CDIO视域下项目驱动创新人才培养模式探索与实践

邓文斌　朱荷蕾　吴舟

摘  要：在我国大力推广“双创”的时代背景下，如何更有效地培养应用型创新人才，引起各行各业的高度重视。通过对CDIO理论和新工科背景下机电类专业教学特点的研究，探索基于CDIO理论的项目驱动创新人才培养模式，设计一套以CDIO工程教育模式和项目驱动教学方式相结合的工程范式创新人才培养体系和方法。实践表明，基于项目驱动的工程范式创新人才培养模式对于培养大学生的创新意识、创新能力和创新精神等方面都具有一定实效性。

关键词：CDIO理念；项目驱动；创新；人才培养；工程范式

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）12-00５0-0５

Abstract： Under the background of vigorously promoting "mass entrepreneurship and innovation" in China， how to cultivate applied and innovative talents more effectively has attracted great attention from all walks of life. Through the research on CDIO theory and the teaching structure of electromechanical specialty under the background of emerging engineering， this paper explores the innovative talent training mode of Project-Based Learning based on CDIO theory， and designs a set of innovative talent training system of engineering paradigm and method based on the combination of CDIO engineering education mode and Project-Based Learning teaching mode. Practice shows that the innovative talent training mode based on the Project-Based Learning engineering paradigm has certain effectiveness in cultivating innovative consciousness， innovative ability and innovative spirit for students.

Keywords： CDIO concept; Project-Based Learning; innovation; talent training; engineering paradigm

《國家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》提出高等教育要适应产业结构优化升级的要求，突出办学特色，大力培养技能型、创新型、应用型人才[1]。然而就目前的状况而言，我们在创新人才培养方面还存在诸多不足的地方。特别是近年来，人才需求企业对工程类人才的需求逐渐趋于理性，从而使得大学教育理论与实践“两张皮”的现象显现出来。一方面，企业抱怨难以招到“招之即用”的人才，所招的大学应届生难以满足企业的要求；另一方面，毕业生找到一份理想的工作越来越难。产生这种现象的原因与当前大学教育的教学方式密不可分。基本上各个高校仍遵循以讲授知识为主的人才培养教学模式，严重缺乏针对解决实际复杂工程问题能力的培养，无法与企业需求无缝对接。

为了解决“科学范式”工程教育人才培养模式与企业工程人才需求不契合的问题，国际工程教育模式开始向工程范式转变，华盛顿协定、悉尼协定等国际工程教育组织相继成立[2]。中国于2016年正式加入《华盛顿协议》，相继推动了新工科建设计划。新工科的培养目标是使学生能在知识、能力和素质等多个维度得到发展，真正成为符合企业需求的现代工程师。如何有效将实践教育融入工程范式人才培养目标，组建一支能够支撑工程范式的创新人才培养教学团队和基础教学设施，搭建工程范式创新人才培养教学体系，成为了世界各国工程创新型人才培养研究热点。

20世纪初，德国学者雅斯贝尔斯提出要培养学生知识的广度，以及培养学生主动性及创造性的人才培养理念[3]。1965年，美国学者H.A.帕索乌提出了制定符合培养创新型人才的教学大纲应遵循的原则，指出培养创新型人才需要培养学生在学习中的创造性和独立性，培养学生运用文献资料获取知识的能力，培养学生对事物的理解力[4]。为了深入推广理论结合实践的教育模式，卡内基梅隆大学推动了第三次工程教育改革，缩减了学生毕业所需课程数量，并在大一开始引进项目驱动教学（Project-Based Learning，简称PBL）[5]，激发了学生对专业基础的学习兴趣。Weilerstein等[6]提出结合教育资源、实践支持和技术商业化的政策支持驱动学生创新创业生态系统的发展。

