基于CDIO模式的測控專業建設構建與探索

摘要：提出了基于CDIO模式的測控專業集成式、一體化人才培養模式；建立了與培養目標一致的課程設計流程；編寫了相關專業設計矩陣；并對教學方式和教學手段進行了相應的改進，明顯提高了教學效果，提升了本專業學生專業設計和創新的能力，形成了基于CDIO模式的具有測控專業特色的培養模式。

關鍵詞：測控技術與儀器；CDIO；人才培養

作者簡介：張廣明（1965-），男，江蘇江都人，南京工業大學自動化與電氣工程學院院長，教授。（江蘇 南京 211816）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0056-03

隨著信息工業和國民經濟的發展，對高層次人才培養提出了新的要求。測控技術與儀器專業知識面覆蓋廣，強調動手能力和邏輯思維能力。從教學的經驗來看，測控專業的學生需要加強實踐環節培養。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的成果，以構思、設計、實施、運行為工程教育理念和實施體系，其教育模式提出了具有可操作性的能力培養、全面實施及檢驗測評的標準。本文以測控專業的培養目標為依據，按照CDIO的模式構建一體化的專業人才培養模式，有效地提高了學生的實踐能力，同時對工科應用型人才培養起到了良好的指導作用。

一、專業現狀及要求

1.社會對專業人才需求的趨勢

（1）社會對本專業人才需求的趨勢。儀器科學與技術學科是信息產業的重要組成部分，是信息工業的源頭，也是信息技術中的關鍵技術，涉及數據采集、信號傳輸、信號處理、自動控制等測控過程。進入21世紀以來，隨著計算機技術、軟件技術、微納米技術的發展，測控與儀表技術呈現出虛擬化、網絡化和微型化的發展趨勢。測控技術與儀器專業涉及國民經濟各部門，是應用十分廣泛的專業，人才需求旺盛。隨著以電子技術、信息技術和生物技術為代表的知識經濟的發展，對測控技術與儀器學科專業的人才需求將進一步增加。南京工業大學測控技術與儀器專業于2002年首次招生，依托機電專業學科群，以信息測量、信息控制為重點，以化工過程分析儀器設計和虛擬儀器設計為特色，具有較扎實的學科基礎。同時測控技術與儀器專業畢業生的一次就業率近年來呈現逐年提高的趨勢。

（2）國內高校同類專業的發展狀況及趨勢。目前，我國已有近200所高校設有測控技術與儀器專業。由于各學校原來的相關專業情況不同，現有的辦學條件、專業規模以及教學水平也各不相同。一些 985 所屬高校該專業辦學時間長，辦學實力雄厚。如：天津大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、清華大學、上海交通大學、南京大學、南京理工大學等。各個學校服務的對象不同，如北京航空航天大學偏重于航空領域，長春理工大學偏重于光學領域，成都理工大學偏重于電子技術及核技術等。所以國內各高校測控專業在專業方向、課程設置、實踐內容等方面的設置存在著很大差異。

（3）本校測控專業現狀及社會對專業人才的需求。南京工業大學測控專業辦學時間較短，目前辦學實力不及以上各高校，但依托化工行業，辦學特色鮮明。從各高校的招生情況看，近幾年測控專業的學生構成并不理想，主要原因是該專業的社會認知度不高。但測控專業涉及面廣、需求量大，各高校的就業率普遍較高，出現了分配熱的局面。所以加強測控專業人才培養是培養高素質工科人才的質量需求，也反映了工程師所應具有的能力和素質。

2.現行培養模式

目前高校提出了很多新型培養模式。有以培養卓越工程師為目標，依照國家和行業的培養標準，以工學交替為手段的“有創意、能創新、善創業”的人才培養模式；建設“高水平”、“雙師型”、科研能力強、工程經驗豐富、教育教學水平高的師資隊伍；以企業需求為導向，以項目需求為載體，修訂教學內容，采用“導師負責制”，鼓勵吸引優秀本科生參與課題和項目；探索啟發式、探究式、討論式、互動參與教學模式；“以學生為中心”進行教學改革等等。這些對于本科生的培養模式改革、提升測控專業的學生就業競爭力起到了一定的作用，但這一方面仍是“通識教育”；另一方面，進行的一系列教學改革系統性差，目標不清晰，沒有形成可持續發展機制。CDIO模式則有所側重，對于本專業不同層次人才會有不同的側重點。本文對基于CDIO模式的測控技術與儀器專業集成化設計教學方案進行探討。

二、CDIO模式簡介

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它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。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面。大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標，包含12條標準與4種能力大綱。如表1所示。

基于CDIO的專業建設內容的主要任務有：

（1）人才培養方案：基于標準2（CDIO的教學目標結果）和標準3（集成化的課程設置）。

（2）教學管理制度：基于標準1（CDIO關聯原則）和標準6（CDIO的工作環境）。

（3）教學資源建設：創建高校與行業企業聯合培養人才的新機制、基于標準9（教師CDIO能力）和標準10（教師教學能力）。

（4）教學方式和方法：基于標準5（設計制作實踐）、標準7（集成化學習過程）、標準8（主動學習）和標準12（CDIO項目評價）。

（5）學習效果評價：基于標準11（學生CDIO能力評價）。

CDIO原則就是把工程師職場環境作為工程教育環境，基于CDIO模式進行專業建設不是強調“內容”，是環境中的“關聯”；培養“做事”和“做成事”的能力，學以求知、致用、共處、做人。

