CDIO 工程教育模式的分界、循環(huán)和融合

張永林，肖鳳翔

(天津大學 教育學院，天津300072)

一、引言

CDIO 工程教育模式是美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院、查爾摩斯工業(yè)大學、瑞典林雪平大學于2004 年共同創(chuàng)立的工程教育嶄新模式，代表著國際工程教育改革的最新成果。CDIO 即構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)、運作(Operate)，它以產(chǎn)品的生命周期為載體，將學科知識與產(chǎn)品研發(fā)實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學習者的工程意識和工程能力。

我國學者對CDIO 工程教育模式已經(jīng)做了大量研究，主要集中在以下三方面:一是對CDIO 工程教育模式的教學大綱和CDIO 標準的理論解讀;二是關(guān)注CDIO 工程教育模式在我國的本土化發(fā)展，如汕頭大學工學院引進、消化、開發(fā)、實施了注重職業(yè)道德、誠信和職業(yè)化的工程教育模式(EIP-CDIO);三是探討專業(yè)課程采用CDIO 教學取得的效果。如清華大學工業(yè)教授顧學雍在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“數(shù)據(jù)庫技術(shù)”兩門課中采用CDIO 方法教學，取得了良好效果。以上研究多屬理論解讀或?qū)嵺`經(jīng)驗介紹，缺乏方法論層面的反思。法國著名社會學家布迪厄提醒研究者，要“始終保持對研究活動所采用方式方法的適用范圍及其背后理論假設(shè)的反思性關(guān)注”〔1〕。因此本文嘗試性地在方法論層面從分界、循環(huán)和融合三個角度深入剖析CDIO 工程教育模式的運行機理，并廓清對CDIO 教學大綱和CDIO 標準的認識誤區(qū)，以期對一體化課程的設(shè)計和教學具有一定的理論指導意義。

二、CDIO 工程教育模式的分界

分界是打開CDIO 工程教育模式秘密的鑰匙。分界過程是一個從具象到抽象再到具象的過程，即從客觀實存到概念實存再到客觀實存的過程。借鑒康德認識論的分界方法，在實際工程項目和個體認知規(guī)律之間劃定內(nèi)容、環(huán)境、經(jīng)驗、認知結(jié)構(gòu)和能力五部分。

1.來自工程實踐的學習內(nèi)容

CDIO 工程教育的學習內(nèi)容包括產(chǎn)品、流程和系統(tǒng)，這只是一個簡化的表達，代表工程實踐的感性直觀。

有的學者對CDIO 工程教育的學習內(nèi)容有不同的理解。他們認為CDIO 工程教育的學習內(nèi)容主要是工作世界的具體工程項目，是一種客觀實存。將具體工程項目視為主要學習內(nèi)容，屬于實體主義思維方式。這種思維方式將工程教育看作銀行儲蓄，即通過儲存工程項目來填滿學生的大腦容器，儲存的工程項目數(shù)量越多，越有利于工程能力的生成。

筆者認為CDIO 工程教育的學習內(nèi)容來自工程項目，但不是工程項目本身。CDIO 工程教育模式強調(diào)“基于項目學習”(Project-based learning)，基于(based)一詞的語義表明工程項目是作為支撐或背景存在的，而不是以工程項目作為全部學習內(nèi)容。查建中教授也持此種觀點，他認為，“需要防止把具象工程項目作為教育的內(nèi)容引入，使教育陷入狹隘的傳授具體知識的誤區(qū)”〔2〕。

2.與內(nèi)容相區(qū)別的環(huán)境

“將產(chǎn)品、流程、系統(tǒng)生命周期的開發(fā)與運用——構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行——作為工程教育的背景環(huán)境”〔3〕是CDIO 工程教育模式標準1 的內(nèi)容。背景環(huán)境可簡稱為環(huán)境，也可稱為載體，指構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行四個階段，代表對工程師創(chuàng)造的各類不同問題解決方案的描述〔4〕?，F(xiàn)實中的工程項目很多，每個工程項目都是唯一而獨特的，如果將工程項目作為學習內(nèi)容，在數(shù)量上無法窮盡，而工程項目的解決方案有共通性，都要歷經(jīng)構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行四個階段。

CDIO 工程教育模式用背景環(huán)境概念從具體工程項目中抽象出來，背景環(huán)境所起作用類似于布魯納、施瓦布等主張的“科學的結(jié)構(gòu)”的作用。通過“科學的結(jié)構(gòu)”盡可能統(tǒng)攝所有的知識，即借助結(jié)構(gòu)的“質(zhì)”來解決知識的“量”的問題，強調(diào)結(jié)構(gòu)能夠使七零八落的現(xiàn)象得以系統(tǒng)化。

