工程創新能力的新教育模式及其方法研究

葛楊 史冬巖 滕曉燕

[摘要]大教育格局下，工程化專業學生需要建立終身學習和自我發展的能力增長新機制。從亟待提升的工程化專業學生創新能力的問題入手，從適應知識擴張性、連續性和快速性的變化需求出發，提出了構建動態、雙向的創新能力CDIO目標培養模式。能力培養以“問題”為導向，通過概念引導和邏輯學習，將課程學習、概念構思、產品設計等內容有機融合，保證了學生創新能力的持續、高效擴張的增長。雙創課程平臺連續5年的課程教學實踐和動態考評方法研究顯示，CDIO創新能力培養的新模式能夠充分適應現代設計創新性要求，保證工程化專業學習能力發展的可持續性和培養過程的高效性。

[關鍵詞]工程專業；CDIO模式；創新能力；問題導向；可持續；動態考評

[中圖分類號]G642.4[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2017）06-0114-07

0引言

在產業結構優化升級和國民經濟快速發展的大背景下，高等教育進入了新階段、新特征、新常態[1]，教育部《關于深化教育領域綜合改革的意見》指出：在知識學習、過程掌握和內容效果方面傳統教育存在著明顯不足，創新教育體系尚不能完全適應國民經濟發展需要，服務國家戰略的能力尚顯不足。社會發展的大教育格局對工程專業學生創新教育模式提出了新的挑戰[2]。

為了強化創新教育的指導、引導作用，促進專業教育和創新創業教育有機融合，我國許多高校參與了多項CDIO 教育改革研究和試點工作，并取得了明顯的效果[3，4]。利用CDIO 工程化教育的優勢，許多高校通過系統化的CDIO工程化創新實踐和能力培養，提高了專業學生在學習中發現問題、解決問題的能力并形成了可持續學習的培養新機制，因而一定程度上解決了工程化專業教育在課程設置、培養環節與學術學位區分度不高的突出問題[5]。

CDIO教育模式強調創新學習過程，培養模式由工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面組成，形成了以構思、設計、實現和運作等要素為核心的主要內容。有別于“人本”思想出發點傳統課程教學[6-8]，創新CDIO新教育模式力求構建協同發展的教育教學與工程實踐相結合的育人體系，并通過12條標準化理念將其教育目標、機制、內容融于整個教育與教學的全流程[9-11]，形成了創新能力培養新機制。基于對CDIO創新教育目標的理解與應用，課題組將CDIO 創新教育培養模式引入到雙創平臺課程《通用設計與創新設計方法》的教學過程中；同時，通過對工程設計類專業課程創新能力培養的教學探索，課題組從跟蹤連續的教學實踐效果的分析中獲得了一些有益的經驗。

1CDIO工程創新教育模式

CDIO工程創新教育以問題為導向，在課程設計上將精巧的創新構思作為教學的起點，并將其理論知識運用到實踐當中去，體現了專業化、可持續的教學理念，多角度、立體化地構建新型的教育模式。如圖1所示，在學習中CDIO教育把教學理念與團隊精神、合作理念相融合，將CDIO培養目標的“大工程”設置成若干個教學內容，通過概念、邏輯與內容等培養要素與具體工程任務相結合以及每個任務的完成展現學習成果和個人基礎知識的掌握程度；強調通過工程化專業創新學習增強學生工程與實踐能力，增強學生創新精神、創業意識和創新創業能力，機制上實現了目標與內容的雙向互動，使工程化專業知識有可能再通過在實驗室工作或在工廠內實習的機會得到加強。

CDIO新教育模式工程化互動、交流式的專業學習過程特點鮮明，重視將人才培養模式與設計課程過程有效融合。以問題為引領，逐步展開學習，利用實際工程問題承載知識，利用創新工具和信息加載，內容上形象、生動，在工程上具有極強的可操作性。圍繞創新能力培養，CDIO 教育模式提倡知識的創新學習與工程化創新能力培養并重，教育目標圍繞問題進行構思設計——提出問題，設計問題，解決問題，然后通過創新認知能力的階段性培養以及工程化問題的設計與實現使創新能力逐級攀升，形成螺旋狀、塔基形的教育過程。

