工程教育ＣＤＩＯ課程體系研究

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［摘要］長期以來，國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)于工程教育的研究大多停留在對(duì)教育政策和國外教育模式的初步解讀上，對(duì)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(fā)，重點(diǎn)闡述了工程教育結(jié)構(gòu)、課程體系及CDIO工程教育改革領(lǐng)域的系列核心問題。

［關(guān)鍵詞］工程教育；CDIO課；程體系

一、工程教育起源

所謂工程學(xué)是指用數(shù)學(xué)和其他自然科學(xué)的原理來設(shè)計(jì)有用物體的進(jìn)程的一門應(yīng)用學(xué)科。人類以工程技術(shù)作為職業(yè)的歷史可以追溯到原始社會(huì)［1］。早期的工程技術(shù)與人類的軍事活動(dòng)密不可分，人們?yōu)閼?zhàn)勝強(qiáng)大的軍事對(duì)手需要營建堅(jiān)固可靠的軍事防御工程。由此產(chǎn)生了土木工程、軍事工程等早期的工程項(xiàng)目和以營建防御工事、打造各類兵器裝備為職業(yè)的工程技術(shù)人員。一般認(rèn)為工程技術(shù)職業(yè)化的標(biāo)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(shù)人員的出現(xiàn)極大地推進(jìn)了人類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面技術(shù)的革新。人類社會(huì)真正意義上的工程教育只能上溯到18世紀(jì)。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(shù)為主的專門學(xué)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(shù)專門學(xué)?！菘丝萍即髮W(xué)；國立橋路學(xué)院（1747）和國立巴黎高等礦業(yè)學(xué)院（1783）的建立標(biāo)志著法國工程教育的開始；創(chuàng)建于1794年的巴黎綜合理工學(xué)院是歐洲第一所教授數(shù)學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的技術(shù)專門學(xué)校。到了19世紀(jì)末，世界主要工業(yè)化國家都已建立起自己的工程技術(shù)教育體系。工程教育的發(fā)展與人類歷史進(jìn)程是密不可分的。每一項(xiàng)工程技術(shù)的進(jìn)步都伴隨著人類生產(chǎn)生活方式的改變。從人類學(xué)的角度來說，人類區(qū)別于其他生物的最為顯著的特點(diǎn)即是人類能夠通過設(shè)計(jì)和使用工具來滿足人類自身生活的需要。人類能夠設(shè)計(jì)和使用工具的這一特征加速了人類社會(huì)的進(jìn)步。在一定意義上說，工程學(xué)發(fā)展史是貫穿廣義上的人類發(fā)展史的（人類文明史、人類經(jīng)濟(jì)史、人類社會(huì)發(fā)展史等）。石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、蒸汽時(shí)代、信息時(shí)代都與工程學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步息息相關(guān)，工程學(xué)的進(jìn)步不斷地建構(gòu)出新型的人與世界之間交互影響的關(guān)系。工程學(xué)的發(fā)展同樣延續(xù)了人類現(xiàn)有的文化遺產(chǎn)，聯(lián)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(xiàng)目就能很好地證明這一點(diǎn)。

