CDIO工程教育模式的分界、循環和融合

關鍵詞：CDIO；分界；循環；融合

摘要：CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，它以構思、設計、實現、運作的產品生命周期為載體，將學科知識和產品研發相結合，培養學習者的工程意識和工程能力。在方法論層面從分界、循環、融合三個角度剖析CDIO工程教育模式，有助于厘清其內在構成和運行機理，指導工程教育改革與實踐。

中圖分類號：G640

文獻標志碼：A文章編號：1009-4474（2015）04-0080-0

Boundary， Circulation and Fusion of CDIO Engineering Education Model

ZHANG Yonglin， XIAO Fengxiang

（School of Education， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Key words： CDIO； boundary； circulation； fusion

Abstract： CDIO represents the latest studies of international engineering education reform. This education model uses product life cycle as the carrier， which includes conception， design， implementation and operation. The paper analyzes CDIO from the three perspectives of methodology. boundary， circulation and fusion， clarifying its inner structure and operating mechanism， guiding the practice of engineering education reform and developing learners engineering ability.

一、引言

CDIO工程教育模式是美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院、查爾摩斯工業大學、瑞典林雪平大學于2004年共同創立的工程教育嶄新模式，代表著國際工程教育改革的最新成果。CDIO即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate），它以產品的生命周期為載體，將學科知識與產品研發實踐相結合，培養學習者的工程意識和工程能力。

我國學者對CDIO工程教育模式已經做了大量研究，主要集中在以下三方面：一是對CDIO工程教育模式的教學大綱和CDIO標準的理論解讀；二是關注CDIO工程教育模式在我國的本土化發展，如汕頭大學工學院引進、消化、開發、實施了注重職業道德、誠信和職業化的工程教育模式（EIPCDIO）；三是探討專業課程采用CDIO教學取得的效果。如清華大學工業教授顧學雍在“數據結構”和“數據庫技術”兩門課中采用CDIO方法教學，取得了良好效果。以上研究多屬理論解讀或實踐經驗介紹，缺乏方法論層面的反思。法國著名社會學家布迪厄提醒研究者，要“始終保持對研究活動所采用方式方法的適用范圍及其背后理論假設的反思性關注”〔1〕。因此本文嘗試性地在方法論層面從分界、循環和融合三個角度深入剖析CDIO工程教育模式的運行機理，并廓清對CDIO教學大綱和CDIO標準的認識誤區，以期對一體化課程的設計和教學具有一定的理論指導意義。

二、CDIO工程教育模式的分界

分界是打開CDIO工程教育模式秘密的鑰匙。分界過程是一個從具象到抽象再到具象的過程，即從客觀實存到概念實存再到客觀實存的過程。借鑒康德認識論的分界方法，在實際工程項目和個體認知規律之間劃定內容、環境、經驗、認知結構和能力五部分。

1.來自工程實踐的學習內容

CDIO工程教育的學習內容包括產品、流程和系統，這只是一個簡化的表達，代表工程實踐的感性直觀。

有的學者對CDIO工程教育的學習內容有不同的理解。他們認為CDIO工程教育的學習內容主要是工作世界的具體工程項目，是一種客觀實存。將具體工程項目視為主要學習內容，屬于實體主義思維方式。這種思維方式將工程教育看作銀行儲蓄，即通過儲存工程項目來填滿學生的大腦容器，儲存的工程項目數量越多，越有利于工程能力的生成。

筆者認為CDIO工程教育的學習內容來自工程項目，但不是工程項目本身。CDIO工程教育模式強調“基于項目學習”（Projectbased learning），基于（based）一詞的語義表明工程項目是作為支撐或背景存在的，而不是以工程項目作為全部學習內容。查建中教授也持此種觀點，他認為，“需要防止把具象工程項目作為教育的內容引入，使教育陷入狹隘的傳授具體知識的誤區”〔2〕。

2.與內容相區別的環境

“將產品、流程、系統生命周期的開發與運用——構思、設計、實現、運行——作為工程教育的背景環境”〔3〕是CDIO工程教育模式標準1的內容。背景環境可簡稱為環境，也可稱為載體，指構思、設計、實現、運行四個階段，代表對工程師創造的各類不同問題解決方案的描述〔4〕。現實中的工程項目很多，每個工程項目都是唯一而獨特的，如果將工程項目作為學習內容，在數量上無法窮盡，而工程項目的解決方案有共通性，都要歷經構思、設計、實現、運行四個階段。

