工程教育体系CDIO理论研究

1、工程教育体系 CDIO 理论研究CDIO是 Conceive、Design、Implement 和 Oper-ate 的缩写，是一种 新的教育理念和模式，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体， 让学生以主动的、实践的、课程与产品之间有机联系的方式学习工程。 CDIO培养大纲将工程毕业生的水平分为工程基础知识、个人水平、人 际团队水平和工程系统水平四个层面，大纲要求以综合的培养方式使 学生在这四个层面达到预定目标【 2】，旨在培养学生的工程水平，此 水平不但包括学科知识，而且包括学生的终身学习、团队交流和在社 会及企业环境下从事产品、过程和系统的构思设计实施运行等 水平。以 1994 年美国工

2、程教育协会发表的面对变化世界的工程教育 的报告为标志，美国及西方国家开始了一系列关于工程教育改革方面 的研究和探讨，掀起了高等工程教育界“回归工程”的浪潮，这个浪 潮集中体现了一个思想，那就是面对迅速变化的世界，工程教育必须 改革，而改革的主要方向是要使建立在分化的学科基础上的工程教育 回归其本来的涵义，更加重视工程的系统性和实践性，培养具有集成 知识、系统方法和工程实践水平的人才【 1】。当前，已有几十所世界 著名大学加入了 CDIO组织，其中在某些学校和专业领域，取得了良好 效果，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。我国高等工科教 育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，不过

3、我国工科的 教育实践中还存有很多问题，迫切需要改革。继汕头大学、江西理工 大学、大连东软信息学院等高校先后实行 CDIO试点以来，河北工程大 学也在 2009年被列为全国试点高校。一、“ fourto ”理论与 CDIO早在 20世纪 50年代，西方的高等教育界就出现了“ fourto ”理论， 即，作为大学生，在大学几年究竟应该如何度过，究竟应该学到哪些 本领。该理论认为，大学教育，首先是“ tobe ”教育，也就是说大学 生要成长为一个什么样的人，要树立什么样的人生观和世界观。我认 为，这个点和我们国家的大学生政治思想教育不谋而合，都强调做人 与做事相结合，做人通过做事体现，做事通过做人保

4、证，并在培养过程中注重人文精神的熏陶，都是要培养出情操高尚、胸有大志、讲道 德、讲诚信、责任感强和职业化的人才，这是最大的“构思”，是 C 的重中之重；其次是“ toknow”，即，大学几年究竟理应学会哪些理论 及专业知识，具备哪些实践技能，掌握哪些学习、创新的方法和分析 解决问题的水平，这是 C与D的综合，既是对C的具体思考，也是实 现 D 的充要基础条件 ； 第三是“ todo ”，即，大学毕业之后，要做什么， 能够做什么，也就是说自己应该具有怎样的职业水平，能够在哪一方 面适合社会工程实践的需要，为社会做出贡献，这就要求有合适的D，既包括学习设计，也包括职业设计，这种设计，务使自己能够尽

5、快适 合社会实践，同时也要与I和0联系起来，即构思好如何贯彻落实自 己的设计目标并合理运行 ； 第四是“ together ”，即，培养出的人才应 具有较强的团队精神和协作水平，较强的沟通水平、表达水平和较强 的集体观点和组织意识，在能够保证团队成员共同完成任务目标、明 确的协作意愿和协作方法，并尽量挥洒个性、表现特长的基础上，使 人人都有使命感、归属感和认同感，通力合作、戮力同心，以期实现 完美的 0。二、当前工程教育模式存有的问题2010 年 12 月 24 日至 25 日，由河北工程大学车辆工程系发起，由亚 盛集团、临工集团、中铁三局、宣工集团、长城汽车等用人单位和 CDIO试点专业工程

6、导论任课教师等相关人士参加的“高等工程教育改 革研讨会”在我校举行，来自企业界、工程界、教育界的多位领导、 专家、教授多视角“会诊”我国的工程教育，深人探讨我国工程教育 面临的机遇与挑战，就“如何培养一批受市场欢迎的优秀工程师”等 问题展开讨论。1. 宏观问题。会议认为，我国的工程教育主要存有以下几个问题： (1) 规模远胜于质量。近年来高校招生规模持续扩大，截至 2009 年，我国 设有工科专业的高校大约占普通高校数的 89%，工科专业在校生更达到 600多万，但是，社会对毕业生的素质评价不高。 (2) 高层次工程科技 人才培养方向存有偏颇。有 23%的用人单位认为，高校培养的学生完全 不符

