工程教育ＣＤＩＯ課程體系研究

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［摘要］長期以來，國內專家學者對于工程教育的研究大多停留在對教育政策和國外教育模式的初步解讀上，對工程教育方面的定性研究較為有限。本文從工程教育起源出發，重點闡述了工程教育結構、課程體系及CDIO工程教育改革領域的系列核心問題。

［關鍵詞］工程教育；CDIO課；程體系

一、工程教育起源

所謂工程學是指用數學和其他自然科學的原理來設計有用物體的進程的一門應用學科。人類以工程技術作為職業的歷史可以追溯到原始社會［1］。早期的工程技術與人類的軍事活動密不可分，人們為戰勝強大的軍事對手需要營建堅固可靠的軍事防御工程。由此產生了土木工程、軍事工程等早期的工程項目和以營建防御工事、打造各類兵器裝備為職業的工程技術人員。一般認為工程技術職業化的標志是公元前3000年左右建造的位于埃及古城孟菲斯塞加拉的階梯金字塔。早期工程技術人員的出現極大地推進了人類基礎設施建設方面技術的革新。人類社會真正意義上的工程教育只能上溯到18世紀。1702年，德國的弗賴貝格人建立了第一所以教授采礦和冶金技術為主的專門學校；1707年在今捷克首都布拉格人們建立了人類歷史上最早的工程技術專門學校———捷克科技大學；國立橋路學院（1747）和國立巴黎高等礦業學院（1783）的建立標志著法國工程教育的開始；創建于1794年的巴黎綜合理工學院是歐洲第一所教授數學和科學基礎知識的技術專門學校。到了19世紀末，世界主要工業化國家都已建立起自己的工程技術教育體系。工程教育的發展與人類歷史進程是密不可分的。每一項工程技術的進步都伴隨著人類生產生活方式的改變。從人類學的角度來說，人類區別于其他生物的最為顯著的特點即是人類能夠通過設計和使用工具來滿足人類自身生活的需要。人類能夠設計和使用工具的這一特征加速了人類社會的進步。在一定意義上說，工程學發展史是貫穿廣義上的人類發展史的（人類文明史、人類經濟史、人類社會發展史等）。石器時代、青銅器時代、鐵器時代、蒸汽時代、信息時代都與工程學的發展和進步息息相關，工程學的進步不斷地建構出新型的人與世界之間交互影響的關系。工程學的發展同樣延續了人類現有的文化遺產，聯合國教科文組織在位于埃及南部尼羅河沿岸的阿布辛拜爾神廟的重建項目就能很好地證明這一點。

