新工科背景下遙感實驗教學CDIO-OBE模式改革

李 剛,秦 昆,萬幼川

(武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

第四次工業革命正以指數級速度展開，世界高等工程教育面臨新機遇、新挑戰。為應對金融危機挑戰、擴大實體經濟、爭奪國際產業競爭話語權，主要發達國家都將重振制造業作為優先發展的戰略目標，重塑制造業競爭新優勢。高等教育水平是一個國家發展水平和發展潛力的重要標志，發達國家在制定重振工業發展戰略部署的同時，也實施了相應的人才培養規劃，積極加強工程教育改革。2013年4月德國政府在發布實施《工業4.0》戰略報告之后，將加強“雙元制”工程教育改革作為“德國制造”的基石、德國經濟騰飛的秘密武器[1]。2014年4月美國政府組建了工業互聯網聯盟，為加速實現美國的工業互聯網戰略，2017年8月MIT啟動了新一輪工程教育改革——“新工程教育轉型”計劃，代表了美國工程教育的最新發展方向[2]。為主動應對新一輪科技革命和產業變革的重大戰略選擇，2015年3月中國政府提出《中國制造2025》，規劃了中國制造強國建設的戰略部署，促使從制造大國向制造強國轉變[3]。我國高等工程教育改革發展已經站在新的歷史起點上，新經濟、新產業、新戰略迫切需要培養大批新興工程科技人才，工程教育與產業發展緊密聯系、相互支撐，以《復旦共識》《天大行動》和《北京指南》為標志的新工科建設“三部曲”發布了我國工程教育改革的前瞻性戰略報告，奏響了人才培養主旋律，部署了我國工程教育改革的新規劃。

新工科建設以創新型、綜合化、全周期的工程教育理念為指導，培養科學基礎厚、工程實踐能力強、綜合素質高的應用型、技術型創新人才，要著力解決的是高等工程教育中的實踐性和創新性問題。實驗教學作為高等教育的重要組成部分，是培養學生創新意識和實踐能力的重要環節[5]，也是培養學生以工程應用和創新設計能力為核心的系統工程能力的最關鍵、最主要方式，直接決定著工程教育的培養質量。在我國產業發展步入新變革、高等教育邁進新階段之際，遙感實驗教學主動與新工科教育理念相對接，入選國家首批新工科研究與實踐項目，開展面向新工科的遙感實驗教學改革。實驗教學模式影響著教學方法的運用、教學資源的組織及教學過程的開展，決定著教學內容的選擇和教學目標的達成[6]。實驗教學模式創新是提高工程教育質量的重要途徑，也是面向新工科的遙感實驗教學改革的重要組成部分，本文主要介紹面向新工科的遙感實驗教學中引入國際工程教育最新模式CDIO[7]和美國工程教育通用模式OBE[8]，并將其相結合實施CDIO-OBE模式的改革。

1 CDIO教育模式

CDIO代表構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)和運作(operate)，是一種符合工程科技人才成長規律和特點的教育模式。CDIO工教育模式是近年來國際工程教育創新的最新研究成果，其創始人Edward Crawley由于該模式榮獲美國工程院2010年“戈登獎”，該獎項被譽為“工程界的諾貝爾獎”[9]。CDIO以產品從研發到運行生命周期上的4個環節對應工程教育實踐訓練的4個環節：構思、設計、實施和運行，以工程實踐為載體,讓學生以自主實踐、課程之間有效關聯的方式學習工程,培養學生掌握工程技術知識和工程實踐能力。CDIO不僅總結和發展了歐美20多年來工程教育改革的思想，而且系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施及檢驗測評標準。CDIO培養大綱為工程教育創造了一個通用的、完整的、合理的、可概括的教學目標，將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力層面,要求以綜合的培養方式使學生在這4個層面達到預定目標。2008年4月，教育部高教司發文成立“CDIO工程教育研究與實踐課題組”，以CDIO理念為指導開展了專業培養標準、一體化課程體系、基于項目/問題教學、探究式教學等的研究與實踐工作，推進了CDIO的本土化與再創新，促進了中國的工程教育改革。

2 OBE教育模式

OBE(outcomes-based education)是基于成果導向的教育模式，以預期學習產出為中心，對教育進行組織、實施和評價的結構[10]。20世紀末，美國工程教育認證委員會頒布了以OBE教育理念為核心的工程教育認證標準，規定了學生畢業時應達到的能力和水平的預期目標及保證學生達到這些預期目標的教育形式。OBE模式已成為美國工程教育界全面采用的模式，《華盛頓協議》只認可采用OBE模式培養的本科工程學位。OBE強調要以學生為中心實施能力培養、能力訓練和能力創新的教育，要以成果為導向引導人才培養方案持續改進。OBE理念以學習成果為導向，要求整個教學體系，包括教學過程、教學評價等，都要依據教學目標或學習成果的要求，以使提升教學質量更具可操作性[11]。OBE教育模式以學習產出驅動整個教學活動，首先要確定教育的“成果”，明確學生的“培養目標”，然后確定達到這一培養目標的方法，成果包括對知識整體結構的把握和理解、分析問題和解決問題的能力、創造性思維能力、不斷學習和適應發展的能力等。2006年教育部啟動工程教育專業認證試點工作，OBE已成為我國工程教育專業認證三大理念之一，也是我國工程專業建設的指導思想，推進著工程教育的改革和實踐。

