国际创新型工程教育模式在中国的理论与实践研究

由于科技发展、工业界需求的变化、工程面对形势的变化，从20世纪70年代开始，一些工程院校开始进行工程教育改革，强调在模拟实际工程中解决问题及提高项目管理的能力。然而，这些改革并没有提供完整的答案，这种做法是基于对科学在创新和技术应用中所扮演的角色的一种新的理解。近年来，工业界也逐渐认识到由于严重脱离实践，高校工程专业所培养的毕业生难以适应现实工业生产的需要。为此，许多大型工业公司纷纷列出他们急需的工程师必备素质详单（如波音公司）。高校工程教育必须主动调整人才培养模式，以满足工业生产领域的需求。为了使其工程教育培养的人才适应现代社会对工程人员的要求，各国都进行了一系列的探索。

在欧洲，自1992年欧洲共同体更名为欧盟后，欧洲高等教育开始由多国合作向一体化迈进。1993年欧洲国家工程联合会FEANI（European Federation of National Engineering Associations）启动了名为EUR2ACE（Accreditation of European Engineering Programmes and Graduates）的计划，旨在成立统一的欧洲工程教育认证体系，参加成员包括FEANI在内的8个欧洲教育认证组织，提出了著名的“FEANI公式”，以指导欧洲大陆的工程教育改革。1995年欧盟制订了大型综合教育改革的“苏格拉底计划”，内容涉及从幼儿教育到成人教育的各级各类教育。它包含8个行动计划，从1995年开始至2006年结束，共投入27亿欧元。借助此项行动计划，欧盟构建并实施了一系列“主题网络”来加强欧洲工程教育的改革和发展。所谓“主题网络”，是基于某一主题而受到欧盟委员会资助的项目。现已完成的主题网络有“欧洲高等工程教育”（Higher Engineering Education in Europe，H3E）、“加强欧洲工程教育”（Enhancing Engineering Education in Europe，E4）、“欧洲工程的教学与研究”（Teaching and Research in Engineering in Europe，TREE）。这三个主题网络对欧洲工程教育改革与发展产生了重要而深远的影响，被视为欧洲工程教育再造的三部曲。1999年6月，29个欧洲国家签署了为促进大学课程和学位相互承认的《博洛尼亚宣言》，以此为标志的“博洛尼亚进程”也于1999年开始，其目的在于通过建立有效的质量保证体系以加速运行基于两个阶段的体系以及改进学位及学制年限的相互承认体系，以改革各国教育系统，促进各国学位、学制的统一和互认，加强欧洲大陆的竞争力。2005年欧洲高等教育区教育部长卑尔根会议制定了The standard guideline for quality assurance in the European Higher Ed-ucation Area（EHEA）。同年，包括FEANI在内的14个欧洲教育认证组织成立了欧洲工程教育认证组织网（European Network for Accreditation of Engineering Education，ENAEE）。欧洲工程教育的改革方向和侧重点与美国一样：在继续保持科学基础的前提下，着重强调加强工程实践训练，加强各种能力的培养；在内容上强调综合与集成。

在德国，其高等工程教育发展的思路是“两种模式并存，多次分流”。普通教育与职业教育并重，科学理论型人才与科学应用型人才培养并重，因材施教、多次分流，形成了“多渠道、多层次的工程人才培养途径，但不论是哪条渠道、哪个层次的工程教育都是完整的成才教育，以培养成品工程师为归宿”。具体来说，德国的高等工程教育机构包括工业大学（理工大学）和高专（应用技术大学）。前者属于研究型大学，注重学生理论知识和研发能力的培养，后者属于应用技术型大学，强调学生实践和运用能力的培养。除此之外，德国还有继续工程教育，对工程技术人才进行进一步的培训，从而适应国家、社会及企业发展的需要。德国继续工程教育类型有三种形式：即适应型继续工程教育、提供型继续工程教育和转岗型继续工程教育。