CDIO 工程教育模式方法論的哲理隱含于標準1 中，即在方法論上區(qū)分環(huán)境(context)和內(nèi)容(content)。區(qū)分出來的背景環(huán)境也暗合建構(gòu)主義的基本假定——學習者所學到內(nèi)容是他的背景環(huán)境、活動和目標的函數(shù)。

3.居中存在的“雙元經(jīng)驗”

CDIO 創(chuàng)造的學習經(jīng)驗，稱為“雙元經(jīng)驗”，包括“初級的”和“高級的”經(jīng)驗〔3〕。它產(chǎn)生于CDIO 兩個運行環(huán)節(jié):運作—構(gòu)思環(huán)節(jié)和設(shè)計—實現(xiàn)環(huán)節(jié)。將前者稱為運作—構(gòu)思(C—O)經(jīng)驗，將后者稱為設(shè)計—實現(xiàn)(D—I)經(jīng)驗。這兩個環(huán)節(jié)分別包含一個“雙元經(jīng)驗”。“雙元經(jīng)驗”存在于主客體之間，是主客分離的媒介〔5〕。

初級經(jīng)驗屬于一般經(jīng)驗，指通過感官被動獲得的一些散亂的感覺、知覺等感性經(jīng)驗。初級經(jīng)驗與環(huán)境、技術(shù)基礎(chǔ)相聯(lián)系，指向具體工程實踐活動，與實際的工程項目操作相聯(lián)系，也被稱為具體經(jīng)驗或直觀經(jīng)驗。而高級經(jīng)驗屬于對初級經(jīng)驗的抽象概括，本質(zhì)上是一種前概念或?qū)嶋H概念，它由認知結(jié)構(gòu)派生而來。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗概念完全不同，“雙元經(jīng)驗”不再是通過機體感官被動獲得的一些散亂的感覺或知覺印象，而是機體與環(huán)境相互作用的過程〔6〕。

4.建構(gòu)生成的認知結(jié)構(gòu)

認知結(jié)構(gòu)是存在于大腦中的系統(tǒng)化的、符號化的工程知識體系，屬于抽象的概念實存。它也是一種心理結(jié)構(gòu)，決定著人們對數(shù)據(jù)和新信息的察覺〔7〕。

從產(chǎn)生過程看，認知結(jié)構(gòu)不是主觀意志產(chǎn)物，也不是“從行動者的解釋中建構(gòu)出來”〔8〕的，它產(chǎn)生于主體與工程實踐活動的互動中。皮亞杰的發(fā)生認識論觀點認為，有些認知結(jié)構(gòu)來自先天遺傳，具有生物學的先驗性，更多的來自與后天實踐的互動，具體包括兩條發(fā)展途徑，即同化和順應(yīng)。

從認知結(jié)構(gòu)的派生結(jié)果看，CDIO 工程教育模式秉承建構(gòu)主義知識觀，強調(diào)認知結(jié)構(gòu)是主體主動建構(gòu)的結(jié)果。認知結(jié)構(gòu)一經(jīng)生成，就有自我建構(gòu)能力，自身會生成、成型、成熟，會不斷派生出專業(yè)知識和工程能力。

5.解決實際問題的工程能力

工程活動遇到的問題是沒有被預(yù)先定義過的，需要創(chuàng)造一個原本不存在的客觀存在物。工程的責任就是在一個組織里，為了設(shè)計和實現(xiàn)一個產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)所需要完成的一系列任務(wù)〔3〕。工程能力主要表現(xiàn)為工程師具有提出工程問題解決方案的能力。對工程能力的描述焦點集中在解決問題的能力上，而不是在認知和定義問題的能力上〔9〕。工程能力具體表現(xiàn)為“產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力”〔3〕。這在CDIO 標準2①中描述的很清楚，也是CDIO 工程教育模式所希望的學習效果。

CDIO 工程教育模式堅持整體論的能力生成觀，反對能力還原主義。不妨將其與能力本位課程模式(CBE/DACUM②)的能力本位觀對照分析。CBE/DACUM 將崗位能力作為分解對象，逐層分解為眾多小任務(wù)。這屬于“原子論式的”研究方式或方法論的還原主義。CDIO 工程教育模式堅決反對以上做法，它將工程能力視為一個生成性的整體，是生成的而非預(yù)設(shè)的，是總體存在的而非各部分的簡單加和。所以，CDIO 工程教育模式并沒有將標準2 的規(guī)定作為預(yù)設(shè)，沒有對應(yīng)具體工程項目逐層分解。

