CDIO模式下的“系統工程”教學改革研究

陳平

摘要：CDIO是美國麻省理工學院工程教育的一種經典模式，該模式強調工程教育應當關注實踐，以科技為基礎，將教育過程置身系統生命周期的具體情境中，以培養新一代高水平工程師為目標。“系統工程”作為工程管理專業的專業基礎課程，其本身的教學目的在于幫助學生建立系統的分析思想并掌握具體的分析方法。以往的“系統工程”教學中采用的是理論教學和填鴨式教學方法，教學效果大打折扣。近幾年，以CDIO模式為指導思想，充分發揮其做中學，提高實踐的內涵，對該門課程進行教學改革研究逐漸地進入人們的視野，以期對學校的應用型人才培養的目標做出貢獻。

關鍵詞：CDIO；系統工程；課程內容；教學方法

中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1001-7836（2015）03-0060-04

一、“CDIO”工程教育模式概述

“CDIO”是“構思”（Conceive）、“設計”（Design）、“實施”（Implement）、“運行”（Operate）四個單詞的縮寫。2001年，由美國麻省理工學院聯合瑞典的查爾姆斯技術大學、林克平大學以及皇家技術學院等3所高校共同開發出該種全新的工程教育理念和實施體系。CDIO中，“構思”包括顧客需求分析，技術、企業戰略和規章制度設計，發展理念、技術程序和商業計劃制訂；“設計”主要包括工程計劃、圖紙設計以及實施方案設計等；“實施”特指將設計方案轉化為產品的過程，包括制造、解碼、測試以及設計方案的確認；“運行”則主要是通過投入實施的產品對前期程序進行評估的過程，包括對系統的修訂、改進和淘汰等。CDIO工程教育模式的靈感來源于工程產品的全生命周期，其注重培養學生掌握扎實的工程基礎理論和專業知識，并在此基礎上將教育過程放到工程領域的具體情境中，通過貫穿整個人才培養過程的團隊設計和創新實踐訓練，培養專業基礎扎實、職業道德高尚的新一代高水平工程師。實現高等教育與工程實踐培訓的有機結合，在不斷加強基礎理論學習的基礎上，向關注工程實踐回歸，是該模式的一個非常顯著的特征。

二、“系統工程”教學現狀

由于“系統工程”的應用范圍非常廣泛，它囊括了社會、經濟、自然科學、工程科學等各個方面，因此世界各國尤其是經濟越發達的國家越重視“系統工程”的教育，因此“系統工程”不僅是經濟管理相關專業的專業基礎課，也是其他工科、理科的專業基礎課。“系統工程”是一門綜合性的管理工程技術，它的發展離不開現代科學技術的高度發展。其以大規模復雜系統，特別是管理系統和社會系統為研究對象，是在“系統論”“管理學”及其“運籌學”等學科基礎上形成的一門交叉學科。

（一）課程簡介與培養目標

“系統工程”以系統為研究對象，是規劃、設計、制造、試驗和控制運行系統的一種科學技術，是把多種學科技術和學科有機結合在一起的一門學科。“系統工程”課程是我國高等學校經濟管理類專業的一門專業基礎課程，具有跨學科應用、研究對象廣泛和多種方法結合分析等特點。該課程在多種理論思想指導下，以大型復雜系統為研究對象，通過對“系統工程”基本知識的介紹，使學生對“系統工程”研究問題的基本方法和技巧有一個初步的認識，了解系統管理的思想，能夠運用系統的思維方式分析問題，運用所學知識、觀點和方法去解決實際問題，從整體觀念出發探求活動的最優計劃、最優組織、最優控制和最優方案，使系統發揮出整體優化功能，以獲得最佳經濟效益和社會效益。其主要的培養目標有：

1 知識培養目標

理解系統和系統工程的基本概念并知道系統工程應用的主要領域，了解系統工程發展的最新動態和前沿問題，掌握系統工程的若干個優化方法。

2 能力培養目標

利用系統工程的思想與優化方法技術解決企業或組織的復雜問題，實現企業或組織的資源優化，讓學生成長為具有較高綜合素質的高層次應用型人才。

（二）課程教學內容安排

“系統工程”課程要求學生了解系統和系統工程的基本概念，學習系統工程的基本思想，會用系統工程的思想去看待問題、認識問題并解決問題；掌握系統工程一些比較常用的、重要的方法，如：ISM建模技術、層次分析法、多階段決策樹法、網絡計劃技術等；應用所學系統工程的思想和方法解決工程、經濟乃至社會等的復雜系統問題。在知識以及能力培養目標的基礎上，“系統工程”課程形成了三大板塊，分別是系統科學理論基礎、工程技術經濟分析和系統優化分析，并以三大板塊為核心設計課程體系和教學保障制度。具體的教學內容安排如下：