我国许多高校也根据自身情况，提出了培养创新型人才的策略。淮阴工学院汪伟[7]针对国内高校普遍存在的重“理论”知识讲授，而缺少“实践”的教学问题，提出了基于合作机制的协同创新人才培养机制，从培养学生研究能力、应用能力和创新能力等几个方面重构培养体系，进而改革创新人才的培养途径。南开大学依托科研平台培养创新人才而进行了一系列教学改革，取得了良好的效果[8]。从“科学范式”回归“工程范式”，强化工程实践教育，实施Conceive-Design-Implement-Operate（CDIO，即构思-设计-实施-应用）人才培养模式的教育理念[9-10]。西安航空学院的李川等[11]提出“智能+”创新型人才培养模型，以人工智能基本知识体系结构为基础，建设“人工智能+X”的新型复合专业，该模式对新工科专业建设、教学过程的组织等方面发挥了一定作用。东华理工大学的郭名静等[12]提出了以“实践+”为教学核心的理工科人才培养新模式，其目的是以培养实践能力为目标，以实践教学为主体，实践与理论相结合的人才培养模式。西安交通大学的王保建等[13]针对我国高等工程教育长期存在的重学生技术能力培养、轻非技术能力培养的问题，围绕能力培养目标、教学体系设计和智能制造教学平台建设等方面，开启了培养具有双重能力的新型工程人才的新范式。河北师范大学孙军英[14]教授以学科竞赛为抓手，通过重构课程体系、重组教学内容的方式培养大学生创新实际能力，提升了学生竞争力。

一  工程范式创新人才培养面临的问题

新工科建设的重点是培养优秀工程师，培养大批具有工匠精神的创新人才。在培养过程中，积极探索如何培养学生解决实际工程问题的能力尤为重要，这主要是我国高校与国外一流大学相比存在的问题之一，具体表现如下。

（一）  在实践教学过程中，缺乏对学生独立探索和解决实际复杂工程问题能力的培养

传统的教学方法，主要以教师按照教材内容进行讲解，而实际工程问题涉及的知识面很广，难以让学生获得探索解决实际工程问题的机会。由于“能力—素质”不能通过理论学习来培养，因此有必要大大增加实践教学的比重。在完善的理论教学体系下，如何设计并有效实施与理论教学体系相对应的实践教学体系是工程范式创新人才培养模式的关键。

（二）  培养过程缺少提升学生创新能力培养的教学平台

在新工科背景下，不少专业（新能源汽车、机器人等）都涉及多学科交叉融合，传统的教学实验和实训设备已不能满足工程范式实践教学体系下培养知识应用能力、解决复杂工程问题能力及团队协作能力的需要。为了紧跟专业建设发展需要的一些新型教学设备，因学科交叉融合，涉及的知识面很广，对教师的要求也相应达到了一个新的高度，从而引发新兴专业师资紧缺或教师教学能力难以适应的困境。

（三）  教师教学与行业实际产品研发脱节，研发与应用脱节，难以真正为当地产业服务

目前教师基本都以教材内容进行知识传授，工程范式创新型人才的培养要求高校教师从简单的知识传播者转变为“项目经理+项目导师”[15]。这就要求教师具有较完整的工程实践经历，但目前高校教师大多很少接触企业或曾在企业工作过，这必然导致与企业需求脱节，缺乏系统的工程实践经验。

二  构建CDIO视域下项目驱动创新人才培养模式的必要性

从当今新工科培养要求的角度来看，各个专业涉及的学科门类较多，互相交叉融合，既有偏理论性知识，也有实践课程需要探索。从设计实践的角度来看，培养学生的实践能力是培养学生素质和能力的重要组成部分。在某种程度上，其重要性甚至超过了理论知识的重要性。

就我国新工科教学的现状而言，已经意识到学生实践能力培养对其能力培养的重要性的高校越来越多。而CDIO理论提出的系統知识和能力培养及其倡导的PBL教学法、且有全面的实施指导，更有利于高校培养学生动手能力。借助CDIO注重学生学习的自主性和实践性的教学方式，结合校企合作项目的实际工程需求，以CDIO模式积极开展项目实践，可以有效规避传统课堂教学内容主要集中在教科书给定内容，以至学生很难接触实际工程项目而导致理论与实践脱节的问题。

三  CDIO理论和项目驱动人才培养模构建思路

CDIO是一种新的工程人才教育理念，代表着现代工程教育的发展方向，具有国际性、先进性、科学性、广泛性和系统性。其以产品市场调研、设计开发到生产的全过程为载体，组织学生全程参与产品的整个开发和生产过程，将理论学习和实践能力培养有机地结合起来。目标是让学生深入理解和掌握基础技术知识，并将他们培养成为一名现代工程师和研发人员所必需掌握的专业技能。

