基于CDIO理念的高中工程教育實(shí)踐探索

【摘 要】CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的前沿成果。它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、在課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。本文基于CDIO理念及高中課程特點(diǎn)，提出了高中工程教育的愿景、大綱及標(biāo)準(zhǔn)，并以高中校本課程“三維設(shè)計與智造”為例，介紹了無錫一中在工程教育方面的實(shí)踐與探索，總結(jié)了基于產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對于提升學(xué)生工程素養(yǎng)的有益作用。

【關(guān)鍵詞】高中工程教育；CDIO；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）010-080-04

2018年9月，教育部、工信部、中國工程院發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，全國300多所高校加入了該計劃。普通高中是未來工程師的搖籃。江蘇省無錫市第一中學(xué)是江蘇省“工程教育課程基地”，每年有近八成學(xué)生被錄取到大學(xué)理工科專業(yè)。高中階段工程教育的實(shí)施有助于未來工程師的生涯規(guī)劃、知識儲備、技能培養(yǎng)和品格形成。

CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果。CDIO分別代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以QnbJ/bYcZ/jAFCVs/Njizw==產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、在課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。如今，中國已有清華大學(xué)等105所高校加入“CDIO工程教育聯(lián)盟”。

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年版）》將技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達(dá)和物化能力作為通用技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)基于“大項(xiàng)目、大概念和大綜合”的教學(xué)方式，與未來工程師的培養(yǎng)目標(biāo)十分契合。學(xué)生若能在高中階段熟悉產(chǎn)品從構(gòu)思研發(fā)到運(yùn)行維護(hù)的整個項(xiàng)目流程，并適應(yīng)CDIO的教育理念，定能助力其專業(yè)定向與發(fā)展。

高中工程教育的理論框架

CDIO包括了三個核心文件：1個愿景、1個大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)。它的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實(shí)世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行（CDIO）過程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育。它的大綱將工程師必備的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和整個CDIO全過程能力以逐級細(xì)化的方式表達(dá)出來（3級、70多條），使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統(tǒng)性。它的12條標(biāo)準(zhǔn)對整個模式的實(shí)施和檢驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學(xué)生和教師都具有重要指導(dǎo)意義。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢。

結(jié)合高中特點(diǎn)，參考CDIO的核心文件，我們提出了高中工程教育的愿景，未來工程師的能力大綱和高中工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)。

首先，高中工程教育的愿景是提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在產(chǎn)品全生命周期基礎(chǔ)上的工程教育。只是，這個產(chǎn)品不一定是真實(shí)生活中可以使用的產(chǎn)品，而是一個產(chǎn)品模型（實(shí)物）或者電子作品（虛擬）。高中生將在信息技術(shù)、通用技術(shù)、研究性學(xué)習(xí)、校本選修等課程中，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式完成若干產(chǎn)品的完整研發(fā)過程，例如通用技術(shù)中的臺燈、紙橋、電子寵物等，信息技術(shù)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)、智能家居等，研究性學(xué)習(xí)和校本選修中微電影作品、3D打印作品、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等自選項(xiàng)目。

其次，我們提出了未來工程師的能力大綱[1]?；趯θ瞬排囵B(yǎng)目標(biāo)的綜合分析，一級綱要包括技術(shù)知識與推理、個人與職業(yè)技能、人際交往技能、CDIO這4個方面的內(nèi)容。具體說明如下。

（1）技術(shù)知識和推理能力屬于理論層面的知識體系，是未來工程師應(yīng)該具備的理論知識儲備。現(xiàn)代工程系統(tǒng)越來越趨向多學(xué)科背景知識的支撐。因此，高中學(xué)生必須掌握多學(xué)科技術(shù)知識，并具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砟芰Γ饕ɑA(chǔ)數(shù)學(xué)與科學(xué)知識（高中必修課程），核心工程基礎(chǔ)知識（高中選擇性必修和選修課程），高級工程基礎(chǔ)知識工具方法（高中校本選修、大學(xué)先修課程及競賽課程等）。

（2）個人技能和職業(yè)道德屬于實(shí)踐層面的技能體系，是未來工程師必須具備的職業(yè)素養(yǎng)。主要包括分析推理和解決問題的能力，根據(jù)研究目標(biāo)設(shè)計實(shí)驗(yàn)、開展調(diào)查的能力，系統(tǒng)思維的能力，面對問題時應(yīng)有的態(tài)度、思維與學(xué)習(xí)能力，項(xiàng)目實(shí)施時應(yīng)具備的職業(yè)道德、公平公正和其他必備的責(zé)任意識等。