CDIO工程教育模式用背景環境概念從具體工程項目中抽象出來，背景環境所起作用類似于布魯納、施瓦布等主張的“科學的結構”的作用。通過“科學的結構”盡可能統攝所有的知識，即借助結構的“質”來解決知識的“量”的問題，強調結構能夠使七零八落的現象得以系統化。

CDIO工程教育模式方法論的哲理隱含于標準1中，即在方法論上區分環境（context）和內容（content）。區分出來的背景環境也暗合建構主義的基本假定——學習者所學到內容是他的背景環境、活動和目標的函數。

3.居中存在的“雙元經驗”

CDIO創造的學習經驗，稱為“雙元經驗”，包括“初級的”和“高級的”經驗〔3〕。它產生于CDIO兩個運行環節：運作—構思環節和設計—實現環節。將前者稱為運作—構思（C—O）經驗，將后者稱為設計—實現（D—I）經驗。這兩個環節分別包含一個“雙元經驗”。“雙元經驗”存在于主客體之間，是主客分離的媒介〔5〕。

初級經驗屬于一般經驗，指通過感官被動獲得的一些散亂的感覺、知覺等感性經驗。初級經驗與環境、技術基礎相聯系，指向具體工程實踐活動，與實際的工程項目操作相聯系，也被稱為具體經驗或直觀經驗。而高級經驗屬于對初級經驗的抽象概括，本質上是一種前概念或實際概念，它由認知結構派生而來。與傳統的經驗概念完全不同，“雙元經驗”不再是通過機體感官被動獲得的一些散亂的感覺或知覺印象，而是機體與環境相互作用的過程〔6〕。

4.建構生成的認知結構

認知結構是存在于大腦中的系統化的、符號化的工程知識體系，屬于抽象的概念實存。它也是一種心理結構，決定著人們對數據和新信息的察覺〔7〕。

從產生過程看，認知結構不是主觀意志產物，也不是“從行動者的解釋中建構出來”〔8〕的，它產生于主體與工程實踐活動的互動中。皮亞杰的發生認識論觀點認為，有些認知結構來自先天遺傳，具有生物學的先驗性，更多的來自與后天實踐的互動，具體包括兩條發展途徑，即同化和順應。

從認知結構的派生結果看，CDIO工程教育模式秉承建構主義知識觀，強調認知結構是主體主動建構的結果。認知結構一經生成，就有自我建構能力，自身會生成、成型、成熟，會不斷派生出專業知識和工程能力。

5.解決實際問題的工程能力

工程活動遇到的問題是沒有被預先定義過的，需要創造一個原本不存在的客觀存在物。工程的責任就是在一個組織里，為了設計和實現一個產品、過程或系統所需要完成的一系列任務〔3〕。工程能力主要表現為工程師具有提出工程問題解決方案的能力。對工程能力的描述焦點集中在解決問題的能力上，而不是在認知和定義問題的能力上〔9〕。工程能力具體表現為“產品、過程和系統的建造能力”〔3〕。這在CDIO標準2①中描述的很清楚，也是CDIO工程教育模式所希望的學習效果。

CDIO工程教育模式堅持整體論的能力生成觀，反對能力還原主義。不妨將其與能力本位課程模式（CBE/DACUM②）的能力本位觀對照分析。CBE/DACUM將崗位能力作為分解對象，逐層分解為眾多小任務。這屬于“原子論式的”研究方式或方法論的還原主義。CDIO工程教育模式堅決反對以上做法，它將工程能力視為一個生成性的整體，是生成的而非預設的，是總體存在的而非各部分的簡單加和。所以，CDIO工程教育模式并沒有將標準2的規定作為預設，沒有對應具體工程項目逐層分解。

三、CDIO工程教育模式的循環

循環指物體按環形、閉合回路的軌道運行。CDIO工程教育模式的循環是指工程教育按照CDIO所設置的軌道往復回旋、螺旋上升的過程，具體包括載體循環、認知結構循環、抽象域與具象域的循環。如圖1所示，順時針循環即載體循環，逆時針循環即認知結構循環，抽象域和具象域之間也存在循環。

（一）載體的循環

載體指產品、流程、系統生命周期的開發與運用，即構思、設計、實現、運行四個階段。用英文首寫字母代表四個階段，可將載體的循環簡寫為C→D→I→O循環。此循環為具體工程項目的完成提供基本循環規則和循環結構。

載體的循環有兩個目的，第一是區分工程教育的環境和內容；第二是超越產品、流程、系統等具體客觀實存進入概念實存。亞里士多德說：“各種本體以及任何其他一般的存在的東西都是從某一載體生成的。”〔10〕概念實存就是“一般存在的東西”——一個包含主體人的決定性結構。該決定性結構有兩個特點：其一，它來自工程項目，但不是工程項目本身；其二，它加入了主體的感知、思想和行動的模式。載體的循環偏重建構主義取向，在完成實際工程項目中充分考慮個體因素。經此循環，通過分離環境和內容，實現了與客觀主義的決裂。

