中国化的工程教育模式：汕头大学CDIO课程设计实践

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：（一）以设计为导向的工程教育作为工程教育改革的一个重要举措，加拿大工程院院士顾佩华教授将CDIO工程教育改革模式引入汕头大学工学院。基于他领导加拿大工程教育改革网络CDEN的经验和对加拿大工程学院、工业界和学生的调查结果，顾佩华教授提出了以设计为导向的实施方法。改革后的“工程设计导论”仍负有同样的责任。

（一）以设计为导向的工程教育

作为工程教育改革的一个重要举措，加拿大工程院院士顾佩华教授将CDIO工程教育改革模式引入汕头大学工学院。基于他领导加拿大工程教育改革网络CDEN的经验和对加拿大工程学院、工业界和学生的调查结果，顾佩华教授提出了以设计为导向的实施方法。^[6]他认为，工程科学不再是一个在传统的环境中教授工程科学，而是用现有的教学资源（在一个设计环境内），通过一个以设计为导向的学习过程，帮助学生找到技术与工程实践的方向。这个设计导向的学习过程，跟传统或以问题为导向的教育方式不同。通过教育基本设施的改变建成的设计导向的学习过程，提供了一个更丰富的教育方式，也重新定义了教师资源和教学设施的规则。他还认为，仅仅给工程专业学生讲述开放式设计问题是不够的，这些问题只是告诉学生专业实践和技术中的大体内容，而这些东西在之前所有科技领域中都有体现。与此同时，学生们必须学会在团队中工作，培养跟同事交流的沟通技巧以及规划他们的工作。学生们在具备工程实践和技术后有一种按严谨的方式学习工程科学的需要。反之则不然，在传统的工程教育模式下很多学生只有一点或者根本没有“对工程的感觉”。他把技术和实践比喻为工程的“词汇”，工程科学就是“语法”，设计过程就是“写作”的过程。因此，不经历具体的写作训练，再严谨的词汇和语法训练也不能培养出熟练的写作能力来。图4-5表达了采用设计实践项目整合学生知识、能力和素质培养的基本思想。

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图4-5　以设计为导向的工程教育

（二）以三级设计建造项目为基础的鱼骨型课程结构

为了落实以设计为导向的CDIO工程教育改革，构建一体化课程方案，笔者设计了以三级设计建造项目为基础的鱼骨型课程结构方案。专业培养方案以团体的设计建造项目为载体，将学生的基础知识学习和综合能力训练、扎实的课程学习和广泛的探索兴趣结合起来，将知识学习和能力培养、团队合作精神以及CDIO工程能力的培养有机地结合起来。培养方案要求每个专业规划一系列的设计建造项目带动各门核心课程的学习，在专业培养计划的编制指导中有如下规定。

（1）为贯彻CDIO教学理念，每个专业必须有精心规划的构思、设计、实施、运行（CDIO）项目导引学生对核心专业课程的学习兴趣和能力培养，并对本专业有较清醒的总体认识。

（2）将CDIO项目按规模和范围划分为三级，Ⅰ级为包含本专业主要核心课程和能力要求的项目；Ⅱ级为包含一组相关核心课程、能力要求的项目；Ⅲ级为单门课程内为增强该门课程能力与理解而设的项目。本专业培养计划仅规划Ⅰ、Ⅱ级项目，Ⅲ级项目设立与否及其形式由各门课程大纲根据需要确定。

（3）每专业至少有两次Ⅰ级项目。一般可以在一、二年级进行一次以介绍本专业核心内容及调动学生兴趣为目的的Ⅰ级项目；而以毕业实习＋毕业设计为第二次Ⅰ级项目。每个Ⅰ级项目作为一门课程单独计分。

（4）以3～5个Ⅱ级项目为载体加强本专业核心课程的学习与应用。每个Ⅱ级项目作为一门课程单独计分，为容纳核心课程的教学进度，一个Ⅱ级项目可以跨学期，甚至跨年度，但每学期应有考查成绩作为此课程最终计分的一部分。建议Ⅱ级项目结合个人工作和团队工作。包含在一个Ⅱ级项目内的核心课程任课教师自然成为本Ⅱ级项目的任课教师之一，以保证项目同课程的联系。Ⅱ级项目的学分记录在项目完成的学期内。

