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基于CDIO工程教育改革的探索与实践
2012-02-27 18:42  
基于CDIO工程教育改革的探索与实践
汕头大学 顾佩华 陆小华
改革开放以来,特别是近几年来,我国高等教育得到了长足进步,招生规模扩大、教育经费总投入增加、教学设施改善、学科建设投入加大、国际交流合作增加。但从总体上看,我国的高等教育特别是工程教育与经济发展的需要还显得很不适应。我国工程教育模式迄今仍偏重于学科知识传授,在实践能力、创新能力的教育和训练方面还存在许多缺陷。在实践中改革、建立和完善符合中国特色的面向全球化的工程教育体系已迫在眉睫。
随着科学和技术的不断进步、工程科学的发展完善,工程知识体系变得越来越庞大。与此同时,现代工程实践对工程师的工程实践能力、团队工作与交流能力和对企业与社会环境的理解与适应能力都提出了更高的要求。因此,工程教育必须在有限的时间内,给学生进行更多更深的理论知识和更高的能力与素质的培养。这不仅是中国工程教育,也是世界工程教育所面临的共同挑战。所以,我们需要对传统的课程体系、教学理念和学习方法作出重大变革以应对这样的挑战。
一、CDIO工程教育理念与方法
CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运行(operate),它是现代工业产品从构思、研发、制造、运行乃至终结废弃的全生产过程,是麻省理工学院和和几所瑞典大学在瓦伦堡基金会的资助下,经过4年的跨国研究和探索后于2004年提出的一个工程教育理念,并成立了国际CDIO工程教育合作组织,目前已有来自25个国家和地区的50所成员高校参与CDIO工程教育改革的探索与实施。
CDIO工程教育从“培养什么人”和“怎样培养人”这两个根本问题出发探索工程教育问题。CDIO的核心内容包括一个愿景、一个教学大纲和12条标准。CDIO的愿景是为学生提供一种强调工程基础、建立在真实世界的产品和系统的构思-设计-实施-运行过程的环境基础上的工程教育,将学生培养成能够掌握深厚的技术基础知识、领导新产品和新系统的开发和运行、理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响的人。CDIO工程教育改革的基本思想是,以能够领导现代工业产品、过程或系统开发的现代工程师所需要具备的知识、能力和素质为目标,以现代工程实际为背景环境,采用相互联系、相互支撑课程体系培养学生,并让学生在现代学习和实践环境中取得丰富的设计-制作和主动学习的经验,促进学生知识、能力和素质的一体化成长。
CDIO教学大纲是对人才培养目标的详细描述,大纲按照学科知识、工程师职业能力、团队工作与交流能力和在企业与社会环境下的工程综合能力四个层面,对工程师应该具备的知识和能力以逐级细化的方式表达出来,形成具体化、可观测、对学生和教师都具有重要指导意义的目标体系。
CDIO的标准是对培养方法的具体指引。CDIO12条标准分别考察专业培养理念(标准1),课程计划的制定(标准234),设计-实现经验和实践场所(标准56),教与学的方法(标准78),教师提高(标准910)以及考核和评估(1112)。这12条标准中有7条是最根本的、体现CDIO工程教育特色的要求,另外5条则作为补充标准丰富CDIO培养的内容。
我们认为,CDIO工程教育在三个方面对我国工程教育改革具有重要参考意义,其一是CDIO教学大纲,其二是其一体化的培养思想,其三是以前两个方面为核心的系统化改革方法。
CDIO教学大纲最突出的贡献是其完整性和详细性。CDIO教学大纲的制定与美国工程教育认证标准ABET EC2000的标准3、波音公司关于工程师所应该具备的品质以及麻省理工学院全校和其工学院的两个文件要求作了严格的比对。同时,还参考了英国工程专业能力标准UK-SPEC、英国工业联合会(CBI)关于创新性的要求,以及英国皇家工程院关于可持续性发展的工程教育指南。CDIO教学大纲的四个层面恰好对应于联合国教科文组织关于21世纪教育的四大支柱:学习知识(learning to know)对应于学科知识要求;学会做人(learning to be)对应于个人能力与职业能力;学会做事(learning to do)对应在企业与社会环境下的工程综合能力;学会共处(learning to live together)对应于团队工作与人际交往能力。可以说,CDIO教学大纲反映了这个时代世界工程教育发展目标的主流要求。
在具体条文上,CDIO教学大纲将各种能力要求逐级分解到了可以执行、可以观察的程度。例如,对于“工程推理和解决问题的能力”大纲列出了以下子项:
