基于的创新型工程人才培养模式研究与实践

基于CDIO的创新型工程人才培养模式研究与实践

——成都信息工程学院的工程教育改革实践

王天宝　程卫东

工程教育的目的是为使学生将来成为一名具有专门技术、社会意识和创新精神的成功的工程师打下良好基础。然而我国传统的工程教育模式主要以学科知识为核心，缺乏对历史、社会和环境的认知与责任方面的教育。针对这一现状以及全球竞争与合作的环境，在充分研究与吸收CDIO国际工程教育理念的基础上，我们对工程教育的理念、目标和模式进行再认识；运用CDIO理念对电子信息类的培养定位、目标、培养计划、课程群、实验实践体系、考核方式与评价手段、教学方法以及质量控制体系进行了全方位的构思与设计，并予以实施。

一、对工程教育的再认识与再设计

1.对工程教育的再认识

在CDIO国际工程教育理念的基础上，结合我国当前大学扩招后的实际需要和我校多年改革经验，真正践行学校“育人为本、德育为先”的人才培养教育理念和“崇尚应用之创新，追求应用之卓越”的教学理念，创新性地提出了建立自然分层、因材施教的CDIO培养模式，即根据学生自身的基础和爱好进行分层培养，发展学生个性，注重培养综合素质；将因材施教的思想与CDIO有机结合，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，并在各个培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的毕业生具备高尚的职业道德，正直且富有责任感。

2.对工程教育改革任务的再构思

为了加强对CDIO教学改革的组织领导工作，电子信息类专业成立了CDIO工程教育改革小组，组织相关教师对照CDIO大纲，对传统的课程计划和教学大纲进行深入的分析，找出素质教育、知识结构和能力培养方面的差距和缺失，并根据我们的实际情况，提出了CDIO改革目标，即在课程体系、教学结构与内容、教学方法、教学观念、学科专业、教学评价方法、学生考核方式、实验实践教学、学生入学水平的提高等方面开展全面改革。在明确改革任务的基础上，我们开展了一系列有关CDIO框架与内涵的全面研讨，包括指导思想、培养目标、培养计划、课程大纲、教学方法和考核方式等方面。

3.对工程教育人才培养方案的再设计

在依据CDIO理念、大纲和标准精心设计知识、能力、素质培养的“三位一体”人才培养方案过程中，我们进行了全新的探索与实践。

第一，将过去“以知识传授为主要目标”制订人才培养计划和教学大纲的传统模式转变为“以各种知识传授为载体，以能力与素质培养为主要目标”的新模式。新模式是以工程教育的新目的（为使学生将来成为一名具有专门技术、社会意识和创新精神的成功的工程师打下良好基础）为前提的。

第二，紧紧围绕未来工程师的职业素质——专门技术、社会意识和创新精神，以工程设计为导向，以“应用系统、功能模块、基本单元”为主线，以学生个性化发展为核心，精心设计知识、能力、素质培养三位一体的一体化培养方案。

第三，打破仅用一个标准或一种方法来衡量学生成才的旧模式。结合我们自身的特色，建立了自然分层、因材施教的CDIO个性化人才培养方案，即根据学生自身的基础和爱好进行分层培养，实现个性化发展，注重综合素质培养，并与CDIO进行有机结合，提出了实施CDIO的“三位一体”培养方案的全套培养大纲。

4.实施本科双导师制

为了使CDIO工程教育改革稳妥进行，我们对学生进行了CDIO理念的培训，并创设了校内科学导师加校外工程导师的“本科双导师”制来配合CDIO改革。所有学生均按专业和兴趣组成学生团队，由不同的导师进行指导，四年均不变化。团队各成员轮流担任负责人，以培养其组织、管理和协调等能力。导师为团队建立档案，制订能力培养计划，通过项目的组织实施来培养学生的CDIO能力。实施一年多来，成效显著，受到学生普遍欢迎。

