基于CDIO理念與協同創新的物聯網專業卓越工程師培養模式研究與實踐

何業蘭+李春林

摘要摘要：針對物聯網工程專業迫切的人才培養需求，結合教育部“卓越工程師教育培養計劃”實踐，分析了CDIO、協同創新理念在國內外人才培養中的應用現狀，提出一種應用型卓越人才培養模式優化框架。以武漢理工大學物聯網工程專業為例，闡述了在該框架指導下的專業建設實踐，以期為物聯網工程相關專業的建設和教學模式改革提供參考。

關鍵詞關鍵詞：CDIO；協同創新；物聯網；卓越工程師；培養模式

DOIDOI：10.11907/rjdk.161988

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001018504

引言

“十三五”規劃將“建設物聯網應用基礎設施和服務平臺”列入信息產業未來發展的重大舉措，物聯網行業進入加速發展時期，需要大批能將科技成果迅速轉化為生產力的創新型技術人才。物聯網工程的人才培養特點可概括為：高、新、快，即高要求，需建立全新培養體系，人才需求緊迫[1]。因此，研究如何做好人才培養的頂層設計，探索具有指導意義的緊缺人才培養規律與方法，并指導踐行，成為物聯網工程專業可持續發展的核心問題，也是高校服務國家戰略與社會需求的一個熱點問題。武漢理工大學是全國第一批獲批物聯網工程專業的院校，本文以該校物聯網專業作為研究個案，基于CDIO與協同創新理論，結合教育部“卓越工程師教育培養計劃”實踐，提出一種應用型卓越人才培養新模式優化框架，并探討在此框架指導下的專業建設實踐。

1國內外研究現狀

國家教育部2010年推出“卓越計劃”，把培養創新型工程師作為重要戰略目標，物聯網工程專業培養的很大一部分正是“工程應用型”人才（另外一部分是繼續深造的科學研究型人才）。校企聯合培養環節是“卓越計劃”人才培養標準及其實現矩陣建構的關鍵因素，是有效實施“卓越計劃”的保障，其重要性已獲得很多國家共識。國外比較成功的校企合作模式有：德國的“雙元制”模式、英國的“三明治”模式和美國的“合作教育”模式等[2]。國內不少高校相繼采取了形式多樣的校企合作方式，例如：卓越工程師計劃、卓越教師計劃、訂單式人才培養模式、產學研一體化、校企合作培養、3C立體培養、局域項目學習等培養模式[3]。

國家教育部在2012年提出“協同創新”計劃，指出“高校要與科研機構、企業開展深度合作，建立協同創新的戰略聯盟”。協同創新理念下校企合作的內涵是高校和企業利用各自不同的教育方法和教育理念，相互融合，以促進資源的流動和整合，培養符合國家和社會需要的創新型人才，提高高校人才培養質量，實現創新價值的最大化。在協同創新中，協同是手段，創新是目的[4]。文獻[5]將校企協同創新具體舉措總結為參與培養過程、校企共建、企業贊助、委托培養、合作培養等5類17種。

為解決創新工程型人才培養過程中出現的問題，美國麻省理工學院聯合4所大學通過4年國際合作研究創立了CDIO工程教育方法（CDIO Approach）。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，讓學生以主動的方式，按照課程之間的內在有機聯系學習工程理論和實踐[6]。CDIO核心內容包括1個愿景、1個大綱和12條標準[7]，該方法繼承和發展了歐美20多年來工程教育改革的大工程理念。在此基礎上，國內外有多所大學和研究機構采用CDIO作為改革方法，并提出體現教育目標的CDIO教學大綱和體現系統化改革的CDIO標準，具有很高的借鑒價值。

我國開設物聯網工程專業的高校，從2010年首批的30所，增加到目前的約600余所。經過幾年的發展，我國在創新工程型人才培養模式研究領域，無論是在理論研究還是實踐應用方面都取得了很大進步，但是大多數高校物聯網工程類專業主要還是采用以理論教學和實驗室為中心的傳統人才培養模式。武漢理工大學于2009年開始進行物聯網工程方向試點，獲首批物聯網工程專業后，參考國內外相關經驗，并結合本院實際情況，形成了一套切實可行的物聯網專業卓越工程師培養模式的系統方案，獲批第七批國家特色專業。