项目驱动教学是一种“边做边学”的教学模式，是一种实践性教学活动，旨在完成具有挑战性的项目。项目驱动教学方法也是CDIO理念所倡导的教学方式，其核心思想是通过实际的工程项目引导学生主动学习完成项目所需要的知识和技能、构思和设计项目解决方案，运用知识和技能解决问题，从而有效提高学生专业基础知识水平和增强学生实践动手能力。此外，学生还需要解决任务调度、时间管理、讨论决策、分工协作、演讲及答辩等非工程问题，从而提升自己的综合素质和能力。因此，项目实践教学是以“知识—能力—素质”多方位整体培养学生的综合素养的有效环节。以项目为中心的课程教学改革及现代工程人才培养模式改革逐渐成为国际高等工科教育的发展方向[16]。本文所提出的基于CDIO理念的PBL教学模式框架如图1所示，该模式是为了让参与项目的学生依据CDIO理念体验工程项目开发过程中所有过程，遵循工程项目开发的科学流程。

为有效培养“知识—能力—素质”的工程创新人才，必须从以往主要以理论验证性的实践教学环节改革为以项目完成度为考核指标的实践教学模式，并增加实践教学环节课时量。同时，引入校企横向合作项目及相关专业竞赛，以实现基于PBL教学的工程创新人才培养目标、培养方式。

四  项目驱动人才培养模式具体实施方案

为了切实提高学生理论结合实际的能力，为企业和社会更好地培养应用型创新性技术人才，本文提出以CDIO理念为基础的“项目驱动（PBL）”教学的创新性人才培养模式，总体培养体系框架如图2所示。通过构建一体化课程体系，鼓励学生实现自我激励，促进其工程创新能力的提高，注重培养学生独立分析、解决问题的能力，以实际需求项目为主线，学生以团队的形式探索解决实际工程问题的途径。在此过程中，学生学习所需的相关理论知识，最后整合相应的知识并应用于解决复杂的工程问题。在解决实际工程问题的过程中，培养学生自主学习、自我促进意识和创新意识，具体实施方案有如下几点。

（一）  以项目为主线

依托嘉兴学院、南湖区政府共同成立的南湖智能装备产业创新中心，通过与企业签订的校企合作横向课题。每个项目都分别组织4～5名机械、电气和车辆等多个专业的学生与教师、联培研究生组成项目攻关团队。围绕CDIO工程教育理念，在老师指导下提出有针对性的解决方案，并全程参与项目研发、设计。真正践行PBL的教育理念，重点培养学生解决企业实际需求工程问题的能力。学生在参与项目的过程中，综合培养了学生充分使用所学专业知识的能力，培养了学生工程技术应用和从构思到最后操作的工程项目实践能力。

其次，学生参与完成的课题，可以进行二次包装和开发，完成原理样机制作，从而用于参加一些相关的科技创新竞赛，让学生获得一定的荣誉，从而增强学生参与项目的积极性，这样能够很好地构建一个以项目为中心的团队。同时，完成的各类项目，可以形成相应的教学案例，用于实践教学，从而推动实践教学平台的建立。

（二）  以小组为基础

以科技创新社团为载体，通过学生宣传的方式吸纳各个专业的学生，并形成高年级带低年级学生“传帮带”的学习方式，打造以学生为主体，以项目为依托的本科生、联培研究生和教师组成的科技创新团体。成立由多名学生和老师构成的学科小组，设置不同的方向，让学生根据自己的特长和爱好加入不同的小组。根据项目需求，将大项目按照功能区划分为不同的小项目，然后让每个小组按照自己的学科方向选择具体的子项目。项目组成员依据自身所学专业和所在学科小组技术特点，合理分配任务，在保证完成自己任务的同时，及时与小组其他成员有效沟通，相互协调，保证本组任务的顺利完成。各小组之间定期进行沟通，相互汇报结果和项目进展情况，根据讨论结果修改项目执行过程中的不当之处并及时调整进度，最终有机地整合所有子项目完成整个产品。

