創客教育與CDIO融合研究

摘 要：世界各國的經濟競爭和科技競爭，歸根到底是民族創新能力的競爭。CDIO工程教育、創客教育通過項目學習、任務驅動等對創新人才的培養有著重要影響。文章研究了CDIO與創客教育產生的背景、內涵，分析了兩者之間的差異，提出在創新思想的指導下，將CDIO的構思、設計、實現、運作過程與創客教育相融合的理念，構建了混合創新模型，以期有效提升“大眾創業、萬眾創新”的品質和層次，提升工程教育專業和社會大眾的創新能力和核心競爭力。

關鍵詞：創客教育；CDIO；創新；融合；模型

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0006-04

當今世界，各國之間激烈的是人才的競爭，建立國家創新體系，走創新型國家之路，已成為世界許多國家政府的共同選擇。“自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來”是我國建設創新型國家的指導方針[1]，創新型人才是創新型國家的基礎和重要保障。在“大眾創業、萬眾創新”知識經濟時代，使得創新過程網絡化、全球化，草根大眾將自身極具技術挑戰的創意轉化為現實制品，變身創客成為可能，創客、創客空間、創客教育等應運而生。與此同時，作為工科創新人才培養的學院派CDIO理念及其12條標準，對在校的工科學生的創新教育也起著重要的影響。

學院派的CDIO工程教育創新人才培養與草根大眾的創客教育的自主創新，兩者之間有何關系？其創新的理念、方法有何異同？能否將兩者進行有效融合，促進創新規范化、大眾化呢？文章通過對CDIO與創客教育的梳理，力求探索這些問題的答案。

一、CDIO與創客教育產生的背景

1.CDIO產生的背景

（1）工業制造的發展

工業革命經歷了以蒸汽機為代表的機械時代、發電機為代表的電氣時代、計算機為代表的信息時代，目前正在向智能時代邁進。相應的機械制造經過了工業1.0、2.0、3.0，正在向工業4.0發展。18世紀60年代至19世紀中期的工業1.0，通過水力和蒸汽機實現工廠機械化；19世紀后半期至20世紀初的工業2.0，采用電力驅動產品的大規模生產，通過零部件生產與產品裝配的成功分離，將人類帶入分工明確、大批量生產的高效新模式；20世紀70年代開始工業3.0，應用電子信息技術，使制造過程自動化控制程度、生產效率、良品率、分工合作、機械設備壽命等都得到了前所未有的提高；2010年前后出現的工業4.0，應用信息物理融合系統（Cyber-Physical System，CPS），將實體物理世界與虛擬網絡世界融合進行智能制造，將形成一種高度靈活、個性化、數字化的產品與服務新生產模式。工業制造方式不同，對工程人才的能力需求也不一樣，因此高校工程人才的培養模式與方式必須不斷更新，以適應工業制造發展的需要。

（2）工程人才的培養

西方國家，特別是英國作為工業革命的發源地，伴隨著工業生產而產生早期的“師徒制”工程教育，教師以工程企業的一線工程師為主，在生產實踐中對學生進行解決實際問題的教育，學校沒有系統化理論課程。隨著科技的發展，二十世紀四十年代末，系統論、控制論、信息論這三門邊緣學科幾乎同時產生，對科學技術和思維的發展起到了巨大的推動作用，對工程教育有著重要影響。20世紀后半葉，科學知識越來越與工程生產實踐相融合，逐漸形成現代工程理論體系，工程教育逐漸從實踐訓練轉向工程科學知識傳授，教學場所從工程生產車間轉移到大學教室，教師群體也從技術工程師轉向工程理論研究人員[2]。

學校教育的特點是知識的基礎性、完整性、系統性，由于教學條件的限制，往往重理論、輕實踐，理論與實踐嚴重脫離，高校工程專業所培養的畢業生難以適應現實工業生產的要求，需要針對性地在工業生產中進行實踐的“回爐”、再“鑄造”；同時由于學生缺乏相應的實踐問題解決需求，對工程設計的思路、模式、方法等也缺乏系統認識，創新就更無從談起。美國工程技術認證委員會在充分調研的基礎上，對工程專業畢業生人才培養目標做出了大規模調整。高校工程教育必須主動調整人才培養模式，以滿足工業生產領域的需求，CDIO工程教育模式應運而生。

2.創客教育產生的背景

所謂創客，就是一群以創新為基本追求，通過借助各種數字化、智能化和開源化工具努力把各種創意轉變為現實的人群[3]。

創客源自英語單詞“Maker”，原意是指“制造者”。從國外文獻來看，創客（Maker，臺灣翻譯為“自造者”）這一術語最早出自2005年初創辦發行的創客雜志（Maker Magazine），創辦人Dale Dougherty[4]。創客最初靈感來源于Gershenfeld教授于1998年在MIT開設的一門課程“如何能夠創造任何東西”，他認為與其讓人們接受科學知識，不如給他們裝備、相關的知識以及工具讓他們自己來發現科學[5]。

