CDIO3.0標準下新興工科專業工程教育的思考

郭惠芳　姜鯤鵬

摘要：新興工科專業的工程教育存在著培養方案不成熟，教學內容不穩定等困境，從分析CDIO標準3.0版本中新增內容和精神，提出建設新興工科工程教育的關鍵是可持續性的建設與改進以及著力培養學生可持續性學習能力。最后給出了一個快速響應的專業教育體系的構想，以解決新興工科專業工程教育中的部分困境。

關鍵詞：新興工科專業；工程教育；CDIO3.0；可持續的學習能力；快速響應教學體系

1 新興專業的工程教育現狀

在新興產業不斷崛起的同時，以互聯網和工業智能為核心的大數據、人工智能等新興工科專業得到了快速發展。2021年度教育部高校新增備案本科專業1773個、新增審批本科專業188個，將31種新專業正式列入普通高等學校本科專業目錄［1］。各個高校在新興專業建設方面也投入了大量的資金和成本，在相對較短的時間內已建成了一些比較有影響力的新專業群。同時我們也看到由于一些新興工科專業所對應的工程技術發展還不成熟，新興專業工程技術人才相對缺乏，新專業的建設尤其距離工程教育標準的要求，還有不少差距［2-3］。

對于新興工科專業來說，工程教育的探索可能需要更長的時間，部分高校對新興專業工程教育內涵的研究不充分，對專業的工程教育認識模糊，導致對專業課程體系建設系統性不強，課程設置隨意性大，人才培養模式趨同［2］。從高校培養人才的角度，當前主要存在以下幾個方面的問題：

（1）培養目標比較模糊，具有較大不確定性。

（2）課程計劃參考多個交叉學科的培養體系，多個相關學科的課程計劃簡單組合比較多，很難形成真正的整合交叉。

（3）傳統課程與新興課程的設置以及課程之間在內容和技術選擇上比較混亂。

（4）涉及復雜工程問題的實訓項目很難大規模地開展訓練。

下面從解讀CDIO3.0工程教育培養標準入手，試著探索新興的工科專業的工程教育的解決之道。

2 CDIO3.0標準的解讀

2.1 標準的修訂背景

CDIO工程教育培養模式是將現代工業產品的生命全過程（構思、研發、運行及改良）作為載體來培養學生的工程能力，得到了包括中國在內的世界各國著名大學的支持和參與，也是我國高校工程教育認證的一個主要參照［4-5］。它包括一個愿景、一個大綱和12條標準或稱之為要則，其中12條標準對整個培養模式的實施和檢驗給出了比較系統的闡述，國內學者對此也作了較多的研究［6-7］。在2020年第16屆國際CDIO會議上，發布了對核心CDIO標準的修訂，即CDIO標準3.0版［8］。該標準從2005年首次發布以來，經歷了大量的實踐與研究，為了適應近年的經濟社會背景的變化，標準主要在4個方面進行了補充：（1）可持續性；（2）數字化；（3）服務；（4）教師任職能力。

2.2 修訂的主要內容

在“背景”（Context）要則中，說明開發和部署可持續的產品、過程或系統、服務的生命周期，即構思、設計、實現及運營的整個過程是工程教育實施的背景。3.0標準中強調了可持續性以及服務是包含在產品、系統中的，關注其整個生命周期的。在“學習的成果”原則中，要求明確在個人及協作技能、產品、過程、系統和服務構建能力、學科知識等方面的學習成果，3.0標準中強調了可持續開發的概念和能力要求。在“一體化的課程計劃”要則中強調課程體系要將上述的各種能力要求融入課程體系中，而不是一個補充，也就是說圍繞標準2中提出的各種能力要求合理設計課程體系來支持。在“設計—實現經驗”要則中強調了課程體系中需要有兩個級別或以上的設計—實現實踐活動，這種實踐活動需要包括產品、過程和系統、服務開發的全過程：構思、設計、實現和運行。在“工程學習場所”要則中，增加了運用數字化技術作為新的學習環境來提升學生學習的體驗以及教學效果。