第一板塊：系統科學理論基礎。該部分主要介紹系統思維方法和系統工程的原則、特點等內容。具體包含了系統科學方法論與系統的內涵、系統科學與系統工程的內涵、系統建模與系統分析的內涵。該部分主要培養學生如何使用系統意識、思維和方法看待問題、分析問題。

第二板塊：工程技術經濟分析。該部分主要介紹組織要素組合優化和成本利潤分析，具體包括投入產出分析、組織要素投入、經濟規模、技術進入與生產函數的關系等，該部分主要培養學生將經濟管理知識和工程技術綜合起來的應用能力。

第三板塊：系統優化分析。該部分主要介紹如何解決復雜經濟社會系統問題所使用的技術手段和方法，具體包括系統建模、系統評價、系統設計、系統預測和系統決策等多個方面的內容，具體的方法涉及到ISM建模技術、層次分析法、網絡計劃技術等。該部分主要培養學生用以解決復雜問題的邏輯能力和應用創新的能力。

三、“系統工程”教學中存在的問題

在教學過程中，通過對學習該課程的學生和講授該課程的教師進行調研，發現學生能夠對該課程產生濃厚的學習興趣，但在教學過程中也存在很多問題，影響了課堂教學的效果和質量。

第一，部分學校的學生由于其學科相應的基礎學的不夠或學的不扎實，如很多學校在招生時要求是文科并且就讀大學后沒有學習“線性代數”等工程數學，所以導致大部分學生在學習“系統工程”時對于其大量的計算過程感到非常吃力。

第二，學生在學習過程中形而上學，將所學內容表面化，沒有完全形成“系統、聯系”的觀點，在進行系統分析時，往往不能全面地將相關因素有機地、綜合地聯系在一起。

第三，計算機軟件的輔助功能沒有得到充分利用。教學過程中老師注重系統分析的原理及方法，卻忽略了當今社會在實際應用的過程中多數使用的是相應的計算機軟件，如此就缺少了相應的實踐環節，造成了理論與實踐的脫節。

第四，教學方法不夠靈活，很多老師上課時采用單一的授課方式，影響了學生的學習興趣，并進一步妨礙學生創新能力的發揮。

第五，考核方式過于單一。很多學校對該門課程的考試方式為考試課，并在期末考試時通過試卷的形式進行考核。這種方式對實踐的考核不夠重視并直接導致學生過分注重抽象理論的來龍去脈，與實踐脫節。

四、CDIO模式下對“系統工程”教學改革的探討

（一）教學內容的改革

考慮到學院課程教學改革的實際情況，從堅持發揮優勢，突出專業特色的原則出發，堅持以學定教，制定新的教學內容。

根據學生的基礎學科的掌握程度和接受能力將該課程理論教學精簡為兩大部分，第一部分主要介紹系統的思維方式和系統工程處理問題的思維方式，包括系統科學方法論與系統工程的基本理論、系統工程的基本方法、模型化等系統工程的基本思想、基本理論和基本方法。該部分主要為學生提供正確的思維方法服務。第二部分為解決工程實踐問題提供定量分析的技術措施。通過系統工程的教學培養，對于提升學生的分析問題、解決問題的能力至關重要，還可以訓練培養學生嚴謹求實的科學態度，縝密清晰的邏輯思維，甚至對學生正確世界觀、人生觀的形成也是大有裨益。

（二）教學方法的改革

以前，教師采用上課一直講到下課的填鴨式教學方式，學生只能被動地接受知識，缺乏主動思考的時間，最后導致學生只能死記硬背，甚至出現張冠李戴。這和現在的大學教育普遍存在的“學生上課記筆記，課后理筆記，考前背筆記，考完就忘記”的現象是一致的。這說明學生沒有將知識隱化，隱化的知識是學生真正地靠自己的理解掌握的知識，是難以忘卻的。許多抽象的教學內容只是一味地聽老師講解，理解起來就非常困難，但只要老師要求學生親手體驗一下，或實地考察一下，或教師在課堂上演示一下，立即就理解了，而且記憶深刻，真正地形成學生自己的隱性知識。通過長期的教學實踐，筆者發現單純的知識傳授使學生在教學活動中很被動，學生會感到上課非常單調乏味從而容易疲勞、開小差，更有甚者干脆不來上課。長此以往，學生的求知欲望和熱情就被壓抑了，無法達到教師預期的教學效果。而引入CDIO這種模式是對傳統教育理論的革新，是傳統教育觀念的一次重大進步，它能改變學生單向地被動地接受知識的狀況，從而改變了教與學的關系。

