基于CDIO工程教育改革的探索与实践顾佩华 (课堂PPT)

顾佩华2010/4/24北京西郊宾馆,基于CDIO工程教育改革的探索与实践,1,.,目录,工程教育改革的背景和必要性CDIO工程教育理念与方法汕头大学工程教育改革与实践观察与思考,2,国家主席胡锦涛同志说:,“我们要始终把培养造就高素质人才作为根本大计，努力建设宏大的创新型人才队伍。人才是事业发展最可宝贵的财富。世界范围的综合国力竞争，归根到底是人才特别是创新型人才的竞争。社会主义现代化事业的不断发展和创新，归根到底有赖于各方面创新型人才的创造性思维和创造性活动。”,-2008年11月7日在北京人民大会堂召开庆祝神舟七号载人航天飞行圆满成功大会的讲话,工程教育改革的背景和必要性,3,前美国工程院院长RichardMorrow说：,thenationwiththebestengineeringtalentisinpossessionofthecoreingredientofcomparativeeconomicandindustrialadvantage.,“拥有最优秀工程人才的国家就已经拥有了取得经济和工业相对优势的核心原料”,-TheGreenReport-EngineeringEducationforaChangingWorldASEE1994,工程教育改革的背景和必要性,4,2001年我国加入了世界贸易组织（WTO），经济与社会得到了快速的发展，并逐步开始融入全球一体化的浪潮之中，这一变革，也正在对高等工程教育产生很大的影响，必须主动融入到全球经济和社会的大循环中去，并符合全球化的趋向。,这一切都在促使变革,中国工程教育现状与挑战,全球经济一体化与挑战,工程教育改革的背景和必要性,5,20世纪中期以来，工程教育主要是以在实际操作能力为主、主要考核的是工程师们的实际工作能力。随着工程科学的发展，工程教育越来越偏重工程科学和复杂的分析工具，而逐渐和实际操作能力相脱离。,对于毕业生专业技术知识的要求在不断提高；工程人员必须拥有良好的团队协作精神、系统分析能力及实际动手能力，以适应现代化工程团队、新产品及新技术开发的需求。,工程教育的发展简述,经济全球化背景下，现代企业的需求:,自80年代始，以计算机普及和互联网出现为主要特征的信息革命开始改变世界格局材料科学、生命科学等科学的迅猛发展不可逆转地改变了工程实践对学生和工程师提出了更高的要求，除掌握日益增加的专业知识和技能外，还要比以往更懂得人文方面，了解许多全球问题，敏于文化多样性和高效的交流能力，及主动学习和获取知识的能力学生必须在规定的时间内，综合掌握这些领域的知识和能力,新技术快速发展对工程教育的影响:,工程教育改革的背景和必要性,6,世界工程教育所面临的共同挑战是,在给定的学制内让学生获得更宽更深知识的同时获得足够的个人、人际交流能力和产品、系统和过程的建造能力工程素质和能力如果不对传统的课程体系、教学理念和学习方法等作出重大变革，战胜这个挑战将是一件不太可能完成的任务,工程教育改革的背景和必要性,7,MIT，RoyalInstituteofTechnology，ChalmersUniversityofTechnology，LinkpingUniversity于2000年得到了KnutandAliceWallenberg基金的资助，经过四年的探索研究后创立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO国际合作组织。,CDIO代表构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运作（operate）；它是现代工业产品从构思研发到运行乃至终结废弃的全生命过程；CDIO工程教育理念就是要以此全过程为载体培养学生的工程能力，包括个人的工程科学和技术知识，学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统调控等方面的能力。