CDIO 能力教育強調培養內在邏輯和深入學習。在考慮知識連續性條件下，通過工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統4個層面的能力培養內在邏輯。CDIO 教育拓展了學習的邏輯空間，增大了課程學習內容的彈性，加強了學生課程學習中所獲得的概念、邏輯等知識的傳遞強度；同時，充分滿足課程設計中不斷提出的創新需要，從學習和設計的雙向過程實時互動，增強了課程設計的內生驅動力，有效激勵課程設計效果。如圖2所示，基于工程化的CDIO創新學習，通過合理利用知識工具以及連續的被教育過程，使學習者建立了由表及里的層次型現代學習理念。

只有對知識持續積累并不斷學習，學習者才能不斷提高創新能力。CDIO教育基于對事物現象與本質的認知，“構思”創新設計問題。學習者對“構思問題”的創新認識，形成了創新教育的新內涵。因此，依據工程化專業培養目標，學習者不僅需要具有技能掌握與整合的能力，還應具備合作、溝通以及項目管理等多學科應用能力。CDIO教育需要通過概念理解，課程互動等構思問題，學習者需要對工程化知識進行記憶、分析、合成、應用，連續的思維形成認知過程。因而，在創新的大環境下以及社會、文化多樣化、全球化背景下，學習者亟待成為能夠不斷進行創新學習、持續獲得創新能力的終生探索者。

2新教育模式下工程創新能力的實現方法

設計是在知識、手段與方法不充分的條件下，利用創新求解的過程。創新源于突破規則。在教學過程中，CDIO新模式對工程創新問題的構思、設計與實現進行雙向、互動式的連續設計。針對設計問題，辨識概念是創新的起點，學習者利用創新思維、工具、方法，在雙向探求、逐次逼近答案的求解過程中，評價與檢驗創新能力，形成了工程創新能力自我提升的雙向工作機制。同時，在知識傳遞、接收與掌握過程中，問題構思、概念辨析、決策判斷與現實重構形成了CDIO新模式培養的不同階段，連續構思、設計、突破與創新則成為CDIO工程創新能力培養的顯著特點。

2.1目標導向型的學習內容

導向型的CDIO教育以構思問題為中心，將學生對創新方法的學習融入CDIO模式下的各個核心要素之中，保證創新方法高效融入課程設計效果。創新教育將需求、知識、方法與理論綜合，建立課程學習的雙向激勵機制，通過課程知識的表達作用于學習者。

學習者結合知識表達和知識重用的過程，利用隱示的知識，得到預期設計結果；課程設計者經過方案的構思、梳理，通過技術設計內容的取向，完成課程設計的單循環過程。然而，知識只有經過不斷的傳遞循環，才能被穩定的吸收和再利用。為此，學習中的技術類構思設計必須從工程設計的角度出發，以工程問題為導向。如圖3所示，教育者需要依據具體的課程設計目標、原則和評價標準，完成創新設計和系統工作方案，提高決策科學性和正確性，使課程評價結果更為準確、客觀、有效，進而為教育決策提供可以進行比較和判別的依據。

2.2概念的辨識與創新構思方法

針對設計問題，設計者需要不斷地辨識概念，構思問題；對設計問題形成創新認知，創新設計，解決問題。因而，相對于創新設計其他過程，CDIO創新學習尤其重視概念的辨識與創新構思的形成過程。

首先，面對問題，設計者通過概念和概念間邏輯關系的學習，形成基礎知識；對概念的內涵與概念間的隸屬關系進行不斷辨識，設計者從基礎知識的創新學習，進一步形成對“構思問題”的創新認識。以發動機磨損問題解決為例，筆者進行磨損概念的創新學習：在發動機工作時，液壓油泵連續不斷地將潔凈潤滑油輸送至全部運動件的摩擦表面，形成油膜，實現發動機液體潤滑。然而，由于雜質磨損， 油膜破壞，發動機工作可靠性無法保證。同時，相對磨損問題，清潔是解決問題的關鍵方法之一。因此，根據目標導向，引入蓮葉效應知識點，見圖4。

蓮花出淤泥而不染，高潔的形象千年流傳。蓮花出淤泥而不染的品質源自何處？蓮葉自潔的效應能否用來彌補發動機使用上的不足呢？通過對蓮葉的顯微觀察可以看到：蓮葉表面結構存在著“山包”狀突起和蠟質層結構，這就使得尺寸上遠大于這種結構的灰塵顆粒、雨滴等降落在葉面上后，在蓮葉表面微結構與灰塵、雨滴之間形成一層極薄的納米空氣層。由于空氣層、“山包”狀突起和蠟質層的共同托持作用，使得雨滴不能滲透。雨滴能夠在蓮葉表面自由滾動，帶走灰塵，清潔蓮葉表面，從而形成特有的蓮葉效應。概念需要不斷的辨識才能形成創新認知。

