CDIO開放教學模式研究

[摘要]CDIO工程教育改革的實施，面臨著學生學習熱情高與教學學時有限的矛盾，如何解決這一矛盾是CDIO教育模式研究者一直關注的問題。針對這一矛盾，首先基于開放與自組織的理念構建CDIO開放教學模式，概括開放教學模式中的各組成部分；接著對開放模式中基于一體化的開放教學、開放實踐、開放教學管理、自組織實現等內容進行深入討論，給出實施方案。本文構建的CDIO開放教學體系，克服了時域與空域的限制，方便學生隨時隨地學習與實踐，減輕教師負擔，為CDIO工程教育改革順利實施提供參考思路。

[關鍵詞]CDIO；開放教學；一體化教學；開放實踐；開放教學管理

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005－4634(2012)02－0027－06

0 引言

CDIO(指構思、設計、實施與運行的英文首字母縮寫)工程教育模式是世界工程教育改革的發展方向，它不僅繼承了上個世紀90年代歐美工程教育改革的理念，更重要的是提出了系統的能力培養教學大綱、全面的實施指引及實施檢驗的12項標準，極具可實現性。CDIO教學模式在機械工程專業教學改革實踐中受到學生的歡迎，激發了學習積極性，學生學習熱情非常高，但也面臨一個難點，就是學生與日俱增的學習熱情與有限的教學學時之間的矛盾。顯然對于學生的學習積極性不能壓制，也不能無限地增加教學學時，為了有效地解決這一矛盾，本文探討通過采用開放教學模式讓學生隨時進行學習與實踐，保障了學生的學習熱情，同時強化學生的自主管理，控制了教學學時的增加。基于這一理念，本文在構建CDIO開放教學模式基礎上，討論一體化開放教學、開放實踐、開放教學管理實施方案。

1 CDIO開放教學模型

CDIO教學模式以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程技術。正是由于CDIO強調學生的主動性，因而有實施開放教學的可能性，但在實施開放教學時也不能放任學生不管，畢竟有一部分學生自覺性不太強，因此在CDIO教學過程中實施開放教學，需要解決教學、實踐、管理的自組織性。在CDIO開放教學中要突破傳統的教師嚴格按照教學大綱要求控制教學內容和進度的被組織過程，充分考慮教學系統的自組織，根據這個思路構建出CDIO開放教學模型，如圖1所示。

從圖1中看到，CDIO開放教學模式包括CDIO開放教學、開放實踐、開放教學管理三方面的內容。開放教學將教學內容、教師、學生三者有機的聯系起來，在一體化課程體系的支撐下構成相互交換的開放體系，教師與教學內容之間進行知識更新的交互，教師與學生進行知識交換的交互，學生與教學內容間進行知識獲取的交互，這三者之間知識流的交換不是單向的，而是雙向的，是相互影響的，保持著知識更新的動力。

開放實踐包括開放實踐項目建設和虛擬實踐系統開發兩個方面。CDIO倡導“做中學”，因而開放實踐有助于CDIO工程教育模式實施。通過開放實踐項目建設，學生能夠開放實踐和從項目中受益。進行虛擬實踐系統開發，實現部分實踐項目的虛擬化，這樣可以協助學生在更大的空間以更大的自由度進行項目實踐。

開放教學管理主要針對一體化教學管理和師生CDIO能力評估與提升。一體化教學管理是針對CDIO工程教育中開放教學、開放實踐的自組織狀態進行監控，使CDIO開放教學有序進行并達到教學目標。師生CDIO能力評估與提升是對教師和學生的CDIO能力進行合理評價，并給出提升途徑。

2 CDIO開放教學的實施方案

CDIO教學是基于一體化課程體系的教學，如何實施開放?需要從教學內容、教師、學生、師生關系四方面進行討論。

2.1 開放教學中的教學內容建設

以機械設計制造及其自動化專業為例討論開放教學中教學內容建設，根據實踐經驗總結，建立如圖2所示的教學內容建設模型。

從圖2看到，開放教學內容建設包括知識點構建的依據、知識點數據庫構建、知識點更新機制、知識冗余消除等方面，在此基礎上對知識點進行綜合重構，形成課程及課程體系，下面分別進行討論。