在“綜合的學習體驗”要則中，闡述了要設計綜合的學習實踐活動，將專業工程問題與學科知識進行綜合，并運用于產品（過程、系統或服務）的構建過程，同時在這個過程中考慮設計者的社會的、經濟的以及環境責任。這個類似我們課程體系中的社會實踐活動。在“主動學習”要則中，提倡基于主動式和體驗式學習方法的教學，也就是問題求解式、討論或辯論式的學習方法，以及在設計實踐環節中的體驗式學習。在后面的四個要則中闡述了提升教師的專業技能、教學方面的競爭力以及對學生學習的評估和整個工程教育過程的評估，其中都增加了可持續發展的競爭力的提升和評估，在“評估學習”的要則中增加了數字化評估方法，并說明其與口試、筆試的效力相同。

3 可持續的發展是必由之路

在CDIO標準3.0版本中凸顯了“可持續性”的字眼，它的原意指培養開發可持續性產品或系統的能力，以及培養學生可持續學習的能力，以應對未來在工程實現生涯中的各種挑戰。針對新興工科專業工程教育的困境，可以從“可持續性”來入手解決。

3.1 可持續性的探索、改革和評估

從邏輯角度說，如果我們要培養具有開發可持續性產品或系統能力的學生，并使之具有可持續學習的能力，是不可能采用一套固有的、沒有自我更新能力方法的，因此強調一種“可持續性”探索、改革和評估后再探索的路徑是實現新興工科專業工程教育的必然之路，在CDIO標準中對最佳實踐的闡述中也在強調一個周而復始的革新過程。在真正實施中，出現了不少的偏差，其中可能的原因有：（1）糾偏需要勇氣和擔當，而守舊代價不大；（2）最初的方案一般是經過有權威的專業人士認可的，重新規劃并實施風險較大。統一認識，實事求是，使可持續的改進逐漸成為一種常規。專業教學團隊有擔當，以培養合格工程師為己任，不斷研究、探索，投入足夠的教研精力和集體智慧，共同完成周而復始的改后評，評后再改的過程，使之逐漸跟上社會經濟發展的需要。而教育主管部門和學校要給予足夠的信任，形成良性循環、可持續發展的環境氛圍。

3.2 可持續的學習能力作為重要培養目標

新興工科專業既然是新的，相比傳統專業，它的理論基礎及應用模式都存在比較大的不確定性，可直接用于教學過程的現成項目及解決方案就比較有限，有不少來源于實際行業需求，其解決方案可能千差萬別，部分需求可能沒有成熟的方案，本身教學過程需要專業教師具備極大的創新精神和交叉學科研究經歷。開展實驗性的課程教學，需要充分發揮學生的學習能動性，在教師的引導下不斷地提出問題、分析問題，與學生們共同探索出解決方案。這正是CDIO標準中提倡的體驗式的主動學習，學習過程本身已經逐步變成一個探索工程解決方案的過程，而不是教師講授知識的過程，更像是邊探索、邊學習，充分發揮“拿來主義”，充分運用數字化技術和環境，真正做到教師教的不僅僅是知識，更重要的是技能，是提出問題、分析問題、解決問題的技能。

當前專業知識如果還是完全依賴于教材以及教師在課堂上講授的教材上的知識，這種方式已遠遠無法跟上技術發展的步伐。課堂教學在知識傳播方面相比互聯網上豐富的教學資源，已不具備太多優勢。只有在課堂上教會學生如何學，怎么學，這種可持續學習的方法才是未來大學真正應該發揮作用的地方。

3.3 重構教學內容體系

對于新興工科專業可能涉及多個專業或學科的基礎理論知識，如果還是沿用傳統專業以及教學思路，必然會發現，這樣的專業所涉及的基礎理論課太多，有部分重復的或陳舊的內容。教師想改部分課程，又擔心會出現知識的斷層，積極性不高。大部分院校都相互參考，最后也只能按部就班地開始了與傳統專業類似的教學過程。新興的工科專業應該重構教學的內容體系，需要借助于專業團隊對新興專業進行系統的分析與設計，針對成熟的內容模塊，依托線上資源的建設，靈活地提供給學生進行學習，教材不再是唯一的參考，只是學習參考的資料之一，針對部分專業知識模塊組織編寫講義，結合實際項目以及業內解決方案、教師教研的成果，更靈活地組織教學內容，真正做到線上內容與線下內容的融合，教師和學生共同探索和體驗。持續更新，持續改進和完善，培養出更能適應未來經濟社會變革的合格工程技術人才。