在美国，从1986年开始，美国国家科学基金会逐年加大对工程教育和研究的资助。美国国家研究委员会、国家工程院和美国工程教育学会也纷纷展开调查和制订战略计划，积极推进工程教育改革；MIT、斯坦福等名校的工程教育都进行了整体改革。上世纪90年代，美国三大工程教育机构在三份文件——1994年美国工程教育学会的《面对变化世界的工程教育》、1995年NSF的《重建工程教育：重在变革》、1996年美国工程与技术认证委员会的《工程标准2000》（Engineering　Criteria　2000）——中提出了工程教育改革的全新思路与措施。这三份重要文件中关于工程教育的标准《高等工程教育研究》曾载文详细评介，其中，美国工程教育学会1994年报告指出，工程教育的目的，除技术知识之外，还必须包括团队精神、交流能力、领导才能和系统视野等12条能力要求。

NSF1995年报告则指出，工程教育要在学生、教师、学习经验、课程计划四个方面进行重建。NSF还资助了一系列大学组（Consortia of Colleges）加入工程教育合作计划（National Science Foundation’s Engineering Education Coalitions Program），每个大学组根据不同的战略思维重新设计课程计划和改善教学方法。美国总统竞争力计划ACI（President’s American Competitiveness　Initiative）要求以创新、探索和卓越（Innovation，Exploration and Ingenuity）来保证美国的领先地位，NSF还发表《投资美国未来2006～2011战略计划》予以回应。NSF计划指出，科学的发现和发展极大地加速了科学和工程在所有领域的急速扩展，开拓了全新的探索领域，同时带来巨大的冲击。因应这一挑战的两大方面是支持转换研究（Transformational Research）、促进卓越的科学和工程教育，以激励创新、刺激经济、改善生活质量。在该计划支持下，探索性学习（Discovery Based Learning）正成为各种正式和非正式学习的重要特点。

美国工程院也非常关注工程教育变革，不仅发表了一系列重要报告，而且相继实施了一系列举措。美国工程院院长办公室的常设委员会The Committee on Engineering Education（CEE）正在进行一个名为The Engineer of 2020的项目，该项目由美国工程院和美国国家自然科学基金会共同组织，这是一项为期两年、举世瞩目的行动，目的是使未来的工程学和工程师教育适应新时期的需要。2004年底，该计划发表了第一个正式报告：《2020的工程师：新世纪工程的愿景》。2005年夏，该计划发表了第二个正式报告：《培养2020的工程师：为新世纪变革工程教育》。两个报告在详细分析2020年工程实践的技术、社会、国际与专业等大背景的基础上，描述了对未来工程师的期望与其关键特征，为工程师、教师、雇主与学生建立了未来工程与工程师的共同愿景，进而为工程教育的改革发展作出了一项战略设计，提供了顺应未来需求的变革途径和具体措施。

加拿大在90年代也进行了一系列工程教育改革，建立了国家的“创新战略”；国家自然科学与工程研究基金（NSERC）设立了一系列的工程设计讲座教授（NSERC Chair Professors）职位，旨在改变大学中重工程科学、轻工程设计现象；建立了所有工学院都参加的“Canadian Design Engineering Network（加拿大设计工程网络）”，旨在提升加拿大的工程设计教育。

美国工程院2009年在加利福尼亚欧文市举行年会期间7位创新系统的卓越领导人举办了一个题为“重建实体经济：为工程创新松绑”的公开论坛^[17]。论坛认为，教育将成为美国为了经济成功的一个决定性因素。加州理工学院校长Jean-Lou Chameau说，为了在创新上去的成功，必须训练学生成为创新者。在大学里，教师应该支持学生实践他们首创的想法，他说“学生想要发展一种有意义的生活哲学，他们想要参与其中，我们需要找到那样做的方法”。X奖励基金会董事长兼首席执行官Peter Diamandis举了两个通过奖励促进创新的例子，说明挑战队创新活动的激发作用。Ansari X奖设一千万美元奖励第一个私人团队建造和发射一个航天器，要求该航天器可在两周内两次承载三人到一千千米的高度。结果，2004年10月4日来自7个国家的26支队伍赢得了这个奖项。另一个例子是20年来，人们花了巨额经费试图发明一种无人驾驶汽车，但收效甚微。当美国国防部高级研究计划局（DARPA）为无人驾驶汽车发明设立了两百万美元的奖金后，一支由斯坦福大学研究生组成的团队在不到一年的时间里花费五十万美元就造出了一辆这样的车。两个例子揭示了挑战对人创新与潜能的激发作用，可以启发我们在工程教育中用来培养学生的创新能力。