7、合或基本不符合国家技术发展需要，近一半的企业认为，我国高 校培养的工程专业学生与企业接轨困难，学校培养与企业应用有脱节 现象【 3】。 (3) 与发达国家和地区相比，我国高等工程教育力量相当 薄弱，各高校普遍存有生均资源匮乏之情况。 (4) 从 2006 年起至今， “考生疏远工科”的现象有逐年增加之趋势，如果这样的趋势继续下 去，对我国传统制造业带来的危害就可想而知了，也许日本制造业上 世纪“质量灾难”的现象很可能会在当代中国重演。2. 微观问题。针对近几年来车辆工程专业大学毕业生的就业状况和用 人单位的意见反馈以及当前教学中存有的普遍现象，我校当前的车辆 工程教育存有以下几个问题： (1)

8、 重理论轻实践：所有理论课的教学环 节都能按照教育部教学大纲的要求圆满完成，但是在实践环节上，虽 然很多教师有博士学历、教授职称，而因为我们对企业实际需求了解 不够，从思想上轻视了实践环节的教学，导致学时安排、精力投入严 重不足，毕业生缺乏必需的岗前职业培训，从而使那些刚走出校门的 大学生的实际工作水平难以达到岗位要求，而考虑到成本因素，很多 企业只愿意招聘具有一定工作经验的求职者 ;(2) 传统的板书式或多媒 体灌输型教学模式，不能激发学生学习的积极性和主动性，学生在课 堂上基本不做笔记，学生对知识的领会率低，教学效果差 ;(3) 生均教 学资源按可比价格计，有逐年下降的趋势，从参观、实习、

9、实验到课 程设计、毕业设计，经费捉襟见肘，不能满足教学需要，致使很多教 学环节大打折扣 ;(4) 当前的培养内涵无法激发学生的学习兴趣，导致 高年级学生到课率低、听课率低，或盲从于考试，或无所事事，更谈 不上创新性培养和自主性学习 ;(5) 合作精神和协调水平培养的缺失： 以几人一组的毕业设计为例，学生在课题设计期间，各自为战，沟通 困难，不善交流，致使设计任务支离破碎，难以整合与协调，这显然 有悖于工程界的团队精神与合作意识 ;(6) 成绩评价体系陈旧过时：对 学习成绩的评价仍然沿用传统的笔试，多数学生都以期末理论考试为 指挥棒，不能如实反映学生的实际水平 ;(7) 教师的科研与大学生教育

10、脱节：教师的科研项目基本不涉及大学生理论教学和实践活动，导致大学生对科研课题的申报、立项、实验、结论、分析等环节一无所知， 对大学生的创新和科研水平的培养及其不利。三、CDIO试点教育模式探讨针对以上问题，结合邯郸市重汽及装备制造业基地建设任务以及我校 大学生教育CDIO试点工作，我们吸收先进的教学理念，设计出一套车 辆工程方面应用型人才的培养方案，旨在培养学生自学水平、创新水 平、协同工作水平，培养大学生职业道德和诚信为本的理念。1. 项目由来。河北省邯郸市于 2006 年被国务院列为全国重汽及装备 制造业生产基地，几年来生产规模和产品类型日渐增加，从外协加工、 产品仿造、生产管理、产品销售

11、到售后服务等环节基本上达到了一定 规模和形成了独特的经营模式，但是从老产品改造、新产品研发、到 生产工艺革新、员工素质的提升，都还处于起步阶段，尤其是技术力 量还比较落后，创新水平不足，能耗大，生产效率低，迫切需要大量 的工程类专业的、既具有一定理论知识又有一定工程实践水平的技术 人才充实其中，以提升人员素质和产品质量、提升企业形象、增加企 业效益，推动邯郸区域经济又快又好发展。 2009 年河北工程大学被教 育部列为第一批CDIO教育试点院校，而机电学院的车辆工程又被列为 重点试点专业，根据教务部门的安排，我们在 2009 级学生中选择了 15 名同学参与CDIO教学试验工作，并结合“电动汽