2物聯網工程專業卓越工程師培養模式優化框架人才培養模式指在一定的教育思想和教育理論指導下，學校根據人才培養目標，對培養對象采取的某種特定的人才培養結構、策略、體系及教育教學活動的組織樣式和運行方式的總稱[8]。人才培養模式的優化涉及培養目標、課程體系、教學與管理隊伍、考核與激勵機制等多個維度。協同創新理念下的“卓越計劃”內容與CDIO內容在人才培養模式的多個維度具有高度的融合性（見表1），兩者結合具有相互促進的作用。因此，本文以CDIO和協同創新理論為基礎，以卓越工程師教育培養計劃為中心，并結合學校物聯網專業的實際情況，提出一種工程型卓越人才培養新模式。以企業需求為邏輯起點，從校企觀念轉變與文化融合的頂層設計入手，建立以學校為主體、企業參與的創新創業人才培養目標、課程體系、教學模式、實踐基地，以及共同評價人才培養質量的人才培養體系，其框架結構如圖1所示。

該框架借鑒國內外CDIO工程教育的經驗，結合物聯網專業卓越計劃的特點，構建穩定的卓越計劃實踐教育平臺；提出校企共建實踐基地的新方法，學校和企業明確各方的職責、任務和利益，企業積極參與大學生實踐基地建設，學生們在基地里參與企業的工程設計、產品制造、項目管理等工作，在實踐中鍛煉工程素質，使企業、學校都在基地建設中取得成果，形成多贏的局面；建立企業層面的校企協同內在需求機制，在借助企業崗位實訓提高物聯網專業學生應用實踐能力的同時，還可以依托高校的科研力量，提升企業的研發和創新能力，確保企業從卓越計劃中直接受益。

3物聯網工程專業卓越工程師培養模式實踐

武漢理工大學物聯網工程專業依據上述人才培養模式優化框架制定了“3330策略”、“2544目標”系列建設規劃（見表2）[1]。其中3330策略為：優先建設3個基礎（隊伍、知識體系、實踐訓練條件）；3個結合（與校內相關專業結合、與相關培訓單位結合、與行業結合）；3個折中（近期與遠期、傳感層與系統集成、新體系與老專業）；在專業組建初期開展“零點行動”，即：全國都在起步階段，務必強抓競賽與教材建設。近期與中遠期制定了兩階段目標，概括為“2544目標”，即兩年內建成5個平臺，4年4類知識融合，包括計算機、控制、通信、海量數據處理融合。

專業卓越工程師培養模式比較序號CDIO的12條標準協同創新+“卓越”理念本校培養模式優化1*專業培養理念（將產品和系統生命周期的發展原理，即“構思一設計一實施一運行”作為工程教育背景）校企聯合培養人才機制協同的物聯網卓越工程師培養體系2*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能力和產品、 過程與系統建造能力以及學科知識）按通用標準和行業標準培養工程人才基于CDIO的物聯網卓越工程師培養方案3*一體化課程計劃（一個由相互支持的專業課程和明確集成個人人際交往能力以及產品、過程和系統建造能力為一體的方案所設計出的課程計劃）4工程導論（一門導論課程，提供產品、過程和系統建造中工程實踐的所需框架，并且引出個人所需培養的能力）5*設計-實現的經驗（在課程計劃中應有兩個或更多的設計-實現經驗，其中一個為初級，一個為高級）以強化工程能力和創新能力為重點改革人才培養模式特色實訓課程設置6工程實踐場所（工程實踐場所和實驗室能支持和鼓勵學生通過動手學習產品、過程和系統建造，學習學科知識和社會知識）基于協同合作理念的崗位實訓方案7*一體化學習經驗（一體化學習經驗帶動學科知識與人際交往能力，產品、過程和系統建造能力的獲取）強化培養學生的工程能力和創新能力教學資源平臺課堂教學形式改革8主動學習（基于主動經驗學習方法的教與學）9*提高教師的工程實踐能力（提高教師的人際交往能力以及產品、過程和系統建造的能力）擴大工程教育的對外開放“走出、引進”的師資培養方案10提高教師的教學能力（提高教師在提供一體化學習、使用主動經驗學習方法和考核學生學習等方面的能力）改革完善工程教師職務聘任、考核制度 11*學習考核（考核學生在人際交往能力，產品、過程和系統建造能力以及學科知識等方面的學習情況）教育界與工業界聯合制定人才培養標準校企共同參與的質量評價體系12專業評估（對照12條標準評估專業，并以持續改進為目的，向學生、教師和其他利益相關者提供反饋）注：12條標準中，有7條是最基本的（用*號表示），體現了CDIO與其它教育模式的不同。另外5條標準反映了工程教育的最佳實踐，作為補充標準

