面向?qū)I(yè)認證的CDIO模式在無機非金屬材料專業(yè)課程教學中的應用

劉開偉，孫道勝，丁 益，吳修勝，王愛國，徐海燕

（安徽建筑大學材料與化學工程學院，安徽合肥230022）

當今全球化和技術革新驅(qū)使工程實踐在社會發(fā)展中起著越發(fā)重要的角色，最新的全球競爭力報告顯示中國排在第28位[1]，在新興市場中具有較強的競爭力，但是其中一級指標高等教育和技術培訓仍略靠后，說明我國高等教育和技術培訓與發(fā)達國家相比還有一定距離。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，世界已經(jīng)迎來第四次工業(yè)革命。工程科技人才便成為其中的關鍵，決定著新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量的高低。為了著力解決當前工程教育“工程性”和“創(chuàng)新性”不足的問題，在進入新世紀之初國內(nèi)很多工科院校采用CDIO工程教育模式并取得了較為明顯的成效。為進一步提升我國教育國際競爭服務，我國于2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》，希望達到工程教育學位國際互認[2]。

安徽建筑大學無機非金屬材料專業(yè)入選教育部的“卓越工程師計劃”并試點采用CDIO教學模式進行教學，同時該專業(yè)在2016年6月通過了國家工程教育認證的考察評估。因此基于安徽建筑大學無機非金屬材料專業(yè)對比CDIO和工程教育專業(yè)認證在教育理念、培養(yǎng)目標、培養(yǎng)過程和評價方式方面的要求，分析CDIO模式在專業(yè)課程教學中教學設計和實施過程及其對工程教育專業(yè)認證評估的作用。

1 CDIO與工程教育專業(yè)認證的比較

CDIO工程教育理念是MIT和瑞典皇家工學院等大學在奈特基金支持下于2015年創(chuàng)立[3]，它是以學生為主體，讓學生能夠從產(chǎn)品研發(fā)到運行的全周期中主動參與并進行的學習方式，且設立相應的能力細則評價標準進行逐項評價。國際工程教育認證則是對學生畢業(yè)5年的目標提出要求，通過對結(jié)果的評價來評估是否達到工程教育的要求[4]。筆者將兩者在發(fā)展愿景和理念、目標、實施、評價和改進體制這4個方面作對比，如表1所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：（1）兩者在發(fā)展愿景方面基本一致，均吸納了基于學習產(chǎn)出的OBE模式的工程教育思想，都是以學生為教學主體，希望能夠培養(yǎng)出滿足產(chǎn)業(yè)需要、處理實際工程問題的工程師。（2）在培養(yǎng)目標與實施過程上，CDIO在真實產(chǎn)品設計與運行的基礎上制定各項能力的要求標準進行推進，而工程教育認證則是一種認證的標準，是以認可的畢業(yè)要求為標準，反向?qū)嵤┙虒W全過程，并通過反饋形成持續(xù)改性的體系。（3）在評價環(huán)節(jié)，CDIO是將需要的能力細化評價，如掌握理論知識、個人與團隊的合作、理解產(chǎn)品與社會關系等。而工程教育專業(yè)認證是描述了學生畢業(yè)時應該掌握的素養(yǎng)，通過畢業(yè)要求來分析是否達成。實際上，CDIO模式下能力大綱要求與專業(yè)認證中“畢業(yè)要求”是一致的[5-6]，不同的是CDIO在細節(jié)描述上更趨于量化并可以個性設定，而專業(yè)認證則是通過與標準比較后得出達成或者不達成的結(jié)果，然后得到認證結(jié)果為合格或不合格，是一種底線質(zhì)量要求。

