基于CDIO理念的教学实践：国际创新型工程教育的中国化研究

为实施CDIO工程教育改革，报告者亲自设计并实施了工学院全院的“工程设计导论”课程的教学、土木系“土木工程导论”的教学和土木系“结构力学”的教学。以下就报告者在这几门课程中所采用的教学方法及其观察与评价进行报告。

（一）基于项目的教学

基于项目的教学是汕头大学工学院实施CDIO改革所建立的课程结构的核心。按照专业培养计划方案规定，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。专业培养计划仅规划Ⅰ、Ⅱ级项目，Ⅲ级项目的设立与否及形式由各门课程大纲根据需要确定。

1.《工程设计导论》Ⅲ级项目

1）项目设计

为了使设计建造项目与学生的专业学习更加接近，让他们从一开始就对本专业的工作有一个总体上的感性认识，我们一直设法设计合适的设计建造项目。采用计算机控制的塔式吊车的想法酝酿了很久，但因为对专业和知识的要求过高，一直没有将其实施。

借2009年汕头大学与麻省理工学院CDIO工程教育改革合作的机会，由汕头大学和MIT对本项目进行了联合开发，并在2009级学生中实施之前在STU-MIT合作项目的实施中让学生进行了一次设计制作实验。结果表明，学生能够在完全没有专业背景的情况下完成本项目的设计与制作。以下是设计建造项目任务书。

一、项目名称

塔吊设计、制造与竞赛

二、设计目的

1.培养工程设计理念、探索工程设计模式

2.理解专业分工的要求，实施多专业合作交流

3.培养定义问题和解决问题的能力

4.培养信息搜集、主动学习和自我学习的能力

5.理解技术规范在开发工程产品中的重要性

6.培养基本的动手能力

三、项目介绍

本设计是一个团队项目，根据项目的需要每个团队将分为土木工程、机电工程、电子和通信工程和计算机工程专业。团队内各专业学生共同合作，采用给定的材料，并根据设计添加其他辅助材料，设计、建造并测试运行一个塔吊。学期结束时各团队携自己的塔吊参加竞赛，完成一组实际吊装任务。

吊车需要满足以下基本要求：

（1）工作半径在以塔吊为中心的150～350mm内，起重高度为500mm；

（2）在全部工作范围内达到最大起重量1kg；

（3）全部起重操作由操作人员通过计算机界面控制实现；

（4）塔吊采用吊钩的方式吊重，被吊物顶部由直径约2mm的铁丝弯成内径不小于10mm的环以供起吊；

（5）塔吊能够在任何一块不小于150mm半径的水平平地上自立，不能采用任何外部锚固方式。

竞赛时的操作模式：其中一位学生根据小组开发的通讯协议以非语言、非图像的方式将操作指令传达给操作台的学生，该学生根据操作指令在计算机人机交互界面上控制塔吊实现指定的吊装任务。整个操作过程不能人工对塔吊进行干涉。

四、每个团队配备的器材（CDIO创新中心）

（续表）

注：主要设备需要向CDIO创新中心（C座教学楼三楼）申请使用，除给定耗材外，各小组可根据需要申领不超过15个电阻和电容。给定材料之外的其他材料由各团队自己负责解决。

五、时间安排

第1～2周：分组确定组长。小组讨论确定设计初步方案。

第3周：小组进行方案可行性介绍

第4～15周：确定最终方案，制定设计计划书。进行小组分工任务安排。

第15～16周：设计提交，进行操作演示竞赛。

六、评价标准

按时提交一个完整的塔吊并且进行演示操作。

成功完成一组要求的工作指令并且用时越短越好。

塔吊结构合理，使用材料少，安全稳定性高。

方案构思新颖，人文内涵丰富。

汕头大学工学院有机电工程、土木工程、通信工程、电子信息工程和计算机科学五个专业，规划中的项目需要使这五个专业都能够有相应的任务，使这个项目变成一个多学科交叉协作的综合性设计建造项目。项目设计为建造一个由计算机控制的塔式吊车，吊车需要完成在350mm半径内吊、卸1kg重物，最大起重高度为500mm的任意吊装任务。并且吊装时吊装指令需要通过非语音、非图像的方式传递给在计算机旁的塔吊操作员。

传递吊装指令的通讯方式、编码和实施过程能够帮助学生认识信源、信宿、信道等基本通讯术语。因为信息传递的需要，吊装信息需要进行转化（编码）。为了提高传递效率而又不损害传递的可靠性，学生需要选择数码的进制。这样，仅仅利用手的触觉实现了让学生对通讯方式和通讯协议取得切身的感性认识，培养他们对本专业的兴趣和对理论概念的深层理解，这是落实CDIO关于对概念的深层教学的一种有效的方法。

