面向?qū)I(yè)認(rèn)證的CDIO模式在無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉開偉，孫道勝，丁 益，吳修勝，王愛(ài)國(guó)，徐海燕

（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230022）

當(dāng)今全球化和技術(shù)革新驅(qū)使工程實(shí)踐在社會(huì)發(fā)展中起著越發(fā)重要的角色，最新的全球競(jìng)爭(zhēng)力報(bào)告顯示中國(guó)排在第28位[1]，在新興市場(chǎng)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，但是其中一級(jí)指標(biāo)高等教育和技術(shù)培訓(xùn)仍略靠后，說(shuō)明我國(guó)高等教育和技術(shù)培訓(xùn)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定距離。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，世界已經(jīng)迎來(lái)第四次工業(yè)革命。工程科技人才便成為其中的關(guān)鍵，決定著新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量的高低。為了著力解決當(dāng)前工程教育“工程性”和“創(chuàng)新性”不足的問(wèn)題，在進(jìn)入新世紀(jì)之初國(guó)內(nèi)很多工科院校采用CDIO工程教育模式并取得了較為明顯的成效。為進(jìn)一步提升我國(guó)教育國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)服務(wù)，我國(guó)于2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》，希望達(dá)到工程教育學(xué)位國(guó)際互認(rèn)[2]。

安徽建筑大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)入選教育部的“卓越工程師計(jì)劃”并試點(diǎn)采用CDIO教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)該專業(yè)在2016年6月通過(guò)了國(guó)家工程教育認(rèn)證的考察評(píng)估。因此基于安徽建筑大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)對(duì)比CDIO和工程教育專業(yè)認(rèn)證在教育理念、培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)過(guò)程和評(píng)價(jià)方式方面的要求，分析CDIO模式在專業(yè)課程教學(xué)中教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程及其對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證評(píng)估的作用。

1 CDIO與工程教育專業(yè)認(rèn)證的比較

CDIO工程教育理念是MIT和瑞典皇家工學(xué)院等大學(xué)在奈特基金支持下于2015年創(chuàng)立[3]，它是以學(xué)生為主體，讓學(xué)生能夠從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的全周期中主動(dòng)參與并進(jìn)行的學(xué)習(xí)方式，且設(shè)立相應(yīng)的能力細(xì)則評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐項(xiàng)評(píng)價(jià)。國(guó)際工程教育認(rèn)證則是對(duì)學(xué)生畢業(yè)5年的目標(biāo)提出要求，通過(guò)對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)估是否達(dá)到工程教育的要求[4]。筆者將兩者在發(fā)展愿景和理念、目標(biāo)、實(shí)施、評(píng)價(jià)和改進(jìn)體制這4個(gè)方面作對(duì)比，如表1所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：（1）兩者在發(fā)展愿景方面基本一致，均吸納了基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的OBE模式的工程教育思想，都是以學(xué)生為教學(xué)主體，希望能夠培養(yǎng)出滿足產(chǎn)業(yè)需要、處理實(shí)際工程問(wèn)題的工程師。（2）在培養(yǎng)目標(biāo)與實(shí)施過(guò)程上，CDIO在真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與運(yùn)行的基礎(chǔ)上制定各項(xiàng)能力的要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推進(jìn)，而工程教育認(rèn)證則是一種認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，是以認(rèn)可的畢業(yè)要求為標(biāo)準(zhǔn)，反向?qū)嵤┙虒W(xué)全過(guò)程，并通過(guò)反饋形成持續(xù)改性的體系。（3）在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，CDIO是將需要的能力細(xì)化評(píng)價(jià)，如掌握理論知識(shí)、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)的合作、理解產(chǎn)品與社會(huì)關(guān)系等。而工程教育專業(yè)認(rèn)證是描述了學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該掌握的素養(yǎng)，通過(guò)畢業(yè)要求來(lái)分析是否達(dá)成。實(shí)際上，CDIO模式下能力大綱要求與專業(yè)認(rèn)證中“畢業(yè)要求”是一致的[5-6]，不同的是CDIO在細(xì)節(jié)描述上更趨于量化并可以個(gè)性設(shè)定，而專業(yè)認(rèn)證則是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)比較后得出達(dá)成或者不達(dá)成的結(jié)果，然后得到認(rèn)證結(jié)果為合格或不合格，是一種底線質(zhì)量要求。

