融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養改革與實踐

劉新玉 王東云 高有堂

摘? 要：在中國制造業從低端模仿逐步升級邁向創新創造的時代背景下，培養下一代工程技術人才來應對越來越多的跨專業、跨學科問題已迫在眉睫。以新工科教育理念為指導、以學科競賽為抓手、以創新人才培養為目標，針對學科競賽如何融入新工科創新人才培養、新時代背景下如何培養新工科創新人才及新工科實踐教學體系如何提升系統性等問題，構建以學科競賽為抓手的人才培養新途徑、創新“三融合”的CDIO工程教育新理念、建立“三層次六階段”的螺旋式實踐教學新模式，以期能為培養新工科創新人才提供參考和借鑒。

關鍵詞：新工科；學科競賽；CDIO工程教育；創新人才培養；實踐教學

中圖分類號：C961? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）S1-0139-05

Abstract： In the era of China's manufacturing industry upgrading from low-end imitation to innovation and creation， it is urgent to train the next generation of engineering and technical talents to cope with more and more interdisciplinary and interdisciplinary problems. The study is guided by the concept of emerging engineering education. We take discipline competition as the focus， and innovative talent training as the goal. The aim is to integrate discipline competition into the training of innovative talents in emerging engineering education， train innovative talents in emerging engineering education under the new era background， and improve the systematicness of the practical teaching system of emerging engineering education. We have constructed a new way of discipline competition to focus on talent training， innovated the new concept of "three integration" CDIO engineering education， and a new spiral practical teaching mode of "three levels and six stages" has been established， which has played an exemplary role in training innovative talents in new engineering disciplines.

Keywords： emerging engineering education; discipline competition; CDIO engineering education; innovative talent training; practical teaching

基金項目：河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“以學科競賽為抓手推進創新型人才培養的改革與實踐——以全國大學生電子設計競賽為例”（2019SJGLX025）、“基于EIP-CDIO工程教育的電子信息碩士新工程師人才培養改革與實踐”（2021SJGLX251Y）；河南省本科高校研究性教學改革研究與實踐項目“機器人課程‘五位一體’研究性教學模式的探索與實踐”（2022SYJXLX109）；河南省研究生教育改革與質量提升工程項目“控制工程實踐”（YJS2022AL142）

第一作者簡介：劉新玉（1987-），男，漢族，河南駐馬店人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為自動化。

*通信作者：王東云（1964-），男，漢族，湖南津市人，博士，教授，副校長。研究方向為自動化。

新工科創新人才培養是主動應對新一輪科技革命和產業變革的有力抓手，事關我國創新驅動發展戰略大局。大力培育支撐中國制造、中國創造的創新人才隊伍迫在眉睫。當前，我國正處在建設創新型國家的關鍵歷史時期，培養大批具有創新精神的優秀人才，造就有利于人才輩出的良好環境，充分發揮科技人才的積極性、主動性、創造性，是建設創新型國家的戰略舉措。高等學校承擔著人才培養、科學研究、社會服務和文化傳承創新等任務，而其根本任務還在于人才培養，特別是創新人才培養，對于深入實施人才強國和創新驅動戰略，加快經濟文化強國建設具有重要意義。

利用學科競賽推進新工科創新人才培養研究由來已久。但是學科競賽目前的研究大多聚焦在競賽活動類別、區域覆蓋影響力、層次級別的科學排序，以及競賽活動本身的改善與評價上[1-3]，缺乏學科競賽知識元素提煉、人才能力素質培養與課程模塊的內涵聯系。盡管也有越來越多的學者著重研究如何通過學科競賽更好地促進創新人才的培養及其途徑，如龐留勇等[4]、王曉勇等[5]、張占東等[6]從通過修訂創新人才培養方案、競賽保障制度的制定、建設學科競賽指導隊伍等多種途徑為學科競賽搭建平臺，促使學科競賽成為高校創新人才培養的一條有效途徑。但是如何進一步將競賽涉及知識元素、能力培養、課程模塊改革等融入人才培養方案和全過程育人還需深入探討。