做人机界面编程的小组模拟计算机专业的工作。采用VB编程，并且使用的USB数据采集卡有完整的通用程序库，编程人员只需要编写一个简单的图像界面，设计方便、美观、适用的控制按钮，调用程序库让每个按钮向数据采集卡的指定端子输出二进制数字信号。因为电机的开关、转向和调速的需要，这些数字信号需要有不同的输出频率，所以需要学习一些简单的编程方法。因为计算机的“高科技”外衣，这样的控制能力往往给学生带来极大的成就感和学习兴趣。

承担电子工程的组员需要将由数据采集卡输出的数字信号转换为电机的开关信号和电机的驱动。尽管市场上有现成的H桥集成电路，本项目仍然要求学生使用三极管组建自己的H桥路，组装自己的驱动电路。H桥的电路图很容易在互联网上找到，所以学生需要做的工作仅仅是找到电路图、理解它并在万能板上将它焊接组装出来后进行调试。这是一个并不复杂但需要学生反复细致地学习制作的过程，给学生一个自主学习、锻炼各种动手能力的绝佳机会。

机械工程是本项目的核心部分，整个塔吊实质上是一件机械产品。因此，运动机构、传动、吊装、移动、整体稳定等一系列的设计问题都需要得到妥善的设计实现，还要考虑整体美观、可靠和高效，而现有的材料和加工条件是有限的，所以机械设计部分的挑战性和创造性思维空间是很大的。

土木专业主要负责塔吊的支撑体系的设计与制作。要将1.6mm镀锌铁丝建成能够完成350mm直径、500mm吊装高度的塔架和吊臂对从未从事过手工制作的学生来说并非一件容易的事。他们需要学会在一些简单的力学计算和稳定性试验的基础上设计塔吊的结构，并用焊锡将塔架焊接成型，达到能够可靠地支持塔吊的吊装的目的。

塔吊的设计与建造需要五个专业共同合作，因此，学生从开始就需要进行必要的分工，并且学习在多学科团队工作。

在与麻省理工学院合作进行的试点设计制作过程中发现，学生们并不能自觉地进行不同专业的分工，而是大家共同做一件事，导致效率低下。并且，由于本项目涉及专业众多，一个人很难在短期内学会所有的东西并且作出设计，很难发挥集体的作用。报告者在学习整合思维的过程中发现采用建模的方式能够较好地引导学生分析复杂的问题，将问题分解为简单问题的组合。当进行专业分工之后，这个看似复杂、科技含量高的问题就变成刚入学、没有任何专业知识背景的学生能够处理的问题。此外，在学生简单了解公理设计理论的独立性原理之后，他们避免了STU-MIT合作试点组的学生所做的耦合设计。

2）实施效果

学生按学号顺序十人一组，避免他们只能同朋友共事不能适应临时组建的团队工作。设想的做法是这十人按二人一个专业进行分工，具体的分工方法完全由小组内部决定。工学院每个专业招收的学生人数都不相同，不可能让学生只做自己所学专业的工作。事实上，所有学生在专业上都还是一张白纸，完全没有必要强调在本项目中“专业对口”。此外，学生也能受益于取得一点非本专业的直接经验，有利于他们在今后正式的多学科团队中的工作。

根据CDIO教学大纲的指引，结合本课程和项目的特点，本课程的培养目标如下。

技术知识：

·基本机械传动方式；

·机构；

·可靠性与稳健性；

·平衡（抗倾覆）性计算；

·结构的失稳与抗失稳；

·三极管开关电路，H桥电路；

·脉宽调制（PWM）；

·Visual　Basic编程初步；

·进制的选择；

·通讯媒介、通讯的效率与可靠性、带宽、通讯协议；

·项目管理初步知识（组织、会议、记录、项目进程、头脑风暴、口头与书面报告）。

CDIO能力：

·2.1.2　建模；

·2.1.3　估计与定性分析；

·2.1.4　带有不确定性的分析；

·2.1.5　解决方法和建议；

·2.2.2　查询印刷资料和电子文献；

·2.2.3　实验性的探索；

·2.3.1　全方位思维；(www.chuimin.cn)