表1 CDIO和工程教育認證的對比分析

2 工程教育專業(yè)認證中引入CDIO教學模式

2.1 面向?qū)I(yè)認證的專業(yè)課程優(yōu)化

安徽建筑大學無機非金屬材料專業(yè)根據(jù)專業(yè)認證的相關要求構(gòu)建了專業(yè)教學體系，按縱向?qū)⒄n程分為通識教育、大類學科基礎和專業(yè)課程3個方面。通識教育讓學生掌握必需的、扎實的基礎理論知識；大類學科基礎則增強學生在大材料宏觀方向的知識儲備，如功能無機材料、傳統(tǒng)無機材料等；專業(yè)課程則培養(yǎng)學生能夠運用專業(yè)基礎知識分析并解決建筑材料在工程應用中出現(xiàn)的問題。本專業(yè)針對工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求，梳理了與畢業(yè)要求指標點對應的專業(yè)課程，開展了CDIO項目式教學改革，對專業(yè)課程進行了整合與優(yōu)化。如本專業(yè)開設了“材料科學與工程綜合實踐”“水泥基材料設計”“建筑節(jié)能體系設計”和“材料工程設計”這4個CDIO項目來優(yōu)化專業(yè)課程體系。這4個CDIO項目穿插于大三和大四兩年時間內(nèi)，第一個CDIO項目整合了《材料科學基礎》《材料物理性能》《材料研究方法》課程學習；第二個和第三個CDIO項目學生二選一，整合了《膠凝材料與混凝土學》《材料工程基礎》《現(xiàn)代混凝土技術》的學習，最后一個CDIO項目則串聯(lián)《無機非金屬材料工學》《無機材料生產(chǎn)設備》《材料工廠設計概論》的學習。

2.2 專業(yè)認證下CDIO教學的設計與實施

CDIO教學模式是以學生為中心、使學生參與產(chǎn)品整個生命周期的一個教學過程[7]。本文以其中一個CDIO項目做簡單分析。在大三上學期的專業(yè)課程學習中學生會覺得學習內(nèi)容極為抽象，容易感覺到枯燥。為了避免枯燥的理論學習，《材料科學與工程綜合實踐》CDIO項目被提出引入教學。該項目大體分為4個階段，如圖1所示。將班級的學生劃分成小組參與CDIO項目的運行，約以6人為一組，然后選擇一名導師完成一種功能材料的設計。在項目過程中學生變成主體，學生自行選擇組長并進行項目的協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌安排，老師則是在他們遇到問題時進行交流和指導。讓學生在任務的驅(qū)動下，以團隊合作的方式借助CDIO項目平臺整合《材料科學基礎》《材料物理性能》和《材料研究方法》等課程講述的知識，讓學生“學中做”和“做中學”，進行主動的探索和創(chuàng)作。

圖1 《材料科學與工程綜合實踐》CDIO項目周期

（1）調(diào)研階段（1～3周）。要求學生能夠運用現(xiàn)代工具自主檢索和查閱文獻，對文獻進行比較和分析，同時可走訪周邊相關企業(yè)進行調(diào)研和分析。要求學生提交前期調(diào)研報告，由指導老師檢查每個小組的項目調(diào)研報告。

（2）材料設計階段（2～4周）。要求學生根據(jù)調(diào)研報告的結(jié)果，在小組反復討論后完成材料的配方設計和工藝方案，并討論方案的可行性。此階段學生需要提交方案的可行性論證報告。

（3）材料制備及性能測試階段（6～8周）。該階段要求學生合理選擇相關的設備，在安全規(guī)程下操作設備、制備材料，并對制備材料的性能進行檢測。如遇到問題，在團隊內(nèi)部開展交流，進行反向解決問題。

（4）成果展示/運用階段（2周）。當項目由指導老師驗收完后，學生根據(jù)內(nèi)部驗收的結(jié)果，改進完成最后的樣品，所有小組進行展示和評比。。

在項目實施過程中安排兩種形式交流環(huán)節(jié)，一種是所有小組不定期交流討論，由學生組織安排；另一種是指導教師和學生一起討論交流項目過程中的問題。

2.3 CDIO學習成果評價與畢業(yè)要求達成度的關系

在項目實施階段，按照專業(yè)認證的畢業(yè)要求，結(jié)合自身專業(yè)的特點，根據(jù)能力達成程度對CDIO項目成績進行評價，學生的學習成績評價由以下4個部分組成：

