基于CDIO的生物醫(yī)學工程專業(yè)培養(yǎng)模式改革

謝 勇

（大理學院工程學院，云南大理 671003）

2010 年，教育部啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），并作為貫徹《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要》而提出的高等教育重大改革計劃〔1〕。該計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)〔2〕。為了積極應(yīng)對工程教育改革新的戰(zhàn)略要求，我們對大理學院生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的培養(yǎng)模式進行了改革嘗試，已取得了初步的成果。

1 改革生物醫(yī)學工程本科專業(yè)培養(yǎng)模式的背景

大理學院生物醫(yī)學工程本科專業(yè)于2010 年開始招生?？紤]到大理學院的醫(yī)學影像學專業(yè)有很好的辦學優(yōu)勢和就業(yè)市場，所以我們最初把生物醫(yī)學工程專業(yè)培養(yǎng)的主要方向確定為醫(yī)學影像技術(shù)。在課程的設(shè)置上，我們加大了臨床醫(yī)學和醫(yī)學影像相關(guān)課程的比重，明顯形成了重理論，輕實踐的模式。然而，在實習實訓基地建設(shè)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)各級醫(yī)院對醫(yī)學影像技術(shù)人員的需求接近飽和，反而對醫(yī)學工程師的需求很大，于是我們決定對我院的生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的培養(yǎng)方案進行重大修訂。

大理學院工程學院在多年的工程教育探索中，摸索出了一種“知識、能力、素質(zhì)”三位一體的工程教育培養(yǎng)模式，其核心就是CDIO 工程教育改革〔3〕。它也是我們重新修訂生物醫(yī)學工程本科專業(yè)培養(yǎng)方案的主要理論基礎(chǔ)。

CDIO，即“構(gòu)思-設(shè)計-實施-運作”模式，是由美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4 所學院經(jīng)過4 年的跨國研究，于2004 年創(chuàng)立的工程教育理念。它以產(chǎn)品從研發(fā)到運行的整個周期為載體來培養(yǎng)學生獲取知識、運用知識的能力，團隊工作能力，溝通和交流的能力，以及創(chuàng)新能力〔4〕。CDIO 教育理論包含12 條標準和一套完整的教學大綱。其精髓是實踐訓練，它是貫穿CDIO 教學大綱的一條主線。CDIO 具有國際先進性，實踐可操作性，全面系統(tǒng)性和普遍實用性〔5〕，對改變我們目前重理論，輕實踐的工程教育現(xiàn)狀有很好的指導(dǎo)作用。

2 改革內(nèi)容

基于我院生物醫(yī)學工程本科專業(yè)教育存在的問題和CDIO模式的優(yōu)越性，2013年，我們開始了生物醫(yī)學工程本科專業(yè)CDIO 工程教育試點改革，并在2014級生物醫(yī)學工程本科學生中全面實施。

2.1 制定了基于CDIO模式的培養(yǎng)方案CDIO 的教學目標主要有兩個，第一是要使得學生具有更強的技術(shù)和理論方面的能力，從而能夠在新的產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)中去扮演一個引領(lǐng)者的作用；第二是要使他們深刻了解自己所做的研發(fā)工作的意義和影響〔5〕。

根據(jù)CDIO 教學大綱的目標要求，生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的CDIO培養(yǎng)方案的課程設(shè)計主要包含3 個層次的內(nèi)容：第一層次為包含本專業(yè)相關(guān)科學基礎(chǔ)和基本能力訓練的課程；第二層次為包含相關(guān)核心課程和設(shè)計能力要求的課程；第三層次為高級工程能力增強與工程創(chuàng)新能力訓練的課程。其中第一層次的課程主要在一、二年級完成，第二層次的課程在三年級完成，第三層次的課程和實訓項目主要在四年級完成。

新的培養(yǎng)方案注重了實踐能力的訓練，實驗、實訓課程的比重比原方案增加了23.5%。為了保證第二、三層次教學的實際效果，我們特意增設(shè)了“生物醫(yī)學工程教育”“電子電工工程訓練”“醫(yī)用信息技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計”和“醫(yī)用電子技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計”等課程與實訓項目，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上保障了CDIO 生物醫(yī)學工程本科專業(yè)培養(yǎng)模式的科學性和可操作性。

2.2 建立模塊化的課程群根據(jù)CDIO教學大綱的能力要求，結(jié)合大理學院課程設(shè)計體系，我們建立了“通識教育、學科基礎(chǔ)、專業(yè)教育、實踐環(huán)節(jié)”四大模塊的課程體系，并建立了相對應(yīng)的課程群。

四大模塊中，通識教育課程主要包括哲學、社會科學、文學藝術(shù)、體育等課程。學生還可以在學校提供的700多門通識選修課中根據(jù)自己的興趣選擇12 學分的課程。這一模塊的課程是學校規(guī)定的必修（選）課程，主要是理論教學。學科基礎(chǔ)模塊主要包括數(shù)學、物理、生物醫(yī)學、電子技術(shù)基礎(chǔ)、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)等課程。這一模塊的教學目標是夯實專業(yè)基礎(chǔ)，并讓學生獲得基本的動手能力、分析能力、團隊合作能力的訓練。

專業(yè)教育模塊主要包含生物醫(yī)學信號處理、生物醫(yī)學傳感技術(shù)、醫(yī)學電子儀器設(shè)計、微機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、醫(yī)學影像技術(shù)、醫(yī)學信息管理與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC 技術(shù)、生物醫(yī)學信息與挖掘技術(shù)、科研訓練等。實踐環(huán)節(jié)模塊的課程和項目有創(chuàng)新設(shè)計、工程訓練、工程教育、畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)實習等。這兩個模塊的培養(yǎng)目標是讓學生獲得高級工程能力提升與工程創(chuàng)新能力訓練。