創客一經提出便風靡全球，創新、創造得到全世界的認可和推廣。創客產生的原因是多方面的：一是工業3.0的高效率、模塊化與產品標準化的大規模定制，使最終的產品驚人的高度一致，缺少創新與個性，客觀上為創新提出了必然要求；二是個人通訊和個人計算、開源硬件的普及、3D打印技術的興起，為創客提供了必備的硬件條件，形成“DIY”（自己動手做）文化，他們掌握了自生產工具，實現了從專業科研人員到普通用戶、從專業實驗室的科技創新到大眾的共同創新、開放創新；三是知識經濟、信息經濟的關鍵是創新能力，只有信息共享，并與人的認知能力——智能相結合，才能高效率地產生新的知識[6]，才能推動第一生產力——科技的發展。

二、創客教育與CDIO的內涵

1.CDIO的內涵

1997年麻省理工學院航空/航天戰略計劃，提出CDIO增強本科生的關鍵能力，1999年與瑞典相關學校合作，從2000年開始CDIO項目，2001年誕生CDIO教學大綱V1版，2004年制定了CDIO標準，形成了構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）的CDIO工程教育理念和實施體系。并成立了CDIO國際合作組織，截至2017年8月共有120所高校自愿加入“CDIO工程教育聯盟”[7]。

構思包括設立系統目標和要求、定義功能、概念和體系結構、系統建模并確保目標可能達成、項目發展的管理。

設計包括設計過程、設計過程分期與方法、設計中對知識的利用、學科專業設計、跨學科專業設計、綜合設計。

實現包括設計實施的過程、硬件制造過程、軟件實現過程、硬件與軟件的結合、測試、驗證、認證以及取得證書、實施過程管理。

運作包括設計和優化操作、培訓及操作、支持系統的生命周期、系統改進和演變、棄置處理與產品報廢問題、運行管理。

“構思、設計、實現、運作”四個單詞及其順序表達了產品開發與生產的四個階段，體現模型與工程生產的緊密結合。CDIO包括了三個核心文件：1個愿景、1個大綱和12條標準。CDIO的目標是培養工科學生的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力等，通過3級、70條、400多款指標進行評價[8]。

CDIO的核心內涵主要有：工程理念貫穿于一體化教學計劃，培養整體思維、系統思維；教學中以學生工程實踐能力培養為中心，強調學生在工程實踐場所中，基于自己的思考和解決問題的主動學習，要有強烈的求知欲和自省能力，形成綜合性學習經驗；學生要有創造性思維、批判性思維，有團隊意識和創新精神。

2.創客教育的內涵

信息技術的普及、數字工具的應用，使大批志同道合的、具有把創意轉變為現實的草根創客自組織地聚集在一起，協同工作。創客堅守創新理念，通過行動和持續實踐，發現問題和需求，并努力找到解決方案，并樂于分享創新成果。他們最初的活動創客空間是車庫。隨著人員的不斷擴展以及條件的日益改善，實驗室、工作坊、廠房、工作間，甚至移動的卡車等都可成為創客空間。創客空間為參考與提供動手學習、協作、自我導向、STEM（科學、技術、工程與數學）教育、原型設計以及創客文化等機會[9]，遵循“親自實踐、共同分享、尋求創新”的理念[10]。發明創造將不只發生在擁有昂貴實驗設備的大學或研究機構，也將不僅僅屬于少數專業科研人員，而有機會在任何地方由任何人完成[11]。

創客的發明、創新、創造能力除自主協作學習獲得外，也可以通過系統的教育、規范的實踐獲得，由此以培育大眾創客精神為導向的教育形態[12]——創客教育應運而生。創客教育是一種融合信息技術，秉承“開放創新、探究體驗”教育理念，以“創造中學”為主要學習方式和以培養各類創新型人才為目的的新型教育模式[13]。概括來說，創客教育的本質是創新滿足需求，協作實現創意，實踐產生價值[14]。

三、創客教育與CDIO的比較

從上述的CDIO與創客教育產生的背景、內涵來看，兩者有著相似之處，都是強調以學生為中心，讓學生在一定的環境中靈活、自由、主動學習，通過項目解決問題，激發創新意識，培養創新精神、實踐能力、團隊協作能力、自主學習能力、以及溝通與表達能力等。但在以下方面有著明顯的差異：

1.學習目標

CDIO工程教育培養的是針對企業需求的專業化、定制式、精英式人才，有真實的、復雜的工程問題，團隊成員相對固定；將學科學習與工程職業訓練相融合，知識、能力等相對標準、統一，須通過工程教育專業認證，以滿足行業需求，具有明顯的職業傾向性。（構建工程教育與企業界的聯系機制，增強工程教育人才培養對產業發展的適應性；促進我國工程教育的國際互認，提升國際競爭力。）