,CDIO简介,CDIO工程教育理念和方法,8,CDIO的核心内容为：,1个愿景（vision）1个大纲(Syllabus)对学生4个层面的能力要求12条标准(12Standards)对是否实践CDIO教学理念的判定标准,CDIO的要求,CDIO的愿景（vision）,是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思设计实现运行(CDIO)过程的背景环境基础上的工程教育,改革从培养目标、课程计划、教与学、实践场所、教师能力提高、学生能力评估和改革质量评估等全方位进行,CDIO改革的三个总体目标把学生培养成能够:,熟练掌握技术基础知识；领导和参与新产品和新系统的开发和运行；了解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响。,CDIO工程教育理念和方法,9,1技术知识和推理能力,2个人职业技能和态度,CDIO工程教育大纲和要求,CDIO大纲的4个层面,复杂的工程系统（技术）有成熟思维的个体（个人）基于工程环境的现代团队（团队交流）构思设计实施运行（CDIO）,CDIO工程教育理念和方法,10,3人际交往能力：团队工作和交流,4企业和社会环境下的构思、设计、实施和运行系统,CDIO工程教育大纲和要求,CDIO工程教育理念和方法,11,CDIO的12条标准,CDIO工程教育理念和方法,12,CDIO教育改革的几个主要方面,以CDIO为工程教育的背景环境：采用这样一个基本原理，此原理将产品、过程和系统生命周期的开发与运用构思、设计、实现、运行作为工程教育的背景环境一体化课程计划：增加丰富的实践项目并辅以工业实习，利用课堂和现代学习场所/实验室使计划具有活泼的、实践的、团队的特色。及时与外界沟通，通过广泛评估与评价不断改进计划.一体化教学方法：现实：学习的主动性能极大的提高学习效率，所以：应增加主动学习和动手实践；强调分析问题和解决问题的能力；增强概念方面的学习；加强学习反馈机制.实践场所：将构思、设计、实现和运行经验融于CDIO学习环境中，设立支撑C、D、I、O活动的实践场所。学习评估：不同的能力用不同的方式进行考核，专业知识可用试卷或口头测验，而CDIO相关的能力则可采用记录、报告、自评、互评等等形式进行，考核方式的多样化促使学习方式广泛化，并能建立更完整可靠的评价系统.教师能力的提高：现在的教师普遍缺少工程实践经验，而要他们指导学生工程实践能力的提高，他们自己就要提高；此外，因为要在学习过程中实现学生知识和能力的双重获取，教与学的方式就必须有所改变。专业评估：教学改革的方向、所取得的成绩和需要解决的问题都需要有规律地对照改革目标进行评估与反馈，达到持续改进,CDIO工程教育理念和方法,13,首先要回答两个中心问题：,工程师需要具备哪些知识、能力和态度？工程教育应如何使学生具备这些知识、能力和态度？,为什么需要CDIO？,因为现代工程师所从事的工作就是服务于现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程而在这个服务过程中他们不仅需要学科知识，而且需要具备个人能力、人际交流能力和产品、系统和过程的建造能力-工程实践能力,CDIO工程教育理念和方法,14,要知道工程师需要具备什么样的知识、能力和态度，就要看现代工程师都在做些什么工作,现代工程师总是在领导或具体从事产品、过程或系统的构思、设计、实现和运行中的某个环节或全部过程,为什么需要CDIO？,CDIO工程教育理念和方法,15,为什么需要CDIO？,要回答两个中心问题：工程师需要具备哪些知识、能力和态度？工程教育应当如何使学生具备这些知识、能力和素质？,然而，现在的工程教育却未能提供适当的机会让学生得到相应的知识、能力和态度,工业界对工程师素质要求的改变：如波音公司的10条要求工程教育认证标准的改变：如ABET的EC2000的11条要求,所以在美欧：,20世纪90年代开始大规模的工程教育改革.,从1970年代起工业界要求工程教育增加对个人、人际交往和产品、过程和系统的建造能力的培养，例1978英国“FinistonReport”伯纳德戈登（BernardGordon,A/D转换器的发明者、美国国家技术奖章获得者、美国工程院工程教育戈登奖的捐赠人）在1984年欧洲工程教育学会年会上说“全世界。都对工程教育的现状感到不甚满意”。,CDIO工程教育理念和方法,16,要回答两个中心问题：工程师需要具备哪些知识、能力和素质？工程教育应当如何使学生具备这些知识、能力和态度？