根據CDIO原則制訂的測控專業的集成式、一體化人才培養模式主要包含三個方面的內容：一是專業目標為細化、可落實、可觀測的目標，每一門課程可根據課程描述提煉專業目標。二是根據信息技術領域對人才的質量需求，把電子工程師職場環境作為工程教育環境，培養具有五種能力的高素質的優秀工科人才：獲取知識（自學）、運用知識（解決問題）、共享知識（團隊合作）、發現知識（創新）、傳播知識（交流溝通）。并以此為專業理念制訂培養計劃。三是培養計劃設置包括專業設置和課程大綱及課程描述，每一門課程根據知識點設置專業目標。

三、基于CDIO的測控技術與儀器專業集成化專業設計方案

1.課程設置與培養目標集成化教學設計

與傳統的學科導向課程體系不同，集成化課程體系以學科為主，把項目穿插其中；教師之間團隊合作，分工協調，實習、項目開發與授課穿插進行。

（1）以電子實習為起點，以測控技術概論為導向，將學生引入嵌入式系統世界，焊接實際的單片機開發平臺，培養學生電子設計的興趣，提高他們的動手能力。

（2）以嵌入式系統三門課程為主線，聘用具有工程背景的教授授課，系統地培訓單片機、嵌入式系統、片上操作系統知識，沒有照本宣科。課程全部采用案例教學，每堂課要求每個學生在單片機開發平臺上分析2個案例并進行修改，以達到靈活運用的目的。一門課程對應一個實習，每個實習完成12個簡單項目。

（3）最后將分析儀器設計、智能儀器設計、虛擬儀器設計三門課程作為課程體系的最終三大設計任務，將理論學習與工程實踐集成在這三門課程的課程設計中。

本課程體系共包含三門課程、三個實習，不少于24項實訓項目。分成6大模塊，可根據需要自下而上進行組合，滿足不同層次、不同級別的教學、科研需求。

學生主動學習，動腦動手，全部課程體系結束后可成為適應現代社會需求、具有扎實的理論基礎、豐富的電子知識和具有良好的電子電路分析和設計能力的電子工程師。

基于集成化的教學設計、一體化專業設計的思想進行課程設置的培養目標設計。本專業的培養目標為以光、機、電、計算機、化工分析一體化為特色，培養在信息技術領域（計量、測試、控制工程、智能儀器儀表、計算機軟件和硬件等高新技術領域）具有扎實的新型嵌入式系統軟硬件設計能力，具有研究、設計、制造、應用、維護、管理現代儀器儀表和測控技術裝備的能力，具有多元人文背景，有道德、善學習、勤思考、重實踐、富有創新意識、團隊合作精神和敬業精神的“研究開發型”和“工程應用型”技術人才。

為使課程設計與培養目標一致，首先根據專業目的、專業理念設計教學計劃，根據教學計劃完成專業設計矩陣和相關課程描述，并編寫課程大綱。同時，以專業目標為核心對專業設計矩陣和設計的課程進行完善和補充，形成一體化專業設計方案。如圖1所示。

2.基于CDIO模式的課程知識能力矩陣和課程體系方案

根據課程目標制訂了專業設計矩陣，指明了課程與專業目標的對應關系，使得學生在每門課程修完之后都會獲取一定的知識，提升相應的能力。

由表2可看出，在入學初期以概論引導和基礎理論學習為主，旨在將學生的思維和學習方式從高中階段轉變過來；學習中期以專業基礎培訓為主、興趣導引為輔，一方面為進入專業學習打基礎，另一方面有目的地培養學生的專業方向；本科學習后期，主要進行工程實訓和大型的專業設計課程，為就業和進一步深造做好準備。整個課程內容和開課時間按照CDIO模式進行設計、分配，合理、高效地利用學生的全部學習時間。

圖2為測控專業培養計劃與課程體系魚骨圖，體現了課程體系在四年大學教育中的培養進程，主干課程和輔助課程的關系一目了然，有助于師生在教學過程養成課程體系觀念，形成系統的培訓思維。

3.建立持續改進機制，解讀CDIO標準

集成化教學設計的基本要求為課程設計、教學方法、學習方法、考核方法與培養目標一致，并能夠持續改進，從而建立了圖3所示的集成化教學設計方案，實現了可持續發展。

測控專業基于CDIO模式的教學改革實行過程中注意了以下幾點：

（1）強調環境和關聯，提供各種機會而不是增加學習內容。以案例、項目式教學方式把電子工程師職場環境作為工程教育環境：課堂的案例教學強調CDIO作為工程教育的環境，而不是作為工程教育的“內容”；通過參與科研項目，培養學生的知識交流能力、團隊配合能力等，實現手段是實踐、重復、反饋的方式，而不是單純的講授。