3 面向新工科的CDIO-OBE模式遙感實驗教學

新工科要求借鑒國際先進的工程教育經驗，探索實施工程教育人才培養的“新模式”。在“新工科”背景下，為培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的創新人才，遙感實驗教學引入工程教育最新理念CDIO，以科學研究實驗教學轉化、工程應用實驗教學轉化開展項目式教學，同時引入美國工程教育通用模式OBE，以預期學習產出為中心來組織、實施和評價項目式教學，并將其結合創建多層次的新型教學模式CDIO-OBE，以成果產出驅動CDIO的整體訓練。

根據CDIO能力大綱中規定的工程師必須具備的知識和技能，遙感實驗教學的目的是以測繪科學、地球科學、計算機科學等多學科交叉融合的技術為基礎，以遙感的理論、方法和應用為主線，培養學生的遙感技術知識和推理能力，個人技能、人際交往與團隊合作技能以及構思、設計、實施、運行項目過程中所表現出來的系統工程能力。遙感實驗教學實施CDIO-OBE模式，首先借鑒《華盛頓協議》體系、歐盟的EUR-ACE體系及我國工程教育專業認證標準，確定了整體預期學習產出；其次，根據整體預期學習產出，結合遙感專業特色和行業需求，逆向設計各門實驗課程，建立實驗課程與產出目標的匹配矩陣對遙感實驗課程體系進行優化；然后，根據課程與產出的匹配矩陣構建課程目標，制定實驗課程具體的預期學習產出，確定實現策略并對達成課程學習產出的教學內容進行追溯式設置；最后，以實現學習產出為目的，按CDIO開展項目和團隊的整體訓練，針對“構思、設計、實施、運行”環節精心設計項目式教學，形成CDIO-OBE相結合的教學模式。

3.1 實驗教學整體預期學習產出

新工科建設要求用國際實質等效的標準引導專業教學，加強工程人才培養質量標準體系建設，培養創新型工程技術人才[4]。《華盛頓協議》體系和歐盟的EUR-ACE體系，是世界公認的工程教育標準體系。《華盛頓協議》規定了畢業生素質應由“必須掌握的知識”和“問題解決水平”構成[12]，要求具備溝通能力、合作能力、專業知識技能、終身學習能力、解決復雜問題和處理不確定性問題的能力及健全的世界觀和責任感。歐盟的EUR-ACE體系界定了工程教育必須達到的6個方面的成果：知識和理解、工程分析、工程設計、調研、工程實踐、可遷移技能[13]。為推進我國工程教育改革、提高工程教育質量，教育部開展了工程教育專業認證工作，提出了包含“工程知識”“問題分析”“設計/開發解決方案”“研究”等要求的畢業標準，構建了與國際等效接軌的工程教育體系。

借鑒《華盛頓協議》體系和歐盟的EUR-ACE體系，結合我國工程教育專業認證標準，分析遙感人才應具備的素質，探索遙感實驗教學應達到的培養質量標準。遙感實驗教學應有助于培養工程實踐能力強、具備一定創新創業能力的高素質技能型人才，遙感實驗教學實施CDIO-OBE模式的預期學習產出為：

(1) 數學知識和遙感技能:掌握數學、計算機科學及工程基礎知識，掌握遙感專業技能，能運用遙感專業技術解決社會發展、環境監測中的復雜工程問題。

(2) 遙感問題分析:將數學知識運用于遙感工程實踐問題，進行適當過程表述與方法分析。具備對技術問題進行調研、分析、實驗的能力。

(3) 設計/開發遙感解決方案:能夠應用遙感專業知識設計針對復雜遙感工程問題的解決方案、技術路線和方法步驟，并主動建構應用開發的知識經驗。

(4) 遙感創新研究：針對復雜遙感工程應用問題，能利用遙感新技術、新方法進行創新研究、實施工程實驗，并能對實驗結果進行分析、解釋，能夠對實驗過程加以控制。

(5) 遙感創業管理：掌握工程項目管理的基本原理和方法，掌握遙感地理信息市場及成果管理方面的知識，并能加以應用。

(6) 使用現代工具：掌握遙感文獻檢索、資料查詢的方法，掌握多種獲取遙感數據的方法，能夠獲取實驗研究所需要的數據，能夠利用多種遙感專業軟件和計算機編程技術分析和解決遙感領域的復雜工程問題。