,CDIO工程教育理念对第二个问题的回应：产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行应该成为工程教育的背景环境，这是因为：,这些就是真正的工程师所做的工作这样才能满足社会和工业界对工程教育的能力要求这是培养工程学生掌握这些能力的最自然的环境,为什么需要CDIO？,CDIO工程教育理念和方法,17,CDIO改革要在专业层面上才能真正体现它的精髓（知识、能力和素质的一体化培养）,CDIO采用各种学习方法，但这些方法本身不代表CDIO的全部，如：,基于问题的学习（problembasedlearning）基于项目的学习（projectbasedlearning）主动学习方法（activelearning）,CDIO不是：,典型案例组织教学（或解剖麻雀）,CDIO同一些已有的概念有联系，但具有不同的内涵，如：,产学合作或产学研合作“做中学”,CDIO工程教育理念和方法,18,CDIO教学改革是从工程教育的基本定位-培养满足社会需求的工程从业人员出发，首先以合格的现代工程师所必需具备的知识，能力和素质作为工程教育的教学大纲的基本内容，然后确立以CDIO为工程教育的背景环境，采取全面措施有效实现目标，并实现目标的自我更新和改革的持续发展。是符合科学发展观的一个改革理念。,CDIO工程教育理念和方法,19,传统的工程教育模式主要以学科知识为核心，对历史、社会和环境的认知与责任方面的教育，工程的职业道德与诚信，以及团队意识培养有待加强，使得现代企业对高校培养的毕业生的认同感不太高。为更好的实现工程教育改革目标，在CDIO的基础上，汕头大学提出建立一设计为导向的EIP-CDIO培养模式：即注重职业道德(ethics)、诚信(integrity)和职业素质(professionalism)培养并与构思设计实施运行进行有机结合的工程教育新模式。将职业道德和诚信（EIP），与构思设计实现运作(CDIO)进行有机结合。,汕头大学EIP-CDIO理念,如何实施CDIO工程教育改革？,汕头大学的工程教育改革与实践,20,EIP-CDIO教育改革目标,吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程师认证的课程体系，培养学生系统工程技术和创新能力。提出新的EIP(Ethics,Integrity,Profession)-CDIO培养模式，以职业道德和诚信为基础、设计为导向的开展以构思设计实施运行为指导思想的工程教育理念，形成工学院培养应用型人才的定位和本专业特色。,培养具有高度社会责任感、人格健全、良好职业素质、设计和创新能力，具备终生学习能力的、符合国际化标准的工程技术人才。,人才培养目标,汕头大学EIP-CDIO理念,汕头大学的工程教育改革与实践,21,人才培养和核心课程体系改革,大纲（Syllabi）/课程学习结果（LearningOutcome）比较矩阵图,教学大纲,课程,学习结果,培养目标包括汕大学生特质培养,教学大纲知识、能力、素质的具体要求,学习结果Learningoutcome知识、能力、素质,具体课程,课程体系,课程群模块,基于项目的学习ProjectBasedLearning,基于问题的学习ProblemBasedLearning,探究式的学习InquiryBasedLearning,主动学习和实践的教学方法,案例教学Casestudying,实习与实践Internship&co-op.Edu,教学方法Teaching&LearningMethods,课程大纲Curricula,教学大纲Syllabi,目标Goal,科研教学融合学习Research&TeachingIntegration,汕头大学的工程教育改革与实践,22,开设工程师职业道德课程，进行EIP能力的全面、系统性培养。聘请国内外大师、跨国企业领袖等，开设一系列讲座、论坛（如世界工程师论坛、主题沙龙等），强化EIP教育与熏陶。通过学生EIP-CDIO素质拓展训练营等各类活动，以生动活泼的形式将EIP传递给每一个学生。贯穿于4年的大学学习过程。要求教师以身作则，教书育人，潜移默化，将优秀的职业风范传给学生。通过教学、实践环节，训练学生处处以EIP要求自己，使职业道德成为习惯。