2.3 建構(gòu)主義學習環(huán)境主導(dǎo)教學設(shè)計CDIO理論中，“設(shè)計（Design）”是指設(shè)計過程以及學科、多學科和多目標設(shè)計?！皩嵤↖mplement）”包括硬件與軟件實現(xiàn)的過程、測試與證明以及實施過程的設(shè)計與管理。“運行（Operate）”包含了從設(shè)計到運行管理，再到支持產(chǎn)品、過程與系統(tǒng)的生命周期和改進，最后至生命周期終結(jié)的規(guī)劃等〔4〕。為有效配合對生物醫(yī)學工程本科的CDIO 工程教育，我們借鑒了建構(gòu)主義學習環(huán)境理論來主導(dǎo)我們的課程設(shè)計。

建構(gòu)主義學習環(huán)境（Constructivist Learning Environments，簡稱CLEs）是以學生為中心，教師在整個教學過程中利用學習環(huán)境要素使學生有效地實現(xiàn)對當前所學知識的意義建構(gòu)〔6〕。CLEs 要求教師利用現(xiàn)有的教學輔助手段創(chuàng)建適宜學生學習、訓練的環(huán)境，并幫助學生完成知識的建構(gòu)。學生作為學習的主體，需要借助教師創(chuàng)設(shè)的情境進行協(xié)作學習和會話交流來獲得有意義的知識〔7〕。在這樣的教學過程中，學生在一定的工程背景下，借助學習團隊的幫助，利用必要的學習材料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得知識的鞏固和能力的提升。

例如“醫(yī)用信息技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計”，是在學生學習了數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、醫(yī)療信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和醫(yī)院信息系統(tǒng)等課程后，為學生開設(shè)的一個實訓課程。該課程采用系統(tǒng)分析與實際應(yīng)用相結(jié)合的教學方式，首先給學生剖析一個實際的工程應(yīng)用系統(tǒng)，然后提出一個新產(chǎn)品開發(fā)的基本要求，讓學生以3～5 人為一個項目小組，然后遵循CDIO 模式，即構(gòu)思（設(shè)計的可行性論述）、設(shè)計（完成軟件、硬件系統(tǒng)的設(shè)計）、實施（在規(guī)定的軟件、硬件系統(tǒng)上測試和運行）、運行（系統(tǒng)管理、產(chǎn)品推廣、產(chǎn)品支持），完成項目設(shè)計。通過這樣的訓練，學生能夠把所學的專業(yè)知識同實際工程應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，對典型工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和制造過程有一個初步的體驗和認識，這不僅培養(yǎng)了學生的實踐能力，還使學生的工程意識和組織能力得以增強。

3 結(jié)語

CDIO教育理念已被世界很多高校所采用，其理論也不斷得到發(fā)展。瑞典的Link?ping University 在CDIO 的框架下提出了Design-Build-Test 的工程教育模式〔8〕，澳大利亞的 Queensland University 根據(jù)CDIO 的標準 5，設(shè)計了 EDPS（Engineering Design and Practice Sequence）模式，用于四年制工科學生的教學〔9〕。大理學院生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的CDIO 培養(yǎng)模式實施一年多來，已經(jīng)在改變“重理論，輕實踐”的舊模式方面取得了一定成效，學生的動手實踐機會顯著增多，建構(gòu)主義的學習環(huán)境也受到了師生的歡迎，學生的學習主動性明顯增強。在云南省教育廳和大理學院的支持下，我們于2013年申報的《基于CDIO 的生物醫(yī)學工程本科專業(yè)培養(yǎng)模式研究》教育改革項目獲準實施。我們的下一步計劃是尋找合適的企業(yè)，建立起生物醫(yī)學工程本科專業(yè)工程教育的校企聯(lián)合培養(yǎng)平臺，使我校生物醫(yī)學工程本科專業(yè)的CDIO工程教育模式得到提升和完善。

〔1〕林健. 談實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”引發(fā)的若干變革〔J〕.中國高等教育，2010（17）：30-32.

〔2〕程文婷.“卓越計劃”背景下教學管理體制優(yōu)化研究：基于高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)〔J〕.長春工業(yè)學院學報：高教研究版，2012，33（2）：13-15.

〔3〕Xie Yong，Ha Jincheol，Li Ruheng，et al.A Multi-level Engineering Talents Cultivating System〔J〕. Journal of Engineering Education Research，2012，15（4）：53-57.

〔4〕Crawley E.重新認識工程教育：國際CDIO培養(yǎng)模式與方法〔M〕.顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2010.

〔5〕顧佩華，陸小華，沈民奮.CDIO大綱與標準〔M〕.汕頭：汕頭學院出版社，2008.

〔6〕葉瀾.教育學原理〔M〕.北京：人民教育出版社，2007.

〔7〕孟凡健.基于CDIO的教學案例設(shè)計〔D〕.石家莊：石家莊鐵道學院，2013.

〔8〕Tomas Svensson，Svante Gunnarsson.A Design-Build-Test course in electronics based on the CDIO framework for engineering education〔J〕. International Journal of Electrical Engineering Education，2012，49（4）：349-364.

〔9〕Frank B，Strong D. Progress with the professional spine：A four-year engineering design and practice sequence〔J〕.Australasian Journal of Engineering Education，2013，19（1）：63-74.