在教學方法上，CDIO教育模式要求教師特別強調實踐中相關知識和能力的有機聯系；從實際或已有的知識中發現并提出問題，引導學生主動思考，引導學生主動學習，強調發現問題、分析問題并解決問題能力的培養，要求學生應用所學知識探究規律并致力于創新；教師需要安排豐富的設計性和綜合性實驗，為學生提供更多的實踐機會，通過實踐加深對所學理論知識的理解和應用；同時建立和加強合理的學習反饋機制，以便教師能夠及時了解學生的學習進度和知識掌握水平。

（三）考核方法的改革

以往的課程成績是以最后的卷面成績為主導的，本門課程應加大平時成績的比例，在平時授課時由于要求加入實踐環節，故學生平時需要完成的作業量還是非常大的。在留作業時，分為個人作業和小組作業。

其中個人作業注意強調前后作業的連貫性，讓學生在做作業時就體會到工程的生命周期的內涵和意義；而小組作業更加強調的是團隊的合作和頭腦風暴的沖突，強調設計與創新，在分配小組成員時，注意每組成員不要出現一人獨大的局面，那樣只會讓學生唱獨角戲進而導致其他成員搭蹭車，要充分調動小組里每一個成員的積極性。同時，老師在指導學生完成作業時注意自己的語氣與態度，要充分尊重學生的想法。要在實踐中向學生證明，任何學習層面、任何基礎的學生都可以對工程和科技的發展做出自己的貢獻，學生并非一定要等到畢業之后參加工作才可以獲得直接的工程經驗。要注意的是，小組作業每周都要向教師匯報本組在該階段取得的成果，下周的目標以及實現目標的具體計劃。這樣做不僅有利于督促學生在規定的時間內較好地完成任務，而且有利于學生養成做計劃的良好學習習慣。

在評價作業成績時，要采取類似人力資源管理中的360度考核方法，既要考查學生本次作業的完成情況，也要考查學生是否有進步，同時要做到小組成員互評，這樣學生在完成作業的同時也會感受到CDIO模式下所強調的社交能力的重要性。

五、以2011級、2012級工程管理專業學生為樣本的改革效果分析

（一）數據分析假設

筆者認為CDIO期望達到以下目標：①能增強學生的自主學習能力；②能提高學生的數學成績；③能提高學生的學習動機；④能促進學生靈活運用學習方法；⑤促使學生對學習時間更有效、合理的利用；⑥能提高學生對自己學習結果的預期、總結、評價、強化；⑦提高學生對社會性環境和物質性環境的控制和利用；⑧能提高學生對學習內容的選擇；⑨能提高學生對學習過程的控制。

（二）實驗設計模式與統計方法

采用單因素分層組實驗設計。自變量是基于CDIO模式的教學模型，因變量是學生的數學成績、自主學習能力（包含：學習動機、學習內容、學習時間、學習方法、學習過程、學習結果、學習環境七個方面的二級因變量）。具體操作法是：將學生按自主學習能力分為中上、中等、中下三個層次，每個層次又分為實驗組和對照組，通過實驗處理，排除實驗因素的干擾，去探究實驗因素對不同學業水平的學生在數學成績和自主學習能力等方面的實際效果是否顯著，根據實驗的具體條件進行Z檢驗或t檢驗。

（三）部分檢驗結果展示

基于CDIO教學模型的教學實驗研究以學生學習模型與教師教學模型為自變量，以學生的學習動機、學習方法、學習時間、學習結果、學習環境（社會性環境、物資性環境）、學習內容、學習過程，以及學生的學習成績和學習自主性為因變量展開研究，經過一個學期的教學實驗研究，實驗結果如下：