（二）認知結構的循環

認知結構的循環發生在個體大腦內部，主要指認知結構沿著時間軌道的形成、發展和演變，反映了人類個體的認知周期。該循環借助O→I→D→C實現，即CDIO雙向循環的逆時針循環。在此循環中，學習者親力親為地完成工程項目，逐漸領會、掌握專業技能，同時，動作、經驗逐漸內化，最終在大腦中生成認知結構。貫穿O→I→D→C循環的主線是動作—經驗—認知結構—能力。O→I→D→C的每次循環都會使得認知結構不斷生成、成型、成熟。認知結構一經生成，就具備客觀性，成為一種結構化的客觀實存。認知結構循環偏重結構主義取向，獨立于行動者的意識和愿望而客觀存在，并能夠引導或約束人的行動。經此循環，認知結構逐漸客觀化，實現與主觀主義的決裂。

C→D→I→O和O→I→D→C是CDIO雙向互動循環的兩個方面，從方法論層面看，大體對應著康德的建構與范導。C→D→I→O等同于建構的方法，從抽象到具體，其結果是產生具體的工程實踐經驗判斷；O→I→D→C等同于范導的方法，從具體到抽象，其結果是產生一種具有主觀假設性的工程項目解決方案。

C→D→I→O和O→I→D→C兩大循環將環境、內容、經驗、認知結構和能力五部分串接起來，并在五部分之間有序互動，使它們成為一個逐漸融合的連續體。

（三）抽象域與具象域的循環

域即范圍。工程師解決工程實際問題時面對的具體工作范圍，稱為具象域。具象域主要包括工程項目的內容和環境，代表真實的工程項目的實現和運作。工程實際問題反映在人腦中，人腦側重運用抽象概念進行分析、總結對象的本質，稱為抽象域。抽象域主要包括學科知識和個體的認知結構，主要作用于工程項目解決方案的構思和設計。抽象域與具象域的循環，是借助CDIO的雙向循環來實現的。循環往返的主線是工程問題的解決方案。工程師在抽象域中構思、設計工程藍圖，然后在具象域中運作、實現或驗證該藍圖。

CDIO工程教育模式的三大循環不是學者憑空設計出來的，它們反映了工程發展規律和個體認知規律。

首先，工程教育必然要遵循工程發展的規律〔11〕。工程實踐是有意識、有目的的能動性的活動，核心是設計和實施項目的解決方案，這是一個疊代化的修正和創造過程。所以，工程師的工作理念建基于運用抽象規則創造并反復不斷地回顧和修正具象的產品〔12〕。其次，CDIO工程教育模式強調認知過程需要雙重刺激（Dual Impact）〔13〕。一方面工程師必須運用邏輯思維理解抽象知識，另一方面，工程師需要感性直觀地體驗該知識在具象環境中的應用。再次，按照科爾伯關于經驗學習的理解，學習過程需要適應兩種對立模式的緊張關系，即學習者從具體經驗到抽象概念、從反思觀察到主動經驗〔14〕，即學習者需要在抽象域與具象域之間循環往返。

四、CDIO工程教育模式的融合

融合是循環的目的，環境、內容、經驗、認知結構和能力五部分借助循環融為一體。雙元經驗在融合中起著重要的作用。CDIO工程教育模式的融合分為以下三類。

第一，工程實踐問題和學科問題的結合。其他工程教育模式也考慮到了兩者的結合，基本做法是分設理論課程和實踐課程，試圖借助疊加效應實現兩者的融合。CDIO工程教育模式認為，工程師需要不同于科學知識普遍性的離散知識形式，這是工程實踐問題和學科問題結合后的知識表征。離散知識如何獲得？三大循環使內容、環境、經驗、認知結構和能力五部分互動融通，并逐漸冷凝為理實一體化的離散知識形式。這種離散知識形式既有來自學科體理論的知識，又有來自工程實踐的具體經驗。