創客教育是面向大眾的個性化教育，可以是在校學生，也可以是社會人員；創客按興趣愛好構建松散性團隊，壓縮力相對較弱；學習的內容、進度等也是根據自己的喜好和能力自主選擇和確定，以拓展知識、發展能力為目標，因人而異、按需學習；往往在生活中發現問題，自主探究解決問題，無明顯的職業傾向。

2.知識體系

CDIO工程教育人才培養，圍繞基礎科學知識、核心工程基礎知識、高級工程基礎知識等系統構建知識體系與實踐方案，具有各學科之間相互支撐并進行實踐的一體化教學計劃。

創客活動廣泛，有開發學生智力的創客活動，如智力電腦游戲、機器人制作等；有滿足學生基本生活需求的手工制作活動，如烘焙、園藝、剪紙等；有開展與學校課程設置相關的活動，如計算機、3D打印技術、電子設備等。因此對于創客教育而言，沒有統一的標準和知識體系，是按需教學、按條件開展活動的碎片化知識。當前在機器人創客方面有著豐富的開源硬件，體系相對較為成熟，深受各類創客愛好者的喜愛。

3.實踐場所

CDIO工程教育專業認證中有嚴格的支持條件，如教學設施、實驗經費、儀器設備及使用率、師生比、實驗開出率等，實踐場所相對真實、規范、全面，實驗場所有專業的實驗教師指導，滿足工程專業人才培養的目標要求。

創客教育場所相對自由，實驗室、車庫、工作坊等，只要能提供創客工作的基本條件即可；無統一的設備配置標準；創客教師人員較為復雜，包括企業工程師、博士、志愿者等，水平參差不齊。

4.社會評價

CDIO工程教育專業的社會評價是從用人單位的角度來看待專業培養出來的畢業生，包括來自就業單位、研究生培養機構、社會輿論的評價[15]。通過考試、面試、實踐操作等方式評價學生的專業知識、應用能力和綜合素質。

創客的最終成果是以用戶為中心的創新產品，往往和實際緊密結合，具有新穎性、實用性、便利性等特點，能引領潮流。成果通過網絡平臺進行發布，并得到來自用戶的評估[16]，具有市場前景的成果則會得到投資并轉化為產品的機會。教育創客的作品實用性相對較少，可以從科學、技術、工程、藝術、數學多維度全面進行學生的能力和綜合素質。CDIO與創客教育的比較如表1所示。

四、創客教育與CDIO的融合

無論是CDIO工程教育，還是創客教育，都包含了知識創新與技術創新，技術創新是在知識創新的基礎上，要將各種技術轉變為產品或服務并在市場上實現其價值，從而獲取經濟利益[17]。從上述的比較分析來看，CDIO由于受到專業性質、工程思想等的限制，往往過分拘泥于“構思、設計、實現、運作”的規范化模式，有時缺少問題意識和靈活創新。相反，創客教育傳承了創新教育、DIY理念的思想，善于從生活中發現問題，通過“親自動手”、“一起做”實現產品的創新，方法實用、靈活，但由于缺乏必要的工程教育系統知識與方法的支撐，解決問題難度較大，研究也難以深入，不能從根本上實現創新。因此，在創新思想的指導下，可將CDIO與創客教育相融合，取長補短，以突破各自的缺點與不足。

在借鑒企業技術創新過程模型的基礎上，構建CDIO與創客教育深度融合的混合模型如圖1所示。

具體過程是：基于問題、需求等構建創客團隊，團隊成員在系統知識的支持下，通過頭腦風暴、討論交流等方式進行創客互動，根據問題的目標、要求等形成構思，建立系統實現建模；運用系統知識進行跨學科的專業設計、綜合設計；在創客實驗場中，通過親身實踐，驗證設計思路，通過3D打印等技術制作原形，試制產品；產品的生產實現過程中，可對設計、構思中存在的問題進行修正，力求產品的功能完善與規范等；通過互聯網、市場調研等向用戶征求意見、進行試用體驗，通過云計算、大數據等實現創客產品的優化、系統的改進等，并借助互聯網進行大范圍的推廣、應用，使創新產品實現規模化生產，實現創新知識的產品轉化。

五、結束語

總之，在CDIO工程專業教育的基礎上，融合大眾化的創客教育理念，對培育“尚技重工”的文化[18]，提升學生的創新思維能力、系統知識掌握與應用能力、實踐能力等都有著重要的影響，為用戶提供更多的創新產品和創新體驗，可有效提升“大眾創業、萬眾創新”的品質和層次，使高校創客實踐中心成為創新的起源場、互動場、實踐場、系統化場[19]。

參考文獻：

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（編輯：郭桂真）