基于CDIO理念的自動化專業(yè)工程教育改革研究

通雁輝 王嬈芬 王宇嘉

摘要：隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會對工程應用型人才的綜合素質(zhì)提出了更高要求。我國的應用型本科院校迫切需要充分借鑒先進的工程教育理念和經(jīng)驗，不斷推進工程教育教學改革，以適應國家中長期發(fā)展需求。本文對當前我國應用型本科院校自動化專業(yè)培養(yǎng)目標制定、課程體系設置、師資隊伍建設以及教學活動設計等方面普遍存在的問題進行了分析，基于國際上先進的CDIO工程教育理念，提出了自動化專業(yè)工程教育改革的方向和策略。

關鍵詞：CDIO理念；工程應用型；自動化專業(yè)；課程體系

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2021）03-0096-03

基金項目院中央?？睢皯眯捅究圃圏c專業(yè)部分建設經(jīng)費-自動化”（項目編號：0232-A2-8948-20-0101）。

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會各行業(yè)對應用型本科大學畢業(yè)生解決復雜工程問題的能力提出了更高的要求[1]。在當前國家不斷倡導創(chuàng)新型國家建設的背景下，工程教育認證、卓越工程師培養(yǎng)計劃以及新工科建設等項目不斷推進，應用型本科院校抓住契機努力實現(xiàn)工程教育轉(zhuǎn)型勢在必行。應用型本科專業(yè)工程教育的成功轉(zhuǎn)型必將為中國經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展提供強大的動力來源。

自1999年高等教育擴招以來，大學向社會輸送畢業(yè)生的數(shù)量不斷增加，其中研究生的比例也隨之上升。然而，當前我國大學教育普遍存在的一個問題就是注重學術(shù)教育而忽略工程教育，導致大學所輸出畢業(yè)生的工程能力與行業(yè)需求不匹配。該現(xiàn)象一定程度上也與部分大學定位模糊有關。部分高校以建設一流研究型大學、培養(yǎng)一流學術(shù)人才作為辦學目標，并沒有結(jié)合學校的客觀條件和社會發(fā)展的需求來制定學校以及各專業(yè)的培養(yǎng)目標和方式。

作為近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO工程教育理念越來越受歡迎。我國也于2016年成立了CDIO工程教育聯(lián)盟，目前已有105所高校加入。所謂CDIO理念，是指通過針對實際系統(tǒng)或產(chǎn)品的構(gòu)思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）這一培養(yǎng)過程，來夯實學生的工程基礎能力[2]，培養(yǎng)學生的綜合工程能力。工程項目的設計是CDIO工程教育理念的核心，由于工程項目基本涉及系統(tǒng)或產(chǎn)品研發(fā)到運作的整個生命周期，通過工程項目實踐可以幫助學生認識項目研發(fā)流程和任務分解過程，有效培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維和解決復雜工程問題的能力。

CDIO培養(yǎng)大綱將畢業(yè)生的能力分為基礎工程能力，即學科知識和分析能力；個人能力，即個人專業(yè)技能和品質(zhì)；人際團隊能力，即人際交往和團隊協(xié)作能力；系統(tǒng)工程能力，即實際系統(tǒng)構(gòu)思、設計、實現(xiàn)和運作能力。上述四個層面的培養(yǎng)目標決定了應用型本科院校的培養(yǎng)模式必須是科學的和系統(tǒng)的，必須從專業(yè)培養(yǎng)目標制定、項目設計、課程體系設置、課程內(nèi)容編排、課程教學等過程中始終貫徹和實踐CDIO理念，而不僅僅是將該理念貫穿于幾門課程的教學過程中[3]。本文將以自動化專業(yè)為例，思考和探討基于CDIO理念的自動化專業(yè)工程教育教學改革策略。