工程教育认证标准列出了工程人才培养的要求，即说明了“培养什么人”的问题。“如何培养人”是工程教育改革与创新永久的主题。美国工程与技术认证委员会EC2000采用基于结果的认证，工程教育者不仅需要革新工程教育的方法，而且需要证明培养目标得到了有效的实现。因此，EC2000认证标准从工程教育认证的角度推动了工程教育的创新。

事实上，当前工程教育创新的主流研究方法还是基于教师的个人经验和直觉，美国工程院报告《培养2020年的工程师》这样描述这个现状：

不论是单一的课程还是专业计划，拟或是单个学校方面，过去针对工程教育的改革尝试都是由这些改的领导者的个人观点和经历决定的。我们总是主观地去感觉哪一种方案有用，而不是依靠一组认真采集的数据来得出哪一种方案对哪一类学生在哪一种学习环境下有用。缺少了这些数据支持，工程师及其科学团队的同事们就很难对一些议案进行评估。比如，对于一些新兴教学方法的有效性评估，以及信息技术对于提高学生学习效果的影响。在技术团队中，一个实验室的数据分析结果对同仁们的研究具有广泛深远的影响，与此不同，许多教育改革者没有将有关学习的研究整合到他们工作中。^[18]

针对教育方法研究者和工程教育实践者各自发展，缺少相互交流和支持的现状，美国工程教育学会会刊Journal for Engineering Education自2003年开始倡导学术性工程教育改革，他们提出了这样一个模型（图2-1）。

这个模型描述了工程教育实践者和学习科学研究者之间或实践与研究之间相互持续支持、共同提高的关系。作为该模型的一个案例，2004～2006年约150位工科教师和学习科学研究者进行了一个名为“在生物医学工程导论课程基于挑战的教学”的实验项目，比较从传统的基于讲课的教学和基于挑战的教学（challenge-based instruction，CBI）方法的效果。学生经过三年的学习后，被随机分组，然后进行测试。在一个以知识为基础的考试中，其中有26%的问题，采用CBI教学的学生比基于讲课的学生回答得好，而后者比前者回答得好的只有8%。此外，采用CBI教学的学生比控制组学生在更难的问题回答中也表现得更好（35%比4%）。

图2-1　美国工程教育学会学术性工程教育改革实施模型^[19]

可见，EC2000基于结果的工程教育认证和JEE对工程教育学术性研究的倡导可能将引导工程教育的改革与研究走向更加严谨和基于实证结果，从而取得更具普遍意义的教学方法，导致更多工程教育的改革与创新。联想Peter Diamandis所举的基于奖励和挑战促进创新的实例、基于挑战的教学方法可能也将是培养学生创新能力的一个重要手段。

CDIO改革以“培养什么人”和“如何培养人”这两个教育的基本问题作为改革蓝图的基本出发点。其教育哲学可简单地描述为：工程教育在于培养工程师，就应该以工程师实际工作所需要的知识、能力和态度作为工程教育的培养目标——界定“培养什么人”，应该以工程师的工作方式作为工程教育的背景环境——规范“如何培养人”。工程的基本社会责任在于创造，是“让自然界巨大的动力资源为人类所用，并给人类带来便利的艺术”^[20]。工程师直接或间接地为创造产品、系统或过程服务，总是在产品、过程或系统的构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）或运行（operate）这个周期的某一个环节中服务。因此，以能够服务于构思—设计—实施—运行为培养目标，以构思—设计—实施—运行为教育的背景环境就成为该改革方法的基本教育哲学和命名：conceive-design-implement-operate或CDIO。

CDIO工程教育改革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—实现—运行（CDIO）过程环境基础上的工程教育。CDIO改革的三个总体目标是把学生培养成能够：①掌握深厚的技术基础知识；②领导新产品和新系统的开发和运行；③理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响。

CDIO改革开发了相应的教学资源，CDIO实施专业可利用这些资源来实现上述目标。这些资源支撑CDIO课程计划的制订。这种课程计划建立在相互支撑的多种学科基础之上，为学生提供的这些学科的学习经验中融入个人、人际交往能力和产品、过程和体系的建造的能力，让学生们能够在教室里和现代学习实践环境中体验丰富的设计—制作经验、主动学习和经验学习的体验。

