解决方案的过程，而不是教师讲授知识的过程，更像是边探索、边学习，充分发挥“拿来主义”，充分运用数字化技术和环境，真正做到教师教的不仅仅是知识，更重要的是技能，是提出问题、分析问题、解决问题的技能。

当前专业知识如果还是完全依赖于教材以及教师在课堂上讲授的教材上的知识，这种方式已远远无法跟上技术发展的步伐。课堂教学在知识传播方面相比互联网上丰富的教学资源，已不具备太多优势。只有在课堂上教会学生如何学，怎么学，这种可持续学习的方法才是未来大学真正应该发挥作用的地方。

3.3 重构教学内容体系

对于新兴工科专业可能涉及多个专业或学科的基础理论知识，如果还是沿用传统专业以及教学思路，必然会发现，这样的专业所涉及的基础理论课太多，有部分重复的或陈旧的内容。教师想改部分课程，又担心会出现知识的断层，积极性不高。大部分院校都相互参考，最后也只能按部就班地开始了与传统专业类似的教学过程。新兴的工科专业应该重构教学的内容体系，需要借助于专业团队对新兴专业进行系统的分析与设计，针对成熟的内容模块，依托线上资源的建设，灵活地提供给学生进行学习，教材不再是唯一的参考，只是学习参考的资料之一，针对部分专业知识模块组织编写讲义，结合实际项目以及业内解决方案、教师教研的成果，更灵活地组织教学内容，真正做到线上内容与线下内容的融合，教师和学生共同探索和体验。持续更新，持续改进和完善，培养出更能适应未来经济社会变革的合格工程技术人才。

4 快速响应的专业教育体系的构建

参考多所高校的新兴专业的培养方案，比如数据科学与大数据、智能科学与技术专业，其中有内容完整的培养目标、毕业要求（包括类似CDIO标准类似的10～12条，或更多的指标要求）、核心课程及专业选修课程的设置。通常围绕培养方案还编写有配套的教学大纲，然后就是由各位专业教师去实施教学。问题也是显而易见的，课程内容的设计很少能够很好地做到统筹安排与衔接。知识点相互重叠，或陈旧过时，无法支撑后续复杂工程问题的求解；由各位任课老师独自去开展的课程教学很难实现持续的、有系统性的改进和更新，与时俱进的专业工程教育就很难实施。

4.1 课程设计与实施分离

专业教育是一个系统工程，需要专门的团队进行设计，并且可持续的改进本身就是需要团队来完成的。课程设计与实施如果都是由专业教师来实施，教师作为课堂教学实施第一责任人，他在思想上并没有动力来进行自我否定，并设计新的内容来开展新的教学，所以有必要将两种功能分离。

组建专门的团队来设计课程体系，同时设计相关知识模型的分布，确定哪些内容需要什么样的教学形式，设计每个知识模块的考核标准以及线上资源的建设。具体建设可以由专业老师参与进行建设，但是主要由课程设计团队的专业教师来建设，相近的专业可以组建同一个团队进行设计建设，这样可以共享各方面的资源。这支团队平时可以针对行业内的需求及新的技术发展进行研究，并在课程知识体系上做出快速的反应，大部分可以用线上部分教学资源的建设做出快速响应。实施课程教学的教师只负责进行某个知识模块的课堂教学或实训指导，任务就是按照既定的设计方案实施讲授、交互、反馈、再反馈的教学过程，学生按照授课教师的指导进行学习、考核。这个实施过程就不仅仅体现着个人的智慧，还反映了整个团队的设计与建设成果。所以教师也不会太累和焦虑，学生得到的就是由集体智慧实施的教育成果。

4.2 线上线下真正的融合

新时代背景下，高校教育教学有了新的改革，互联网上可以利用的学习资源、工具及手段都非常丰富，专业教育一定要充分利用线上手段与资源。那么在前面提到的课程设计中就设定好哪些知识模型是由线上资源来实现，组织相关力量进行建设，还有相关知识模块的考核或测试也在线上完成，有些知识模块需要布置学生自主进行学习与考核，老师只需要进行定期答疑和讨论。部分知识模块设计成线下讲授或线下实训的，这时就需要教师来讲授和组织课堂。

一个学期的上半学期可设置大多数线上学习的知识模块，并安排线上的考核，每个学生根据自己的时间与学习能力，通过考核。有些还可以多次进行考核，直至达到要求为止。其中安排少部分课上答疑及讨论，交流学习情况，以及对深入的专题在老师的引导下进行扩展。下半学期集中安排实验、实践或实训项目，动手实践是实现工程教育的关键环节，安排线下进行有以下方面的考虑：（1）部分实验环境需要一定的条件，不宜在线上进行。（2）实践过程不仅是自己动手的过程，也是一个通过边动手、边交流的过程，学生之间交流对学习的作用有时比老师直接讲授效果好。（3）老师在线下可以检验学生掌握的情况，同时在线下的实践过程中进行指导，增进学生的學习信心。

5 总结

CDIO标准3.0对于新兴工科专业的工程教育是有借鉴意义的，实施工程教育我们可以借鉴其他国家的先进经验，上面是个人对CDIO3.0标准的理解，并对新兴工科专业工程教育现状进行了简单的分析，提出了一个实施可持续改进，不断跟进行业需求及技术更新步伐的构想。即课程设计与教学实施分离、同时依托丰富的线上资源，更加灵活地实施线上、线下融合的教学场景。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.教育部关于公布2021年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知［S］.北京：中华人民共和国教育部政府门户网站（moe.gov.cn），2021.2.

［2］张学新.大数据工程教育的探索［J］.高教学刊，2019（12）：76-77+81.

［3］黄丹，司家勇，张立强，等.工程教育改革战略CDIO在新能源专业人才培养中的应用［J］.科技风，2021（19）：147-148.

［4］杨毅刚，宋庆，唐浩.工程教育专业认证与CDIO模式异同分析与相互借鉴［J］.高等工程教育研究，2018（5）：45-51.

［5］顾佩华，胡文龙，陆小华，等.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究［J］.高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

［6］于泠，陈波.基于CDIO-OBE的实验教学过程性考核模式［J］.计算机教育，2022（02）：168-173.

［7］贾宁，郑纯军.CDIO理念下的大数据人才培养混合式教育探索——以数据获取与预处理实践课程为例［J］.计算机教育，2021（08）：35-39.

［8］Malmqvist，J.，Wedel，M.K.，Lundqvist，U.，et al.（2019）Towards CDIO Standards 3.0.Proceedings of the 15th International CDIO Conference，Aarhus，25-27 June 2019，1-24.

基金项目：ZLG201903，河南省民办高校品牌专业建设——计算机科学与技术；ZLG202002，河南省一流本科专业——计算机科学与技术

作者简介：郭惠芳（1970—），女，汉族，江苏金坛人，博士，副教授，研究方向：数据分析与挖掘、高性能计算；

姜鲲鹏（1972—），男，汉族，山东黄县人，博士，讲师，研究方向：机器学习算法、网络安全。