一、當前工程教育中存在的主要問題

由于自動化技術(shù)可應用于冶金、化工、電力以及航空和航天等行業(yè)各個領域，所以自動化專業(yè)是一個綜合性很強的專業(yè)，其在注重理論知識傳授同時也注重工程實踐訓練。正因為自動化專業(yè)的上述特點，其在工程教育教學改革中具有一定的代表性。當前應用型本科院校自動化專業(yè)工程教育教學中不同程度地存在以下幾方面的問題。

（一）專業(yè)特色不明顯

專業(yè)特色是大學通過多年探索和實踐形成的一套科學的專業(yè)培養(yǎng)體系，其與專業(yè)服務的行業(yè)和應用背景密切相關。對于國內(nèi)一些擁有優(yōu)良歷史傳承和較強行業(yè)背景的一流大學而言，其自動化專業(yè)已經(jīng)形成了鮮明的特色。但對于大多數(shù)應用型本科院校而言，由于自動化專業(yè)設置較晚以及專業(yè)與行業(yè)對接不緊密等原因，其專業(yè)特色并不明顯。然而，隨著無人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興行業(yè)的崛起以及大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的應用，自動化專業(yè)的應用場景越來越多元、越來越具體。應用型本科院校努力推進與新興行業(yè)的對接和融合，結(jié)合學校優(yōu)勢逐漸探索自動化的特色是一條有效途徑。

（二）課程體系設置不合理

課程體系的設置與專業(yè)的培養(yǎng)目標緊密相關，課程體系的設置也是各門課程教學內(nèi)容制定的基礎，因此課程體系的設計工作是一個系統(tǒng)工程。當前應用型本科院校課程體系的設置存在不合理的現(xiàn)象，不足以有效地支撐專業(yè)培養(yǎng)目標的達成。在目前課程總學時非常有限的條件下，各院校需要對現(xiàn)有課程體系的科學性和合理性進行評價，在此基礎上不斷進行優(yōu)化和完善。從專業(yè)教育的根本目的出發(fā)，對現(xiàn)有課程和教學內(nèi)容進行改革。隨著行業(yè)的發(fā)展和新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，對新的理論和技術(shù)提出了需求，因此廣大應用型本科院校需要與時俱進地引入新的教學內(nèi)容，以實現(xiàn)大學專業(yè)與社會行業(yè)的零接軌[4]。總之，課程體系的設置與課程內(nèi)容的制定必須結(jié)合行業(yè)的需求、師資的狀況以及學校的特點科學合理地進行。

（三）綜合性實踐教學環(huán)節(jié)薄弱

雖然目前大部分應用型本科院校嘗試加大實踐教學環(huán)節(jié)的比例，但是由于缺乏系統(tǒng)性的策劃和設計，各實踐教學內(nèi)容之間的關聯(lián)度不強。大多數(shù)實踐教學內(nèi)容以課內(nèi)實驗和綜合實驗的形式開展，課內(nèi)實驗往往僅局限于原理驗證和技術(shù)操作[5]，而綜合實驗由于缺乏對實際工程實例的考證和分析[6]，其對學生綜合工程能力的訓練存在不足。自動控制系統(tǒng)的設計以滿足實際生產(chǎn)中的性能及工藝要求為最終目的，所以自動化專業(yè)實踐課程的設計應重在培養(yǎng)學生解決復雜控制系統(tǒng)分析和設計的能力。實踐教學的設計應該在校企合作的模式下進行，應從工程實際背景需求出發(fā)，主要目的是在驗證理論教學中基本原理和方法的基礎之上，激發(fā)學生的系統(tǒng)工程思維，最終實現(xiàn)對學生創(chuàng)新能力、協(xié)作能力等綜合工程能力的培養(yǎng)。