（1）組內(nèi)互評20分。這部分主要為項目小組內(nèi)部成員匿名評價后求平均值，分為4個部分：文獻查閱、資料收集（25%）；信息共享及獻計獻策（25%）；設計及分析解決問題（25%）；小組活動的組織、管理與活躍度（25%）。

（2）組間互評10分。這部分成績由其他小組匿名評價后求平均值，評分項目為各團隊間的合作交流（50%）及項目過程評價（50%）。

（3）指導老師評價40分。小組指導老師對小組成員以下7個方面的表現(xiàn)進行打分：文獻查閱（10%）、方案設計（20%）、裝置搭建（20%）、數(shù)據(jù)分析（10%）、工具/軟件的應用（10%）、材料對社會的影響（10%）、團隊合作與交流（20%）。

（4）答辯成績30分。答辯成績由所有指導教師根據(jù)每個小組4次答辯后打分求平均值構(gòu)成，計入該小組每個人的答辯成績。4次答辯評委教師評分依據(jù)文獻調(diào)研、交流表達、自主學習（總計12.5%），材料與環(huán)境關系、方案設計、交流表達（總計25%），方案執(zhí)行、個人與團隊關系、自主學習（總計25%），理論知識點、數(shù)據(jù)分析、問題分析與解決、產(chǎn)品性能（總計12.5%）。

在工程教育專業(yè)認證的達成度分析中，專業(yè)課程體系對畢業(yè)要求的支撐極為重要。畢業(yè)要求主要是工程知識、問題分析、設計/開發(fā)解決問題的方案、研究問題、使用現(xiàn)代工具、工程與社會的關系、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團隊、溝通能力、項目管理和終生學習這12條[8]。而此時采用以學生為中心的CDIO教學模式可以整合優(yōu)化相關課程教學，將學生的能力細化和量化，可有效地支撐畢業(yè)要求達成度分析。如CDIO項目中的文獻查閱能力可以有效支撐畢業(yè)要求1、5和12；材料配方設計課支撐畢業(yè)要求2和3；方案設計支撐畢業(yè)要求3、5、9和10；理解材料與社會/環(huán)境的關系可支撐畢業(yè)要求6，7和8；信息共享和團隊合作支撐畢業(yè)要求9、10和11；實驗裝置的安全搭建可支撐畢業(yè)要求2，3和6；數(shù)據(jù)分析和方案調(diào)整可支撐畢業(yè)要求1，4，5和12；交流表達可支撐畢業(yè)要求10和11；軟件和工具應用支撐畢業(yè)要求3和5；自主學習能力可支撐畢業(yè)要求12。綜上，引入以學生為中心的CDIO教學模式能夠優(yōu)化專業(yè)課程體系，對學生的各項能力進行培養(yǎng)并評價，而細則能力的量化評價又十分有助于工程教育認證過程中畢業(yè)要求達成度的分析和評價。

3 總結(jié)

總體而言，在目標和實施上略有差異，專業(yè)認證則是圍繞畢業(yè)要求達成，是不分專業(yè)的通用“底線”，通過統(tǒng)一標準驗證工程教育水平是否達標，作為剛性約束為各專業(yè)提供了通識的努力方向和目標。而CDIO偏向于整個產(chǎn)品周期過程中各項能力的培養(yǎng)，對能力有足夠的細化，是追求產(chǎn)業(yè)需求的逼近，通過具體自身專業(yè)目標來制定柔性定制培養(yǎng)內(nèi)容，可以是動態(tài)拔優(yōu)的“高線”。由于兩者的愿景和理念一致，評價也只是描述上的差異。通過CDIO教學模式能夠有效優(yōu)化專業(yè)課程體系，且細化的CDIO能力指標能夠直接支撐課程體系對畢業(yè)要求達成度的貢獻，對持續(xù)改進有明顯積極的意義。因此CDIO教學模式更有利于畢業(yè)達成度的分析，兩者的結(jié)合可以更好地優(yōu)化工程領域人才的培養(yǎng)。