對“蓮葉效應”的自潔功能，作進一步的概念辨識：通過滾滴接觸角的變化可以看出，水滴對于不同材料的表面（親水、拒水材料）具有不同的滾滴接觸角。當通過表面張力的聚集形成的水滴尺寸大于蓮葉表面山“山包”狀突起時，由于形成了一層極薄至納米級的空氣層，依靠蠟質層的托持作用，蓮葉形成自潔能力。見圖4。

利用對蓮葉自潔概念的創新，結合頭腦風暴和知識庫等創新工具，CDIO教育模式下的學習者可以很容易將“蓮葉效應”的自潔功能移植到發動機的設計中， 利用“納米空氣層”減少了發動機機件磨損，降低了產品功率消耗，從而保證了發動機工作可靠。

2.3概念間的邏輯學習與創新能力的培養

CDIO課程為構思—設計—實現等要素的循環。創新邏輯學習與能力培養的循環，構成CDIO工程化教育的模式。現以蓮葉效應和空化現象概念、原理及其工程應用為例，進行概念間邏輯的分析、對比與綜合。

1） 現象與問題。如圖5所示，螺旋槳通常在邊緣處會出現點蝕問題，影響產品的使用壽命，那么原因是什么？

2） 原理解釋。盛滿液體的容器通入超聲波后，由于液體振動而產生數以萬計的微小氣泡，即空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播形成的負壓區生長，在正壓區迅速閉合，從而在交替正負壓強下受到壓縮和拉伸。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，會產生巨大的瞬時壓力，一般可高達幾十兆帕至上百兆帕。高壓的沖擊性造成螺旋槳破壞，見圖6。

3） 空化作用與創新設計產品。超聲波空化作用是指存在于液體中的微核空化氣泡，在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發生的生長和崩潰的動力學過程。中藥制劑純化就是利用空化作用進行加工的實例。如圖7所示， 由于液體中形成的空穴崩潰而產生的高溫、高壓、放電、發光和激震波等的作用，空化作用可用于促進化學反應，粉碎液內懸浮物，制造乳劑，殺滅細菌或清洗機件等。

2.4創新能力的雙向激勵機制

創新問題源于對事物本質現象的再認識。針對創新問題，設計課程應該在規劃學習程序性知識的基礎上，有效利用創新方法和創新工具，通過創新能力培養的雙向激勵機制，提高學生對事物的認知能力，求得對創新設計問題的解決方法。

如圖8所示，結合“蓮葉效應”與“空泡現象”兩個案例，教師從對自潔和清潔的概念對比分析，再到新產品設計，并從設計產品問題再回到創新概念進行反向思考。通過創新認知的雙向激勵，學習者可以得到如下啟示，具體見表1。

3新教育模式的動態考評方法

CDIO模式將傳統課堂教學方法集成化綜合管理，構筑CDIO創新教育骨架結構。新模式充分利用頭腦風暴、網絡學習、在線測試等方法和手段建立動態完整機制，并創新考核方法，對學習者進行有效的綜合評價。

3.1工程創新能力的動態考評機制

在當前全球化工程背景下，創新與適應能力由分析訓練、設計指導問題、分析與評判、基本的科學素養等內容構成，其全方位的知識結構、團隊協作、二次學習與項目管理和有效交流能力形成工程創新能力的變量關系。如圖9所示，創新能力存在于方法、環境、課程等集成因素中，通過整理問題型魚骨圖[9-11]方法，進行創新能力因素關聯性的整體性分析。創新能力作為考評的目標，首先將作為魚頭，方法、環境、課程等因素與其直接相關，構成魚骨，以期為建立CDIO教學模式的多側面綜合考評機制做準備。因此，對創新能力教育進行結構化分析，把創新能力因素當作變量來處理，建立學生課堂學習效果和實踐能力延伸遞增的機制，變靜態考評為動態考評，能使綜合考評方法和評判過程真實、有效。

3.2專業課程的評價體系與考核內容

動態考評作用機制如圖10所示。依據整理問題型魚骨圖，整理創新能力培養的關鍵影響因素，建立開放式的學習內容動態擴充機制。創新能力課程考核體系，將CDIO教學效果與教學方法相結合，評價專業課程教學效果，動態考評原則內容包括：1） 改變單一的考核評價體系。鼓勵學生利用工程專業知識探索工程應用，參加各類型的創新比賽，參與科研項目。學校將學生所學內容的應用計入考評內容和指標體系；2） 課程內容設計多樣化。利用橫向課題，帶領學生到企業利用設計方法解決工程問題；（3） 評價方法最優化。參考優化的評價方法，結合學生課程設計能力，對畢業生進行跟蹤評價。