（四）雙師型教學隊伍建設不足

師資隊伍是大學教學質(zhì)量的重要保證。目前我國應用型本科院校教師隊伍中具有博士學位的教師比例在不斷提高，理論水平和專業(yè)功底不斷增強。然而，存在的主要問題在于教師對行業(yè)發(fā)展需求的了解不充分，實際工程經(jīng)驗比較欠缺。雖然整體的理論教學水平有了一定程度的提高，但是實踐教學水平還存在較大不足。在當前國家大力倡導校企協(xié)同育人的教育模式下，應用型本科院校應加大力度與企業(yè)對接，利用企業(yè)的項目資源為教師提供更多的培訓機會，不斷推進雙師型教師隊伍的建設。而對于在應用型本科教育中具有突出貢獻的企事業(yè)單位，政府也可給予一定的政策激勵和獎勵，以提高企業(yè)服務教育的積極性。

二、CDIO工程教育改革的方向

專業(yè)培養(yǎng)目標的完成程度與課程體系設置、師資隊伍建設和學生綜合工程能力培養(yǎng)方式緊密相關，下文從以下幾個方面來探討自動化專業(yè)工程教育教學改革的思路。

（一）優(yōu)化和完善課程體系

自動化專業(yè)的特色需要從自動化應用行業(yè)的背景中凝練，專業(yè)特色需要相應的課程體系來支撐。自動專業(yè)所服務的行業(yè)特點決定了需要將不同種類的課程納入課程體系中。比如分別服務于航空航天、化學工業(yè)以及生命科學領域的自動化專業(yè)，則相應的需要納入飛行動力學、化工動力學以及神經(jīng)動力學方面的課程。不但要向?qū)W生講授自動控制理論和技術(shù)方面的知識，還要講授復雜被控對象動力學行為和建模理論及方法，以為后續(xù)開展工程項目的實踐奠定基礎。復雜系統(tǒng)動力學建模理論和方法與控制理論和技術(shù)等方向的交叉融合，有利于提升專業(yè)的特色。同時可以促進不同專業(yè)學科和方向教師之間的交流和合作。因此，以自動化專業(yè)為切入點推動電氣、力學、化工等不同學科和專業(yè)之間的課程聯(lián)通，也是一種提升專業(yè)特色和促進學科交叉的好方法。

課程體系的內(nèi)容主要包含通識類課程和專業(yè)類課程。在CDIO理念中，學生的人文素質(zhì)也是工程教育的培養(yǎng)目標。因此，在通識類課程中需要設置工程導論、工程倫理、環(huán)境概論、社會與法律等課程。而專業(yè)類課程又分為專業(yè)基礎類課程和一般專業(yè)類課程。從理論和技能傳授的角度劃分專業(yè)類課程內(nèi)容又可分為理論部分和實踐部分。由于專業(yè)類課程強調(diào)理論與實踐并重，因此在課程體系設置過程中可以采用項目群課程分類方法，將專業(yè)類課程按項目需求分為不同的課程群。比如，在以計算機視覺和運動控制交叉為特色的自動化專業(yè)課程體系中，可以設置基于視覺的運動控制系統(tǒng)課程群，該課程群所包含的基本課程名稱及遞進關系如圖1所示。課程群的設置有利于強化課程之間的關聯(lián)和不同任課教師間的協(xié)作，為基于CDIO理念的工程教育實踐提供可行的解決方案。

（二）培養(yǎng)教師的CDIO工程教育思維

教師隊伍是教學活動的策劃者和制定者，工程教育改革需要行政管理崗位和專業(yè)技術(shù)崗位的全體教師集體參與。前提條件是所有教師要牢固樹立CDIO工程教育思維，這樣才有可能構(gòu)建工程教育的環(huán)境，形成工程教育文化，并使這種文化基因根植于應用型本科院校的校園文化之中。

應用型本科院校以培養(yǎng)高素質(zhì)工程師為主要目標，而工程師角色的核心是設計和實施工程項目的解決方案，所以教師有必要對本專業(yè)所對應行業(yè)的需求、工程師的工作任務及社會責任等狀況進行充分的交流和學習。同時，由于國際CDIO工程教育的理論與實踐經(jīng)驗不斷豐富和發(fā)展，各應用型本科院校需要建立起一套國外交流與學習的機制，特別是幫助青年教師樹立CDIO工程教育理念、掌握CDIO工程教育的理論和方法。條件允許的情況下，學校也可選派教學表現(xiàn)出眾的教師前往歐美國家工程教育開展成功的大學學習，將國外先進的工程教育模式和辦學經(jīng)驗引入國內(nèi)高校。

