CDIO模式在系統(tǒng)工程概論教學(xué)中的應(yīng)用研究

魏龍生，王新梅，劉 瑋

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074)

CDIO模式在系統(tǒng)工程概論教學(xué)中的應(yīng)用研究

魏龍生1，王新梅2，劉 瑋3

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074)

深入分析系統(tǒng)工程概論的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，將CDIO教學(xué)理念引入到課堂教學(xué)中，著重研究CDIO教學(xué)大綱的制定和CDIO教學(xué)模式的實(shí)施，分別運(yùn)用到系統(tǒng)工程概論教學(xué)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行中，改變原有封閉孤立的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，提升本課程的教學(xué)效果。

CDIO；系統(tǒng)工程概論；教學(xué)方法

系統(tǒng)工程概論是高校自動化專業(yè)和管理專業(yè)的一門專業(yè)選修課，其目的是讓學(xué)生理解并掌握系統(tǒng)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)、圖與網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)優(yōu)化、決策分析、系統(tǒng)分析與系統(tǒng)建模、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃法、系統(tǒng)可靠性分析等知識[1]，為畢業(yè)生從事與系統(tǒng)工程相關(guān)的科研、技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。

CDIO是一種全新的教育理念，即Conceive phase—Design phase—Implement phase—Operate phase，也就是構(gòu)思階段—設(shè)計(jì)階段—實(shí)施階段—運(yùn)行階段[2]。本文試圖將CDIO的教育模式應(yīng)用到系統(tǒng)工程概論的教學(xué)中，推動課程教學(xué)改革。

一、系統(tǒng)工程概論課程教學(xué)現(xiàn)狀

系統(tǒng)工程概論是一門綜合性很強(qiáng)的課程，涵蓋了線性代數(shù)、運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論等現(xiàn)課程，是這些課程的后續(xù)課程，也是研究生學(xué)習(xí)系統(tǒng)工程課程的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。然而，經(jīng)多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)生盡管對該課程十分重視，但仍存在很多問題，影響了教學(xué)效果。

(一)缺乏系統(tǒng)的觀念

“系統(tǒng)”是一個(gè)很抽象的概念，世間萬事萬物皆可看成系統(tǒng)，大到宇宙，小到細(xì)胞。系統(tǒng)是指由兩個(gè)及以上有機(jī)聯(lián)系且相互作用的要素組成，具有特定結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境的整體。系統(tǒng)工程是研究系統(tǒng)元素之間的各種關(guān)系、對所有系統(tǒng)具有普遍意義的一種方法[3]。然而學(xué)生往往關(guān)注特定關(guān)系的本身，缺乏整體感和宏觀的概念，不利于后續(xù)很多知識的理解。當(dāng)然，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法和手段也阻礙了學(xué)生對系統(tǒng)概念的形成。

(二)注重理論輕視實(shí)踐

由于自動化專業(yè)的核心課程如：電路理論、自動控制原理、電力電子技術(shù)等偏重于理論學(xué)習(xí)，管理專業(yè)也注重方法論的研究，而系統(tǒng)工程概論在這些課程之后開設(shè)，所以學(xué)生容易形成慣性思維，以為學(xué)好了理論部分就行了，不重視具體的實(shí)踐應(yīng)用。在具體的教學(xué)過程中，教師也會偏向理論部分，這樣授課比較輕松，而實(shí)踐教學(xué)教師需要尋找實(shí)驗(yàn)場地，與相關(guān)部門溝通，時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的不足也影響了實(shí)踐教學(xué)的效果。

(三)專業(yè)基礎(chǔ)不扎實(shí)

由于系統(tǒng)工程概論是一門綜合性課程，先續(xù)任何一門課程的薄弱都會影響到這門課程的學(xué)習(xí)，特別是貫穿課程始終的線性代數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)知識。由于這些課程與本課程相隔較遠(yuǎn)并且部分學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)不扎實(shí)，使得在講授單純形法、系統(tǒng)優(yōu)化、決策分析等內(nèi)容時(shí)，學(xué)生難以理解和運(yùn)用，教師往往需要花費(fèi)一定的時(shí)間復(fù)習(xí)以往課程的知識點(diǎn)，這樣打亂了教學(xué)計(jì)劃，不能將有限的時(shí)間全部運(yùn)用到本課程的教學(xué)中，影響了教學(xué)效果。

系統(tǒng)工程概論課程教學(xué)過程中存在的問題已越來越受到專業(yè)教師和學(xué)生的廣泛關(guān)注, 這就需要在今后的教學(xué)過程中，探索新的教學(xué)模式，推動課程教學(xué)改革，以適應(yīng)實(shí)際的教學(xué)需求。

