工程教育体系CDIO理论研究范文

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能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，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能力，此能力不仅包括学科知识，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－运行等能力。以1994年美国工程教育协会发表的《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，这一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能力的人才【1】。目前，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，然而我国工科的教育实践中还存在不少问题，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进行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，这一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，大学几年究竟应当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能力，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能力，能够在哪一方面适应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，务使自己能够尽快适应社会实践，同时也要与I和O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能力，较强的沟通能力、表达能力和较强的集体观念和组织意识，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O。

二、当前工程教育模式存在的问题

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试点专业工程导论任课教师等有关人士参加的“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在以下几个问题:(1)规模远胜于质量。近年来高校招生规模不断扩大，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在偏颇。有23%的用人单位认为，高校培养的学生完全不符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，各高校普遍存在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目前教学中存在的普遍现象，我校当前的车辆工程教育存在以下几个问题:(1)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，虽然许多教师有博士学历、教授职称，而由于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能力难以达到岗位要求，而考虑到成本因素，许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、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，致使许多教学环节大打折扣;(4)目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)合作精神和协调能力培养的缺失: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能力;(7)教师的科研与大学生教育脱节: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能力的培养及其不利。

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，旨在培养学生自学能力、创新能力、协同工作能力，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、员工素质的提高，都还处于起步阶段，尤其是技术力量还比较落后，创新能力不足，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能力的技术人才充实其中，以提高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，可以达到节能减排、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，可以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能力、知识和态度的训练，这些能力对于学生今后进行更高级的产品、过程和系统建造项目至关重要。

3.项目原理简图。按照CDIO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，因此，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、创新和应变能力的目标进行教学各环节的设计，因此，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进行教学。每个任务单元的实施都包含构思(conceive)、设计(Design)、实施(implement)、运作(Operate)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，以学生专业能力的培养为核心，学生全面参与信息收集、方案选取、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，努力使学生通过自己的实践和行动来提高工程能力。每一任务单元都可以采用构思、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，研究和分析适应“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。教师有针对性地进行理论教学，提供学习资料，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高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能力，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，进行任务描述，说明任务目标，并明确各小组之间的联系;其次，各小组至少设计选择3～4个备选方案，并对各方案进行分析、对比与筛选，确定两个方案;第三根据学生制定的方案，指导教师进行点评，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，并由学生进行修改;第四，在教师的宏观指导下，各小组之间对各自所选方案进行协调和匹配，对冲突和干扰之处进行再修改，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，进一步提高学生发现、分析、解决问题的能力，从而提高学生的实践技能。

(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、各子项目的任务进行统筹和协调，考核阶段成果，对各阶段完成情况进行评价和反馈。每个小组成员都要在各阶段按照任务书要求在理论上进行总结汇报，在实际操作上进行相应的演练，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进行自评、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。

5.项目实施各阶段目标与要求

(1)第1～3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，引导学生如何进行创新性学习，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，引导他们进行创新性思维;3)有针对性地布置一些能够起到培养学生独立思考、独立解决问题能力的作业和实验;4)有必要时，做一些与工程项目有关的专题讲座。

(2)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、长城汽车等单位进行实地调研，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，可以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进行试生产，而后在教师的指导下，由学生进行装配与调试，调试无误后再进行空载实测。

(6)第8学期:组织学生到试车场进行实地测试，在可能的情况下，还可以尝试进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、泄漏、动能回收率等。5)市场推广:批量生产造价、性价比、企业接受程度、将成果转化为生产力的可能性。最后对测试效果进行总结，写出测试报告。

6.成绩评定

成绩评定的目标是力争在最大程度上反映CDIO理念，即把产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的环境。针对该具体项目，从以下几点进行考评:(1)课程结构:项目实施与运行过程中是否涵盖了公共基础课、专业基础课、专业课程的主要领域，每门课程的成绩是否合格，主干课程重要知识点在项目中的应用是否到位。(2)社交、组织、配合能力的考核:外出调研、组织学习、讨论发言、相互协调、任务安排、配合协作等方面的能力必须达到一定的水平。(3)创新能力:方案是否有创意，各子项目中是否有创新点，创新效果如何。(4)动手能力:手工绘图、计算机制图、模拟仿真、零件加工、装配调试中所表现出的实际操作技能。(5)社会及经济效益:对降低劳动强度、提高效率、节本增收、绿色环保等方面的影响。

四、结束语

河北工程大学的教学改革为我们进行CDIO的研究和实践提供了很好的氛围，在以“电动汽车电液复合制动”项目为案例的教学实践中，我们大胆探索出一条适合车辆工程专业教育的、能培养学生独立创新思考能力的、诱发式的教学方法和教学模式，使学生能够独立地、创造性地进行学习;这种教育形式能够充分调动学生主动学习的潜能，激发学生的创新意识【4】，培养学生的大工程理念，缩短学校培养与社会需求之间的距离，有利于提高学生的就业能力，为社会培养合格的工程师创造了条件。然而，这仅仅是我们探索的第一步，我们的研究还有待于进一步深入、丰富和不断完善。