三、CDIO 工程教育模式的循環(huán)

循環(huán)指物體按環(huán)形、閉合回路的軌道運行。CDIO 工程教育模式的循環(huán)是指工程教育按照CDIO 所設(shè)置的軌道往復回旋、螺旋上升的過程，具體包括載體循環(huán)、認知結(jié)構(gòu)循環(huán)、抽象域與具象域的循環(huán)。如圖1 所示，順時針循環(huán)即載體循環(huán)，逆時針循環(huán)即認知結(jié)構(gòu)循環(huán)，抽象域和具象域之間也存在循環(huán)。

(一)載體的循環(huán)

載體指產(chǎn)品、流程、系統(tǒng)生命周期的開發(fā)與運用，即構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行四個階段。用英文首寫字母代表四個階段，可將載體的循環(huán)簡寫為C→D→I→O 循環(huán)。此循環(huán)為具體工程項目的完成提供基本循環(huán)規(guī)則和循環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖1 CDIO 工程教育模式的三大循環(huán)

載體的循環(huán)有兩個目的，第一是區(qū)分工程教育的環(huán)境和內(nèi)容;第二是超越產(chǎn)品、流程、系統(tǒng)等具體客觀實存進入概念實存。亞里士多德說:“各種本體以及任何其他一般的存在的東西都是從某一載體生成的。”〔10〕概念實存就是“一般存在的東西”——一個包含主體人的決定性結(jié)構(gòu)。該決定性結(jié)構(gòu)有兩個特點:其一，它來自工程項目，但不是工程項目本身;其二，它加入了主體的感知、思想和行動的模式。載體的循環(huán)偏重建構(gòu)主義取向，在完成實際工程項目中充分考慮個體因素。經(jīng)此循環(huán)，通過分離環(huán)境和內(nèi)容，實現(xiàn)了與客觀主義的決裂。

(二)認知結(jié)構(gòu)的循環(huán)

認知結(jié)構(gòu)的循環(huán)發(fā)生在個體大腦內(nèi)部，主要指認知結(jié)構(gòu)沿著時間軌道的形成、發(fā)展和演變，反映了人類個體的認知周期。該循環(huán)借助O→I→D→C實現(xiàn)，即CDIO 雙向循環(huán)的逆時針循環(huán)。在此循環(huán)中，學習者親力親為地完成工程項目，逐漸領(lǐng)會、掌握專業(yè)技能，同時，動作、經(jīng)驗逐漸內(nèi)化，最終在大腦中生成認知結(jié)構(gòu)。貫穿O→I→D→C 循環(huán)的主線是動作—經(jīng)驗—認知結(jié)構(gòu)—能力。O→I→D→C的每次循環(huán)都會使得認知結(jié)構(gòu)不斷生成、成型、成熟。認知結(jié)構(gòu)一經(jīng)生成，就具備客觀性，成為一種結(jié)構(gòu)化的客觀實存。認知結(jié)構(gòu)循環(huán)偏重結(jié)構(gòu)主義取向，獨立于行動者的意識和愿望而客觀存在，并能夠引導或約束人的行動。經(jīng)此循環(huán)，認知結(jié)構(gòu)逐漸客觀化，實現(xiàn)與主觀主義的決裂。

C→D→I→O 和O→I→D→C 是CDIO 雙向互動循環(huán)的兩個方面，從方法論層面看，大體對應(yīng)著康德的建構(gòu)與范導。C→D→I→O 等同于建構(gòu)的方法，從抽象到具體，其結(jié)果是產(chǎn)生具體的工程實踐經(jīng)驗判斷;O→I→D→C 等同于范導的方法，從具體到抽象，其結(jié)果是產(chǎn)生一種具有主觀假設(shè)性的工程項目解決方案。

C→D→I→O 和O→I→D→C 兩大循環(huán)將環(huán)境、內(nèi)容、經(jīng)驗、認知結(jié)構(gòu)和能力五部分串接起來，并在五部分之間有序互動，使它們成為一個逐漸融合的連續(xù)體。

(三)抽象域與具象域的循環(huán)

域即范圍。工程師解決工程實際問題時面對的具體工作范圍，稱為具象域。具象域主要包括工程項目的內(nèi)容和環(huán)境，代表真實的工程項目的實現(xiàn)和運作。工程實際問題反映在人腦中，人腦側(cè)重運用抽象概念進行分析、總結(jié)對象的本質(zhì)，稱為抽象域。抽象域主要包括學科知識和個體的認知結(jié)構(gòu)，主要作用于工程項目解決方案的構(gòu)思和設(shè)計。抽象域與具象域的循環(huán)，是借助CDIO 的雙向循環(huán)來實現(xiàn)的。循環(huán)往返的主線是工程問題的解決方案。工程師在抽象域中構(gòu)思、設(shè)計工程藍圖，然后在具象域中運作、實現(xiàn)或驗證該藍圖。

