基于CDIO的生物醫學工程專業培養模式改革

謝 勇

（大理學院工程學院，云南大理 671003）

2010 年，教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），并作為貫徹《國家中長期教育改革與發展規劃綱要》而提出的高等教育重大改革計劃〔1〕。該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務〔2〕。為了積極應對工程教育改革新的戰略要求，我們對大理學院生物醫學工程本科專業的培養模式進行了改革嘗試，已取得了初步的成果。

1 改革生物醫學工程本科專業培養模式的背景

大理學院生物醫學工程本科專業于2010 年開始招生。考慮到大理學院的醫學影像學專業有很好的辦學優勢和就業市場，所以我們最初把生物醫學工程專業培養的主要方向確定為醫學影像技術。在課程的設置上，我們加大了臨床醫學和醫學影像相關課程的比重，明顯形成了重理論，輕實踐的模式。然而，在實習實訓基地建設的過程中，我們發現各級醫院對醫學影像技術人員的需求接近飽和，反而對醫學工程師的需求很大，于是我們決定對我院的生物醫學工程本科專業的培養方案進行重大修訂。

大理學院工程學院在多年的工程教育探索中，摸索出了一種“知識、能力、素質”三位一體的工程教育培養模式，其核心就是CDIO 工程教育改革〔3〕。它也是我們重新修訂生物醫學工程本科專業培養方案的主要理論基礎。

CDIO，即“構思-設計-實施-運作”模式，是由美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4 所學院經過4 年的跨國研究，于2004 年創立的工程教育理念。它以產品從研發到運行的整個周期為載體來培養學生獲取知識、運用知識的能力，團隊工作能力，溝通和交流的能力，以及創新能力〔4〕。CDIO 教育理論包含12 條標準和一套完整的教學大綱。其精髓是實踐訓練，它是貫穿CDIO 教學大綱的一條主線。CDIO 具有國際先進性，實踐可操作性，全面系統性和普遍實用性〔5〕，對改變我們目前重理論，輕實踐的工程教育現狀有很好的指導作用。

2 改革內容

基于我院生物醫學工程本科專業教育存在的問題和CDIO模式的優越性，2013年，我們開始了生物醫學工程本科專業CDIO 工程教育試點改革，并在2014級生物醫學工程本科學生中全面實施。

2.1 制定了基于CDIO模式的培養方案CDIO 的教學目標主要有兩個，第一是要使得學生具有更強的技術和理論方面的能力，從而能夠在新的產品和系統研發中去扮演一個引領者的作用；第二是要使他們深刻了解自己所做的研發工作的意義和影響〔5〕。

根據CDIO 教學大綱的目標要求，生物醫學工程本科專業的CDIO培養方案的課程設計主要包含3 個層次的內容：第一層次為包含本專業相關科學基礎和基本能力訓練的課程；第二層次為包含相關核心課程和設計能力要求的課程；第三層次為高級工程能力增強與工程創新能力訓練的課程。其中第一層次的課程主要在一、二年級完成，第二層次的課程在三年級完成，第三層次的課程和實訓項目主要在四年級完成。

新的培養方案注重了實踐能力的訓練，實驗、實訓課程的比重比原方案增加了23.5%。為了保證第二、三層次教學的實際效果，我們特意增設了“生物醫學工程教育”“電子電工工程訓練”“醫用信息技術創新設計”和“醫用電子技術創新設計”等課程與實訓項目，從系統結構上保障了CDIO 生物醫學工程本科專業培養模式的科學性和可操作性。

2.2 建立模塊化的課程群根據CDIO教學大綱的能力要求，結合大理學院課程設計體系，我們建立了“通識教育、學科基礎、專業教育、實踐環節”四大模塊的課程體系，并建立了相對應的課程群。

四大模塊中，通識教育課程主要包括哲學、社會科學、文學藝術、體育等課程。學生還可以在學校提供的700多門通識選修課中根據自己的興趣選擇12 學分的課程。這一模塊的課程是學校規定的必修（選）課程，主要是理論教學。學科基礎模塊主要包括數學、物理、生物醫學、電子技術基礎、計算機應用基礎等課程。這一模塊的教學目標是夯實專業基礎，并讓學生獲得基本的動手能力、分析能力、團隊合作能力的訓練。

專業教育模塊主要包含生物醫學信號處理、生物醫學傳感技術、醫學電子儀器設計、微機技術、嵌入式系統、醫學影像技術、醫學信息管理與網絡技術、PLC 技術、生物醫學信息與挖掘技術、科研訓練等。實踐環節模塊的課程和項目有創新設計、工程訓練、工程教育、畢業設計和畢業實習等。這兩個模塊的培養目標是讓學生獲得高級工程能力提升與工程創新能力訓練。