5.加强硬、软件环境建设

按照CDIO教学计划的要求，各系对教学实验室进行全面整合，并购置了一些新的实验仪器设备，新建了若干科研实践实验室。为更好地调动学生的创新积极性，鼓励学科交叉，还建成了学生创新实验室，其面积达200多平方米，并配备了先进的设备。同时，还对学生创新项目进行资助，每年资助20项，分为重点项目、一般项目和培育项目，分别给予不同额度的经费支持。学生必须经过需求调查、申报、答辩等环节才能争取到项目资助。创新项目实行团队项目负责制，由学生管理，由教师进行技术指导，积极探索应用性、开发性的学生科技创新实践模式，其目标是全面提升学生的CDIO能力。经过以上整体建设，学校为电子信息类专业学生协作创新提供了优越的硬件环境。

为了配合CDIO教学改革，我们特别注重各种软环境的建设，包括人才引进以及规章制度的建立与完善；积极聘用有国际教育背景的及拥有丰富实践经验的教师，引进了多名国内外知名高校的各类高学历、高水平人才；特别注重培养青年骨干教师，培养教师的职业责任感及宽广的国际视野，同时还聘请有丰富工程实践经验的工程师来校参加教学和指导学生。为了使这一改革制度化、规范化、系统化，依托校院两级教学指导委员会，组织教师学习和研讨与CDIO相关的各种文件，形成各专业改革的指导思想、培养目标、培养计划、课程大纲、教学方法和考核方式。目前正在改革教师工作的评价体系与方法，鼓励卓越教学。

6.参与国内CDIO组织活动与交流

我们承担了全国CDIO工程教育试点组电类小组的教育改革组织和领导工作，还举办了全国电气类CDIO工程教育改革试点工作会议。会议围绕电气类专业CDIO工程教育改革的思路、方案、内容和步骤等进行了深入探讨，特别就电气类专业教学大纲、示范课程大纲、课程计划等重要工作拟定了详细的工作计划并确定了任务分工。

二、构建“三位一体”的人才培养方案

在依据CDIO理念、大纲和标准设计知识、能力和素质培养的“三位一体”培养方案过程中，首先，我们以工程师职业角色匹配设计方式建立了自然分层、因材施教的CDIO个性化人才培养框架。其次，在该框架下，我们以课程群设置为突破口，变传统的自下而上的课程群组织方式为自上而下的组织方式。“自下而上”是先基础后专业、先微观后宏观、先局部后整体，其缺陷是初学者往往不知为何要学习该课程、该知识模块学后有何用处。“自上而下”是以工程设计为导向，以日常工程设计作背景，先给出宏观的、整体的工程概念，由宏观到微观，由整体到局部，由工程所涉及的专业知识到专业知识所涉及的基础知识。

如图1和图2所示，我们在详细分析电子工程师职业的社会需求的基础上，提出了系统架构师、设计师（包括模数混合电路设计师、射频电路设计师、集成电路设计师、嵌入式软件设计师）和应用工程师的三类角色分类培养的匹配设计。

图1　角色分类培养的匹配设计及其基本要求

图2　角色分类培养的匹配设计及知识模块、工具和技能要求示意图

这三类角色是学生通过系统学习后可能达到的不同目标。所有学生均从应用工程师开始学习，根据知识掌握情况，逐步成为设计师甚至系统架构师。每种角色的基本需求都包括知识需求、工具需求和技能需求三部分。知识需求由基本知识模块及需要进一步提高和深入的知识模块构成，这些模块化的知识构成了课程群的核心。学生在应用工程师的基础上可以根据自己的兴趣和能力选择学习不同的设计师角色所需的相关知识模块，从而形成与角色相关的个性化培养方案，朝设计师目标努力；同理，学生还可在设计师的基础上通过学习而成为系统架构师。学生要通过不同知识模块的学习、工具的掌握和技能的培养才能最终成为不同的角色。这种方法有效地解决了因材施教的难题。传统的课程过于注重理论的完整性，重视分析计算而忽视工程应用。改革后的课程兼顾经典内容和现代技术，强调基本理论，重视方法而不是内容，重点强调工程应用。

三、“三位一体”的一体化人才培养方案的实现与运作

仔细分析国内外的CDIO改革，单从教学内容的角度看相差无几，但是如何使学生获得优秀的职业技能与综合素质，教师的教学理念、教学方式、理论与实践水平及学生学习方式等都存在着相当大的差距。这些差距明显地存在于教师教学与学生学习的过程之中，体现在学习的经验获取上，在学生主动获取知识的能力上，在能力、知识、态度和综合素质上，在学生的工程师职业技能训练方法上，在教师的自身理论、实践和教育水平的差别上，甚至在教师的职业态度与道德标准上。