二、現(xiàn)代工程學(xué)視角下的工程項(xiàng)目

美國麻省理工學(xué)院約瑟•薩斯曼教授認(rèn)為工程項(xiàng)目首先是具有一定的復(fù)雜性的大型項(xiàng)目系統(tǒng)，在此特點(diǎn)上工程項(xiàng)目應(yīng)該具備一定的結(jié)構(gòu)和行為特征。不同的工程項(xiàng)目之間是相互聯(lián)系的，因而發(fā)展工程項(xiàng)目科學(xué)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是開發(fā)社會(huì)化技術(shù)，構(gòu)建開放型技術(shù)社會(huì)。據(jù)此，約瑟夫•薩斯曼提出了工程項(xiàng)目系統(tǒng)的CLIOS模型，基于對(duì)CLIOS工程項(xiàng)目系統(tǒng)模型的深入分析，可以認(rèn)為，一個(gè)完整的工程系統(tǒng)（如圖2）首先是由一連串的工程項(xiàng)目組成的，工程師在以同一產(chǎn)品目標(biāo)為導(dǎo)向的工程項(xiàng)目管理模式的基礎(chǔ)上協(xié)作完成連續(xù)的工程項(xiàng)目以達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)。一方面，工程系統(tǒng)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(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境之中的，因此工程師在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與運(yùn)行時(shí)必須考慮項(xiàng)目與環(huán)境之間的相互影響。另一方面，為達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益，工程師設(shè)計(jì)和運(yùn)行一個(gè)新的工程系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收新的技術(shù)信息以提高自身工程素養(yǎng)，同步了解商業(yè)信息，幫助企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目決策。在新的工程系統(tǒng)中，單一工程是由多個(gè)相互配合的項(xiàng)目系統(tǒng)組成的，在項(xiàng)目系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)的過程中需要工程師之間相互溝通、協(xié)同完成整體任務(wù)。由于作業(yè)系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)時(shí)存在不可預(yù)期的突發(fā)事件，工程師在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)與運(yùn)行中應(yīng)該盡可能地考慮突發(fā)事件的誘發(fā)因素，并制定相關(guān)對(duì)策。在上述工程項(xiàng)目系統(tǒng)中，以下概念需要特別注意：技術(shù)和商業(yè)信息：技術(shù)信息包括本行業(yè)新材料、新結(jié)構(gòu)、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(fā)并運(yùn)行新產(chǎn)品。商業(yè)信息包括同行業(yè)的企業(yè)和產(chǎn)品信息、產(chǎn)品原料和銷售信息、同區(qū)域的產(chǎn)品使用信息等，工程師獲取上述信息的途徑包括主動(dòng)咨詢企業(yè)銷售代表、主要客戶，舉行產(chǎn)品會(huì)，分析銷售報(bào)表、城市規(guī)劃細(xì)則等。突發(fā)事件處理：突發(fā)事件包括安全事故、設(shè)備故障、自然災(zāi)害和其他不可預(yù)期的自然、社會(huì)因素導(dǎo)致的緊急事件。突發(fā)事件的處理應(yīng)該貫穿工程項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施與運(yùn)行全程，在項(xiàng)目的構(gòu)思階段應(yīng)該充分考慮工程項(xiàng)目可能存在的不可控因素（包括操作失誤、設(shè)備故障等）。在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段應(yīng)該遵循安全設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行基于避免傷害的安全裝置的設(shè)計(jì)。并在項(xiàng)目說明書中詳細(xì)介紹與項(xiàng)目有關(guān)的工程系統(tǒng)操作要求、防護(hù)技巧及突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)策略。在項(xiàng)目的實(shí)施階段要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保障產(chǎn)品安全性能符合安全設(shè)計(jì)要求。在項(xiàng)目的運(yùn)行階段，工程師要實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行情況，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估，排查安全隱患，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。處理突發(fā)事件的熟練程度是工程師工程技能的重要體現(xiàn)形式之一，工程師只有具備過硬的突發(fā)事件處理能力才能滿足多樣化的工程項(xiàng)目需要。項(xiàng)目：在工程學(xué)上將開發(fā)（或引入）并運(yùn)行一項(xiàng)新的工程產(chǎn)品的所有行動(dòng)理解為項(xiàng)目。對(duì)于一項(xiàng)完整的工程項(xiàng)目而言，除常規(guī)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與研發(fā)工作外，還應(yīng)涉及項(xiàng)目決策、項(xiàng)目維護(hù)與管理等流程。一項(xiàng)完整的工程項(xiàng)目應(yīng)該包括項(xiàng)目調(diào)研（商業(yè)調(diào)查、技術(shù)研究）、項(xiàng)目分析（可行性分析）、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目維護(hù)、項(xiàng)目終止（以產(chǎn)品服役終止為標(biāo)志）、項(xiàng)目運(yùn)行評(píng)估等。應(yīng)該注意的是，工程項(xiàng)目并不是孤立于項(xiàng)目環(huán)境存在的。工程師在構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行工程項(xiàng)目時(shí)需綜合考慮社會(huì)、工況、環(huán)境等項(xiàng)目倫理問題。項(xiàng)目系統(tǒng)：為完成某一工程項(xiàng)目所研發(fā)或引入的工程系統(tǒng)。一個(gè)完整的項(xiàng)目系統(tǒng)應(yīng)該包括控制組件、執(zhí)行組件、安全組件和定位組件4個(gè)部分。工程項(xiàng)目通過控制組件來控制項(xiàng)目整體進(jìn)展。在這一過程中，安全組件保障整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，定位系統(tǒng)保障項(xiàng)目系統(tǒng)的順利安裝與平穩(wěn)作業(yè)。目標(biāo)導(dǎo)向的項(xiàng)目管理：項(xiàng)目管理的目標(biāo)是指在一定預(yù)算資金的支持下，在一定的時(shí)間內(nèi)，按一定的技術(shù)和績效標(biāo)準(zhǔn)，完成既定項(xiàng)目。依據(jù)項(xiàng)目管理對(duì)象的不同，項(xiàng)目管理可分為任務(wù)管理、技術(shù)管理、組織管理、資源管理4大類。好的項(xiàng)目管理應(yīng)該是基于明確的項(xiàng)目目標(biāo)的。這是因?yàn)槊鞔_的項(xiàng)目目標(biāo)屬于項(xiàng)目決策所必需的工作內(nèi)容，可用于確定重點(diǎn)的項(xiàng)目任務(wù)和關(guān)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(fèi)。人際交往：指工程師通過一定的工程學(xué)表達(dá)方式、語言文字技巧、肢體動(dòng)作、面部表情等表達(dá)手段將工程項(xiàng)目信息傳遞給工程項(xiàng)目相關(guān)人員的過程。良好的人際交往關(guān)系有助于工程師更好地研發(fā)并運(yùn)行項(xiàng)目系統(tǒng)。運(yùn)行：一項(xiàng)完善的項(xiàng)目運(yùn)行應(yīng)包含項(xiàng)目執(zhí)行的所有細(xì)節(jié)，具體說來應(yīng)包括原料采購管理、設(shè)備管理、安全管理、環(huán)保管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、項(xiàng)目進(jìn)度管理、財(cái)務(wù)控制管理、行政管理、突發(fā)事件管理等內(nèi)容。環(huán)境：即項(xiàng)目運(yùn)行環(huán)境，環(huán)境是項(xiàng)目管理的基本要素之一。一個(gè)項(xiàng)目的完成通常需要對(duì)項(xiàng)目所依存的大環(huán)境有著敏感的認(rèn)識(shí)和正確的理解。項(xiàng)目及其管理在通常情況下對(duì)環(huán)境有著極大的影響，但同時(shí)也受環(huán)境受制約。項(xiàng)目環(huán)境分為內(nèi)在環(huán)境和外在環(huán)境。具體說來工程項(xiàng)目運(yùn)行所需環(huán)境包括自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境、政治環(huán)境、員工作業(yè)環(huán)境等。