表1 CDIO和工程教育認(rèn)證的對(duì)比分析

2 工程教育專業(yè)認(rèn)證中引入CDIO教學(xué)模式

2.1 面向?qū)I(yè)認(rèn)證的專業(yè)課程優(yōu)化

安徽建筑大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的相關(guān)要求構(gòu)建了專業(yè)教學(xué)體系，按縱向?qū)⒄n程分為通識(shí)教育、大類學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)課程3個(gè)方面。通識(shí)教育讓學(xué)生掌握必需的、扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)；大類學(xué)科基礎(chǔ)則增強(qiáng)學(xué)生在大材料宏觀方向的知識(shí)儲(chǔ)備，如功能無(wú)機(jī)材料、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料等；專業(yè)課程則培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)分析并解決建筑材料在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題。本專業(yè)針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求，梳理了與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的專業(yè)課程，開展了CDIO項(xiàng)目式教學(xué)改革，對(duì)專業(yè)課程進(jìn)行了整合與優(yōu)化。如本專業(yè)開設(shè)了“材料科學(xué)與工程綜合實(shí)踐”“水泥基材料設(shè)計(jì)”“建筑節(jié)能體系設(shè)計(jì)”和“材料工程設(shè)計(jì)”這4個(gè)CDIO項(xiàng)目來(lái)優(yōu)化專業(yè)課程體系。這4個(gè)CDIO項(xiàng)目穿插于大三和大四兩年時(shí)間內(nèi)，第一個(gè)CDIO項(xiàng)目整合了《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《材料物理性能》《材料研究方法》課程學(xué)習(xí)；第二個(gè)和第三個(gè)CDIO項(xiàng)目學(xué)生二選一，整合了《膠凝材料與混凝土學(xué)》《材料工程基礎(chǔ)》《現(xiàn)代混凝土技術(shù)》的學(xué)習(xí)，最后一個(gè)CDIO項(xiàng)目則串聯(lián)《無(wú)機(jī)非金屬材料工學(xué)》《無(wú)機(jī)材料生產(chǎn)設(shè)備》《材料工廠設(shè)計(jì)概論》的學(xué)習(xí)。

2.2 專業(yè)認(rèn)證下CDIO教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

CDIO教學(xué)模式是以學(xué)生為中心、使學(xué)生參與產(chǎn)品整個(gè)生命周期的一個(gè)教學(xué)過(guò)程[7]。本文以其中一個(gè)CDIO項(xiàng)目做簡(jiǎn)單分析。在大三上學(xué)期的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中學(xué)生會(huì)覺(jué)得學(xué)習(xí)內(nèi)容極為抽象，容易感覺(jué)到枯燥。為了避免枯燥的理論學(xué)習(xí)，《材料科學(xué)與工程綜合實(shí)踐》CDIO項(xiàng)目被提出引入教學(xué)。該項(xiàng)目大體分為4個(gè)階段，如圖1所示。將班級(jí)的學(xué)生劃分成小組參與CDIO項(xiàng)目的運(yùn)行，約以6人為一組，然后選擇一名導(dǎo)師完成一種功能材料的設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目過(guò)程中學(xué)生變成主體，學(xué)生自行選擇組長(zhǎng)并進(jìn)行項(xiàng)目的協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌安排，老師則是在他們遇到問(wèn)題時(shí)進(jìn)行交流和指導(dǎo)。讓學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，以團(tuán)隊(duì)合作的方式借助CDIO項(xiàng)目平臺(tái)整合《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《材料物理性能》和《材料研究方法》等課程講述的知識(shí)，讓學(xué)生“學(xué)中做”和“做中學(xué)”，進(jìn)行主動(dòng)的探索和創(chuàng)作。