基于上述原因，我们着重关注并认真深入地思考了以下问题。一是一般本科院校在生源质量相对不高、学生间差距明显的条件下如何因材施教，让每个学生都成人成才，现在的教育模式是否满足将来的发展要求？二是工程教育认证方法是否需要更加深入和具体，从而能真正考查学生的综合能力？三是如何建立工程教育质量和培养目标的保障系统？四是如何正确处理好科研与教学的关系？学校及其领导层有何作为？五是怎样才能处理好良性竞争和诚信合作关系？六是如何实现工程教育国际化与本土化的结合？在此基础上，我们对“三位一体”人才培养方案进行了实践。

1.一体化人才培养方案教学大纲的编制

根据培养目标的定位，一体化人才培养方案的教学大纲除提出了常规的要求外，着重在课程概述及相关课程关系、课程教学对象与教学目的、课程内容、学时分配、主要的教学方法、实践环节的要求和课程考核等方面提出了更高的要求。如“信号与系统”课程教学大纲中的相关课程及项目关系的描述见图3。

对于教学目的的描述，用二级指标方式明确表示该课程对学生学习成果的要求。如“信号与系统”课程教学大纲描述了指标及达标要求（见表1），要求重点完成指标1.1、1.2和2.2。

2.课程体系结构与内容的改革实践路径

要实施自然分层分流，因材施教以及“三位一体”CDIO培养方案就必须深化原有课程体系、结构和内容改革。

图3　相关课程及项目关系的描述

注：从左到右为时间顺序，从上到下为开课时序

表1　“信号与系统”课程教学大纲关于教学目的的描述

注：表中所列指标含义如下。

A：认知——从教、学活动或生活经验、社会经验等多种信息渠道获得知识，侧重知识的获取，没有实训要求；

B：训练——教、学活动中由教师引导开展的基础测试或练习，有课程讨论、课后研讨等环节；

C：实践——以学生为主导，通过实训而形成的对完成某种任务所必需的活动方式，匹配有课程的三级项目或其他实践环节；

D：探索——学生独立探寻问题、摸索、解答的活动，不设置专门的考核。

“—”表示无要求。

为此我们提出了“一个核心、一个导向、三个层次、一条主线”的改革路径。“一个核心”是指以角色为核心——以电子信息类学生未来可能从事的职业的基本需求为基础设定了三类角色（系统架构师、设计师、应用工程师）。“一个导向”是指以工程师职业训练为导向。通过与专业充分结合的工程性（综合性）的一级项目、二级项目、三级项目的团队式训练（以一级项目所分解的子系统作为二级项目，以及以二级项目所涉及的单元性功能模块作为三级项目），将对工程专业学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力的培养深度地融入到全程的教育教学过程之中。“三个层次”是指将课程体系的结构和内容分解为“应用系统、功能模块、基本单元”三个层次。“一条主线”是以“应用系统、功能模块、基本单元”为主线贯穿于课程体系的结构和内容的优化设计中。图1与图2所示的角色分类培养的匹配设计充分体现了上述改革路径。