1 實驗班與對照班在實驗前后的學習環境測試結果

表1的信息顯示：基于CDIO教學模型而展開的教學活動的實驗組學生，在學習環境方面差異水平顯著性檢驗中，實驗前后平均數差異檢驗僅在整體水平、中上這兩個水平上達到了顯著性水平。其具體表現為，在實驗前后平均數差異檢驗中，中上水平學生t=2.714，P<0.05，達到0.05顯著水平；整體實驗組學生Z=2.667，P<0.05，達到0.05顯著水平。中等水平和中下水平組的平均數差異檢驗表現出特異情況，即中等水平學生t=0.778，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平；中下水平學生t=1.435，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平。在實驗組與對照組平均數差異檢驗中，僅在整體水平達到了顯著性水平，但中上水平組學生、中等水平組學生和中下水平組學生在實驗組與對照組的平均數差異檢驗中也未達到顯著性水平。其具體表現為，中上水平學生t=1.933，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平；中等水平學生t=1.380，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平；中下水平學生t=0.495，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平；整體實驗組學生Z=2.026，P<0.05，達到了0.05顯著水平；這說明遵循基于自主學習的交互式教學模型而開展的教學活動，有助于提高學生的選擇學習環境的能力，特別是對中上水平的學生的學習更具實效性。同時也說明，遵循基于CDIO教學模型開展的教學活動對改善中等水平組和中下水平組學生的學習環境選擇的能力并不理想。

2 實驗班與對照班在實驗前后的學習結果測試結果

表2的信息顯示：基于CDIO教學模型而展開的教學活動的實驗組學生，在數學學習成績方面差異水平顯著性檢驗中，實驗前后平均數差異檢驗在整體水平、中上和中等這三個水平上都達到了顯著性水平。其具體表現為，在實驗前后平均數差異檢驗中，中上水平學生t=2.858，P<0.05，達到0.05顯著水平；中等水平學生t=2.193，P<0.05，達到0.05顯著水平；整體實驗組學生Z=2.980，P<0.01，達到0.01顯著水平；但中下水平組的平均數差異檢驗表現出特異情況，即t=1.924，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平。在實驗組與對照組平均數差異檢驗中，在整體水平、中上水平和中等水平中均達到了顯著性水平，但中下水平組在實驗組與對照組的平均數差異檢驗中也未達到顯著性水平。其具體表現為，中上等水平學生t=2.436，P<0.05，達到0.05顯著水平；中等水平學生t=3.059，P<0.01，達到了0.01顯著水平；整體實驗組學生Z=3.496，P<0.01，達到了0.01顯著水平；中下水平學生t=0.460，P>0.05，沒有達到0.05顯著水平。這說明遵循基于自主學習的交互式教學模型而開展的教學活動，有助于提高學生的學習結果，特別是對中上水平和中等水平的學生的學習更具實效性。同時也說明，遵循基于CDIO教學模型開展的教學活動對改變中下水平組學生的學習結果并不理想。

（四）進一步改進的途徑

CDIO工程教育注重實踐的融入，同時注重培養職業道德與誠信，強調做人與做事相結合，做人通過做事體現，做事通過做人保證，并在培養過程中注重人文精神的熏陶，從而使培養出的大學生具備優秀的職業道德、正直、富有責任感、具有較強的創新能力、較強的團隊精神和領導能力、較強的溝通能力。要將CDIO模式成功地引入到學院日常的工程教育中還需假以時日，更需要作為一線教師的我們不斷地去嘗試。

1 加大平時成績的比重

很多學生由于分數和他們的獲獎資格直接掛鉤，所以會忽略平時學習的過程，而直接關注最后的課程成績。CDIO教育模式強調更多的是平時學習過程中點滴的融會貫通。所以，加大平時成績的比重，會讓學生更加重視平時學習的過程。

2 加強作業的項目完整性

作業的完整性不足容易降低學生的學習積極性。美國哈克曼教授曾經提出的工作的五個核心工作特征激勵度中就指出：技能完整性、任務完整性、任務重要性、自主性和反饋性是非常關鍵的五個心理狀態。學生在CDIO模式下學習，自主性和反饋性是首先被要求做到的，而任務重要性可以通過提高平時分來做到，那么剩下的技能完整性和任務完整性就是教師在布置作業時必須注意加強的事項了。

六、結論

CDIO教育模式是培養卓越工程師理念的一種具體體現，要求將工程實踐的理念貫徹到工程教育的過程當中。將“系統工程”課程的教學內容和教學方法按照CDIO模式進行改革后，起到了很好的效果，尤其是針對中上等學生，其成績及學習自主性都有不同程度的提高，但對于中下等學生來說效果并不十分明顯，故對于承擔教學任務的一線教師來說，如何進一步貫徹CDIO模式的教育理念，進一步提高學生的學習效果是需要我們繼續不斷努力鉆研的課題。

（責任編輯：侯秀梅）