在培养方案的制定中，注重人文精神的熏陶，从而使培养出的工程师具备优秀的职业道德、正直、富有责任感。,汕头大学EIP-CDIO理念,EIP能力培养,杨叔子院士为我院学生做EIP报告,学生在各类社团活动中体验EIP,EIP-CDIO素质拓展活动,邀请院士开讲首次世界工程师论坛,汕头大学的工程教育改革与实践,23,以设计为导向的EIP-CDIO培养模式,以一级项目设计为主线，完整的、有衔接的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（CDIO）的整体训练。通过项目设计将整个课程体系有机的、系统的结合起来。其特点是：所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心，并与这个核心融合在一起，形成一个整体。,汕头大学的工程教育改革与实践,24,以设计为导向的EIP-CDIO培养模式,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，并对本专业有形成较清醒的总体认识将CDIO项目按规模和范围划分为三级，1级为包含本专业主要核心课程和能力要求的项目；2级为包含一组相关核心课程、能力要求的项目；3级为单门课程内为增强该门课程能力与理解而设的项目。3级项目的设立与否及形式由各门课程大纲根据需要确定每专业至少有二次1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1级项目；而以毕业实习+毕业设计为第二次1级项目。每个1级项目作为一门课程单独计分以三至五个2级项目为载体加强本专业核心课程的学习与应用,汕头大学的工程教育改革与实践,25,机电专业培养计划和课程体系（鱼骨图）,汕头大学的工程教育改革与实践,26,第二年至第四年每年都有一个具体的设计和研究项目（open-ended）学生分成团队4-6个人，每个团队有一个项目，如楼梯爬行机器人，从设计要求、功能设计、概念设计和系统设计、电气、传动、机械结构、控制系统到制造出来；培养设计、创新、协调、沟通和领导能力（每个团队的组成轮流担任，每个学生都有当领导的机会），增强学生的自信心；这种开放型的项目，使学生有机会把知识有机的联系起来，应用知识，有可能用到没有学过的知识，因此学生要学会以探究方式获取知识，整个过程体现CDIO,一级项目（project）,二级项目是基于课程群，每个课程群都有一个项目设计、制造、控制、检测这些项目相当于综合性的课程设计把相关联的课程知识有机的结合起来使学生认识到有机和关联的知识群而不是孤立的知识点课程群的建设与实践结合起来消除内容重复，可减少学时数,二级项目（project）,三级项目（课程项目）,每个教师都有知道自己的课程在整个专业培养体系中的作用，包括知识能力培养中的贡献在构建学生的知识体系中有什么作用每门课程涉及那些能力和知识每门课程中应有20-30%时间用于互动、启发式、探究式的学习，引导学生提出问题，找到解决问题的方法，提取概念和有规律性的方法；新的知识,应当注意到，这些项目的进行所需要的很多重要，但非核心的知识能力无需专门开设专门课程而只需要设计适当的考核要求和极少的帮助即可。比如，组织管理、会议议程、会议记录、决策过程和方法、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、电脑和软件的使用、自信心提高等等，比较深一点的如行业发展、科技前沿、市场分析等也可以通过指导收集资料、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和决定成败的一些细部要求和规范、标准的要求,所有的项目均为团队合作项目，学生在项目进行的过程中学习探索、综合应用知识，锻炼团队精神、学习基本项目组织、管理，培养CDIO能力。,EIP-CDIO,汕头大学的工程教育改革与实践,27,课程大纲实例,以设计为导向的CDIO培养模式就是以：,1级项目为主线，以2级项目为支撑，3级项目与核心课程为基础，将核心课程的教育同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企业和社会环境下的产品的构思-设计-实施-运行能力一起进行系统的培养，从而使得以各学科相互支撑的设计项目和课程安排达到一体化。