二、CDIO 教學(xué)模式

隨著我國高等教育的日益普及，培養(yǎng)目標(biāo)也逐漸從精英教育過度到大眾教育，乃之普及教育，具有實(shí)踐能力的專業(yè)技術(shù)人才越來越受到就業(yè)單位的青睞，然而，高校的大部分課程仍然以理論教學(xué)為主，培養(yǎng)的畢業(yè)生難以滿足工程實(shí)際的需要，往往需要再培訓(xùn)上崗，增加了企業(yè)成本，所以高校教育要主動調(diào)整培養(yǎng)模式以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)的需要。正是在這種情況下，美國麻省理工學(xué)院倡導(dǎo)大學(xué)教育的“大工程觀”，強(qiáng)調(diào)教學(xué)要“回歸工程”，并在本世紀(jì)初，與瑞典的林克平大學(xué)、查爾姆斯技術(shù)大學(xué)和皇家技術(shù)學(xué)院聯(lián)合提出了一種全新的教育理念，即CDIO。

CDIO以產(chǎn)品的整個(gè)生命周期為實(shí)際載體，涵蓋了從研發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)到報(bào)廢的過程，構(gòu)建了相互支撐一體化的課程教育體系，讓學(xué)生以實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)各門知識，對抽象的知識有直觀的理解，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，提高了學(xué)生的動手能力。在CDIO模式下，制定相應(yīng)的教學(xué)大綱和實(shí)施對應(yīng)的教學(xué)模式是成功達(dá)到CDIO教學(xué)目標(biāo)的兩個(gè)關(guān)鍵之所在。

(一)制定CDIO教學(xué)大綱

為了建立一套能被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界普遍承認(rèn)的知識結(jié)構(gòu)體系，CDIO教學(xué)大綱對學(xué)生必須具備的理論知識能力、系統(tǒng)建模能力、人際交往能力進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，既可作為工程類專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，又可作為工程技術(shù)考核的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)[4]。

CDIO教學(xué)大綱要求學(xué)生擁有更好的理論技術(shù)知識，能領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)與運(yùn)行，具有強(qiáng)烈的社會責(zé)任感。為了使這些目標(biāo)落實(shí)到具體過程操作中，CDIO通過分析工程師的工作，把工程師所需要具備的上述各項(xiàng)能力分解到CDIO 專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，也就是CDIO教學(xué)大綱[5]，大綱精細(xì)到可直接觀察學(xué)生表現(xiàn)行為的程度，可作為學(xué)習(xí)效果的評價(jià)依據(jù)。

CDIO提出了12條標(biāo)準(zhǔn)來保證教學(xué)大綱的實(shí)施，分別是背景環(huán)境，學(xué)習(xí)效果，課程體系，工程標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐場所，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，主動學(xué)習(xí)能力，教師教學(xué)能力，教師工程能力，學(xué)生考核標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)評估標(biāo)準(zhǔn)[6]。認(rèn)真研讀這些標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)可總結(jié)為四個(gè)部分：一是以產(chǎn)品為導(dǎo)向制定一體化課程改革；二是改變現(xiàn)有的教育模式以提升課堂教學(xué)質(zhì)量；三是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)為人才培養(yǎng)提供基地；四是強(qiáng)化實(shí)踐能力考核并調(diào)整評價(jià)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)保證了工程教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(二)實(shí)施CDIO教學(xué)模式

由于受到傳統(tǒng)思維的影響，我國的教育方式都是以教師為主體，在標(biāo)準(zhǔn)化的教育模式下，強(qiáng)調(diào)教師對學(xué)生直接進(jìn)行知識的傳授，忽視對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，給后續(xù)人才培養(yǎng)和技能的傳承帶來很多問題。西方國家在教育心理學(xué)的理論基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教育模式，運(yùn)用構(gòu)建主義和人本主義的教學(xué)理論，教師在具體教學(xué)過程中營造更多的自由、寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)創(chuàng)新能力，國外新興科技的不斷涌現(xiàn)也證實(shí)了這種教育方法的有效性，如Google，Intel，F(xiàn)acebook等。

CDIO教學(xué)模式以工程項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)講授各種知識，是一種開放式的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生從具體的工程問題到抽象的理論知識，再應(yīng)用到具體的實(shí)踐當(dāng)中，讓知識有了載體，學(xué)生在潛移默化和寓教于樂中掌握了新知識。從以教師為中心轉(zhuǎn)移到以學(xué)生為中心，從以課堂教學(xué)為中心轉(zhuǎn)移到以學(xué)習(xí)效果為中心，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)思想和教學(xué)方法的根本改變。