l 发现问题和表述问题
l 建模
l 估计与定性分析
l 带有不确定性的分析
l 解决方法与建议
每个子项下再进一步分解到可以实施、可以观察的细目,子项“发现问题和表述问题”再分解为:
l 评估数据和问题表象
l 分析假设和偏差源
l 把握总体目标、分清主次
l 制定解决方案(包括建模、求解析解和数值解、定性分析、实验、不确定性分析)
因此,“培养学生分析问题和解决问题的能力”就不再是一句空洞的口号,而是可以列入各课具体教学环节进行要求、练习和考核的具体目标。当每个教学环节都根据自身的特点有意识、有计划地针对CDIO教学大纲进行培养,学生的工程实践能力和素质的成长就与学生知识结构的构建融为一体。只有具备这样完整、详细的培养大纲才能避免空洞的能力要求和片面强调,使学生能力的培养得到有效的落实,也使一体化培养的培养理念得以实现。
CDIO的培养方法秉承构建主义教育理念,要求以学生为中心,以丰富的学习经验构建学生的知识体系。这是当前教育思想的一个共同趋势,并非CDIO教育所独有。而CDIO教育方法的一个核心是知识和能力培养的一体化要求,需要创造能力增长的机会而不是增加课程,这一点对我国的工程教育改革具有重要的启发意义。创新能力、创业能力、领导能力、团队能力、交流与写作能力等是公认的重要能力,我们常常简单地要求“进课堂”,使我们的课程计划变得拥挤不堪,使学生变得“什么都懂,又什么都不会”。CDIO详细的教学大纲使得每个具体的教学环节都能为整体培养目标做贡献。CDIO标准在教学目标、教学方法、学习方法和考核方法方面的一体化要求使知识、能力和素质的培养成为一个有机的整体。
CDIO工程教育改革是一个系统、全面的改革。它具有明确的培养定位、详细的培养目标和全面、系统的培养方法指南。众所周知,教育改革绝不可能一蹴而就,需要长期努力、逐步提高。有明确目标的系统性的改革为改革少走弯路、提高效率、持续改进提供了重要的基础。
二、 汕头大学工程教育改革与实践
鉴于传统的工程教育模式主要以学科知识为核心,对历史、社会和环境的认知与责任方面的教育不足,再加上社会转型期等诸多原因,我国工科毕业生在职业道德与诚信、团队意识等方面也有不少缺陷,使得现代企业对我国工科高校毕业生的认同感普遍不高。为更好地实现工程教育改革目标,在CDIO的基础上,汕头大学提出建立以设计为导向的EIP-CDIO 培养模式:即特别注重学生道德(Ethics)、诚信(Integrity)和职业素质(Professionalism)的培养,强调做人与做事相结合,做人通过做事体现,做事通过做人保证,并在培养过程中注重人文精神的熏陶,使所培养的工程师具备优秀的职业道德、正直、富有责任感。具体方法有:开设“工程师职业道德”课程,进行EIP能力的全面、系统性培养;聘请国内外大师、跨国企业领袖等,开设一系列讲座、论坛(如世界工程师论坛、主题沙龙等),强化EIP教育与熏陶;通过学生EIP-CDIO素质拓展训练营等各类活动,以生动活泼的形式将EIP传递给每一个学生,并贯穿于4年的大学学习过程;要求教师以身作则,教书育人,潜移默化,将优秀的职业风范传给学生;通过教学、实践环节,训练学生处处以EIP要求自己,使职业道德成为习惯。
学科知识按照知识体系的逻辑需要进行分类,而工程实践则是综合性的。相互割裂的单科课程的学习不符合学生对工程问题的认知规律,妨碍对知识的深层理解和工程能力的发展。为此,我们提出以设计项目为载体整合学科知识和学生工程能力,从工程设计中引出需要解决的问题,培养学生牢固掌握学科知识,培养工程实践能力,使知识和能力的整合与EIP-CDIO培养模式的目标一致。
秉承一体化培养的理念,我们以教学大纲的形式分解细化专业培养目标,并通过培养目标实现矩阵将专业的知识、能力和素质的培养分配到每门课程,各门课程根据自身特点承担相应的知识、能力和素质的培养。通过改革教学方法给予学生一体化的学习经验、构建他们的知识和能力体系。
以设计为导向的一体化课程体系,通过合理的工程设计项目培养学生的创新设计能力,同时在设计项目中激发学生的学习热情,培养学生主动学习和探究知识的能力。为此,我们根据知识和能力的发展需要,提出了三个不同层次的设计项目:一级项目包含本专业主要核心课程和能力要求;二级项目包含一组相关核心课程、能力要求;三级项目嵌入单门核心课程内,为增强该门课程能力与理解而设置。提出了适用于所有工科专业的以设计为导向的一体化课程体系鱼骨图,使专业的一体化课程计划的结构与次序得到科学的组织和表述。这个课程体系使专业的课程、课程群和工程设计项目形成相互支撑的有机整体,不仅深化了学生的学科知识的学习和理解,还培养和强化了学生的创新实践能力及职业素质。