（2）能力與素質培養。培養實際的工程能力不是“軟能力”，交流和團隊工作需要技術知識的應用和表達，所以技術交流能力、團隊工作能力、解決問題的能力、職業道德等都屬于工程能力。課堂教學一段時間后集中進行學習和培訓，而不是附加能力課程，重點培養“做事”和“做成事”的能力，而非某一門課程知識，強調知識的運用而非知識本身。在實踐中鍛煉個人，人際、產品、過程和系統構建能力是應用、表達技術知識的方法。工程能力是在這樣的技術環境中培養的。因此針對測控專業不同層次人才培養，CDIO更側重于嵌入式系統工程師的培養。

4.教學管理改革和教學團隊建設

在現有學校和學院教學管理制度的基礎上，為實現基于CDIO模式的教學改革，創建以學生為中心的教學管理改革模式并且有效利用現有機制。

首先，打造雙師型教師。對教師的基本要求是：具有較高的文化和專業理論水平，有較強的教學、科研能力和素質；有廣博的專業基礎知識、熟練的專業實踐技能、一定的組織生產經營和科技推廣能力及指導學生創業的能力和素質。

其次，培養專業帶頭人與骨干教師，建立新型教學模式管理制度、監控制度。并對教有所成和學有所成的師生采取一定的激勵措施。

最后，充分發揮現有測控專業教師的主動性，有效利用工科院校優質師資，聯合企業工程技術高級人才，在教學和科研上將理念與實際緊密融合，聘用實際工程經驗豐富的授課教師，通過學科的橫向拓展和縱向深入實現綜合創新。

5.教學內容、方式和方法改革

在授課方式上，以信息傳遞為主，經驗授課為輔。圍繞嵌入式系統的專業知識，確定了“嵌入式工程師”的主要培養方向，在課程內容建設和人才培養的各個環節狠下功夫，著重實施了以下措施：

（1）授課環境的改革。體系內的課程全部在實訓中心授課。為保證授課效果，人數不得超過80人。學生人手一臺電腦、一套學習開發系統，具有豐富實踐經驗的教師將講授的全部例題當堂演示，學生當堂實驗，有問題現場解決，真正做到了聽講、練習、疑難解答一體化。學生課后也可以使用開發系統自行練習、設計、開發。

（2）授課內容的更新。授課內容精挑細選，自下而上，由淺入深，將學生從普通的電子愛好者培養成經驗豐富的電子工程師。首先，電子實習焊接的開發板根據單片機授課內容自行開發；其次，授課過程中的所有實例自行開發設計，且全部在開發板調試通過，示例代碼注釋詳盡，說明文檔參考資料豐富、可靠，方便學生自學；最后，在單片機實習和嵌入式系統實習中，要求完成實訓項目結合工程項目實踐，極大調動了學生的積極性，提高了學生的動手能力。

（3）專業實驗室建設。依托中央與地方共建項目新建和改建了4個專業實驗室，其中包括1個實訓中心和虛擬儀器實驗室、傳感器技術實驗室、智能工業檢測技術實驗室。

四、測控技術與儀器專業教學改革總結

針對測控專業學生的系統學習采用基于CDIO模式的集成式、一體化人才培養模式，將工程項目生命全周期引入工程教育環境；結合工程實踐，既開展通識教育，又培養了學生運用知識和發現知識的能力。具體措施有：學生邊學邊做，在課堂內外進行實踐；做中促學，學生產生問題現場解決；實驗、實習創新，積極引導學生的創新思維，參加各類競賽和項目；以項目引導學生，培養學生的創新實踐能力。

測控專業學生培養模式改革已實施一年，培養本科生近120名，參與各類學科競賽約20項，參與科研課題45項，撰寫論文5篇，發表專利3項，獲得省級以上獎勵8項，參與的課題和項目涉及嵌入式系統、虛擬儀器、智能儀器、分析儀器、過程控制、電氣控制等領域，培養的畢業生的就業前景普遍好于往屆畢業生，獲得了用人單位和校內師生的一致好評。

參考文獻：

[1]李堅強，王志強，薛麗萍.基于CDIO模式的嵌入式系統教學研究與探討[J].計算機教育，2010，（12）：122-125.

[2]王亞良，張燁，陳勇，等.基于CDIO的實驗項目開發與實踐[J].實驗技術與管理，2010，（2）：119-122.

[3]陳春林，朱張青.基于CDIO教育理念的工程學科教育改革與實踐[J].教育與現代化，2010，（1）：67-69.

[4]嚴國志.基于電氣工程專業的ARM嵌入式系統教學研究[J].電氣電子教學學報，2010，（2）：11-13.

[5]李寧，宋薇，庫少平.項目化嵌入式教學方法研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2010，（2）：5-7.

[6]黃杰.嵌入式系統設計教學研究與課程設置[J].中國西部科技，

2011，（19）：16-18.

（責任編輯：王祝萍）