（3）人際交往技能和團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通是未來工程師必備的社交技能。為了能夠在以團(tuán)隊(duì)合作為基礎(chǔ)的環(huán)境中工作，學(xué)生必須掌握必要的人際交往技巧，并具備良好的溝通能力。這部分主要包括團(tuán)隊(duì)組建與運(yùn)營管理的能力、人際溝通的各種方式和技能。

（4）企業(yè)社會和環(huán)境背景下的CDIO系統(tǒng)創(chuàng)新過程是未來工程師的核心素養(yǎng)。為了能夠真正做到創(chuàng)建和運(yùn)行產(chǎn)品／系統(tǒng)，學(xué)生必須具備在企業(yè)和社會這兩個層面進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行（CDIO）產(chǎn)品／系統(tǒng)的能力。

大綱中的培養(yǎng)目標(biāo)既包括未來工程師必備的專業(yè)基礎(chǔ)理論，也包括實(shí)踐操作能力；既包括個體知識、經(jīng)驗(yàn)和價值觀體系，也包括團(tuán)隊(duì)合作意識與溝通能力，基本涵蓋了未來工程師的核心技能和專業(yè)素養(yǎng)。

在基于產(chǎn)品的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，核心教學(xué)目標(biāo)宜粗不宜細(xì)。因此，建議一線教師參考上述要點(diǎn)設(shè)計項(xiàng)目化學(xué)習(xí)需要習(xí)得的核心能力，參考CDIO三級綱要制定評價標(biāo)準(zhǔn)。未來工程師能力評估要點(diǎn)因篇幅所限，不再贅述。

最后，提出了高中工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)（表1），作為高中開展工程教育的基本原則[2]。

高中工程教育實(shí)踐案例

下文以“三維設(shè)計與智造”課程為例，介紹我校的具體教學(xué)實(shí)踐。

1.課程規(guī)劃及項(xiàng)目設(shè)計

“三維設(shè)計與智造”課程的宗旨是讓學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模技術(shù)，遵循設(shè)計思維的方法論，進(jìn)行有目的的產(chǎn)品設(shè)計與智造，以形成具有一定功能的電子作品或物化產(chǎn)品作為最終成果。課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的信息意識和技術(shù)意識、計算思維和工程思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達(dá)和物化能力、信息社會責(zé)任等核心素養(yǎng)[3]。顯然，這與我們的工程教育愿景完全符合。

“三維設(shè)計與智造”課程屬于一門校本選修課程，是統(tǒng)整多門技術(shù)課程而形成的一體化課程，符合標(biāo)準(zhǔn)1、2、3的要求?；谡n程統(tǒng)整的理念，本課程融合了高中通用技術(shù)中的必修模塊“技術(shù)與設(shè)計1”“技術(shù)與設(shè)計2”，選擇性必修“技術(shù)與創(chuàng)造”系列模塊，以及高中信息技術(shù)的選擇性必修模塊“三維設(shè)計與創(chuàng)意”的相關(guān)內(nèi)容[4]。上述被統(tǒng)整的技術(shù)課程都是高中工程教育的入門課程，都有基于產(chǎn)品的CDIO全過程的項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容，而且本校為學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐活動提供了專屬的通用技術(shù)、信息技術(shù)、3D創(chuàng)意、創(chuàng)客中心等13個實(shí)踐場館，符合標(biāo)準(zhǔn)4、6的要求。

“三維設(shè)計與智造”的課程評價包括過程性評價和總結(jié)性評價兩個部分，總分100，具體按照如下比例打分。過程性評價：考勤20%+平時30%（課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)）；總結(jié)性評價：結(jié)業(yè)作品50%（包括設(shè)計草圖、三維模型文件、打印成品及產(chǎn)品設(shè)計手冊）[5]。這里的平時作業(yè)其實(shí)是學(xué)生學(xué)習(xí)三維建模時完成的微項(xiàng)目，例如七巧板、魯班鎖、馬克杯等微產(chǎn)品設(shè)計。結(jié)業(yè)作品就是綜合性比較強(qiáng)的產(chǎn)品設(shè)計項(xiàng)目，具體由學(xué)生自選，例如創(chuàng)意花瓶（六成學(xué)生的選擇）、創(chuàng)意小臺燈（三成學(xué)生的選擇，可同時作為通用技術(shù)必修課的結(jié)業(yè)作品）、太空電梯（少數(shù)學(xué)生的選擇，可作為競賽作品參加省市級比賽）等。這些作品的設(shè)計與打印都是學(xué)生主動的學(xué)習(xí)和選擇，都包含了產(chǎn)品的構(gòu)思（C）、設(shè)計（D）、實(shí)施（I） 和運(yùn)行（O）等完整過程，符合標(biāo)準(zhǔn)1、5、7、8的要求。