CDIO教學(xué)模式以工程人員應(yīng)具備的素質(zhì)作為教育的主線，改變以往單一的課堂教學(xué)觀念，建立了以工程為導(dǎo)向的價(jià)值理念。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生是主體、教師是主導(dǎo)，學(xué)生不是被動地接受知識，而是積極主動地探索知識；教師則引導(dǎo)學(xué)生通過工程問題主動地獲取新知識，獲取的知識不斷豐富其已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建完整的知識體系。

三、基于CDIO系統(tǒng)工程概論教學(xué)改革

系統(tǒng)工程概論課程講授一個(gè)學(xué)期，共有32個(gè)學(xué)時(shí)；共8周，每周4個(gè)學(xué)時(shí)，以項(xiàng)目為導(dǎo)向制定系統(tǒng)工程概論的教學(xué)大綱，將全課程劃分為7個(gè)項(xiàng)目來實(shí)施。考慮到概念理解的需要，第一周安排理論教學(xué)，教師講解這門課的內(nèi)涵和外延，讓學(xué)生加深對課程的理解，接下來每周完成一個(gè)項(xiàng)目。需要完成的項(xiàng)目如表1所示，每個(gè)項(xiàng)目根據(jù)CDIO模式分成4個(gè)階段，每個(gè)階段1個(gè)學(xué)時(shí)，這些項(xiàng)目按照由易到難的順序安排，具有很好的實(shí)用性，易于推廣和應(yīng)用。

表1 課程實(shí)施的7個(gè)項(xiàng)目

(一)構(gòu)思階段

每個(gè)項(xiàng)目開始時(shí)，教師先講解項(xiàng)目的背景及其相關(guān)的知識點(diǎn)，設(shè)定項(xiàng)目需要完成的基本目標(biāo)，同時(shí)項(xiàng)目提供案例的多組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多，計(jì)算越復(fù)雜，雖然項(xiàng)目的原理是一樣的，但難度有很大的差別[7]。這決定了項(xiàng)目本身具有開放性和自主性，學(xué)生可以自由地選擇數(shù)據(jù)，保證絕大部分人都能完成目標(biāo)，又能區(qū)分各自能力的大小，最大程度上避免了項(xiàng)目抄襲。例如在第一個(gè)項(xiàng)目單純形法求解中，兩個(gè)變量的最優(yōu)化問題很容易解決，但當(dāng)變量增加到三個(gè)或更多個(gè)時(shí)，計(jì)算量會呈現(xiàn)指數(shù)級增長，給求解帶來很大困難，這種由易到難的模式既可以培養(yǎng)學(xué)生的積極性，又可以給學(xué)生提供更多的挑戰(zhàn)自我的機(jī)會，激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

(二)設(shè)計(jì)階段

這一階段培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，教師起到輔助和答疑的作用。學(xué)生通過各種途徑查找資料，針對具體項(xiàng)目提出各種可能的解決途徑，為下一步實(shí)施階段作準(zhǔn)備。以阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析問題為例，即如何從美國阿拉斯加州的普拉德霍灣向美本土輸油的問題，油田處于北極圈內(nèi)，常年冰封，最低溫度零下50攝氏度，每天需要運(yùn)送200萬桶。這是一個(gè)典型的系統(tǒng)分析問題，由于這個(gè)問題來源于實(shí)際，難度較大，讓學(xué)生提出幾種常規(guī)的原油運(yùn)輸問題，即方案1和方案2，方案3和方案4是作為已知選項(xiàng)提供，增強(qiáng)項(xiàng)目的針對性。

方案1：油船運(yùn)輸。

方案2：用具有加溫系統(tǒng)的油管運(yùn)輸。

方案3：把部分含氯化鈉的海水加入原油中，原油和和海水一起運(yùn)輸。

方案4：油氣混輸，也就是將天然氣轉(zhuǎn)換為甲醇后加到原油中去一起運(yùn)輸。

(三)實(shí)施階段

針對每一種設(shè)計(jì)方案，認(rèn)真實(shí)施，鄙棄那些無法完成目標(biāo)的方案，在可以達(dá)到目標(biāo)的方案中，比較他們的優(yōu)劣并分析原因，完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)報(bào)告。仍然以阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析問題為例，根據(jù)具體的分析和計(jì)算發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段提出的方案有下列優(yōu)缺點(diǎn)：