以一级项目为主线、二级项目为支撑、三级项目与核心课程为基础,将核心课程的教育同专业和系统的整体认识统一起来,并结合学生的自我更新能力、人际和团体交流能力以及企业和社会环境下的产品的构思-设计-实施-运行能力一起进行系统的培养,从而使得以各学科相互支撑的设计项目和课程安排达到一体化。课程中的实验与教学内容紧密结合,相互支持,从而培养学生学习、应用知识的能力和工程实践能力。
为每一门课程(包括每一个项目)制定课程教学大纲,课程大纲明确学生应掌握的知识和能力,规划如何使学生学到这些知识和能力,如何考查学生的知识和能力,并明确教学、实验、作业/项目的安排。大纲中除了列出本门课程的知识点之外,还根据本课程所承担的能力目标,按照“介绍(introduce)”、“教学(teach)”和“应用(utilize)”各方面的贡献,并以适当的教与学过程保证这些贡献落到实处。例如,对于“结构力学”这门课程对“实验和发现知识”有“教学”的承诺,所以在课程内安排了结构竞赛,并在竞赛考核规则中,要求学生在设计制作结构模型时进行材料和力学试验分析。大纲对“书面交流”有“应用”的承诺,所以竞赛要求学生提交正式的设计、制作、竞赛与反思报告,锻炼他们的正式报告写作能力。每个教学环节的内容、作业、实验、答辩、互动、讨论、学习和考核等都以专业培养的整体目标为中心,实现专业的一体化培养。
在教学方法上,我们更新教师的教学观念,从以教师为中心转向以学生为中心,引导学生主动学习,引导学生思考研讨,增加主动学习和动手实践,强调分析问题和解决问题的能力,增强概念学习。将实验课并入相关的课程内,任课教师自然成为课程实验课的教师之一,并主导实验内容、统筹安排课程内的实验。针对现在的学生缺少实际动手能力,安排丰富的设计性和综合性实验,尽量让学生亲自动手并全身心投入。压缩授课学时,部分课程采用边讲边实验边讨论的方式,让学生成为课堂上的主角。设置丰富的设计-实现项目,利用课堂和现代学习场所或实验室加强学生学习的主动性、实践性和团队合作精神。
三、 观察与思考
对于本科工程人才的培养,我国重视程度并不比先进国家低,我们也一直在努力提高人才培养的质量,但我们所培养的人才同一些先进国家的人才相比工程能力仍有差距。为何会产生这样的差距呢?
首先,发达国家有严格的工程认证系统,这些认证系统主要是由行业学会主导的。因此,工程实践的要求能够较快、较有效地通过认证标准进入工程教育体系中。而且,定期进行的认证活动迫使每个专业必须保持与世界工程发展进程一致;其次,发达国家普遍有较长的办学历史。他们在长期教育发展过程中积淀了很多好的文化和传统以及与产业界千丝万缕的联系,形成良性互动;第三,发达国家的工业界与社会通过各种渠道参与教学改革;第四,他们在长期办学的过程中形成了严格的教学管理制度,限制了不规范行为及其损害范围;第五,教师的职业态度和认真程度(文化、教育体制,以及考核制度等),教师严格执行课程大纲的要求,不太怕淘汰学生,作为学生的榜样,让学生在求学期间得到规范的职业态度训练;第六,发达国家的办学条件包括班级学生数方面等总体优于我国;第七,学生对实践能力的提高和动手实践的渴望程度、积极性和主动性比较强;最后,从小学、中学以至大学的教育体系以及社会文化和物质条件的差异也造成学生的独立意识、责任心、学习的主动性、学习方式等方面与我国学生有较大的差异。
以下几个问题是我们在教学改革过程中需要考虑的:
教师职业是道德和良心的职业,我们的教学贡献可能没有个人科研成果显得辉煌和实惠,但对学生、学校和国家都非常重要,这就是教师工作的特点。如何才能在学校中形成教师忠于职守、以人才培养为己任的文化?
CDIO教育改革导致教师的上课学时虽然减少,但投入的时间和精力大大增加,管理者对此必须给予充分的考虑。
大学的声望与本科教学的质量和学生的经验是否有距离?
工程认证方法是否要更加深入和具体,以真正考查学生的工程能力?
如何建立和实施工程教育质量和培养目标的保障体系?
现在,大学特别是研究型大学对优质教育是否给予了充分的重视?
如何正确处理好科研与教学的关系?学校及其领导层有何作为?
竞争与合作,不断提高教学质量不能只靠竞争,更要加强合作,因为个人的课程与整体培养方案是不可分割的,怎样处理好良性竞争和诚信合作?
当前大学教师的考核及分配制度是否对推动教育改革和提升教育质量有利?
不能盲目照搬西方发达国家的经验,我们需要结合中国的国情走一条国际化与本土化结合的道路,不断创新和发展。
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