（三）校企協(xié)同提升教師的工程教學能力

目前在教育部的倡導下，許多應用型本科學院均在積極推動校企協(xié)同育人模式的探索和實踐。協(xié)同的形式主要包含科研項目合作、技術(shù)轉(zhuǎn)化、企業(yè)實習、共建實驗室等。然而，存在的主要問題是企業(yè)更看重項目合作和技術(shù)轉(zhuǎn)化以提升企業(yè)的研發(fā)能力，而在教學和育人方面參與的程度有待進一步加強。政府應該鼓勵和支持優(yōu)秀企業(yè)參與到工程教育實踐改革中，特別是為高校教師工程能力的提升提供更多的培訓機會和鍛煉平臺，必要時企業(yè)的工程師也需要參與到教學活動的策劃和實施中。參與高校工程教育的改革也是企業(yè)承擔社會責任的體現(xiàn)，政府應給予政策上的引導和支持，這樣有助于促進高校和企業(yè)形成長期有效的合作關系。

（四）在教學過程中強化對學生綜合能力的培養(yǎng)

CDIO工程教育理念推崇項目導向的教學方式，在工程項目中解決實際系統(tǒng)或產(chǎn)品的構(gòu)思、設計、實施和運作既是專業(yè)培養(yǎng)的目標又是對畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量的評價手段。而在工程項目中解決復雜問題的能力是一項綜合性的要求，因此所有教學活動的開展都要聚焦到培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力這一目標上。在項目課程群內(nèi)各門課程的授課過程中，所有教師需圍繞工程項目的需求將本門課程在項目中的地位和作用以及與其他課程之間的聯(lián)系有深刻的認識和理解。在授課過程中時刻有意識地培養(yǎng)學生的綜合工程能力是課程群內(nèi)全部任課教師的共同責任，所有課程和教師并不是孤立存在的，而是一個整體。另外，應鼓勵教師在授課過程中充分利用數(shù)學和工程計算軟件來培養(yǎng)學生的綜合分析和設計能力，諸如自動化領域內(nèi)的Matlab/Simulink、Maple/MapleSim軟件，其功能不斷發(fā)展，均提供了豐富的多域物理系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)設計和驗證等功能，這也為學生綜合能力的訓練提供了很好的平臺。

三、結(jié)語

在當前國家不斷倡導和推進工程教育改革的時代背景下，各應用型本科院校需努力實現(xiàn)教育轉(zhuǎn)型，這也是社會經(jīng)濟發(fā)展的必然要求。CDIO工程教育理念代表國際工程教育改革的最新成果，努力實踐CDIO工程教育理念并實現(xiàn)與國際先進工程教育的接軌，進而為各行各業(yè)培養(yǎng)出優(yōu)秀的工程師人才，是政府、應用型本科院校和企業(yè)共同的社會責任。工程教育改革的直接推動者是廣大應用型本科院校的教師，因此各院校需要不斷幫助教師確立CDIO工程教育理念和提高工程教學能力，并創(chuàng)造良好的教學改革環(huán)境。而全體教師需要在課程體系的設置、課程內(nèi)容的制定以及教學活動的全部過程中有效貫徹CDIO工程教育理念。本文所提出的自動化專業(yè)工程教育改革的方向和策略，也將為自動化相關專業(yè)工程教育的建設提供思想借鑒。相信在教育主管部門的科學決策下以及各行業(yè)企事業(yè)單位的積極參與下，各應用型本科高校一定能探索出一條與國家社會經(jīng)濟發(fā)展需求相適應的工程教育之路。

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（責任編輯：胡甜甜）