圖1 《材料科學(xué)與工程綜合實(shí)踐》CDIO項(xiàng)目周期

（1）調(diào)研階段（1～3周）。要求學(xué)生能夠運(yùn)用現(xiàn)代工具自主檢索和查閱文獻(xiàn)，對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行比較和分析，同時(shí)可走訪周邊相關(guān)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研和分析。要求學(xué)生提交前期調(diào)研報(bào)告，由指導(dǎo)老師檢查每個(gè)小組的項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告。

（2）材料設(shè)計(jì)階段（2～4周）。要求學(xué)生根據(jù)調(diào)研報(bào)告的結(jié)果，在小組反復(fù)討論后完成材料的配方設(shè)計(jì)和工藝方案，并討論方案的可行性。此階段學(xué)生需要提交方案的可行性論證報(bào)告。

（3）材料制備及性能測(cè)試階段（6～8周）。該階段要求學(xué)生合理選擇相關(guān)的設(shè)備，在安全規(guī)程下操作設(shè)備、制備材料，并對(duì)制備材料的性能進(jìn)行檢測(cè)。如遇到問(wèn)題，在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部開展交流，進(jìn)行反向解決問(wèn)題。

（4）成果展示/運(yùn)用階段（2周）。當(dāng)項(xiàng)目由指導(dǎo)老師驗(yàn)收完后，學(xué)生根據(jù)內(nèi)部驗(yàn)收的結(jié)果，改進(jìn)完成最后的樣品，所有小組進(jìn)行展示和評(píng)比。。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中安排兩種形式交流環(huán)節(jié)，一種是所有小組不定期交流討論，由學(xué)生組織安排；另一種是指導(dǎo)教師和學(xué)生一起討論交流項(xiàng)目過(guò)程中的問(wèn)題。

2.3 CDIO學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)與畢業(yè)要求達(dá)成度的關(guān)系

在項(xiàng)目實(shí)施階段，按照專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求，結(jié)合自身專業(yè)的特點(diǎn)，根據(jù)能力達(dá)成程度對(duì)CDIO項(xiàng)目成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)由以下4個(gè)部分組成：

（1）組內(nèi)互評(píng)20分。這部分主要為項(xiàng)目小組內(nèi)部成員匿名評(píng)價(jià)后求平均值，分為4個(gè)部分：文獻(xiàn)查閱、資料收集（25%）；信息共享及獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策（25%）；設(shè)計(jì)及分析解決問(wèn)題（25%）；小組活動(dòng)的組織、管理與活躍度（25%）。

（2）組間互評(píng)10分。這部分成績(jī)由其他小組匿名評(píng)價(jià)后求平均值，評(píng)分項(xiàng)目為各團(tuán)隊(duì)間的合作交流（50%）及項(xiàng)目過(guò)程評(píng)價(jià)（50%）。

（3）指導(dǎo)老師評(píng)價(jià)40分。小組指導(dǎo)老師對(duì)小組成員以下7個(gè)方面的表現(xiàn)進(jìn)行打分：文獻(xiàn)查閱（10%）、方案設(shè)計(jì)（20%）、裝置搭建（20%）、數(shù)據(jù)分析（10%）、工具/軟件的應(yīng)用（10%）、材料對(duì)社會(huì)的影響（10%）、團(tuán)隊(duì)合作與交流（20%）。