1)知識點構建依據。首先分析專業知識域與人才培養目標之間的關系，機械設計制造及其自動化專業制訂的人才培養目標是對社會有貢獻的工程師，專業知識域分為機械設計、機械制造、機械控制三大塊，對應的人才培養模型為合格工程師、優秀工程師、杰出工程師。掌握三大知識域中的一大塊并了解其它兩大塊，就是合格的工程師。掌握三大知識域中的兩大塊并了解另外一塊，就是優秀的工程師。當掌握了所有三大知識域，就是一名杰出的工程師。同時，在確定知識點時也調研了利益相關者(教師、學生、校友、企業工程師等)，傾聽他們對機械設計制造及其自動化專業知識點設置的建議。根據專業與人才培養目標的關系及調研利益相關者基礎上從傳統教學內容中抽取知識點。在知識點抽取時不需考慮是否重復，僅針對項目對知識的需求。

2)知識點數據庫構建。當知識點抽取后，就開始構建知識點數據庫。采用關系型數據庫模式進行知識點數據庫構建，構建時將機械專業所有知識點添加在一個表中。該表的主鍵設置要特別注意，以便能夠消除知識點冗余。

整個知識點數據庫包括知識點數據表、課程數據表、知識點表與課程表間的關系表。通過知識點表與課程表之間的關系表聯系知識點表和課程表。知識點數據庫要編寫合適的查詢算法和知識點整合算法，以便通過知識點數據表構建課程數據表。

3)知識點冗余消除。一般可以利用數據庫主鍵不能重復的特性消除知識點冗余，但有時候知識點的數據主鍵設置不合適，還是會出現重復的知識點，因此需要建立知識點重復檢索算法，通過知識點重復檢索，發現知識點冗余后進行數據刪除。

4)知識點更新機制。在當今的信息時代，知識的更新是非常快的，因此建立更新機制保持知識點數據庫的知識點緊跟時代發展。對于機械專業來說，基礎知識點是相對穩定的，一般不需要經常變動。但CDIO教育模式是培養基于國際視野的工程技術人才，需要對機械專業相關進展有一些了解，知識點更新機制主要是針對這些新技術新工藝新設備的更新。通過定期搜索機制，搜索國內外新出版的圖書、期刊、報道，抽取出進展知識點，添加到知識點數據表中。同時也要定期從知識點數據表中刪除一些過時的內容。

5)課程構建。通過對知識點的重新組合并結合產品項目進行一體化課程的構建。在課程構建時要參考學生的能力基礎，以便“因材施教”。做法是：學生上一門課程前進行一個測試，根據測試結果分成不同的教學對象組，因教學資源的限制，分組不能太多，一般一個年級分4～5個教學對象組。

CDIO課程將理論與實踐有機的融合在一起，體現了一體化特征。通過教學實踐，構建有針對性的一體化課程和一體化課程體系，課程體系按知識域分塊，課程域之間保持關聯，優化課程順序。適時與當地企業急需知識點銜接，保持課程動態化，主要是TRIZ理論創新技術的應用與課程化，豐富能夠激發學生創新的教學內容。課程內容要面向多維目標，以便“因材施教”。

6)課程的網絡化。實施CDIO開放教學，要保證學生能隨時隨地地接觸到教學內容，只有通過網絡才能達到這一目標。通過將上述課程和課程體系網絡化，形成一系列的網絡專業課程群，學生能夠通過網絡自主的學習。