图4通过介绍电子技术课程群的课程体系结构和内容的优化设计，来进一步说明改革路径。电子技术课程群由“工程设计导论”课程、原“电路分析”与SPICE结合后构成的新“电路分析”课程、原“模拟电子技术”与Multisim/Electronic Workbench结合后构成的新“模拟电子技术”课程、“脉冲与数字电路”与“HDL与可编程逻辑器件”结合后构成的“数字电子技术”课程、“微机原理与接口技术”与“单片机原理及其应用”结合后构成的“微机原理”课程、“电子设计基础”课程与“电子技术综合设计”课程、优化分离后的“高频电子线路”课程和面向应用提高的“嵌入式系统”课程构成。所有课程内容均可在应用系统中找到其用处。其中，“工程设计导论”以控制系统、雷达系统和通信系统三个系统的实现实例为主线来组织内容，从系统设计的角度表明实际电子系统的设计方法及其所需要的知识。通过引入top－down的设计方法，让学生首先建立系统的概念，明确一个系统是如何构成的，并带着问题去学习知识，找到解决问题的方法，形成教师主导、以学生为主的教学方法。通过“模拟电子技术”讲授模拟电子基础知识，同步引入仿真软件；利用后续的“高频电子线路”课程讲授模拟电子系统的分析与设计方法。通过“数字电子技术”讲授数字电子技术基础知识，同步引入VHDL语言，利用Altera公司的Quartus软件和可编程器件作为训练学生进行数字电子技术综合设计的应用平台；通过“微机原理”讲授微控制器原理及应用的基础知识，利用单片机作为实践应用基础平台，同步引入Proteus软件，并将后续的“嵌入式系统”课程作为电子产品设计中应用高级微控制器的综合训练平台。注重课程群中各门课程内容的良好衔接，同时也强调知识的综合应用；引导学生以单片机、HDL与可编程器件作为编程训练及综合设计的载体。电子技术课程群课程体系结构和内容的优化见图4。

图4　电子技术课程群课程体系结构和内容的优化

我校长期重视实践教育教学体系的建设，重视培养学生的创新意识和实践动手能力。电子信息类各专业虽已建立了较为完善的实践教育教学体系，但通过引入CDIO，我们找到了不足与差距——原有的实践项目之间还缺乏有机的、整体的、完整的一体化设计。CDIO要求引入两个或两个以上的CDIO一级项目。事实上，之前我们已有基于课程群的综合设计项目和基于课程的课内设计项目。引入CDIO后，可从系统层面考虑设置两个CDIO一级项目，一个在开设“工程设计导论”课程时引入，另外一个可从二年级开始引入，并与专业相关联；系统地考虑该一级项目，所需的模块可作为二级项目在课程群中引入，而三级项目直接和课程相关。图5为CDIO一级项目组织示意图（以电子信息类通信工程专业为例）。

图5　CDIO一级项目组织示意图

CDIO能力大纲中所要求的各种能力如组织管理、报表、文字和图像处理、撰写报告、查询和阅读资料、口头交流、口头报告、行业发展、科技前沿、市场分析等，可以通过本科导师指导收集资料、集体研讨进行交流、学习。切实理解从理论到实现的综合过程以及决定成败的一些细节要求和规范、标准等均需要借助于各级CDIO项目的实施。CDIO项目的选择非常关键，一方面需确保电子技术基本要求，需要一个可涵盖电路技术的一级项目；另一方面需要一个与专业相结合的综合性的一级项目。一级项目需要的子系统可分解，作为二级项目预先实现。

通过上述课程体系结构与内容的改革，并通过精心规划的CDIO项目，引导学生产生对核心专业课程的学习兴趣与特别关注，从而达到工程教育的培养目标，这种新的教学设计思路与以往培养计划有明显的不同：①通过具有导引性的“工程设计导论”课程，重点教授工程设计中所需要的各种方法，引导工程实践入门，激发学生兴趣，让学生尽早领略工程技术之美；②压缩专业选修课程，强调基础，重视课程之间、课程群之间内容的优化和有机联系，并配套改革公共基础课程，对数学、物理、英语和大学体育的内容和开设方式提出了具体的要求；③通过贯穿核心课程学习全过程的CDIO项目，让学生在学习专业知识的同时亲身体验高级设计过程，使知识的学习和应用形成良性互动。

我们将CDIO项目按规模和范围划分为三级，一级为包含本专业主要核心课程和能力要求的项目，二级为包含一组相关核心课程和能力要求的项目，三级为单门课程内为增强该门课程能力与理解而设的项目（三级项目的设立与否及形式由各门课程根据需要确定）。

一级项目要求能完整、有衔接地贯穿于整个本科教学阶段，使学生系统地得到构思、设计、实现、运作的整体训练。每专业至少有两次一级项目训练，一般可以在一、二年级开始进行第一次一级项目。例如可通过对一个产品进行解剖，了解其构成与设计，使学生提前了解即将学习的本专业核心内容与实际产品的关系，从而从一个工程师的角度去面对即将开始的专业课学习。同时通过一个早期项目的构思与设计，激发学生兴趣，展示该项目早期的创新思维与构思，并让学生建立起一定的整体概念。与专业相关的项目可作为第二次一级项目，这个一级项目可作为毕业设计；经过相关课程与项目的训练，要求学生利用所学知识，系统、完整地展开并完成一个产品项目的构思、设计、实现和运用过程。每个一级项目作为一门课程单独计分。一级项目旨在让学生从解决问题出发探索工程问题，激发他们对工程问题的兴趣，掌握解决问题的途径。