以新工科教育理念為指導、以學科競賽為抓手、以創新人才培養為目標，在新工科創新人才培養中緊扣時代脈搏，解決學科競賽如何融入新工科創新人才培養、新時代背景下如何培養新工科創新人才以及新工科實踐教學體系如何提升系統性等問題。通過對46項學科競賽主要涉及的知識能力元素列表進行梳理分析，構建了以學科競賽為抓手的人才培養途徑，創新了“三融合”的CDIO工程教育理念，建立了“三層次六階段”的螺旋式實踐教學模式，實施了融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養教育教學改革，為培養新工科創新人才起到了示范作用。

一? 新工科創新人才培養存在問題

大學生學科競賽是檢驗學生運用所學知識，解決復雜工程問題能力的教學環節，也是提升學生協作精神與創新能力的很好的平臺，因此受到了不同層次、不同類別院校的高度重視，在新工科創新人才培養中起到了重要作用。但是學科競賽如何融入新工科創新人才培養、新時代背景下如何培養新工科創新人才、新工科實踐教學體系如何提升系統性等問題的存在使學科競賽難以融入到新工科創新人才培養中。

（一）? 學科競賽如何融入新工科創新人才培養的問題

隨著大學生學科競賽項目的增加，部分學科競賽“表演化”趨勢日漸呈現，不能凸顯一個“教”字，不利于創新人才的培養，達不到“以賽促教、以賽促學、以賽促改、以賽促建”的目的，因此建立有效完善的學科競賽質量評價體系和科學合理的獎勵機制成為高校管理的迫切需求。

（二）? 新時代背景下如何培養新工科創新人才的問題

工程項目的成功，不僅靠技術先進和管理卓越，還要依賴于對人性的理解，對美好的追求，藝術、美學也不可或缺[7]。同時還需要考慮跨文化融合、價值觀、環境等因素。如何培養新一代新工科創新人才，應對跨專業、跨學科人才培養是新時代工程教育亟待解決的問題。

（三）? 新工科實踐教學體系如何提升系統性的問題

在新工科創新人才培養中，工程實踐能力與創新能力的培養缺乏層次性、遞進性與系統性。同時，現有的實踐教學環節和內容與當前的科技、經濟社會發展存在著脫節問題，不能很好地體現適應性。這些問題不利于學生工程意識、工程素養的培養，導致大學生工程實踐能力不足，創新能力較弱。

二? 新工科創新人才培養體系構建

針對新工科創新人才培養問題，定位國家創新人才需求戰略找需求、梳理高校教育教學改革問題找痛點、理清創新人才培養理念模式找方法、開展高校學科競賽水平評價找抓手和構建“三層次六階段”實踐教學找關鍵，構建了以學科競賽為抓手的人才培養新途徑，創新了“三融合”CDIO的工程教育新理念，建立了“三層次六階段”螺旋式實踐教學新模式，以期能夠為培養新時代新工科創新人才提供參考和借鑒。圖1為融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養體系示意圖。

（一）? 將學科競賽元素融入教育教學，解決學科競賽如何融入新工科創新人才培養的問題

新工科創新人才是適應并滿足未來新興產業和新經濟需要的，具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質、復合型人才[8]；學科競賽是鍛煉人智力的、超出課本范疇的大學生創新實踐能力提升的實踐平臺[9]。學科競賽擁有較強的實踐鍛煉能力，將會為新工科創新人才培養提供有力抓手，因此將學科競賽元素融入教育教學將能有效解決學科競賽如何融入新工科創新人才培養的問題。

實施“政府主辦，學生主體，教師主導，社會參與”的高校學科競賽“十六字”方針，重構學科競賽的評價指標體系，采用質量評價層次分析數學模型，運用聚類分析方法劃分了學科競賽等級，制定了科學合理的學科競賽獎勵辦法[4]。通過對高校學科競賽的評估與排名，推動高校實施高水平的學科競賽，將學科競賽的元素融入人才培養模式、教學方法、教學內容等的教育教學改革之中，讓學科競賽在創新人才培養中起到促進作用。圖2為學科競賽元素融入教學流程圖。