網絡課程與知識點數據庫互聯，同步更新。同時學生通過網絡課程實現學生與教學內容的雙向交互，即學生除了通過網絡課程學習外，還可以向教學內容提出修改(更新)的建議。

2.2 開放教學中教師的轉變

CDIO開放教學中教師角色變化比較大，教師不再將教材中知識按部就班地灌輸給學生，而是要創設問題情境，激活學生的已有經驗進入教學過程，使學生能在已有經驗的基礎上主動建構知識。同時還要引導學生自主學習、自覺學習，幫助學生脫離教師而獨立的有意識地學習。因此在開放教學中教師需要具有以下三方面的職能。

1)教師應善于創設學習情境。教師通過創設多元情境，激發學生的學習興趣，引導學生對自身潛能和周圍世界產生深切的感悟，維持良好的學習效果和效率。一般是采用角色扮演、現場參與、虛擬情境等方式創設學習情境。創設學習情境需要對學生興趣和教學內容充分理解，并能對學習情境進行有效地設計。

2)教師應高效地引導學生。教師通過高效積極的引導學生，使得教學過程輕松活躍，學生能夠積極參與、主動思考、合作交流，保持課堂的開放、動態和充滿活力，同時使教學過程成為一個師生互動、共享體驗的過程。師生關系融洽是教師高效引導學生的前提，因此教師要和學生溝通，知道學生的愛好所在，并掌握有效的引導手段。

3)教師應有效地開發教學資源。教師通過開發教學資源，使教師超越教材、走出教室、滿足學生多樣化需求。教師開發教學資源主要途徑有：根據學生初始能力從知識點數據庫中選擇知識點，對知識點進行優化組合形成課程，在這一過程中參考利益相關者的建議；也可從當今技術發展前沿尋找豐富的教學資源。

從以上三方面的要求看出，CDIO開放教學對教師要求更高，需要不斷培訓教師，特別是加強教師與企業工程技術人員的融合，這樣教師在參與教學資源、教學內容建設時可以更有針對性地開發教學資源。同時強化教師與學生的有效接觸，針對目前廣州大學出現的“教師走教”現象，采取教師任教學對象組導師、教師值班制度等方式鼓勵教師與學生的親密接觸，這樣教師能夠掌握學生動態，更有針對性地引導學生和創設學習情境。

2.3 開放教學中學生的轉變

開放教學中要充分體現學生的主體地位，保障學生主體性的發揮，引導學生實現自主、合作、研究的學習方式。學生群體中自主能動性不一致，并不是所有的學生都能夠自覺地完成開放教學中學生角色的轉變，因此促使學生發揮在開放教學中的主體性需要一系列的保障和激勵措施。

2.4 開放教學中的師生關系演變

在開放教學中，師生是精神世界相互開放的民主平等的主體問的關系。師生之間的交往既有常規人際交往的共性，又體現出教學中所獨具的個性。有效的師生交往不僅有助于實現教學目標，而且也是教學目標之一。開放教學中師生關系如下。

1)相互尊重，作為教學中獨立的交往主體，師生之間應該相互尊重。教師尊重學生，就是要尊重每一個學生的感想、困惑、觀點、需要等。

2)相互理解，教學過程是師生共同合作完成的過程，教師的教與學生的學是這一過程中不可分割的有機整體。因此，師生必須在這一過程中相互理解、相互認識，進而相互合作。

3)平等對話，在開放教學中，促使學生主動參與、積極實踐需要平等對話來保證。平等對話是師生間的接納與分享。

4)知識互補，在開放教學中，知識面較寬，學生與教師的知識是互補關系而非單向傳授。

3 開放實踐的實施方案

CDIO開放實踐保障學生在非教學時間能夠進行自主的實踐活動，并能拓展實踐空間，減少實踐時間方面的限制。根據圖1的CDIO開放教學模型，開放實踐應該在開放實踐項目建設和虛擬實踐系統開發兩個方面下功夫。

3.1 開放實踐項目建設

如圖3所示，根據開放實踐的要求，充分激勵教師、實驗技術人員、學生共同參與實踐項目的設計與開發，建立開放實踐項目數據庫。實踐項目主要包括基于知識點的實踐項目(驗證已有知識)、基于創新的實踐項目、基于競賽的實踐項目，并通過實踐參考文件資源保障實踐項目順利實施。