CDIO 工程教育模式的三大循環(huán)不是學者憑空設(shè)計出來的，它們反映了工程發(fā)展規(guī)律和個體認知規(guī)律。

首先，工程教育必然要遵循工程發(fā)展的規(guī)律〔11〕。工程實踐是有意識、有目的的能動性的活動，核心是設(shè)計和實施項目的解決方案，這是一個疊代化的修正和創(chuàng)造過程。所以，工程師的工作理念建基于運用抽象規(guī)則創(chuàng)造并反復不斷地回顧和修正具象的產(chǎn)品〔12〕。其次，CDIO 工程教育模式強調(diào)認知過程需要雙重刺激(Dual Impact)〔13〕。一方面工程師必須運用邏輯思維理解抽象知識，另一方面，工程師需要感性直觀地體驗該知識在具象環(huán)境中的應(yīng)用。再次，按照科爾伯關(guān)于經(jīng)驗學習的理解，學習過程需要適應(yīng)兩種對立模式的緊張關(guān)系，即學習者從具體經(jīng)驗到抽象概念、從反思觀察到主動經(jīng)驗〔14〕，即學習者需要在抽象域與具象域之間循環(huán)往返。

四、CDIO 工程教育模式的融合

融合是循環(huán)的目的，環(huán)境、內(nèi)容、經(jīng)驗、認知結(jié)構(gòu)和能力五部分借助循環(huán)融為一體。雙元經(jīng)驗在融合中起著重要的作用。CDIO 工程教育模式的融合分為以下三類。

第一，工程實踐問題和學科問題的結(jié)合。其他工程教育模式也考慮到了兩者的結(jié)合，基本做法是分設(shè)理論課程和實踐課程，試圖借助疊加效應(yīng)實現(xiàn)兩者的融合。CDIO 工程教育模式認為，工程師需要不同于科學知識普遍性的離散知識形式，這是工程實踐問題和學科問題結(jié)合后的知識表征。離散知識如何獲得?三大循環(huán)使內(nèi)容、環(huán)境、經(jīng)驗、認知結(jié)構(gòu)和能力五部分互動融通，并逐漸冷凝為理實一體化的離散知識形式。這種離散知識形式既有來自學科體理論的知識，又有來自工程實踐的具體經(jīng)驗。

第二，載體與認知結(jié)構(gòu)的銜接。布迪厄認為，“科學知識開始于一種客觀主義的步驟:因為客觀知識確立了互動得以發(fā)生、主觀知識得以生產(chǎn)的條件”〔8〕。CDIO 工程教育模式方法論的客觀主義開始于載體和認知結(jié)構(gòu)的形成中。這兩個結(jié)構(gòu)其實是同一結(jié)構(gòu)存在的雙重方式，具有結(jié)構(gòu)上的同構(gòu)性，這是兩者融合基礎(chǔ)。布迪厄用“初級的客觀性”和“次級的客觀性”闡釋建構(gòu)主義和結(jié)構(gòu)主義融合的哲理〔15〕。初級的客觀性指物質(zhì)資源的分配手段、物質(zhì)構(gòu)成或物質(zhì)關(guān)系;次級的客觀性指社會世界中的意識因素或意識關(guān)系。在CDIO 循環(huán)中依靠建構(gòu)主義形成的載體，相當于布迪厄理論中初級的客觀性，依靠結(jié)構(gòu)主義形成的認知結(jié)構(gòu)，相當于次級的客觀性。布迪厄的哲理闡釋是載體與認知結(jié)構(gòu)得以銜接的理論基礎(chǔ)。載體是客體主體化，即內(nèi)在性的外在化，認知結(jié)構(gòu)是主體客體化，即外在性的內(nèi)在化，兩者彼此的規(guī)定性相互適應(yīng)成為各自的一部分。

第三，主客體的統(tǒng)一。在工程教育中，主體指工程師，客體指工程。CDIO 工程教育模式?jīng)]有把主體與客體綁在一起，而是先決裂，再融合。工程是事實，是一種實然。工程師提出的工程問題解決方案是希望實現(xiàn)的有價值的東西，屬于應(yīng)然，如果直接從實然推論應(yīng)然，容易犯自然主義錯誤。哈貝馬斯將規(guī)范用一種類似于事實的方式加以解讀，使其充當事實與價值溝通的橋梁，規(guī)范使得事實與價值得以彌合。CDIO 工程教育模式最有價值的地方，在于提供一種規(guī)范來彌合工程項目與問題解決方案間的距離，從而消除主客體二元對立，使主客體走向融合。