三、CDIO與CDIO課程體系

CDIO（Conceive－構(gòu)思，Design－設(shè)計(jì)，Im－plement－實(shí)施，Operate－運(yùn)行）教學(xué)模式是美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所院校在Wallenburg基金會(huì)的資助下，經(jīng)過幾年的研究、探索和實(shí)踐，于2004年創(chuàng)立的一種新型工程人才培養(yǎng)模式［3］。CDIO模式下的工程人才培養(yǎng)模式主張以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行為載體，注重以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)。CDIO教學(xué)模式的最大特點(diǎn)是與工程項(xiàng)目聯(lián)系緊密。結(jié)合瑪麗亞•克努森威德爾等人在第三屆國際會(huì)議上闡述的觀點(diǎn)，［4］表1中給出了CDIO教學(xué)模式各階段與工程項(xiàng)目活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

四、學(xué)科背景下的CDIO工學(xué)課件

CDIO教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的一體化教學(xué)模式既不同于傳統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)，亦不同于傳統(tǒng)的項(xiàng)目教學(xué)（如圖3所示）：傳統(tǒng)教學(xué)模式下的學(xué)科式教學(xué)缺乏工程實(shí)際應(yīng)用方面的指導(dǎo)，傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)在理論知識(shí)儲(chǔ)備方面的表現(xiàn)又明顯不足，CDIO教學(xué)模式試圖在學(xué)科教學(xué)與工程項(xiàng)目實(shí)踐之間尋求一個(gè)契合，以期建立集系統(tǒng)化的理論知識(shí)與科學(xué)化的項(xiàng)目實(shí)踐于一體的教學(xué)模式。結(jié)合學(xué)科的基本特性（即相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)體系）和已有的研究結(jié)論［6］，在考慮學(xué)科體系完備性的基礎(chǔ)上，本文擬定了如表2所示的不同層次的CDIO一體化教學(xué)模式下的學(xué)科課程體系對(duì)照表：

五、CDIO工學(xué)課程體系

以機(jī)電安全工程課程為例，從工程實(shí)踐的層面來看，機(jī)電產(chǎn)品安全體系的確立有賴于工程技術(shù)人員過硬的機(jī)電安全知識(shí)，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(xiàng)目層次、課程體系、教材內(nèi)容和課程內(nèi)容的對(duì)照表如下：