（4）答辯成績(jī)30分。答辯成績(jī)由所有指導(dǎo)教師根據(jù)每個(gè)小組4次答辯后打分求平均值構(gòu)成，計(jì)入該小組每個(gè)人的答辯成績(jī)。4次答辯評(píng)委教師評(píng)分依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研、交流表達(dá)、自主學(xué)習(xí)（總計(jì)12.5%），材料與環(huán)境關(guān)系、方案設(shè)計(jì)、交流表達(dá)（總計(jì)25%），方案執(zhí)行、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)關(guān)系、自主學(xué)習(xí)（總計(jì)25%），理論知識(shí)點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析、問(wèn)題分析與解決、產(chǎn)品性能（總計(jì)12.5%）。

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的達(dá)成度分析中，專業(yè)課程體系對(duì)畢業(yè)要求的支撐極為重要。畢業(yè)要求主要是工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決問(wèn)題的方案、研究問(wèn)題、使用現(xiàn)代工具、工程與社會(huì)的關(guān)系、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通能力、項(xiàng)目管理和終生學(xué)習(xí)這12條[8]。而此時(shí)采用以學(xué)生為中心的CDIO教學(xué)模式可以整合優(yōu)化相關(guān)課程教學(xué)，將學(xué)生的能力細(xì)化和量化，可有效地支撐畢業(yè)要求達(dá)成度分析。如CDIO項(xiàng)目中的文獻(xiàn)查閱能力可以有效支撐畢業(yè)要求1、5和12；材料配方設(shè)計(jì)課支撐畢業(yè)要求2和3；方案設(shè)計(jì)支撐畢業(yè)要求3、5、9和10；理解材料與社會(huì)/環(huán)境的關(guān)系可支撐畢業(yè)要求6，7和8；信息共享和團(tuán)隊(duì)合作支撐畢業(yè)要求9、10和11；實(shí)驗(yàn)裝置的安全搭建可支撐畢業(yè)要求2，3和6；數(shù)據(jù)分析和方案調(diào)整可支撐畢業(yè)要求1，4，5和12；交流表達(dá)可支撐畢業(yè)要求10和11；軟件和工具應(yīng)用支撐畢業(yè)要求3和5；自主學(xué)習(xí)能力可支撐畢業(yè)要求12。綜上，引入以學(xué)生為中心的CDIO教學(xué)模式能夠優(yōu)化專業(yè)課程體系，對(duì)學(xué)生的各項(xiàng)能力進(jìn)行培養(yǎng)并評(píng)價(jià)，而細(xì)則能力的量化評(píng)價(jià)又十分有助于工程教育認(rèn)證過(guò)程中畢業(yè)要求達(dá)成度的分析和評(píng)價(jià)。

3 總結(jié)

總體而言，在目標(biāo)和實(shí)施上略有差異，專業(yè)認(rèn)證則是圍繞畢業(yè)要求達(dá)成，是不分專業(yè)的通用“底線”，通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證工程教育水平是否達(dá)標(biāo)，作為剛性約束為各專業(yè)提供了通識(shí)的努力方向和目標(biāo)。而CDIO偏向于整個(gè)產(chǎn)品周期過(guò)程中各項(xiàng)能力的培養(yǎng)，對(duì)能力有足夠的細(xì)化，是追求產(chǎn)業(yè)需求的逼近，通過(guò)具體自身專業(yè)目標(biāo)來(lái)制定柔性定制培養(yǎng)內(nèi)容，可以是動(dòng)態(tài)拔優(yōu)的“高線”。由于兩者的愿景和理念一致，評(píng)價(jià)也只是描述上的差異。通過(guò)CDIO教學(xué)模式能夠有效優(yōu)化專業(yè)課程體系，且細(xì)化的CDIO能力指標(biāo)能夠直接支撐課程體系對(duì)畢業(yè)要求達(dá)成度的貢獻(xiàn)，對(duì)持續(xù)改進(jìn)有明顯積極的意義。因此CDIO教學(xué)模式更有利于畢業(yè)達(dá)成度的分析，兩者的結(jié)合可以更好地優(yōu)化工程領(lǐng)域人才的培養(yǎng)。