以上三大融合，離不開雙元經(jīng)驗的接口和轉(zhuǎn)化作用。雙元經(jīng)驗內(nèi)嵌于CDIO 中，是循環(huán)和融合得以發(fā)生的關(guān)鍵接口，它是借助自身的轉(zhuǎn)化起到接口作用的，如圖2 所示。

圖2 CDIO 工程教育模式的雙元經(jīng)驗及其相互轉(zhuǎn)化

雙元經(jīng)驗的轉(zhuǎn)化具體經(jīng)歷四個適應(yīng)性階段，即具體經(jīng)驗、反思性觀察、抽象概括、主動實踐〔16〕。四個階段被稱為庫伯經(jīng)驗學習圈，內(nèi)含兩個二分法，作為兩個維度彼此正交。主動實踐與反思性觀察作為X 軸，更傾向?qū)⒔?jīng)驗轉(zhuǎn)化為知識。抽象概括與具體經(jīng)驗維度作為Y 軸，在個體如何掌握或者吸收信息方面作了區(qū)分。兩個維度正交構(gòu)成四個象限，每個象限設(shè)置性質(zhì)不同的問題，即四種不同學習類型。從象限1 到象限4，問題依次是“怎么樣”、“是什么”、“為什么”、“如果”;學習類型依次是聚合、順應(yīng)、發(fā)散、同化〔16〕。經(jīng)驗學習圈順時針旋轉(zhuǎn)，螺旋上升，將初級經(jīng)驗和高級經(jīng)驗攪合在一起，又甩向?qū)Ψ?。如果學習過程經(jīng)歷四個階段，知識的轉(zhuǎn)化率和保持率將明顯提高，知識保持率能達到70%。對于復雜的工程問題，學習圈要反復多次，形成螺旋周期。隨著學習圈的螺旋上旋，雙元經(jīng)驗的水平不斷提升，性質(zhì)也越來越復雜，從而產(chǎn)生CDIO 標準5③所說的“兩個或更多的”經(jīng)驗，這就讓CDIO 工程教育模式的循環(huán)和融合更為順暢。

五、結(jié)語

工程教育的目的是培養(yǎng)合格工程師，CDIO 工程教育模式是實現(xiàn)該目的的手段，“手段對于給定的目的的適當性問題，是絕對可以進行科學考察的”〔17〕。CDIO 工程教育模式的貢獻在于以普遍化的唯物主義為基礎(chǔ)，為工程教育提供一個總體性的可操作圖景，既能夠反映工程本性和工程師本性，又能夠反映兩者的互動。這就使得該模式超越二元對立，走向視域融合，大體達到手段的合目的性。

CDIO 工程教育模式也存在一些不足和需要改進的地方。一是從具象工程項目抽象出的載體雖然反映了產(chǎn)品生命周期，但缺乏工程技術(shù)的參與和支持，在客觀性方面稍有欠缺;二是人們對CDIO 工程教育模式的關(guān)注更多停留在課程實施階段，著重構(gòu)建實踐場所和學習環(huán)境，而對課程設(shè)計階段關(guān)注較少;三是CDIO 工程教育模式未深入探討學科知識結(jié)構(gòu)、載體結(jié)構(gòu)、認知結(jié)構(gòu)三者的關(guān)系。三者是否同源，是否存在轉(zhuǎn)換體系?是否存在結(jié)構(gòu)再生產(chǎn)的可能性?可見，CDIO 工程教育模式的未來發(fā)展，需要在原有理論基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，進一步深入研究工程本性和工程師本性，在兩者的互動中尋找一條工程教育中間路線，這也是筆者在今后研究中的重點探索方向。

注釋:

①CDIO 標準2 的內(nèi)容為:“具體、詳細的學習效果——與專業(yè)目標一致，并得到利益相關(guān)者驗證的個人、人際交往能力，產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力以及學科知識”。

②CBE(Competency-based Education)即能力本位課程模式，采用了DACUM(Developing a Curriculum)課程開發(fā)方法，是加拿大、美國的典型課程開發(fā)模式。

③CDIO 標準5 的內(nèi)容為:“在課程計劃中包括兩個或更多的設(shè)計—實現(xiàn)的經(jīng)驗，其中一個為初級的，一個為高級的”。

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