通過梳理學科競賽“拓寬視野、分析問題、獨立思考、社會責任、激發興趣、溝通協調、設計開發、創新創業、研判分析、創新規劃、團隊合作、前沿探索”12項元素，構建能力構成矩陣列表，得到競賽元素對能力提升的貢獻度和知識覆蓋面，融入通識教學、基礎教學、專業教學模塊和實踐教育、創新教育、工程教育平臺，實現了課程體系重組重構[10]，構建出“梳理競賽元素→構建能力矩陣→貢獻度的計算→重構教學模塊→優化實踐平臺→提升創新能力”以學科競賽為抓手的人才培養新途徑。

（二）? 將“三融合”CDIO新理念融入工程教育，解決新時代背景下如何培養新工科創新人才的問題

CDIO工程教育模式是將構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）融入到了工程創新人才培養中，以產品研發到產品運行的生命周期為載體，培養學生的“做中學”主動實踐能力[11]。當將CDIO工程教育模式引入到國內時，為了彌補CDIO理念在職業化和職業道德方面教育的欠缺，汕頭大學提出將EIP，即道德（Ethics）、誠信（Integrity）、職業化（Professionalism）和CDIO相結合的EIP-CDIO培養新模式，在CDIO培養模式改革中，同時強調職業道德的重要性[7]。

在CDIO工程教育模式與地方性應用型本科的融合實踐中，尤其是與新工科、工程教育專業認證、課程思政及一流課程、一流專業建設等一系列新思想、新理念、新舉措的碰撞中，逐漸形成“系統化教學、全方位培養、持續性改進”的“三融合”CDIO新理念。相比于CDIO理念，“三融合”CDIO新理念將課程思政、工程認證、專創融合融入傳統的CDIO工程教育之中，以培養學生創新思維、創新實踐能力、工程人文素養。圖3為“三融合”CDIO工程教育示意圖。

在“三融合”CDIO工程教育理念指導下，把課程思政、工程認證、專創融合的核心理念融入教育全過程，將復雜工程問題、工程倫理、思政元素、學科交叉和持續改進等因素與教學項目設計有機銜接，注重知識應用、突出工程能力、強化人文素養和增強創新意識培養。實施將技術、職業與人文等要素融入一個項目中交織進行訓練的案例教學設計。在項目實施過程中，讓學生基于項目、基于問題，通過案例進行主動探究式學習，解決新時代背景下如何培養新工科創新人才的問題。

（三）? 構建“三層次六階段”螺旋式實踐教學模式，解決新工科實踐教學體系如何提升系統性的問題

“多能引入、項目教學、能力提升”。通過學科競賽活動不僅能看出大學生對理論基礎知識的掌握，而且可以訓練其實踐創新能力。在平時教學過程中，通過課內課外實踐活動或者實踐工程項目，來檢驗學生運用所學知識解決工程和復雜實際問題的能力，同時其也是培養學生團隊合作精神、創新能力的很好的平臺，所以必須強化實踐創新能力，加大實踐教學模式改革。基于此，構建了基礎訓練、工程實訓、學研創新三層次和基礎實驗、開放實驗、高階實訓、學科競賽、技能提升、學研開發六階段的“三層次六階段”實踐教學模式，如圖4所示。

把學科競賽中梳理的項目設計元素融入實踐模塊，結合實踐課程實訓內容對實踐教育平臺課程及實踐環節進行融合改造，實現培養學生綜合分析能力、專業技能提升和團隊協作的教學目的；利用學科競賽、項目引領、綜合設計等環節推進學生動手能力[12]。整合校內外實驗實踐實訓資源，通過基礎訓練、工程實訓、學研創新三層次實踐教學（簡稱“三層次”），開展基礎實驗、開放實驗、高階實訓、學科競賽、技能提升、學研開發六階段螺旋式的教學進程（簡稱“六階段”），搭建面向工程類專業“三層次六階段”的實踐教學新模式，提升實踐教學體系的系統性。