3.1協同式物聯網卓越工程師培養體系

協同式創新強調高校與企業兩種資源和諸多優勢要素的合理配置、全面共享和有機融合，不僅為學生的實習、企業實訓等工程實踐教育環節提供了更多機會、途徑和保障，也為企業改進技術、促進科技成果轉化、提高工程質量贏得了更多智力資源，實現了校企協同的互利共贏局面，在更深層次和更高水平上推進高校與企業的聯合。因此，要結合物聯網工程行業背景，優選合作企業。2013年物聯網專業與無錫感知博覽園等企業簽訂了校企合作意向書，雙方通過不斷商榷、修訂，結合學校優勢專業，聯合制定了本專業的知識體系、課程與實驗體系，以及專業培養方案，形成了突出交通、物流應用背景和科研成果特色的物聯網專業培養方向。

3330策略3類資源結合：結合社會、校內、行業資源3項折衷原則：折衷近/遠期、高起點/適用性、分層/系統技術“零點行動”：在建設起點采用競賽、興趣項目促進自主學習與知識更新傳感網絡平臺智能終端開發平臺2年建5個平臺雛形數據服務平臺（云服務平臺）基礎訓練平臺（接口、通信、現場總線控制）2544目標工程實踐平臺（智能抄表、家居、物流、交通）C3SD融合（計算機/通信/控制，海量數據處理技術）

4年4項任務完善實驗教學環境及體系完善工程實踐體系面向我校三大行業服務應用3.2基于CDIO的物聯網卓越工程師培養方案

在積極參與國內物聯網專業建設研討會和各種形式調研的基礎上，從社會和企業的實際需求出發，優化“卓越”課程體系，綜合統籌制訂培養方案，主要包括：設計專業知識與應用技能培養課程體系、創新能力培養課程體系；建立包含核心理論課程、開發應用類課程和創新類課程等階段性培養任務的方案；基于協同合作理念制定崗位實訓方案；制定培養學生創新能力的綜合實踐計劃，強調學生交流溝通能力與團隊協作意識的培養，注重提高學生主動學習的能力。

把課程體系劃分為核心理論課程、實訓實驗課程和應用創新類課程3部分，提高應用性較強的課程比重，加強應用開發實踐的參與性，降低一些理論深、與項目應用開發實踐相關度低的課程比重。通過卓越工程師教育培養計劃的運用，優化應用型創新人才知識結構。

3.3特色實訓課程設置

針對物聯網專業部分特有的實訓實驗課程（傳感器技術實驗課程、RFID實驗課程、無線傳感網技術實驗課程、智能家居實訓系統、多點傳感數據傳輸、傳感數據簇聚優化實時處理等實驗課程）進行優化設置，并制定完善的物聯網工程專業實驗課程建設方案。

3.4校內外實訓與實驗保障

在多次到全國物聯網先進戰略基地與研發企業調研的基礎上，結合學校“十二五”建設規劃，確立物聯網工程實驗和實訓中心的建設原則為：充分利用校企合作模式，建立健全物聯網專業綜合性創新實踐基地，為學生提供需求分析師、測試工程師、系統研發工程師、產品經理、硬件安裝與銷售工程師等多種崗位的實習。依托實踐基地，以項目實踐訓練為中心任務，切實提高物聯網專業學生的合作和應用能力。

實驗和實訓中心包括5大實驗和實訓平臺：傳感技術應用平臺、嵌入式與移動智能終端開發應用平臺、云計算與服務計算平臺、物聯網應用工程實訓平臺、物聯網基礎技術支撐平臺。實驗平臺涵蓋了物聯網架構的各個層次，可滿足本科教學與研究需要。同時，建立“物聯網綜合演示實訓中心”，并與“教育部信息中心”聯合建立了“全國物聯網技術應用人才培養認證湖北實訓基地”，相關環節充分體現了卓越計劃和CDIO的特色。

3.5教學資源平臺

根據物聯網專業技術知識面寬、實踐教學內容豐富的特點，將物聯網專業的實踐教學內容進行整合創新，提出以物聯網專業人才知識能力生長規律為引領的實踐教學平臺構架，以有效提升大學生的工程技術能力。