二级项目以相关核心课程群和相关能力要求为基础。作为一级项目的支撑，二级项目既是对相关课程群的综合，也是对整个教学体系的补充，主要培养学生综合应用相关课程内容的能力，特别注重对学生的创新思维能力与终身学习能力的培养。一般以3～6个二级项目为载体，以加强本专业核心课程的学习与应用。每个二级项目作为一门课程单独计分，为配合多门核心课程的教学进度，一个二级项目可以跨学期，甚至跨年度，但每学期都应有考查成绩作为最终计分的一部分。

三级项目是单门课程内的项目。在所学课程为学生提供充足的基础知识背景和数学、科学方法训练的基础上，三级项目根据课程教学自身需要设立小规模实践项目，通过三级项目的训练使学生加深对课程内容的理解与应用。

整个培养计划的思路是，以一级项目为主线，以二级项目为支撑，以三级项目与核心课程为基础，将核心课程的教育同对专业和系统的整体认识统一起来，并结合学生的自我更新能力、人际和团体交流能力以及对大系统的掌握、运行和调控能力一起进行系统的培养。同时，我们认为设计是工程的根本所在，通过设计可以将科学和技术的基本原理放到具体的环境制约之中。对于学生来说，设计的具体性和探索性既可以深化对知识的理解，又能激发学生主动学习的兴趣。配以适当的时间、经验以及对社会、历史和职业道德修养的反思，可以使学生不仅在专业修养上而且在整个CDIO倡导的个人能力、团队能力、系统的适应与调控能力上同时得到培养和提高。

3.自然分层分流，因材施教

必须认识到大学扩招乃至高等教育进入大众化阶段后不同学生的基础、智商、兴趣和志向差异化更加明显的客观现实，打破仅用一个标准或一种方法来衡量学生成才的旧模式，而采用自然分层分流、因材施教的个性化培养方案，营造人人都能成才的育人环境。分层分流、因材施教思想的核心是通过将与学生未来角色相关的知识模块化，所需的工具和必备的技能明确化。模块化的内容又分成基本要求部分和扩展提高部分。所有学生必须掌握最基本的知识、常用工具和必备的技能方能符合培养要求。扩展提高的部分则通过专题讲座的形式对学有余力的学生开出，从而实现分层分流培养，达到因材施教、个性化培养的目的。

在我们的角色分类培养的匹配设计中，充分体现了自然分层分流、因材施教的思想。在前述应用工程师—设计师—系统架构师的不同层级目标设计中，每种角色的基本需求包括知识需求、工具需求和技能需求三部分。知识需求由基本知识模块及需要进一步提高和深入的知识模块构成，这些模块化的知识构成了课程群的核心。学生通过不同知识模块的学习、工具的掌握和技能的培养，最终成长为不同的角色，这就有效地解决了因材施教的难题。传统的课程过于重视理论的完整性、重视分析计算而忽视工程应用，改革后的课程则兼顾经典内容和现代技术，强调基本理论，重视方法而不是内容，重点强调工程应用。

4.配套的教材改革

长期以来，适合一般本科院校学生的专门教材较为缺乏。随着高等教育大众化后生源的多样化，尤其是要深入实施CDIO教育模式，继续使用重点院校编写的教材已经不再合适。我们推行教材改革的基本思路是先编写CDIO所要求的“工程设计导论”、CDIO一级项目实施指导书和电类专业的电路类基础公共课程教材，然后逐步扩展到各专业的专业特色教材。编写的主要方法是按照基本要求和提高要求来重组教材内容。基本部分按照原理、指标、实现方法、典型电路、典型的应用环境、指标的测量和工具（包括软件和仪器工具）等来组织内容，这部分内容要求学生必须掌握。提高部分的内容包括扩展知识、指标的进一步提高方法、实践评估方法、该领域当前技术进展以及需要进一步阅读的资料等。目前，“工程设计导论”、“电路分析”、“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“微机原理”、“高频电子线路”和“信号与系统”等课程教材的编写风格和编写内容已经确定，计划试用一年后出版。