從圖3看出，教師、實驗人員、學生共同參與的實踐項目設計是開放實踐項目建設的關鍵，充分發揮三者的積極性，并樂于構思與實踐，凝練優秀合適的實踐項目，使實踐項目便于開放實踐，啟發學生思考與提高知識掌握牢固度。

基于知識點的實踐項目是在改造傳統的驗證性實踐項目基礎上添加自組織的元素，使學生能夠自主的驗證知識點。這種實踐項目也要注意趣味性及與當下先進技術對接，找到應用的切入點，便于學生“學以致用”。

基于創新的實踐項目包括學生自身根據生活實際提煉出的創新實踐項目及教師根據科研項目提煉出的創新實踐項目。創新實踐項目要高于現有綜合性實驗和設計性實驗，著重培養學生的自主創新能力。創新實踐項目中引入TRIZ理論元素，給學生以創新方法學支持，幫助其提高創新能力。

基于競賽的實踐項目采用競賽的方式激發學生參與熱情、創新熱情等。現在開展的競賽實踐項目主要包括競速車競賽項目、三維建模競賽項目、機器人創新應用競賽項目等，同時還鼓勵學生參與“挑戰杯”科技競賽活動、機械創新設計大賽等大型競賽活動。在競賽項目中，除了鍛煉學生的創新實踐能力外，學生的團隊協作能力也得到了鍛煉。

3.2 虛擬實踐系統開發

機械工程有些產品是復雜的系統，實物設計制造將需要很高的成本，而且有的由于構思缺陷造成的制造失誤會導致浪費，因此，有必要開發虛擬實踐系統，便于學生隨時隨地的進行實踐過程，并減少實踐成本。

虛擬實踐是隨著計算機、網絡和虛擬現實等現代信息技術手段廣泛應用而興起的一種嶄新的實踐形式。可以實現對現實實踐的模擬、對現實可能性實踐的虛擬、對現實不可能性實踐的虛擬，因而比現實實踐具有更大的自由度。

對于機械工程來說，虛擬實踐系統一般以現有的CAD／CAE／CAM／CAPP／CFD軟件系統為基礎，進行二次開發，將這些軟件平臺融合起來，構成一體化虛擬實踐平臺。通過這個虛擬的平臺，學生能夠隨時隨地地進行機械系統的構建、仿真分析、優化設計、仿真制造等，掌握機械專業的設計、制造、控制方面的知識要點。目前主要是利用VisualC++將Pro／Engineer、MasterCAM、ANSYS、FLEUNT等幾個常用的CAD／CAM／CAE／CFD軟件結合起來，自動實現數據交換，構造一體化平臺，便于學生對復雜機械系統的設計、分析與零部件制造等方面進行虛擬實踐。

4 開放教學管理的實施方案

有效的開放教學管理是CDIO工程教育順利實施并取得應有效果的保證。CDIO開放教學管理比傳統的教學管理難度加大，主要是學生在教師不在時的學習實踐的管理與評估以及教師自身的評估等，根據CDIO開放教學管理的實際情況，將CDIO開放教學管理分為一體化教學管理和師生CDIO能力評估與提升兩個方面。

4.1 一體化教學管理

一體化教學管理是CDIO開放教學過程基礎知識與實踐能力一體化教學效果的保障。一體化教學實施步驟如下：(1)制訂《CDIO理論與實踐一體化》教學實施計劃；(2)組織師資隊伍，布置教學任務；(3)編寫相關教案；(4)安排一體化教室。一體化教學過程是指按照一體化教學計劃要求，以一體化課程進行教學，精心組織，實現理論與實踐的有效融合。一體化教學不僅反映一體化課程，也要體現課內外一體化、師生一體化、時域空域一體化。