（三）  以CDIO理念为指导思想

不管是在小组分工的团队项目开发过程中，还是在平时的实验实践训练过程中，都将以CDIO理念为指导思想贯穿于创新型工程人才培养方案中。低年级时，把CDIO理念贯穿在平时以开源工业产品、装备为实践创新平台的学习中，通过学生系统地学习开源平台（机器人、智能装备）的硬件、软件及算法，打下坚实的产品开发所需的基础，然后通过开源平台的二次开发功能，完成学生自己设想的功能开发，从而提升创新能力。把传统的以教师指导为主，转化为以学生讨论为主。由于采取了开源项目平台，学生对基础知识的掌握时间缩短，也能改变以往实验设备、装置只能完成演示性实验的缺陷，实现向开放性实验的转变。高年级学生培养过程则以CDIO教育理论为指导思想，以项目为主线，有目的地培养和发展学生解决实际工程项目的创新能力。在实际需求项目的实施过程中，通过复杂工程项目培养学生的团队协作能力，从而为毕业后进入企业打下坚实的基础。

五  结束语

基于CDIO理论和项目式驱动的工程人才培养方案是目标引领、任务驱动及以学生为主体展开的人才培养模式。其重点培养学生主观能动性和激发学生解决实际问题的好奇心和探究兴趣。教师在整个项目过程中扮演着监督者和领导者的角色。获取知识和提升能力的学习过程，不仅仅是利用自己先前構建的知识体系分析问题、解决问题的过程，更是培养和提升学生创新精神和创新能力的过程。

（一）  激发了学生的创新意识

通过改变传统的思维方式、过程来获得新的思想、概念和方法即为创新意识[17]。基于CDIO理念的项目驱动人才培养方式是以项目为主线、学生为主体、小组为基础、教师为主导的学生培养模式，教师借助校企横向合作课题及专业竞赛，利用学科前沿知识理论及交叉学科所出现的新理论，创造研究性学习情境，使用项目驱动教学法，鼓励学生不要固守现状，要独立思考、探究实践。在人才培养过程中，教师作为推动者、监督者和指导者，指引学生从单纯的知识传承者向知识创新者的转变，在项目完成过程中不断激发学生的创新意识。以嘉兴学院智能系统集成创新协会为例，协会成立两年以来，能长期稳定在实验室的学生有30余人，通过实施本创新人才培养模式，智能系统集成创新协会学生参与校级大学生科技训练项目（SRT）达到90%以上，参与国家级/省级大学生创新训练项目的学生达到50%以上；参与教师校企横向合作课题和参加专业竞赛的学生高达80%以上，学生每年申请多项专利和发表多篇科技论文。图3和图4分别是学生参与校企横向合作课题的设备安装调试图及学生参加“西门子杯”全国大学生智能制造挑战赛的参赛作品（立体车库）。因此，经过项目驱动人才培养的学生具有更强的创新能力，更容易找到解决新问题的方法和更好的创新意识。

（二）  增强了学生的创新能力

所谓创新能力即人的综合素质的外在表现，是一种能体现知识、人格和人际交往的综合素养能力。实施CDIO理念的项目驱动人才培养模式，通过培养学生搜索、分析、总结资料、制作PPT、演讲与答辩等综合素质，锻炼学生的自主学习能力、分析能力、表达能力、沟通能力和批判性思维能力等综合能力。经过工程范式创新人才培养的协会成员，参加了“互联网+”“挑战杯”、教育部“西门子杯”智能制造挑战赛等多个大学生创新创业竞赛，两年以来获得了省级以上奖项8项，获奖率明显高于学院同期平均水平。

（三）  培养了学生的创新精神

自智能装备集成技术协会成立后，数十名学生在导师的指导下，能综合运用自身已掌握的知识，重构知识体系，提出新方法、新思路和新观点，具备了较好的创新精神。跟着团队指导教师从事校企横向合作课题及参加竞赛的协会学生，不仅具有较强的创新意识、活跃的思维、创新能力和全面的工程素养，而且在项目参与过程中具有挑战和克服困难的勇气和韧性。

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第一作者简介：邓文斌（1985-），男，汉族，江西吉安人，博士，讲师。研究方向为智能装备开发、结构光测量技术。