4 快速響應的專業教育體系的構建

參考多所高校的新興專業的培養方案，比如數據科學與大數據、智能科學與技術專業，其中有內容完整的培養目標、畢業要求（包括類似CDIO標準類似的10～12條，或更多的指標要求）、核心課程及專業選修課程的設置。通常圍繞培養方案還編寫有配套的教學大綱，然后就是由各位專業教師去實施教學。問題也是顯而易見的，課程內容的設計很少能夠很好地做到統籌安排與銜接。知識點相互重疊，或陳舊過時，無法支撐后續復雜工程問題的求解；由各位任課老師獨自去開展的課程教學很難實現持續的、有系統性的改進和更新，與時俱進的專業工程教育就很難實施。

4.1 課程設計與實施分離

專業教育是一個系統工程，需要專門的團隊進行設計，并且可持續的改進本身就是需要團隊來完成的。課程設計與實施如果都是由專業教師來實施，教師作為課堂教學實施第一責任人，他在思想上并沒有動力來進行自我否定，并設計新的內容來開展新的教學，所以有必要將兩種功能分離。

組建專門的團隊來設計課程體系，同時設計相關知識模型的分布，確定哪些內容需要什么樣的教學形式，設計每個知識模塊的考核標準以及線上資源的建設。具體建設可以由專業老師參與進行建設，但是主要由課程設計團隊的專業教師來建設，相近的專業可以組建同一個團隊進行設計建設，這樣可以共享各方面的資源。這支團隊平時可以針對行業內的需求及新的技術發展進行研究，并在課程知識體系上做出快速的反應，大部分可以用線上部分教學資源的建設做出快速響應。實施課程教學的教師只負責進行某個知識模塊的課堂教學或實訓指導，任務就是按照既定的設計方案實施講授、交互、反饋、再反饋的教學過程，學生按照授課教師的指導進行學習、考核。這個實施過程就不僅僅體現著個人的智慧，還反映了整個團隊的設計與建設成果。所以教師也不會太累和焦慮，學生得到的就是由集體智慧實施的教育成果。

4.2 線上線下真正的融合

新時代背景下，高校教育教學有了新的改革，互聯網上可以利用的學習資源、工具及手段都非常豐富，專業教育一定要充分利用線上手段與資源。那么在前面提到的課程設計中就設定好哪些知識模型是由線上資源來實現，組織相關力量進行建設，還有相關知識模塊的考核或測試也在線上完成，有些知識模塊需要布置學生自主進行學習與考核，老師只需要進行定期答疑和討論。部分知識模塊設計成線下講授或線下實訓的，這時就需要教師來講授和組織課堂。

一個學期的上半學期可設置大多數線上學習的知識模塊，并安排線上的考核，每個學生根據自己的時間與學習能力，通過考核。有些還可以多次進行考核，直至達到要求為止。其中安排少部分課上答疑及討論，交流學習情況，以及對深入的專題在老師的引導下進行擴展。下半學期集中安排實驗、實踐或實訓項目，動手實踐是實現工程教育的關鍵環節，安排線下進行有以下方面的考慮：（1）部分實驗環境需要一定的條件，不宜在線上進行。（2）實踐過程不僅是自己動手的過程，也是一個通過邊動手、邊交流的過程，學生之間交流對學習的作用有時比老師直接講授效果好。（3）老師在線下可以檢驗學生掌握的情況，同時在線下的實踐過程中進行指導，增進學生的學習信心。

5 總結

CDIO標準3.0對于新興工科專業的工程教育是有借鑒意義的，實施工程教育我們可以借鑒其他國家的先進經驗，上面是個人對CDIO3.0標準的理解，并對新興工科專業工程教育現狀進行了簡單的分析，提出了一個實施可持續改進，不斷跟進行業需求及技術更新步伐的構想。即課程設計與教學實施分離、同時依托豐富的線上資源，更加靈活地實施線上、線下融合的教學場景。

參考文獻：

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［8］Malmqvist，J.，Wedel，M.K.，Lundqvist，U.，et al.（2019）Towards CDIO Standards 3.0.Proceedings of the 15th International CDIO Conference，Aarhus，25-27 June 2019，1-24.

基金項目：ZLG201903，河南省民辦高校品牌專業建設——計算機科學與技術；ZLG202002，河南省一流本科專業——計算機科學與技術

作者簡介：郭惠芳（1970—），女，漢族，江蘇金壇人，博士，副教授，研究方向：數據分析與挖掘、高性能計算；

姜鯤鵬（1972—），男，漢族，山東黃縣人，博士，講師，研究方向：機器學習算法、網絡安全。