針對CDIO開放教學要求，一體化教學管理引入教學管理人員、教師、學生共同參與，特別是要強化學生的自主管理。在一體化教學管理中充分發揮學生的自主管理積極性，通過勤工助學形式聘任高年級、有責任感、認真的學生作為管理人員，負責對一體化教室、學生學習情況進行管理，這樣保證了在非教學時間監督一體化教室、學生學習情況(主要是針對少部分自覺性比較差的學生)，同時也鍛煉了學生自主管理的能力。

面向開放教學的一體化教學管理需要引入遠程管理模式，教師或教學管理人員在非工作時間通過網絡、通訊等方式與學生、學生管理員保持聯系，使學生能夠隨時獲得智力支持，也幫助教師隨時掌握學生學習情況，以便教師客觀評估學生CDIO能力。

4.2 師生CDIO能力評估與提升

師生CDIO能力正確評估是CDIO實施效果評價的重要因素，考慮到師生CDIO能力評估的復雜性與系統性，采用CMM(Capability Maturity Mod-el，能力成熟度)模型分階段進行評估。

CMM是美國卡耐基梅隆大學軟件工程研究所推出的評估軟件能力與成熟度的一套體系，提供了一個過程能力階梯式進化的框架，階梯分為5個不斷進化的級別。中南大學的胡志剛、陳啟元等人將CMM模型引入到CDIO教學中的學生與教師的能力評估與提升中。筆者參考其成果，結合實際情況，建立了適合機械專業師生的CDIO能力評估與提升體系。如圖4所示，師生CDIO能力評估與提升模型包括教師CDIO能力評估與提升系統和學生CDIO能力評估與提升系統，以及它們之間的相互作用。

從圖4中看出，在師生CDIO能力評估與提升體系中將學生CDIO能力成熟度由低到高劃分為4個等級：新手級、基礎級、專業級和創新應用級。各能力成熟度等級反映了學生在CDIO工程教育中不同發展階段的不同特征和學習內容需求。將教師的CDIO能力成熟度由低到高劃分為4個等級：初級、中級、高級和精通級。各能力成熟度等級反映了不同教師的CDIO能力和所要達到的目標，每個成熟度級別都包含實現該級別目標的若干關鍵過程。在每個等級評估中，可以按照PDCA循環進行能力改善，使得師生CDIO能力有序提升。

將CDIO能力成熟度分級對學生和教師都是一個壓力，促使學生認真學習，不斷完成評價指標并進行提升，在這個過程中掌握專業知識和技能；同時督促教師不斷改善自身能力，以適應不斷發展的CDIO教學要求。

5 開放教學中自組織的實現

自組織理論的研究對象主要是復雜自組織系統的形成和發展機制問題，即在一定條件下系統是如何自動地由無序走向有序，由低級有序走向高級有序的。CDIO開放教學模式中，在開放教學過程、開放實踐、教學管理方面都提到了自組織，也就是希望維持CDIO開放教學系統處于自組織狀態，使學生獲取知識不單單靠教師課堂傳授，而是學生自組織的獲取知識。

自組織實現的關鍵是保持學生自組織行為實現。把學生看成一個系統，學生學習過程實際上就是教學內容與學生系統進行相互作用的過程，通過外來激勵進入學生系統，引發學生系統自發的進行自組織、自協同、自有序，最終使學生系統通過自同構、自復制與自催化等行為達到學習目標。這種外來激勵就是前面分析過的學生CDIO能力評估與學生自主管理。

6 結束語

為了解決學生不斷增長的學習要求與教學課時不足的矛盾，在CDIO工程教育中有必要實施開放教學。通過對CDIO開放教學模式及實施方案討論，為CDIO開放教學實施提供參考。

筆者正在2008～2010三個年級中進行CDIO開放教學實踐，在教學實踐中有些問題異常復雜，諸如課程間知識點交叉與關聯如何協調、學生自組織行為如何挖掘與驅動、師生CDIO能力評估與提升如何更有效等。這些問題在前面的分析中都有提及，但在實踐中有效地解決需要深入研究實施細節，以保證CDIO開放教學模式能夠順利實施，并取得滿意的教學效果。