·2.3.2　系统的显现和交互作用；

·2.3.3　确定主次与重点；

·2.3.4　解决问题时的妥协、判断和平衡；

·2.4.2　执著与变通；

·2.4.3　创造性思维；

·2.4.5　了解个人的知识、能力和态度；

·2.4.6　求知欲和终身学习；

·2.4.7　时间和资源管理；

·2.5.1　职业道德、正直、责任感并用于负责；

·组建有效的团队；

·团队工作运行；

·团队成长和演变；

·领导能力；

·形成技术团队；

·3.2.2　交流的结构；

·3.2.3　书面的交流；

·3.2.4　电子及多媒体交流；

·3.2.5　图表交流；

·3.2.6　口头表达和人际交流；

·3.3.1　英语；

·4.3.2　定义功能、概念和结构；

·4.3.3　系统建模和确保目标实现；

·4.3.4　开发项目的管理；

·4.4.1　设计过程；

·4.4.2　设计过程的分段与方法；

·4.4.3　知识在设计中的应用；

·4.4.4　单学科设计；

·4.4.5　多学科设计；

·4.5.1　设计实施过程；

·4.5.2　硬件制造过程；

·4.5.3　软件实现过程；

·4.5.4　硬、软件的集成；

·4.5.5　测试、证实、验证和认证；

·4.6.1　运行的设计和优化；

·4.6.3　支持系统的生命周期；

·4.6.5　弃置与（产品或系统）生命终结问题。

大部分知识和能力的培养目标在项目和课程的实施中学生可以自然地得到体验和培养，例如，技术知识、单学科设计和多学科设计等。而有些培养目标就需要通过对课程和项目进程管理的要求引导学生学习，例如，“交流策略”、“英语”、“建模”等。所以，项目的设计与规划的实施不仅需要关注项目最终产品的质量，作为一个教育环节，对教育过程的设计与优化更应该是教师关注的重点，通过教、学、考三个方面的协调规划，实现学生知识、能力和素质的一体化成长。

本轮实施的结果和学生的反馈表明，学生在本课程和项目的实施过程中都取得了与以上培养目标相应的直接经验，有实实在在的过程支持这些目标的实现。但还需要进行更为深入的实践研究，总结培养方法与培养目标间更为准确的关系，提高一体化培养的综合效率，并为培养和学习效果提供更为充分的论证和科学依据。

2.《土木工程设计导论》I级项目

《土木工程设计导论》在CDIO改革之前是《土木工程导论》。在以设计为导向的CDIO工程教育改革的理念下，原先以向学生进行本专业基本认识的讲解改为由学生在一定的设计项目驱动之下进行自我探索、团队学习、共同发展的，一个涵盖土木工程专业核心工作内容的一级设计项目。笔者是该项目的设计者和任课教师之一。

1）课程目标

该课程的目标由原来的“理解土木工程”转为“建立对土木工程的基本认识”并“培养学生的EIP-CDIO相关能力”。本项目教学大纲规定的CDIO能力培养目标为见表5-2。

表5-2　《土木工程设计导论》CDIO培养目标

2）项目设计与实施

乌桥岛是汕头市内韩江支流上一个约2.4平方千米的小岛，地处老市区。因为历史原因，岛上建筑破旧，居民生活水平不高。本项目以此岛的重建开发为假设要求学生以小组为单位进行小岛的重建规划。

学生将围绕此岛的重建从市政规划设计一直延续到施工设计，学生也将在三年内由土木工程的初学者成长为本专业合格的本科毕业生。

本项目为此重建计划的第一阶段，持续一个学期。学生在完全没有专业知识的条件下，根据自己的理解、小组的讨论和查阅资料，确定岛区发展的主题，规划岛上的建筑和设施，如道路、桥梁、学校、商店、住房、文体设施等。他们需要撰写调查报告、设计方案并利用此时所学的制图方法表达他们的设计。他们不需要证明他们设计的正确性，但需要对其设计的合理性进行论证并接受同学和老师的询问。

此项目将作为后续阶段的建筑结构、建筑材料、结构设计、施工设计和工程评估等课程和项目的出发点。学生运用不断学到的新知识对他们原有的设计进行修改，使其符合专业标准，逐步成长。

本项目分为两个阶段，第一阶段为设计阶段，第二阶段为评估阶段。在设计阶段，学生以小组为单位进行设计规划。第二阶段是全班进行点评与修改。即每个组向全班介绍自己的设计，接受询问、评判和修改建议，然后回去修改。共经过三次点评和修改后定稿，撰写设计报告，并以本次设计成果作为下一阶段建筑结构设计的基础。