3.3動態考評的方法與效果

本研究利用雙創課程教育平臺，對通用設計方法與創新設計方法課程進行教學模式（前3年未采用CDIO模式）探索，建立學科課程利用率簡單抽樣圖（圖見11）和創新能力直方圖（見圖12）。

1） 采用GPA方法進行統計分析，并通過課程利用率、選課人數等“量化”實驗效果對比分析，確定課程教學總體、課程設計、課程實施、課程作用維度與教育現象間的因果關系。

2） 連續5年抽取15%樣本，對畢業后的機械工程類專業學生進行網評課程效果跟蹤分析，并對后續3門專業課程知識的利用率進行數據采集、隨機抽樣、連續跟蹤和統計分析。

從CDIO教育模式與非CDIO教育模式效果分析可知，在對比課業考核成績、學習課程的知識利用率、創新能力效果比率3個指標，采用CDIO創新教育培養模式之后，綜合成績比率明顯提高。CDIO創新教育的良好效果，保證了課程設計內容的持續、高效的擴張性，數值見表2。

4結束語

結合CDIO創新培養模式，通過問題的快速構思，以及動態自主學習、雙向式激勵和工程化設計的培養過程，建立以“創新問題”為導向的教育教學的實現過程，對學生進行專業化設計與創新能力的培養，對CDIO教育目標實現效果的分析與論證，從多個角度也證明了CDIO新教育模式所構建的測評體系及其各量表具有穩定性和合理性。CDIO培養教育模式能夠充分適應專業創新能力的要求，滿足學生未來實際工程化實踐的需要。

參考文獻

[1] 李建軍，張永強.基于CDIO教育理念的化工實踐教學體系的構建與探索[J].教學研究，2016，39（6）：97-100.

[2] 姜鋼.深化考試內容與形式改革 助力人才選拔和素質教育[J].中國高等教育，2014（23）：7-9.

[3] 于克強，楊松華，宋勝偉.基于創新能力培養的機械設計基礎教學設計改革與實踐[J].教學研究，2017，40（3）：82-86.

[4] Fan Y H，Zhang X W，Xie X L.Design and development of a course in professionalism and ethics for CDIO curriculum in China [J].Science and Engineering Ethics，2015，21（5）：1381-1389.

[5] 李薇，王磊，魯曉鋒.多角色混合式學習模式的研究與實踐[J].教學研究，2017，40（3）：10-16.

[6] 顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO——清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009（1）：11-23.

[7] 高永，王繼英，劉維平，等.基于工程能力和創新能力培養的實踐教學改革[J].江蘇技術師范學院學報，2012，18（2）：112-115.

[8] 王章豹，劉光復，吳玉程.強化工科實踐教學 培養學生的工程實踐與創新能力[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2006（4）：1-5.

[9] Wang Y Q，Qi Z Y，Li Z R，etc..Institute-industry interoperation model：an industry-oriented engineering education strategy in China [J].Asia Pacific Education Review，2011，12（4）：665-674.

[10] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究，2014（1）：163-168.

[11] 李雪姣，田友誼.交往教學視域下的創造性人才培養[J].教學研究，2016，39（1）：104-109.

AbstractUnder the situation of big education，engineering students need to establish a new mechanism of capacity growth for lifelong learning and self-development.Starting from the enhanced problem to improve the innovation ability，this paper，from the points of knowledge expansion，continuously and fast changeable social needs，proposed the construction of the CDIO training mode of dynamic and bidirectional innovation capability.The new mode of problem oriented and task driven learning，through the concept guide and the course learning，organically integrate such factors as concept conceiving，product design and other content，and to ensure the sustainable and efficient expansion of students innovative abilities.Based on the use of the dual creative course platform，this paper makes a study of evaluation methods for 5 consecutive years of teaching practice and teaching research，which shows that dynamic effect：CDIO training mode for innovation abilities can fully adapt to the modern creative design requirements，and ensure that process the development of engineering professional learning abilities can be sustainable and efficiently cultivated.

Keywordsengineering specialty；CDIO mode；innovative ability；problem orientation；sustainability；dynamic evaluation