5.学习方法与教学方法的改革实践路径

CDIO主张以一体化学习经验带动科学知识积累和人际交往能力提高，以及产品、过程和系统建造能力的获取。这种经验是把工程实践问题和学科问题相结合。这就要求教师要主动改变教学方法，学生也要找到与之相适应的学习方法。教师要树立以学生为中心的观念，教学生学会学习。比如，可采用基于问题的探究式的教学方法，有效设置问题，激发学生的学习兴趣，引导学生思考；以问题研究作为手段，以运用所学知识解决实际问题为目的，培养学生的问题意识和批判性思维习惯，使之生成新知识的能力和协作学习的能力；强调学生的主体性和参与性。

学生则应主动学习，致力于思考和解决问题；主动学习包括合作、小组讨论、辩论及概念提问，自行设计实验对结论进行验证，从而提升学习能力并养成终身学习的习惯。

6.考核学生的改革实践路径

对学生的考核是对其具体学习成果的度量，也是检验教学改革和教师教学成果的重要手段，同时，这也是质量控制系统中的重要反馈环节。CDIO重视学生的人际交往能力，以及产品、过程和系统的建造能力，并将这些方面纳入课程内容和学习经验中，因而，必须找到有效的考核方法来评估结果。考核方式必须突破原来比较单一的模式，引入形式多样、灵活科学的考核手段，例如，除了传统的笔试和口试方法外，还可通过观察学生的表现以及学生的回顾总结、日记、互评和自评等方式来考核。

7.教师队伍建设的改革实践路径

要想培养出优秀的工程人才，培训和改造师资队伍自然也是重要内容之一。现在我校从事工程教育的大部分教师是本科毕业后直接读研、取得相应学位后走上教育岗位的，非常缺乏生产第一线的实践经验。我校在学校层面上有计划地鼓励和支持工科教师到企业兼职，建立相应的鼓励制度和办法，规定工科教师必须有工程实践锻炼和培训的经历。同时，我们也积极主动吸引企业优秀的工程科技人员到学校任教，以弥补专职师资队伍工程经验的不足。

实施CDIO，还必须改变以论文为主的教师考核方式，注重教师的教学能力，产品设计、过程和系统的工程能力，项目管理能力，团队协作能力，人际交往能力和终身学习能力的综合评价。同时，也应在教师的聘任和职称的晋升等方面改变现在单一的评价模式。这样才能激发教师主动参与改革以及不断提升自我能力的积极性，更好地完成指导学生的任务。

8.双导师制指导下的本科团队实施CDIO项目

实施CDIO一级项目有较长的时间跨度，需要组建稳定的学生团队，指导教师也需要在相应的时间内具有一定的稳定性。在改革培养方案后，压缩出来的时间应投入到CDIO项目中去，这就需要具有工程经验的教师来指导。根据试行本科导师制的情况，我们认为，时间跨度比较大的一级项目宜与目前已经实施的本科导师制结合起来，无论是团队管理、考核还是延续性都可以得到保证，实际中也容易操作。为弥补部分教师工程经验缺乏的缺陷，我校还聘请校外有实际工程经验的符合条件的工程师作为本科团队的校外导师，与校内教师一起组成指导团队，以利于学生工程实践能力的培养。

总之，在充分研究与吸收CDIO国际工程教育理念的基础上，结合我校的人才培养理念和教学理念，我们对电子信息类的培养定位、目标、培养计划、课程群、实验实践体系、考核方式与评价手段、教学方法及质量控制体系等进行了全方位的构思与设计，构建、实施了自然分层、因材施教的“三位一体”的人才培养方案，并将在此基础上不断深化CDIO工程教育改革。

参考文献：

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［7］赵婷婷，赵囡.基于内容分析法的美国高等工程教育专业培养目标研究［J］.大学·研究与评价，2007（10）.

（作者单位：成都信息工程学院；文章来源：《高等工程教育研究》2010年第1期）