图4-6以土木工程专业2006级课程计划的鱼骨结构说明以三级设计建造项目为基础的鱼骨型课程结构的思想。该结构清楚地显示了专业培养的基本方案和路径，连接各学科课程与综合应用、实践能力培养。因为关系表达清晰、结构明确合理，此课程结构组织方式在国内获得了广泛的认可。2010年教育部为“卓越工程师教育培养计划”挑选的12个学校方案中就有4所学校的方案采用了三级项目分类方法和/或鱼骨课程结构体系。因此，有必要对此课程结构的理论内涵与实际效益做进一步的研究与探讨。

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图4-6　土木工程专业核心课程培养结构示意图

（三）工程设计导论

“工程设计导论”课程是2006年工学院实行全面CDIO改革以后对全院学生进行的第一门CDIO教学计划内的课程。本课程的前身是“工程导论”。由于工学院实行大类招生，全院学生要到二年级才选专业。因此，“工程导论”的主要任务是向学生介绍工学院的五个专业的情况，以利于学生在二年级选专业时对所选专业有足够的了解。

改革后的“工程设计导论”仍负有同样的责任。但是，鉴于学生有一年的时间，而且他们能够也应该具备靠自己的能力了解各类工程专业的能力，所以，课程在专业介绍方面作了极大的压缩，由原来的16次课变为1.5次课（3小时）。教师在同全班进行基本讨论之后，要求学生分组，每组自选一个专业进行调研。在第二次课时选每个专业的一个组队在全班进行讲解本组所选专业工程师的职责，这样，使全部同学对所有五个专业都有一个最起码的认识。

创新能力将成为我国科技赶超世界的一个重要方面，我们要力求创新。作为创新设计技术骨干的工程师们不能对创新设计所必需的过程和团队精神毫无了解。同时，CDIO改革后学生会经历很多团队设计制造项目，因此，有必要在这些团队项目未开始之前使同学们对团队精神、合作能力和一些必要的会议、计划、组织、管理、决策工具有所了解。

据此，本课程的目标设定为：首先探讨工程师的责任与义务，然后以一个小日常用品的设计实现过程为载体学习设计过程管理，锻炼会议组织、讨论探讨方法、因果分析、决策方法、总结报告书写和口头表达能力。学完本课程后学生应能：理解工程师的社会和历史责任与义务；初步了解设计过程管理；具备良好的团队合作精神；能对较复杂的情况作出合理的判断；具备初步的口头和文字交流能力。

为了达到这些目的，本课程为2006级的学生设计了8个专题进行讨论：工程师的责任和义务（roles ＆responsibilities of engineers）；确定设计主体（find the design opportunities）；制订计划（planning）；因果分析（cause ＆effect analyses）；设计概念与目标的确定（concepts ＆objectives）；完成设计（design ＆prototyping）；运行总结（operation summary）；总结报告（final report）。

2006级的构思—设计—建造项目没有对学生构思的选择做任何约束，在没有经验和没有约束的情况下大多数小组的设计远远超出他们的实际建造能力，因此无法完成原型的建造。尽管如此，学生在通用工程能力方面还是有显著的收获（详细讨论见子项目研究报告四）。

取得2006级教学经验后，本课程又经历了三级运动机构的构思设计和运行与计算机控制塔式吊车项目的构思设计和运行。塔式吊车的构思设计与运行项目不仅整合了通用工程能力的培养，而且巧妙地结合了对汕头大学工学院的5个专业的基本认识。通过与麻省理工学院的合作，此项目已经基本成熟。

（四）培养目标实现矩阵

表4-1列出了机电专业卓越工程师计划培养目标实现矩阵的浓缩版。表的横向内容是课程计划的所有校内外培养环节，纵向内容是本专业CDIO教学大纲，大纲只展开到x.x级。表4-1虽然能够方便观察全专业所有教学环节培养目标的落实概况，但具体哪些目标用I、哪些用T、哪些用U并没有显示出来，这是因为CDIO教学大纲没有扩展开来。