三? 新工科創新人才培養改革成效

黃淮學院是國家應用型改革戰略試點本科院校，在應用型人才培養與改革實踐方面具有豐富經驗與深厚基礎。通過實施融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養改革與實踐，學校在 “互聯網+”“挑戰杯”、全國大學生電子設計競賽和數學建模競賽等學科競賽、創新創業中取得了豐碩的成績，涌現出了像邵帥、王健樂等優秀創新創業人才，其中邵帥入選2019年福布斯中國30位30歲以下精英榜。此外，黃淮學院連續承辦了八屆產教融合發展戰略國際論壇，在大會上多次介紹了學校創新人才培養的先進經驗，受到了與會專家和同行的廣泛贊譽。更重要的是，依據該研究成果，河南省教育廳出臺了《關于加強普通高等學校大學生學科競賽工作的指導意見》文件；發布了《2021年度河南省普通高校大學生競賽白皮書》；完成了“河南省學科競賽信息化管理平臺”的搭建和應用，規范和完善了全省學科競賽的管理。

（一）? 以“三融合”CDIO理念為指導推進教學課程組建設，創新教學組織形式

課程組負責制是圍繞教學目標，以課程組負責人為主，形成教學梯隊，均衡配置課程組成員的職稱、年齡、教學經驗的結構，協同開展和實施教學、教改等活動。課程組負責制可以彌補不同教師因教學風格、思維方式及知識結構存在差異而導致學生課程整體目標達成度不齊的問題。應用融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養的研究成果，以學科競賽為抓手，梳理了競賽學科知識元素與人才培養能力要求的關系，重構了課程知識模塊，在此科學研究基礎上開展教學課程組建設，將課程組教師的能力特點對應到知識元素與能力矩陣關系中去。下面以黃淮學院“控制學科課程組”的工作為例加以說明。

該課程組改變傳統的主講教師責任制的課程教學與備課方式，實行課程組負責制，將原有自動控制原理、單片機與電機控制技術、PLC應用技術等控制學科課程體系的理論與實驗教學內容重新規劃，創新教學組織形式，加強了課程組教師教學方法相互了解與教學內容的互通，整合了學科現有優勢教育資源，加快了學校優秀老師教學與資源的經驗推廣，縮短了青年教師培育時間，間接提高了學校人才培養質量，取得了自動控制原理省級混合式一流課程、電機與拖動省級線上一流課程、工業機器人工程應用省級虛擬仿真一流課程等諸多榮譽。在實際教學過程中，結合學科競賽知識能力矩陣關系，實行課程組教學，豐富了教學形式，創新了以不同教師開展不同項目案例的模式。通過學科競賽知識元素將課程進行能力培養模塊化分類，如將自動控制原理分為自動控制原理基礎知識教學模塊、自動控制原理分析和設計方法教學模塊、自動控制原理控制裝置或控制器應用教學模塊等，改變傳統的自動控制原理課程教學以單一教師講解為主的理論教學模式；把控制類課程群的理論和實驗教學進行重構，對實驗教學采用“電子競賽開發板+自動控制原理實驗箱+MATLAB仿真”相結合的方式，可以通過連接相應器件和執行機構，在可搭建模型基礎上通過觀察示波器等測量設備觀測和記錄實驗效果，實現驗證性、自主性、開放性和創新性的有機結合的實驗教學模式，起到綜合與創新的實驗效果。

（二）? 以“三融合”CDIO理念為指導推進科研團隊建設，豐富教學活動形式

在融入學科競賽元素的“三融合”CDIO理念指導下，以學科競賽為載體，推進教學科研團隊的創新組織建設是豐富教學活動形式與創新人才培養教學模式改革的又一項重要內容。以學科競賽為抓手，推動專業教育和創新創業教育相融合，推動專業教師在教學過程中合理有序地將創新創業理念融入課程章節與知識點，以及創新創業教師在雙創教學中融入專業元素，著力塑造學生專業思想與精神、創新創業意識與品質，將創新創業教育融入人才培養全過程。下面以黃淮學院智能腦機交互項目團隊為例。