课程考核分为设计（30%）、个人反思（50%）和课堂讨论（20%）三个部分。加大个人反思的比重是要迫使每个学生全力投入，避免搭小组顺风车。

3）实施效果

2006级的项目结束后对全班学生进行了一次课程调查，反馈结果见表5-3。

表5-3　项目结束后对学生的满意度调查

图5-3　一个小组的乌桥岛总体规划

设计过程中，学生到乌桥岛进行了多次现场考察。有一个组发现岛上有很多内衣店，因此他们建议保留现有的市场和经营优势，将此岛提升为一个内衣会展中心。他们的发展主题定位为“高科技、绿色、清洁”。所以，以内衣会展中心为基点他们规划了高科技工业、智能生活、教育、商业、休闲与旅游五大功能区。图5-3是他们的总体规划图。

（二）研讨课

迄今为止，还没有实施过很有效的研讨。这可能与教师自身的教学经验、教学组织方法以及学生的学习习惯有关。在“工程设计导论”课程中，有将近一半的时间是由学生上台宣讲自己的设计方案和解决问题的方法。台上的学生讲完后都要给台下同学提问的机会。这时台下所提的问题大多属于“挑刺”性质，缺少对发言者的逻辑深入思考后所提出的问题，因而这样的讨论往往缺少建设性。

在“土木工程设计”导论课程中，这种情况要稍微好一点，台上、台下能够形成一种就某一问题进行交换意见和建议的格局。台上的小组也能根据讨论的情况对自身的设计进行进一步的修正。“土木工程导论”课堂的学生比较少（约60名学生），而“工程设计导论”一个班至少有90人。学生人数多肯定会对教学和研讨效果有影响，但笔者更愿意相信研讨的组织方式和课堂的掌握更加重要。

类似于CDIO资源库所推荐的“学生讲题”所采用的方法，“工程设计导论”课每次布置宣讲题后所有各组都需要进行准备，上台宣讲的人是随机抽取的。尽管每次课每个组只有一半的几率抽中，采用随机抽取的方法迫使所有组都进行同样的学习准备工作，保证全班的学习进度和效果。

在“结构力学”课程中，一般是在每次课开始的时候向全班学生询问是否有问题需要解答。但最多的问题常常是关于上次课所布置的练习题的解答问题，不能真正形成一种就概念和方法进行深入探讨的局面。所以有必要对研讨课程的理论、方法和效果进行更进一步的研究，建立起一些有效的教学模式，便于推广交流。

（三）案例教学

案例教学的方法采用得很少，可能因为多数的工程基础和工程技术问题不适合采用案例教学的方法。笔者在“土木工程导论”课程中采用案例教学法做过一小时的工程伦理与社会责任问题的讨论，其中案例采用了美国塔科马大桥从规划设计、建造决策到最后倒塌的事件。在隐去工程名后，采用角色扮演的方式，让学生分组分别站在创新设计者、保守设计者和投资决策者的角度在面临创新、节省投资和保守、增加潜在风险之间进行辩论并选择一个结论，然后根据他们所选择的结论对照历史真实进行自我反思。

本次试验总的反映不错，学生对这种新型的课程组织形式适应很快，也能较为投入地参加角色扮演。但这次尝试还远不能提炼成为一种教学模式，还需要进一步探讨与总结。

（四）教学方法的总结与交流推广

在实际中，不可能每个教师都对多种教学形式进行深入的摸索。一个学校只要有一部分教师对一种教学模式进行了比较深入的探究和实践就已经非常好了（例如，哈佛大学的Eric　Mazur教授、中山大学的王金发教授等）。这样的探究结果需要形成一种教学模式（如哈佛大学的案例教学模式），然后通过教学的交流向其他教师推广、传授。从这个目标出发，学校需要建立相应的机制和手段鼓励教师进行教学模式的创新并建立必要的教师交流与学习机制。

在过去的四年中，汕头大学工学院在教师交流方面形成了一个好的传统，基本每个学期都会有各类教学交流会，例如，试点课程教师的汇报会、CDIO理念宣讲会、加拿大卡尔加里大学和麻省理工学院教师关于教学方法的研讨会等。

但是，有几个方面值得注意。其一，交流活动中对理念的宣讲比例较大，组织教师进行专题研讨的比例不够。这本身也反映出教学过程所采取的传统的“传授”方法有很大关系。其二，讲改革理念的比例偏大，讲教学过程和教学效果变化的比例不够。其三，讲教学改革个例多，而模式总结少，而个例的推广性不够，造成基于CDIO模式的教学方法改革进展不够快。