12、车电液复合制动研究” 项目，提出了一整套CDIO教育方案。该项目需要收集电动汽车各类路 况的行驶数据，利用仿真实验研究、制动能量回收过程，分析影响制 动能回收的相关因素，论证电液制动对制动力分配调节的可行性，项 目完成后，能够达到节能减排、降低劳动强度、制动灵活可靠等目标， 具有机、电、液一体化的综合认知价值，学生在参与CDIO教学当中，能够得到良好的工程实践锻炼。2. 前序工作。参与该项工作的学生在一年级就接受了“工程导论”教 育，该教育为学生提供了一个工程实践的框架，这个框架大致勾勒出 一个工程师的任务和职责以及如何应用学科知识来完成这些任务，这个课程还包括人际交往水平、知识和态度的训练，

13、这些水平对于学生 今后实行更高级的产品、过程和系统建造项目至关重要。3. 项目原理简图。按照CDI0的基本理念，该项目在教学过程中的实 施可用图 1 来描述。4. 项目的实施。“电动汽车电液复合制动”的设计开发具有很强的工 程实践和生产应用背景，所以，在以该课题的 1级项目为载体，实施 CDIO模式培养的进程中，必须注重教学过程的实践性、开放性和专业 性，必须本着培养学生独立思考、科学调研、责任心强、具有团结协 作、创新和应变水平的目标实行教学各环节的设计，所以，我们把课 程的所有教学内容均设计为 4个教学项目，围绕项目的完成开发若干 子任务单元，并根据实际的工作过程来实行教学。每个任务单元的

14、实 施都包含构思 (conceive) 、设计 (Design) 、实施 (implement) 、运作 (0perate)4 个环节，力争在真实的工作环境中，推行项目导向、任务 驱动、课堂与实训一体化的“教、学、做”集成化培养模式 (以 2级项 目制动器设计为例，如图 2 所示)。考虑到工程类项目的实践性特点， 以该项目为载体，以教师的导引与点评为指导，以学生为中心，以学 生专业水平的培养为核心，学生全面参与信息收集、方案选择、计划 制定、计划实施、反馈控制、阶段考核、结果评价等教学全过程 ; 在整 个教学过程中，教师为学习过程的组织者、咨询者和伙伴，教学过程 与工作过程融合，努力使学生通过

15、自己的实践和行动来提升工程水平。 每一任务单元都能够采用构思、设计、实施和运作 4 个阶段来实现。(1) 构思阶段明确各级项目的任务目标，并为完成任务做充分 的准备。要求学生带着问题参与课堂学习，怀着目标参与各项试验与 实践，充分确立学生自主学习的主体地位，结合项目任务分配，明白 自己要做什么，在相关引导下，通过认真独立思考明白应该怎样完成 任务。针对“电动汽车电液复合制动”的工程环境、作业模式、基本 技术指标、动力传动原理、电动机选型、控制电路的设计等条件，研 究和分析适合“电动汽车电液复合制动”功能的实现方法与组成，引 出各教学子项目的主要任务目标。教师有针对性地实行理论教学，提 供学习资

16、料，说明可利用的资源，回答学生的疑问 ; 学生自己通过走访 调研、查阅资料、网络搜索、现场参观、实物研究等手段进一步熟悉 工作任务。在教师给予一定的旨在提升学生学习兴趣的辅导下，尽量 培养学生自己观察、主动学习、深入分析和认真思考的水平，明确项 目总体目标和任务要求，独立构思出宏观实施方案。(2) 设计阶段项目具体实施方案设计。要求学生根据具体的任 务分配，自己设计出相关项目的具体实施方案。针对“电动汽车电液 复合制动”的项目特点，学生分成“电机选型控制与制动能回收”、 “制动器设计与制造”和“液压系统设计”三个小组，各小组首先分 别讨论、编写计划书，实行任务描述，说明任务目标，并明确各小组