2.3 建構主義學習環境主導教學設計CDIO理論中，“設計（Design）”是指設計過程以及學科、多學科和多目標設計。“實施（Implement）”包括硬件與軟件實現的過程、測試與證明以及實施過程的設計與管理。“運行（Operate）”包含了從設計到運行管理，再到支持產品、過程與系統的生命周期和改進，最后至生命周期終結的規劃等〔4〕。為有效配合對生物醫學工程本科的CDIO 工程教育，我們借鑒了建構主義學習環境理論來主導我們的課程設計。

建構主義學習環境（Constructivist Learning Environments，簡稱CLEs）是以學生為中心，教師在整個教學過程中利用學習環境要素使學生有效地實現對當前所學知識的意義建構〔6〕。CLEs 要求教師利用現有的教學輔助手段創建適宜學生學習、訓練的環境，并幫助學生完成知識的建構。學生作為學習的主體，需要借助教師創設的情境進行協作學習和會話交流來獲得有意義的知識〔7〕。在這樣的教學過程中，學生在一定的工程背景下，借助學習團隊的幫助，利用必要的學習材料，通過意義建構的方式而獲得知識的鞏固和能力的提升。

例如“醫用信息技術創新設計”，是在學生學習了數據庫管理技術、醫療信息網絡技術和醫院信息系統等課程后，為學生開設的一個實訓課程。該課程采用系統分析與實際應用相結合的教學方式，首先給學生剖析一個實際的工程應用系統，然后提出一個新產品開發的基本要求，讓學生以3～5 人為一個項目小組，然后遵循CDIO 模式，即構思（設計的可行性論述）、設計（完成軟件、硬件系統的設計）、實施（在規定的軟件、硬件系統上測試和運行）、運行（系統管理、產品推廣、產品支持），完成項目設計。通過這樣的訓練，學生能夠把所學的專業知識同實際工程應用緊密聯系起來，對典型工業產品的結構、設計和制造過程有一個初步的體驗和認識，這不僅培養了學生的實踐能力，還使學生的工程意識和組織能力得以增強。

3 結語

CDIO教育理念已被世界很多高校所采用，其理論也不斷得到發展。瑞典的Link?ping University 在CDIO 的框架下提出了Design-Build-Test 的工程教育模式〔8〕，澳大利亞的 Queensland University 根據CDIO 的標準 5，設計了 EDPS（Engineering Design and Practice Sequence）模式，用于四年制工科學生的教學〔9〕。大理學院生物醫學工程本科專業的CDIO 培養模式實施一年多來，已經在改變“重理論，輕實踐”的舊模式方面取得了一定成效，學生的動手實踐機會顯著增多，建構主義的學習環境也受到了師生的歡迎，學生的學習主動性明顯增強。在云南省教育廳和大理學院的支持下，我們于2013年申報的《基于CDIO 的生物醫學工程本科專業培養模式研究》教育改革項目獲準實施。我們的下一步計劃是尋找合適的企業，建立起生物醫學工程本科專業工程教育的校企聯合培養平臺，使我校生物醫學工程本科專業的CDIO工程教育模式得到提升和完善。

〔1〕林健. 談實施“卓越工程師培養計劃”引發的若干變革〔J〕.中國高等教育，2010（17）：30-32.

〔2〕程文婷.“卓越計劃”背景下教學管理體制優化研究：基于高校創新人才的培養〔J〕.長春工業學院學報：高教研究版，2012，33（2）：13-15.

〔3〕Xie Yong，Ha Jincheol，Li Ruheng，et al.A Multi-level Engineering Talents Cultivating System〔J〕. Journal of Engineering Education Research，2012，15（4）：53-57.

〔4〕Crawley E.重新認識工程教育：國際CDIO培養模式與方法〔M〕.顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2010.

〔5〕顧佩華，陸小華，沈民奮.CDIO大綱與標準〔M〕.汕頭：汕頭學院出版社，2008.

〔6〕葉瀾.教育學原理〔M〕.北京：人民教育出版社，2007.

〔7〕孟凡健.基于CDIO的教學案例設計〔D〕.石家莊：石家莊鐵道學院，2013.

〔8〕Tomas Svensson，Svante Gunnarsson.A Design-Build-Test course in electronics based on the CDIO framework for engineering education〔J〕. International Journal of Electrical Engineering Education，2012，49（4）：349-364.

〔9〕Frank B，Strong D. Progress with the professional spine：A four-year engineering design and practice sequence〔J〕.Australasian Journal of Engineering Education，2013，19（1）：63-74.