二、現代工程學視角下的工程項目

美國麻省理工學院約瑟•薩斯曼教授認為工程項目首先是具有一定的復雜性的大型項目系統，在此特點上工程項目應該具備一定的結構和行為特征。不同的工程項目之間是相互聯系的，因而發展工程項目科學的遠景目標是開發社會化技術，構建開放型技術社會。據此，約瑟夫•薩斯曼提出了工程項目系統的CLIOS模型，基于對CLIOS工程項目系統模型的深入分析，可以認為，一個完整的工程系統（如圖2）首先是由一連串的工程項目組成的，工程師在以同一產品目標為導向的工程項目管理模式的基礎上協作完成連續的工程項目以達到項目目標。一方面，工程系統本身是處在某一特定工況條件下的，而單一工況條件又是位于整個社會經濟、自然環境之中的，因此工程師在進行項目設計與運行時必須考慮項目與環境之間的相互影響。另一方面，為達到較好的經濟效益，工程師設計和運行一個新的工程系統需要實時接收新的技術信息以提高自身工程素養，同步了解商業信息，幫助企業進行項目決策。在新的工程系統中，單一工程是由多個相互配合的項目系統組成的，在項目系統協調作業的過程中需要工程師之間相互溝通、協同完成整體任務。由于作業系統在實際作業時存在不可預期的突發事件，工程師在實際的系統設計、維護與運行中應該盡可能地考慮突發事件的誘發因素，并制定相關對策。在上述工程項目系統中，以下概念需要特別注意：技術和商業信息：技術信息包括本行業新材料、新結構、新工藝、新理念等，工程師必須不斷革新自己的工程技能才能研發并運行新產品。商業信息包括同行業的企業和產品信息、產品原料和銷售信息、同區域的產品使用信息等，工程師獲取上述信息的途徑包括主動咨詢企業銷售代表、主要客戶，舉行產品會，分析銷售報表、城市規劃細則等。突發事件處理：突發事件包括安全事故、設備故障、自然災害和其他不可預期的自然、社會因素導致的緊急事件。突發事件的處理應該貫穿工程項目的構思、設計、實施與運行全程，在項目的構思階段應該充分考慮工程項目可能存在的不可控因素（包括操作失誤、設備故障等）。在項目的設計階段應該遵循安全設計原理，進行基于避免傷害的安全裝置的設計。并在項目說明書中詳細介紹與項目有關的工程系統操作要求、防護技巧及突發事件的應對策略。在項目的實施階段要嚴把質量關，保障產品安全性能符合安全設計要求。在項目的運行階段，工程師要實時監控項目系統運行情況，定期對系統進行安全評估，排查安全隱患，確保系統運行安全。處理突發事件的熟練程度是工程師工程技能的重要體現形式之一，工程師只有具備過硬的突發事件處理能力才能滿足多樣化的工程項目需要。項目：在工程學上將開發（或引入）并運行一項新的工程產品的所有行動理解為項目。對于一項完整的工程項目而言，除常規的項目設計與研發工作外，還應涉及項目決策、項目維護與管理等流程。一項完整的工程項目應該包括項目調研（商業調查、技術研究）、項目分析（可行性分析）、項目實施、項目維護、項目終止（以產品服役終止為標志）、項目運行評估等。應該注意的是，工程項目并不是孤立于項目環境存在的。工程師在構思、設計、實施、運行工程項目時需綜合考慮社會、工況、環境等項目倫理問題。項目系統：為完成某一工程項目所研發或引入的工程系統。一個完整的項目系統應該包括控制組件、執行組件、安全組件和定位組件4個部分。工程項目通過控制組件來控制項目整體進展。在這一過程中，安全組件保障整個項目系統安全、穩定地運行，定位系統保障項目系統的順利安裝與平穩作業。目標導向的項目管理：項目管理的目標是指在一定預算資金的支持下，在一定的時間內，按一定的技術和績效標準，完成既定項目。依據項目管理對象的不同，項目管理可分為任務管理、技術管理、組織管理、資源管理4大類。好的項目管理應該是基于明確的項目目標的。這是因為明確的項目目標屬于項目決策所必需的工作內容，可用于確定重點的項目任務和關鍵問題，可用于分清必需和不必需的工作，以避免人力和資源的浪費。人際交往：指工程師通過一定的工程學表達方式、語言文字技巧、肢體動作、面部表情等表達手段將工程項目信息傳遞給工程項目相關人員的過程。良好的人際交往關系有助于工程師更好地研發并運行項目系統。運行：一項完善的項目運行應包含項目執行的所有細節，具體說來應包括原料采購管理、設備管理、安全管理、環保管理、產品質量管理、項目進度管理、財務控制管理、行政管理、突發事件管理等內容。環境：即項目運行環境，環境是項目管理的基本要素之一。一個項目的完成通常需要對項目所依存的大環境有著敏感的認識和正確的理解。項目及其管理在通常情況下對環境有著極大的影響，但同時也受環境受制約。項目環境分為內在環境和外在環境。具體說來工程項目運行所需環境包括自然環境、社會經濟環境、政治環境、員工作業環境等。

三、CDIO與CDIO課程體系

CDIO（Conceive－構思，Design－設計，Im－plement－實施，Operate－運行）教學模式是美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所院校在Wallenburg基金會的資助下，經過幾年的研究、探索和實踐，于2004年創立的一種新型工程人才培養模式［3］。CDIO模式下的工程人才培養模式主張以產品研發到產品運行為載體，注重以主動的、實踐的方式學習。CDIO教學模式的最大特點是與工程項目聯系緊密。結合瑪麗亞•克努森威德爾等人在第三屆國際會議上闡述的觀點，［4］表1中給出了CDIO教學模式各階段與工程項目活動的對應關系：

四、學科背景下的CDIO工學課件

CDIO教學模式強調的一體化教學模式既不同于傳統的學科教學，亦不同于傳統的項目教學（如圖3所示）：傳統教學模式下的學科式教學缺乏工程實際應用方面的指導，傳統項目式教學在理論知識儲備方面的表現又明顯不足，CDIO教學模式試圖在學科教學與工程項目實踐之間尋求一個契合，以期建立集系統化的理論知識與科學化的項目實踐于一體的教學模式。結合學科的基本特性（即相對獨立的知識體系）和已有的研究結論［6］，在考慮學科體系完備性的基礎上，本文擬定了如表2所示的不同層次的CDIO一體化教學模式下的學科課程體系對照表：