該團隊以河南省智能腦機交互設備實驗室為平臺，團隊成員包含2位教授、2位副教授、多位講師；學生團隊每年招入6～10名新生，最終形成包含24～40名實驗室人員的項目團隊。黃淮學院智能腦機交互項目團隊建設的目的是圍繞腦科學的研究成果提升學生創新實踐能力，通過競賽成果與科研學習提升學生科學研究素養與科研團隊建設水平。另外，腦科學的研究成果方便引入課堂并實現快速高效學習，一方面使學生通過加入科研團隊參與項目，學習專業領域知識；另一方面，通過腦科學的研究，使學生了解大腦生物學機理。最后，通過科研過程的積累與學習，開展多種形式的實踐創新提升活動，當然包含學科競賽等競賽活動。在豐富教學活動促進教學改革上，采用課題組每周科研匯報；教學方法手段上以項目式教學手段為主。另外，從學科理論型競賽梳理知識點，融入腦科學知識基礎和專業理論教育模塊，從創新實踐型競賽中梳理競賽知識元素，融入專業系統開發能力模塊、創新和實踐教育平臺，重構學科理論教學和項目實踐教學體系，實現項目應用、創新和工程開發成效。在2018—2022年大學生學科競賽中，該團隊表現卓越，在各級各類學科競賽中獲獎60余次，先后獲得“互聯網+”國賽銅獎、全國大學生電子設計競賽國賽二等獎、“藍橋杯”國賽一等獎、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽三等獎、全國大學生嵌入式芯片與系統設計競賽三等獎、“挑戰杯”省賽金獎、“互聯網+”省賽一等獎和省高等學校物聯網設計大賽特等獎等，同時還入選了團中央“創青春”中國青年創新創業項目“攀登計劃”等。

四? 結束語

針對新工科創新人才培養中，學科競賽如何融入新工科創新人才培養、新時代背景下如何培養新工科創新人才以及新工科實踐教學體系如何提升系統性等問題，實施了融入學科競賽元素的“三融合”CDIO創新人才培養改革與實踐。以新工科工程教育理念為指導、以學科競賽為抓手、以創新人才培養為目標，聚焦新時代背景下新工科創新人才培養，從新工科創新人才培養存在的問題、新工科創新人才培養體系構建和新工科創新人才培養改革案例三個層次進行了探討和論述，構建了以學科競賽為抓手的人才培養新途徑、創新了“三融合”CDIO的工程教育新理念、建立了“三層次六階段”螺旋式實踐教學新模式，以期能為新工科創新人才培養提供有益借鑒。

參考文獻：

[1] 陸國棟，吳英策，陳臨強，等.基于主客觀綜合的高校大學生競賽質量評價探索——以44項全國高校大學生競賽項目為例[J].中國高教研究，2019（5）：76-81，87.

[2] 陸國棟，陳臨強，何欽銘，等.高校學科競賽評估：思路、方法和探索[J].中國高教研究，2018（2）：63，68，74.

[3] 柏連陽，蔣建初，盛正發.基于學科競賽的新建本科院校技術創新人才培養探析[J].中國高教研究，2010（8）：65-67.

[4] 龐留勇，王東云.學科競賽質量評價及開展水平方法的探索[J].高教學刊，2021，7（33）：19-22，26.

[5] 王曉勇，俞松坤.以學科競賽引領創新人才培養[J].中國大學教學，2007（12）：59-60.

[6] 張占東，高顏萌，張楠，等.以學科競賽推進地方高校“新工科”創新型人才培養的思考[J].大學教育，2020（4）：148-150.

[7] 盧莉蓉，牛曉東，陳俊梅.新工科背景下基于EIP-CDIO模式的生物醫學傳感器課程教學探索與實踐[J].高教學刊，2022，8（20）：112-115.

[8] 王書亭，謝遠龍，尹周平，等.面向新工科的智能制造創新人才培養體系構建與實踐[J].高等工程教育研究，2022（5）：12-18.

[9] 王東云，高有堂.電子競賽引領高校學科專業建設和教學改革的探索與實踐[J].中國電化教育，2021（10）：后插10.

[10] 高有堂，王東云，薛冬梅，等.融入學科競賽知識體系和元素的課程體系研究與重構[J].教育教學論壇，2021（39）：5-11.

[11] 康全禮，丁飛己.中國CDIO工程教育模式研究的回顧與反思[J].高等工程教育研究，2016（4）：40-46.

[12] 王東云，張水潮，高有堂，等.引入學科競賽知識元素的教育教學改革研究與探索[J].高教學刊，2021，7（32）：1-7，11.