方案1：每天需要4-5艘油船，同時(shí)要破冰船引航，始點(diǎn)和終點(diǎn)需建油庫，但無保證、費(fèi)用大、不安全。

方案2：可用成熟的管道輸油技術(shù)，但沿途需要設(shè)立站點(diǎn)安排工作人員，加固管道也會增加成本。

方案3：原油和和海水一起運(yùn)輸，提高低溫下原油的流動性，用普通油管即可輸送。

方案4：油氣混輸不僅不需輸送部分無用的海水，而且還可省去海水分離的流程，同時(shí)節(jié)省一條送氣管道的費(fèi)用，比方案3省了一半。

最終選擇了最優(yōu)的方案4。

(四)運(yùn)行階段

教師從提交的報(bào)告中，選擇幾名優(yōu)秀項(xiàng)目的學(xué)生展示他們的思路和結(jié)果。教師總結(jié)項(xiàng)目中普遍存在的問題，分析原因且給出解決方法，然后再從項(xiàng)目回歸到知識點(diǎn)本身，回顧復(fù)習(xí)相關(guān)該知識點(diǎn)，并推廣應(yīng)用到其他的場景，以不變應(yīng)萬變，拓寬學(xué)生的視野，提高教學(xué)效果。例如在故障模樹分析法項(xiàng)目中，可以將系統(tǒng)可靠性分析拓展到事件樹分析法、故障模式影響及危害性分析法中，這些方法彼此相關(guān)又緊密聯(lián)系，更能加深學(xué)生對知識點(diǎn)之間的相互理解。

四、總結(jié)與展望

本文將CDIO理念應(yīng)用到系統(tǒng)工程概論教學(xué)中，以項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提升了教學(xué)效果。CDIO模式打破了原有系統(tǒng)工程概論封閉孤立的教學(xué)方式，建立了具有大工程觀和系統(tǒng)觀的課程教育體系，形成了從工程中來到工程中去的人才培養(yǎng)模式。當(dāng)然，CDIO模式還存在一些不足之處，由于沒有現(xiàn)成教材可以直接使用，教師課前需要花費(fèi)大量時(shí)間準(zhǔn)備具有代表性的項(xiàng)目，增加了教師的工作量，而學(xué)生提出的解決方案過于分散，增加了評閱難度，筆者計(jì)劃與不同高校，不同院系講授系統(tǒng)工程概論的老師多聯(lián)系，分?jǐn)傊贫ń虒W(xué)項(xiàng)目的任務(wù)，減少每個(gè)教師的工作量；另外將學(xué)生分組，各組幾種討論項(xiàng)目的解決方案，在以后的教學(xué)中還要勇于探索，不斷改進(jìn)新的教學(xué)方法。

[1] 楊本家. 系統(tǒng)工程概論[M].武漢: 武漢理工大學(xué)出版社, 2007.

[2] 顧佩華, 包能勝, 康全禮, 等. CDIO在中國(上)[J] , 高等工程教育研究, 2012(3): 24-40.

[3] 陳偉.規(guī)范化法學(xué)教育實(shí)習(xí)基地的改革與完善[J].河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(6):125.

[4] 王碩旺, 洪成文. CDIO:美國麻省理工學(xué)院工程教育的經(jīng)典模式——基于對CDIO 課程大綱的解讀[J].設(shè)計(jì)藝術(shù)研究, 2009, 28(4): 116-119.

[5] 顧佩華, 包能勝, 康全禮, 等. CDIO在中國(下)[J] , 高等工程教育研究, 2012(5): 34-45.

[6] 鄒龍成. CDIO工程教育12條標(biāo)準(zhǔn)及其對院校教學(xué)評價(jià)的啟示[J]. 繼續(xù)教育, 2015(4): 52-53.

[7] 朱向慶, 胡均萬, 曾輝, 陳宏華. CDIO工程教育模式的微型項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2012, 29(11): 159-162.

Research on CDIOModel Teaching in Introduction to Systems Engineering

WeiLongsheng1, Wang Xinmei2, Liu Wei3

(ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074，China)

It is clear that the paper tries to deeply analyze the current teaching situation and problems in the course of introduction to systems engineering. Similarly, it aims at introducing the CDIO teaching method into classroom teaching. The purpose is to focus on the development of CDIO syllabus and the implementation of CDIO teaching model. On the other hand, it is important to apply them into teaching plan, teaching design, and implementation in the course of introduction to systems engineering. It is quite clear that this method may change the original isolated teaching methods. Therefore, it could stimulate the students' subjective initiative, cultivate the students′practical ability, and enhance the teaching effect of this course.

CDIO; introduction to systems engineering; teaching method

G642；N945

A

1673-3878(2017)03-0031-04

2017-02-22

魏龍生(1981-)，男，安徽安慶人，博士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動化學(xué)院講師；主要研究方向：人工智能、圖像處理.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61603357)；復(fù)雜系統(tǒng)先進(jìn)控制與智能地學(xué)儀器研究中心開放基金項(xiàng)目(AU2015CJ017).