五、CDIO工學課程體系

以機電安全工程課程為例，從工程實踐的層面來看，機電產品安全體系的確立有賴于工程技術人員過硬的機電安全知識，課程大致體系如圖4所示：考慮到教材的不易變更性和課程編排的靈活性，擬定CDIO項目層次、課程體系、教材內容和課程內容的對照表如下：

六、CDIO課程改革關鍵詞解析

基礎課程（Cornerstone）：即工程學基礎課程，包括數學、力學、信息技術、語言表達等相關課程，一般在第1－6學期開設。頂層課程（Capstone）：即工程實踐課程，后于基礎課程開設，包括設計課程、建造課程和運行課程等，一般第7－8學期開設。IDE－studio：全稱為IntegratedDevelopmentEnvironmentStudio，即集成研發中心，通常是學生以項目團隊的形式在一個被稱為“虛擬原型”的環境中進行項目開發，用于支持真實的工程項目。“虛擬原型”應該包括用于虛擬開發環境的計算機、項目虛擬系統、視頻會議設備等。圖5和圖6分別給出了以機械工程和電氣工程為例的集成研發中心結構示意圖：縱向研究：研究者連續跟蹤研究一個學習小組數年學習狀況。縱向研究能夠較好地研究實行CDIO課程對受教育者的積極影響，獲取較為全面、及時的效果反饋。疑難卡（MuddyCard）：一種課堂卡片。用來讓學生反饋課程重點難點。疑難卡不僅可以用來掌握學習者課堂中存在的疑難，而且可以用于預習效果的反饋，甚至可以作學習者家庭作業的一部分，用于實時檢測學習質量。朋輩評價：學習者之間的相互評價。可以作為常規性教學評價的重要參考依據，彌補當前學生工程倫理評價、團隊協作評價等諸多方面的缺失或不足。

七、尚未涉及的問題

本文雖然提出了一個較為可行的工程項目系統的概念，并結合具體的課程開發實例，詮釋了一個較為完善的CDIO工程課程體系，也對CDIO工程教育改革中的核心概念進行了初步分析，但尚有以下問題亟待解決：首先，CDIO課程評估標準的考慮。CDIO課程提到了“一體化的教學”的概念。但諸如一體化的教學如何設計、一體化的教學如何評估等核心問題尚未涉足。一體化教學評估體系的建立是進行CDIO工學課程改革的重中之重，這是因為只有明確了一體化的教學評估的標準才能為相關課程的改革提供一個可參照的具體依據。其次，關于工程項目引入的決策問題。既然CDIO工程教育改革強調對學習者“工程實際應用方面的指導”，那就必然要在CDIO工程教育體系中引入切實可行的工程項目。任何新生事物的引入都存在一個價值的問題，工程項目也不例外。這類價值的討論或許會集中在“引入的工程項目是否貼合工程實際”、“工程項目與課程體系的相關性如何”、“學生是否參與工程項目的立項構思”、“教師是否對工程項目的實現及運行進行可行性分析”等問題上。再次，CDIO課程考核模式的確定。參考麻省理工學院已有評價體系及最新的教育評價研究成果，現在只能初步擬定如表4所示的粗糙的綜合能力評價方案：最后，普通本科院校的CDIO工程教育改革問題。普通本科院校為數眾多，生源也較為集中，如何在普通本科院校開展CDIO工程教育改革是擺在我國工程教育改革道路上的重大難題之。

參考文獻：

［1］UNESCOReport2010：Engineering－majoris－sues，challengesandopportunitiesfordevelopment．［R］．UNESCOPublishing．2003－978－92－3－1039－03－4：30－31．

［2］Prof．JosephSussman．FrameworksandModelsinEngineeringSystems／EngineeringSystemDesign：LectureNote6：3．MITCourseNumber：ESD．04J／1．041J／ESD．01J．

［3］［5］E．Crawley，etc．RethinkingEngineeringEd－ucation－TheCDIOApproach．［M］．SpringerPress，2007．1－4，88．

［4］［6］MariaKnutsonWedel，JohanMalmqvist，Pe－terGoodhew．CDIOAppliedintheContextofMaterialsSci－ence．ProceedingsoftheProceedingsoftheInternationalCDIOConference，June11－14，2007：3－7．

作者：胡興志1 丁飛己2 單位：1華北科技學院 2汕頭大學