17、之间的联系；其次，各小组至少设计选择34个备选方案，并对各方 案实行分析、对比与筛选，确定两个方案 ; 第三根据学生制定的方案， 指导教师实行点评，与学生一起分析讨论计划实施的可行性，提出修 改或改进意见，并由学生实行修改 ； 第四，在教师的宏观指导下，各小 组之间对各自所选方案实行协调和匹配，对冲突和干扰之处实行再修 改，如此反复，最终确定项目实施方案。(3) 实施阶段任务的分解与贯彻落实：根据项目实施方案，要 求学生自己动手完成每个阶段的工作任务。教师在充分研究学生项目 实施方案，并从基本理论、传动原理、控制方法、预期效果等多方面 做出评判后，针对各小组不同的项目目标，以小组为单位，利用各

18、阶 段所学知识，结合各自具体任务，独立思考，认真完成各阶段任务， 利用虚拟加载、模拟控制、仿真分析等手段，进一步提升学生发现、 分析、解决问题的水平，从而提升学生的实践技能。(4) 运作阶段项目协调、管理与评价：根据任务要求，对学生 各阶段、各子项目的任务实行统筹和协调，考核阶段成果，对各阶段 完成情况实行评价和反馈。每个小组成员都要在各阶段按照任务书要 求在理论上实行总结汇报，在实际操作上实行相对应的演练，并完成 各阶段的产品试制和最终的组装与调试，教师及小组成员对任务的完成情况实行自评、小组互评、教师评价和总体评价，根据各阶段考核 评价表以及实际运行结果给出学生各阶段的成绩和最终综合成绩。

19、5. 项目实施各阶段目标与要求(1) 第13学期：完成工程导论、数学、外语、心理学等主要基础课 的理论学习和相关实践教学任务，要求教师在教学内容的设计、教学 策略的选择等方面，要结合实际工程情境中学生的认知、动机、情感 和需要等因素，激发学生的学习热情，引导学生如何实行创新性学习， 让学生“被动学”成为“主动学”。为此应做到：1 )围绕工程项目确定课堂教学的内容和目标，确定教学的重点和难点 ;2) 结合主要教学内 容，讨论一些让学生敢于提出质疑的问题，引导他们实行创新性思 维;3) 有针对性地布置一些能够起到培养学生独立思考、独立解决问题 水平的作业和实验 ;4) 有必要时，做一些与工程项目相

20、关的专题讲座。 第4学期：研究项目任务目标，了解 CDIO教学模式的功能、特点 和要求; 在完成相关主干课程的同时，查阅、搜集国内外相关电动汽车 复合制动方面的资料，到同济大学、长城汽车等单位实行实地调研， 其中应包括生产情况、底盘构造、制动器及控制类型、现有制动模式 及利弊、雨雪风天气应对措施、企业经营状况等，并写出调研报告。(3) 第 5学期：在调研的基础上，提出创新性的电液复合制动方案， 要求从电机选型、能量回馈、控制原理、动力传动方式、制动器类型 结构、制动效果、维护措施等方面做出分析与判断，做出必要的可行 性论证。(4) 第 6 学期：在指导教师对学生方案做出评判并修改后，开始绘制

21、传动及控制原理简图，图中应包括机械、液力部分的动力传递方式以 及电工部分的控制电路等。简图经指导教师审核并同意后，能够开始 工程图形的绘图，包括机械结构、电子控制、液压传动三部分。要求 将所有零部件按照分类，分别绘制装配图与全部零件图，进而交叉互 审每一张图纸，确保每个零件都能生产出来，保证实际工程的实施。(5) 第 7 学期：完成详细的项目设计说明书，并在相关经费有所保障 的前提下，利用实习工厂和协作单位的厂房设备对产品实行试生产， 而后在教师的指导下，由学生实行装配与调试，调试无误后再实行空 载实测。(6) 第 8 学期：组织学生到试车场实行实地测试，在可能的情况下， 还能够尝试实行市场开发和用户跟踪。内容包括： 1) 晴好天气、柏油 路面上的制动效果：制动滞迟时间、制动距离、偏刹情况、振动及噪 声等。 2) 模拟雨雪天气潮湿泥泞路面情况下的效果：制动速度、制动 效果、振动及噪声、打滑及跑偏情况等。 3) 观测电控系统：传感器的 灵敏度、显示与报警情况、控制灵活性等。 4) 总体状况观测：制动力 大小、制动力分配、制动器温升、泄