表2-1列出了工程师在产品、过程或系统的全生命过程中的主要工作范围，工程教育的目标（教学大纲）和方法（实施标准）就应该与此工作范围相一致。

表2-1　工程师在产品、过程或系统的生命周期内的贡献

CDIO教学大纲与联合国教科文组织教育的四大支柱有一一对应关系，同时也完成涵盖了美国工程与技术认证委员会EC2000相应的学习效果要求，即CDIO的教学大纲全面涵盖了现代工程教育所要求的知识和素质，是一个全面完整的教育目标体系。

为了对教育改革的实施水平进行判断，也为了指引改革，CDIO制定了12条实施标准如下。

标准1：CDIO作为工程教育的纲领。＊

学校使命和专业目标在什么程度上反映了CDIO的理念，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纲领。(www.chuimin.cn)

标准2：符合CDIO大纲的学习产出。＊

以CDIO大纲作为学习目标，着重培养学生的理论知识、个人素质和发展能力、协作能力和集社会、历史、科技为一体的大系统适应与调控能力四个方面，而这些目标是考虑并经过了工程专业利益相关者的参与而制定的。

标准3：相互联系统一综合的课程。＊

满足CDIO大纲四方面能力要求的课程体系，课程应是跨学科的和相互联系、相互支撑的。

标准4：工程导论。

工程导论构建了CDIO引导性的框架，激发了学生在相应核心工程领域的应用方面的兴趣和动力，并给予学生最早的CDIO经验。

标准5：培养设计经验。＊

课程计划中包含两个或两个以上的培养设计经验的课程，包括一个基本水平的和一个高级水平的；在课内外活动中学生有机会参与产品、过程和系统的构思、设计、实施和运行。

标准6：CDIO工作空间。

CDIO工作空间和实验室有利于学生动手学习、直接学习、知识建构、人际关系学习，有利于培养CDIO大纲中规定的能力。

标准7：综合性学习经验。＊

综合学习经验是达成基本知识、个人能力、人际关系技能，产品和系统建构技能获得的基本途径，对于标准2和标准3的目标来说，合理的教育方法可以起到事半功倍的效果。

标准8：主动学习。

这是基于主动实践的教与学。主动学习是学生直接参与到思考问题、解决问题的活动中，不提倡被动的知识传授，而是让学生运用知识去操作、应用、分析和评测。

标准9：教师CDIO能力的提升。＊

教师最好在专业工程实践中提高CDIO大纲要求的学生要达到的四方面能力。

标准10：教师教学能力的提高。

促进教学能力的提高，包括综合性教学、主动实践学习、合理考核学生等方面的能力。

标准11：学生CDIO能力的考核。＊

CDIO大纲所要求的能力的考核方法必须与CDIO的理念相一致，这些方法可能包括笔试、口试、学生行为观察、等级量表、学生反思、日记、档案袋评价、同学评价和自我评价等。

标准12：CDIO方案的评估。

对CDIO的12条标准进行系统评估，并把评估结果反馈给学生、教师以及其他利益相关者，以促进持续改进。

CDIO工程教育模式继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，反映了国际工程教育改革的趋势，体现了国际共识。迄今为止，已有约百所世界著名大学加入了CDIO组织，进行了CDIO工程教育改革，取得了良好的教学效果，提高了工程人才培养质量。经过这几年的发展，CDIO正逐步成为北美、欧洲、亚洲最具影响力的工程教育改革模式。

2011年1月，美国工程院院士、麻省理工学院教授Edward　Crawley因创立“CDIO”这一深度影响全球的创新人才培养模式而获得戈登奖。戈登奖和德雷铂奖、拉斯奖并列为美国工程界三大最高奖项，被誉为“工程界的诺贝尔奖”。CDIO工程教育模式之所以能够在全世界迅速推广，得到各国高等工程教育界的回应，是因为CDIO因应了工程教育改革的大趋势，同时，还因为CDIO这一工程教育模式符合教育改革的规律，有其突出的特点。