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培养目标实现矩阵对培养目标和教学环节具有的连接作用。对于培养目标体系，表4-1显示各个目标的实现环节和频数。对于教学环节，此表成为该环节除传统教学任务外需要完成的培养目标任务（一体化教学的要求）。

（五）课程教学大纲

下文以汕头大学工学院“工程设计导论”课程教学大纲为例。本大纲与常见的课程大纲的主要区别在于引入了CDIO教学大纲所规定的教学目标作为本课程的承诺，课程中需要设计相应的教学环节实现这些承诺。

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课程的性质与目标

本课程为工学院学生必修课，课程首先探讨工程师的责任与义务，然后以一个设计、制作竞赛过程为载体学习设计过程管理、会议组织、讨论探讨方法、因果分析、决策方法、总结报告书写和口头表达能力。除课堂授课之外，还将组织校内外专家讲座，增强学生对工程师的职责和工程设计的认识和理解。学完本课程后学生应能：

1.理解工程师的社会和历史责任与义务

2.初步了解设计过程管理(www.chuimin.cn)

3.具备良好的团队合作精神

4.能对较复杂的情况作出合理的判断

5.具备初步的口头和文字交流能力

学时安排

课堂教学：　　　　　　　　　　8　　　学时

研讨课：　　　　　　　　　　　8　　　学时

讲座、实践：　　　　　　　　 12　　　学时

总学时数：　　　　　　　　　28　　　学时

教学方法

本课程以课堂教学加课堂讨论的形式师生共同探讨在进行团队设计时所需要的组织、规划、记录、报告、分析、决策等工具和技能，探索迅速有效地采集众人计策、扩展思路的方法，并通过一个一个设计、制作竞赛过程来实施以上所讨论的工具、技能和方法，为后期课程和实践工作打下基础。

先修课程

无

后续有关专业课程和教学环节

所有课程课程综合记分方法

各部分的比重分别为：

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教科书

无（自编讨论提纲）

推荐参考书

1.程不时.工程设计的系统工程［M］.北京：航空工业出版社，1997

2.Dym，C.L.＆Little，P.Engineering Design：A Project-Based Introduction［M］，New York：Wiley，2000.

3.Heufler，G.Design Basics From Ideas to Products，Niggli Verlag AG，Zurich，2004.

4.Lumsdaine，E.，Lumsdaine，M.＆Shelnutt，J.W.Creative Problem Solving and Engineering Design［M］.New York：McGraw，1999.

CDIO相关能力在本课程中的培养＊

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＊注：对于表中第二列所列技能应对照CDIO大纲全文来理解。目标栏内以A、B、C、D来表示对此条能力要求达到的程度，A为最高要求，无要求则留空。接触指在教、学活动中有所提及但没有训练和测试要求；训练指有明确要求并有测试项目；应用指在教、学中有所应用而不论是否曾给予相关训练或考核。

学习内容与目标

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（续表）

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注：＊＊以布卢姆学习目标分类法（Bloom’s　Taxonomy）为基础描述学生在学完本课程后应具有的能力，目标栏内以A、B、C、D来表示对此级能力要求达到的程度，A为最高要求，无要求则留空。记忆包括识别和回忆指能从记忆库中找到相关的知识、概念、术语或材料与当前的信息进行比较、确认，能记住并能不加理解地列出、描述这些知识、概念、术语或材料；理解指能对所学的内容作归纳、分类、解释，总结、推断和一定程度的发挥；应用指能选择正确的程序应用、实施所学到的内容，并能进行必要的计算或决断；综合分析指能将所学的内容分解并找出它们的相互关系和构成；或能计划、创造、建造或有改变的重构；或能作评论、总结、估计、预测、评估、论证和答辩。
☆课内学时包括授课学时和研讨学时。

中国化的工程教育模式：汕头大学CDIO课程设计实践

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