(7) 個人和團隊、溝通：具有一定的組織管理能力、表達能力和人際交往能力以及在團隊中發揮作用的能力。

(8) 工程、環境和可持續發展：合理分析和評價遙感工程實踐對社會、環境、健康、安全的影響并理解應承擔的責任，在工程設計中具備綜合考慮多種制約因素的意識。

3.2 基于學習產出的實驗課程體系優化

為支撐預期產出目標的達成，結合遙感專業特色和行業需求，將產出目標進一步分解具體化為明確的能力培養指標，表1為圍繞培養目標的具體能力指標(部分)。

圍繞實驗教學整體預期學習產出及表1中培養目標的具體能力指標，逆向設計各門課程，通過分析實驗課程與產出目標之間的相互關系，按照布魯姆教育目標分類法確定課程對產出目標的支持程度，建立實驗課程與產出目標的匹配矩陣，根據產出目標及課程對產出目標的支持程度優化遙感實驗課程體系，強調能力培養型課程。設置了從地面、低空遙感實驗到航空、航天遙感實驗，從數據采集、處理實驗到信息解譯、應用實驗，從區域資源分析實驗到全球探測、監測實驗，按理論技術基礎型、專業技能綜合型、工程應用設計型和探索研究創新型構成了相互銜接的多層次、多角度的實驗課程體系，培養學生遙感專業技能、工程實踐能力及創新研究能力，同時加強遙感工程應用能力培養。表2為遙感實驗課程與預期學習產出的匹配矩陣(部分)，其中L1、L2、L3、L4、L5為布魯姆教育目標分類確定的掌握程度，分別代表知道、領會、應用、分析、綜合。

表1 培養目標的具體能力指標(部分)

表2 遙感實驗課程與預期學習產出的匹配矩陣(部分)

續表2

3.3 課程學習產出及教學內容設計

實驗教學整體預期學習產出最終要落實到具體的實驗課程上，根據培養目標、能力指標，以及課程與產出的匹配矩陣設計構建課程目標，確定實驗課程層面的預期學習產出。如分析表1和表2進行逆向設計，為培養學生遙感建模的知識和技能以及運用遙感模型分析、解決實際遙感應用問題的能力而開設了《遙感應用模型實驗》，確定了表3所示的課程目標。

表3 《遙感應用模型實驗》課程目標

根據課程層面的學習產出，分析教學內容與產出目標之間的關聯，追溯式設計實現課程預期產出的教學內容，并確定實現策略，使用多樣化的教學方法實現課程目標，表4展示了課程目標與教學內容、教學要求、教學方法的對應關系(部分)。根據“學習產出”類型，采取問題啟發式方法、任務驅動式方法及翻轉課堂等相結合的多樣化方法，實現“以教師為主開展教學”到“以學生為本組織教學”的轉變，以培養學生實踐興趣。

3.4 基于成果產出的CDIO教學

為實現遙感實驗課程的預期學習產出，必須以能力培養為主線貫穿整個試驗過程。CDIO以工程項目為載體，將課程系統地、有機地結合起來融入項目設計中，使學生以主動實踐的方式參與到教學過程。

基于學習產出的遙感實驗課程CDIO教學設置了“調研構思”“自主設計”“開發實現”“運行應用”4個教學環節，要求對項目式教學完整地展開“構思、設計、實現、運用”的整體訓練。調研構思主要包括模擬進行項目應用調研、需求分析、可行性分析及技術程序和計劃制訂。自主設計主要包括技術路線、方法步驟、圖紙設計及實施方案設計等。開發實現是將設計方案轉化為成果產品的過程，包括制造、解碼、測試及設計方案的確認。運行應用主要是分析、評價項目成果產出以對前期構思、設計、實現過程進行評估，對項目方案進行修正，經過再開發實現、再運行應用提高成果產出。基于成果產出的CDIO教學,以學習產出驅動CDIO實踐教學過程,將所學的分散知識以完整的工程項目形式串成整體,在項目和團隊工作中對主動學習能力、創新研究能力、系統工程能力及團隊合作能力進行整體培養。遙感實驗課程CDIO教學如圖1所示。

表4 《遙感應用模型實驗》課程教學產出(部分)

4 結 語

新工科建設是應對國家戰略發展新需求、產業轉型升級新趨勢、國際競爭新形勢而實施的人才培養規劃。按照新工科建設的理念和要求進行遙感實驗教學模式改革，對于實現新工科培養目標、提高實驗教學質量、培養創新型遙感工程應用人才起著重要作用。本文總結了在新工科建設背景下遙感實驗教學借鑒國際先進的工程教育經驗、探索實施工程教育人才培養的CDIO-OBE新模式，以培養學生工程科技創新能力、終身學習發展、適應時代要求的關鍵能力，持續提升遙感工程人才的培養水平。