在教學資源建設過程中，改革傳統以固定教材為中心的教學資源組織形式，聯合具有實用工程知識、豐富實踐經驗和工程創新能力的企業高級工程技術人員，建立以工程項目實施為目標的教學資源平臺，將源于工程實踐的具體問題、實際案例，以及來自行業企業的設計與研發項目轉化為教學資源。

3.6課堂教學形式改革

優化傳統教學組織模式，需要采取靈活多樣的教學形式。基于項目的教學法與卓越工程師培養目標具有極強的融合性。教師在組織教學內容時，以項目需求劃分知識單元，最大化地增加以項目應用開發為中心的實踐教學內容，堅持精講多練，夯實專業基礎。同時，并未完全摒棄傳統的以教為主的教學模式，而是與以學生為本位的教學方法相結合，靈活使用以項目設計為導向（Design-Directed Learning）的能力培養理念、基于問題學習（Project-Based Learning）的教學模式、探究式課堂教學（Inquiring-based Learning）與實踐教學（Experimental Learning）等[9]多種教學方法，引導學生積極思考，并穿插討論、實操等環節，培養學生發現、探索與解決問題的能力，以及在實踐中的創新思維和應變能力。

為了構建學生的自主學習環境，促進專業教師的知識更新以及將專業和學科建設的研究成果付之實踐，武漢理工大學與教育部信息中心合作，聯合建立了“物聯網工程訓練中心”，以及物聯網工程專業“大學生創新設計競賽集訓中心”。物聯網工程專業學生已組建了多個創新興趣小組，學生參加了第七屆“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽、“TI杯”首屆全國大學生物聯網創新應用設計大賽、第二屆中國大學生服務外包創新應用大賽、中國大學生計算機設計大賽等，并取得佳績。

3.7高水平工程教育教師隊伍建設

基于CDIO的課程教學改革是一項長期的工程，需要教師持之以恒，同時也需要學校制定相應的教師培養方案與考核機制，激勵教師參與教改，做到教學與科研均衡發展。因此，需要依托校企合作、校校合作等形式，以跟蹤掌握物聯網最新技術動態和提升工程項目技能為重點，設計長期有效的師資培訓體系。

武漢理工大學為保證專業領先發展，除資金投入保證外，還堅持與國際化大環境密切聯系，采取了“走出去、引進來”措施。“引進來”即從海外引進優秀人才，強化教師隊伍。在引進人才的同時，也將先進理念引入培養過程。定期聘請海內外學者、知名企業的高級技術人員到學校開設培訓課程，如“開源硬件平臺報告”、“大數據時代報告”等，由此拓展教師的專業國際視野，有針對性地培養掌握先進技術和先進教學理念的雙師型教師隊伍；“走出去”即每年派遣骨干力量赴海外研修訪問，組織教師參加教指委專業建設研討，讓教師進入企業全職在崗學習，深入企業了解和掌握新技術及其實際生產流程。

3.8學習考核與專業評估

改變以往以課程為單元的考試形式，以校企共同參與的方式，采用兼顧項目實踐過程和效果評價的考核形式，強調對學生應用技能和創新能力的評價，提高學生的學習積極性和主動性。

制定一個校企共同參與的具有CDIO特色的物聯網專業教學質量評價體系，以檢驗學生的應用和研發技能。以工程項目實踐為單位進行考察，以考察工程項目實踐的完成過程及效果為主要手段，結合過程評價與效果評價，建立準確、可監控的校企共同評價體系，包括評價框架體系、考核指標、評分標準等。評價體系由校方提出實施原型，給予企業在實施中進行修正調整的權限，使標準逐步變得精準。

4實踐成效與展望

武漢理工大學于2009年開始進行物聯網工程方向試點，獲批首批物聯網工程專業后，招收本科生人數逐年遞增，現已培養了200多名本科生。自進行人才培養模式優化實踐以來，本專業CDIO模式基本形成，已建立完整的包含課程結構、教學模式、資源平臺等內容的教學體系，并通過教育質量評價體系檢驗了其有效性，教學效果良好。本專業學生表現出很高的學習熱情，積極參加各類大賽，以體驗式與自主方式學習的學生明顯增多，學生綜合素質與工程能力有較大提升，并且培養了若干名物聯網技術人才認證資質教師。2015年，在全國213所獲批此專業的學校中，武漢理工大學排名前11，其物聯網人才培養模式獲湖北省教學成果2等獎。然而，相關人才的培養要實現可持續發展，還需要不斷優化完善培養模式、與時俱進。物聯網工程專業將來在深度國際交流合作、行業與政府支持等方面還有更多提升空間。

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