六、CDIO課程改革關(guān)鍵詞解析

基礎(chǔ)課程（Cornerstone）：即工程學(xué)基礎(chǔ)課程，包括數(shù)學(xué)、力學(xué)、信息技術(shù)、語言表達(dá)等相關(guān)課程，一般在第1－6學(xué)期開設(shè)。頂層課程（Capstone）：即工程實(shí)踐課程，后于基礎(chǔ)課程開設(shè)，包括設(shè)計(jì)課程、建造課程和運(yùn)行課程等，一般第7－8學(xué)期開設(shè)。IDE－studio：全稱為IntegratedDevelopmentEnvironmentStudio，即集成研發(fā)中心，通常是學(xué)生以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的形式在一個(gè)被稱為“虛擬原型”的環(huán)境中進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，用于支持真實(shí)的工程項(xiàng)目。“虛擬原型”應(yīng)該包括用于虛擬開發(fā)環(huán)境的計(jì)算機(jī)、項(xiàng)目虛擬系統(tǒng)、視頻會(huì)議設(shè)備等。圖5和圖6分別給出了以機(jī)械工程和電氣工程為例的集成研發(fā)中心結(jié)構(gòu)示意圖：縱向研究：研究者連續(xù)跟蹤研究一個(gè)學(xué)習(xí)小組數(shù)年學(xué)習(xí)狀況。縱向研究能夠較好地研究實(shí)行CDIO課程對(duì)受教育者的積極影響，獲取較為全面、及時(shí)的效果反饋。疑難卡（MuddyCard）：一種課堂卡片。用來讓學(xué)生反饋課程重點(diǎn)難點(diǎn)。疑難卡不僅可以用來掌握學(xué)習(xí)者課堂中存在的疑難，而且可以用于預(yù)習(xí)效果的反饋，甚至可以作學(xué)習(xí)者家庭作業(yè)的一部分，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)學(xué)習(xí)質(zhì)量。朋輩評(píng)價(jià)：學(xué)習(xí)者之間的相互評(píng)價(jià)?？梢宰鳛槌Ｒ?guī)性教學(xué)評(píng)價(jià)的重要參考依據(jù)，彌補(bǔ)當(dāng)前學(xué)生工程倫理評(píng)價(jià)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作評(píng)價(jià)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(gè)較為可行的工程項(xiàng)目系統(tǒng)的概念，并結(jié)合具體的課程開發(fā)實(shí)例，詮釋了一個(gè)較為完善的CDIO工程課程體系，也對(duì)CDIO工程教育改革中的核心概念進(jìn)行了初步分析，但尚有以下問題亟待解決：首先，CDIO課程評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的考慮。CDIO課程提到了“一體化的教學(xué)”的概念。但諸如一體化的教學(xué)如何設(shè)計(jì)、一體化的教學(xué)如何評(píng)估等核心問題尚未涉足。一體化教學(xué)評(píng)估體系的建立是進(jìn)行CDIO工學(xué)課程改革的重中之重，這是因?yàn)橹挥忻鞔_了一體化的教學(xué)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)才能為相關(guān)課程的改革提供一個(gè)可參照的具體依據(jù)。其次，關(guān)于工程項(xiàng)目引入的決策問題。既然CDIO工程教育改革強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)習(xí)者“工程實(shí)際應(yīng)用方面的指導(dǎo)”，那就必然要在CDIO工程教育體系中引入切實(shí)可行的工程項(xiàng)目。任何新生事物的引入都存在一個(gè)價(jià)值的問題，工程項(xiàng)目也不例外。這類價(jià)值的討論或許會(huì)集中在“引入的工程項(xiàng)目是否貼合工程實(shí)際”、“工程項(xiàng)目與課程體系的相關(guān)性如何”、“學(xué)生是否參與工程項(xiàng)目的立項(xiàng)構(gòu)思”、“教師是否對(duì)工程項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行進(jìn)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(xué)院已有評(píng)價(jià)體系及最新的教育評(píng)價(jià)研究成果，現(xiàn)在只能初步擬定如表4所示的粗糙的綜合能力評(píng)價(jià)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(shù)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(xiàn)：

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作者：胡興志1 丁飛己2 單位：1華北科技學(xué)院 2汕頭大學(xué)