课程中的实验与教学内容紧密结合，相互支持。从而培养学生学习、应用知识的能力和工程实践能力。,汕头大学的工程教育改革与实践,28,每一个项目也都是一门课程，都有其教学大纲和学分要求，并针对CDIO教学大纲的能力要求制定明确的“介绍”、“讲授”和“应用”要求。大纲不仅规定了学习、应用和考核的要求，而且明确承诺本项目对CDIO教学大纲所设定的能力目标进行必要的“介绍”、“讲授”或“应用”。专业课程计划中的每一门课程也都应用同样的模版对CDIO能力培养负责。所有课程、所有教学环节都围绕CDIO教学大纲进行培养就在整体上实现对学生工程知识和工程实践能力的一体化培养。,汕头大学的工程教育改革与实践,29,例：机电专业一级项目机电系统设计与制造I,汕头大学的工程教育改革与实践,30,例：土木专业结构力学课程中的结构设计竞赛对CDIO教学大纲的承诺,考察CDIO教学大纲可知，工程能力不是简单的“动手能力”或“创新能力”需要详尽的教学大纲和培养模式的指引。例“结构设计竞赛”,小组参赛（CDIO大纲3.1团队工作，3.2交流）；文献研究（2.2.2查询印刷资料和电子文献）；制定计划、会议讨论（3.1.2团队工作运行）；应用所学结构的知识建模并分析（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）；理解材料，材料性能测试（2.2.3实验性的探索）；设计介绍（3.2.6口头表达和人际交流）；竞赛回顾分析（2.2.4假设检验与答辩）；反思（2.5.1职业道德、正直、责任感和负责任），观察报告，自我评价（2.4.6求知欲和终身学习），可能的改进（4.6.4系统改进和演变）；文字报告（3.2.3书面的交流）,汕头大学的工程教育改革与实践,31,采用探究式学习（Inquiry-basedLearning）与经验学习（ExperientialLearning）的主动学习方式,重点更新教学观念，从过去的“以教师为中心，使学生知道什么”的传统教育观念，转变成“以学生为中心，学生学到和用得怎样”的新观念，引导学生“主动学习”；在教学过程中教师应提出问题引导学生思考研讨，增加主动学习和动手实践，强调分析问题和解决问题的能力，增强概念学习；,是将所有实验课全部并入相关的课程内，任课教师自然成为该课实验课教师之一，并主导实验内容、统筹安排课程内的实验，并针对现在的学生缺少实际动手能力，安排丰富的设计性和综合性实验，尽量让学生亲自动手和全身心投入进行；压缩授课学时，部分课程采用边讲边实验边讨论的灵活方式，让学生成为课堂上的“主动者”；突出培养学生的创新精神、实践能力、自学能力、综合能力、交流沟通与表达能力、团队合作精神和对大系统的适应与调控能力；最后我们为整个培养计划设置丰富的实践项目并辅以工业实习，利用课堂和现代学习场所/实验室使计划具有活泼的、实践的、团队的特色。,汕头大学的工程教育改革与实践,32,基于学科交叉与能力培养为中心的CDIO创新实践中心,为有力调动学生的创新积极性，鼓励学科交叉，工学院设立以CDIO创新实践中心为核心、结合各专业创新实验中心的系统化的工程创新实践平台。创新中心实行团队项目负责制，不同专业的学生组成研发团队，教师与学生共同管理，专业教师进行技术指导，积极探索应用性、开发性的学生科技创新实践模式，以全面提升学生的EIP-CDIO能力为目标。,部分学生设计的项目,汕头大学的工程教育改革与实践,33,汕头大学工学院现有本科教学实验室40个，结构合理，满足教学需要实验室11000平方米，其中本科教学实验室近8000平方米自2006年3月以来，工学院更新改造实验室及购置新仪器设备,改善教学环境,机器人实验室,测试技术实验室,柔性制造系统实验室（FMS）,工程材料实验室,传动与控制实验室,公差实验室,金工实习基地,电路实验室,微机原理实验室,机械加工实验室,通信实验室,为配合EIP-CDIO培养计划的实施，学院建设600多平方米CDIO创新实践中心,工学院5个专业学生的公共实践平台，学生可以组队申请项目在中心内进行他们的科技实践活动各专业建立适合本专业CDIO能力发展的创新实践中心院、系实践中心结合形成系统化工程创新实践支持平台,汕头大学的工程教育改革与实践,34,美国和瑞典是创新较强的国家。CDIO