第二，載體與認知結構的銜接。布迪厄認為，“科學知識開始于一種客觀主義的步驟：因為客觀知識確立了互動得以發生、主觀知識得以生產的條件”〔8〕。CDIO工程教育模式方法論的客觀主義開始于載體和認知結構的形成中。這兩個結構其實是同一結構存在的雙重方式，具有結構上的同構性，這是兩者融合基礎。布迪厄用“初級的客觀性”和“次級的客觀性”闡釋建構主義和結構主義融合的哲理〔15〕。初級的客觀性指物質資源的分配手段、物質構成或物質關系；次級的客觀性指社會世界中的意識因素或意識關系。在CDIO循環中依靠建構主義形成的載體，相當于布迪厄理論中初級的客觀性，依靠結構主義形成的認知結構，相當于次級的客觀性。布迪厄的哲理闡釋是載體與認知結構得以銜接的理論基礎。載體是客體主體化，即內在性的外在化，認知結構是主體客體化，即外在性的內在化，兩者彼此的規定性相互適應成為各自的一部分。

第三，主客體的統一。在工程教育中，主體指工程師，客體指工程。CDIO工程教育模式沒有把主體與客體綁在一起，而是先決裂，再融合。工程是事實，是一種實然。工程師提出的工程問題解決方案是希望實現的有價值的東西，屬于應然，如果直接從實然推論應然，容易犯自然主義錯誤。哈貝馬斯將規范用一種類似于事實的方式加以解讀，使其充當事實與價值溝通的橋梁，規范使得事實與價值得以彌合。CDIO工程教育模式最有價值的地方，在于提供一種規范來彌合工程項目與問題解決方案間的距離，從而消除主客體二元對立，使主客體走向融合。

以上三大融合，離不開雙元經驗的接口和轉化作用。雙元經驗內嵌于CDIO中，是循環和融合得以發生的關鍵接口，它是借助自身的轉化起到接口作用的，如圖2所示。

雙元經驗的轉化具體經歷四個適應性階段，即具體經驗、反思性觀察、抽象概括、主動實踐〔16〕。四個階段被稱為庫伯經驗學習圈，內含兩個二分法，作為兩個維度彼此正交。主動實踐與反思性觀察作為X軸，更傾向將經驗轉化為知識。抽象概括與具體經驗維度作為Y軸，在個體如何掌握或者吸收信息方面作了區分。兩個維度正交構成四個象限，每個象限設置性質不同的問題，即四種不同學習類型。從象限1到象限4，問題依次是“怎么樣”、“是什么”、“為什么”、“如果”；學習類型依次是聚合、順應、發散、同化〔16〕。經驗學習圈順時針旋轉，螺旋上升，將初級經驗和高級經驗攪合在一起，又甩向對方。如果學習過程經歷四個階段，知識的轉化率和保持率將明顯提高，知識保持率能達到70%。對于復雜的工程問題，學習圈要反復多次，形成螺旋周期。隨著學習圈的螺旋上旋，雙元經驗的水平不斷提升，性質也越來越復雜，從而產生CDIO標準5③所說的“兩個或更多的”經驗，這就讓CDIO工程教育模式的循環和融合更為順暢。

五、結語

工程教育的目的是培養合格工程師，CDIO工程教育模式是實現該目的的手段，“手段對于給定的目的的適當性問題，是絕對可以進行科學考察的”〔17〕。CDIO工程教育模式的貢獻在于以普遍化的唯物主義為基礎，為工程教育提供一個總體性的可操作圖景，既能夠反映工程本性和工程師本性，又能夠反映兩者的互動。這就使得該模式超越二元對立，走向視域融合，大體達到手段的合目的性。

CDIO工程教育模式也存在一些不足和需要改進的地方。一是從具象工程項目抽象出的載體雖然反映了產品生命周期，但缺乏工程技術的參與和支持，在客觀性方面稍有欠缺；二是人們對CDIO工程教育模式的關注更多停留在課程實施階段，著重構建實踐場所和學習環境，而對課程設計階段關注較少；三是CDIO工程教育模式未深入探討學科知識結構、載體結構、認知結構三者的關系。三者是否同源，是否存在轉換體系？是否存在結構再生產的可能性？可見，CDIO工程教育模式的未來發展，需要在原有理論基礎上繼續探索，進一步深入研究工程本性和工程師本性，在兩者的互動中尋找一條工程教育中間路線，這也是筆者在今后研究中的重點探索方向。

注釋：①

CDIO標準2的內容為：“具體、詳細的學習效果——與專業目標一致，并得到利益相關者驗證的個人、人際交往能力，產品、過程和系統的建造能力以及學科知識”。

②CBE（Competencybased Education）即能力本位課程模式，采用了DACUM（Developing a Curriculum）課程開發方法，是加拿大、美國的典型課程開發模式。

③CDIO標準5的內容為：“在課程計劃中包括兩個或更多的設計—實現的經驗，其中一個為初級的，一個為高級的”。

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（責任編輯：陳艷艷）