“三維設(shè)計與智造”課程的設(shè)計采用了ADDIE模型，包括分析（Analysis）、設(shè)計（Design）、開發(fā)（Develop）、實(shí)施（Implement）、評估（Evaluate）等過程[6]。本課程的教學(xué)主要采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)、學(xué)中做”的學(xué)習(xí)理念，引領(lǐng)學(xué)生在基于產(chǎn)品設(shè)計的項(xiàng)目實(shí)踐過程中，學(xué)會“設(shè)計與智造”。課程的教學(xué)策略主要有項(xiàng)目內(nèi)容的情境化和整體性、學(xué)習(xí)活動的實(shí)踐性和自主性、學(xué)習(xí)思維的可視化和深度化、學(xué)習(xí)評價的過程性和伴隨性。教師把所有微項(xiàng)目都制作成微視頻，上課時學(xué)生自主學(xué)習(xí)、控制進(jìn)度，完成項(xiàng)目內(nèi)容。通過教與學(xué)方式的統(tǒng)整與變革，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)技術(shù)知識與實(shí)踐技能的遷移、思維水平和技術(shù)素養(yǎng)的提高。教師通過這些設(shè)計與教學(xué)流程，提高了自身的產(chǎn)品設(shè)計技能和教學(xué)實(shí)施技能，采用了多種評價手段評估學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計能力及課程的實(shí)施績效，符合標(biāo)準(zhǔn)9、10、11、12的要求。

2.經(jīng)典項(xiàng)目實(shí)施效果

（1）基礎(chǔ)項(xiàng)目（創(chuàng)意花瓶）

創(chuàng)意花瓶設(shè)計項(xiàng)目是本課程的核心項(xiàng)目，主要教學(xué)目標(biāo)是通過4個微項(xiàng)目學(xué)習(xí)掌握三維建模中的各種特征造型方法，如實(shí)體組合、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣、拔模、圓角和倒角等操作，最后綜合運(yùn)用各種建模方法，設(shè)計一個創(chuàng)意花瓶。由于教師事先錄制微課，上課時可以隨時答疑解惑。學(xué)生可以按照自己的節(jié)奏開展自主學(xué)習(xí)，課堂反饋都比較積極。好多學(xué)生認(rèn)為這樣的教學(xué)方式新穎而有效，氛圍輕松而活躍，真正激發(fā)了他們的創(chuàng)意。學(xué)生設(shè)計的花瓶在材質(zhì)、造型、貼圖、色彩方面都別出心裁，彰顯個性。

（2）挑戰(zhàn)項(xiàng)目（創(chuàng)意小臺燈）

創(chuàng)意小臺燈是半開放項(xiàng)目，也是高一通用技術(shù)必修一的經(jīng)典項(xiàng)目，但要求學(xué)生獨(dú)立完成，缺乏團(tuán)隊(duì)合作環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目包含了臺燈產(chǎn)品設(shè)計的流程、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等通用技術(shù)主干內(nèi)容，又涉及升壓電路、電子元件、聲光電傳感器、電子控制系統(tǒng)等物理知識。由于三維課程的項(xiàng)目進(jìn)度與通用技術(shù)課一致，教師指導(dǎo)學(xué)生同步采用3D軟件設(shè)計臺燈的底座、支撐和燈罩，幫助學(xué)生將組件打印出來后用于臺燈的后期組裝，從而完成一個跨越三個學(xué)科（物理、通用技術(shù)和信息技術(shù)）、歷時兩個多月（16課時）的頗具挑戰(zhàn)性的綜合項(xiàng)目。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生充當(dāng)了設(shè)計師、工程師等角色，體驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計的全過程，通過解決各種實(shí)際問題，整合所學(xué)的技術(shù)知識與技能，綜合運(yùn)用設(shè)計思維、工程思維和計算思維等方法，設(shè)計出產(chǎn)品模型，進(jìn)而組裝出物化產(chǎn)品。學(xué)生在自主開展項(xiàng)目實(shí)踐的過程中，逐步將已有的各學(xué)科知識與新知識融會貫通，有助于形成立體、開放、系統(tǒng)的知識技能結(jié)構(gòu)。

臺燈項(xiàng)目的評價不僅是平時作業(yè)和結(jié)業(yè)作品，還有項(xiàng)目學(xué)習(xí)手冊。按照設(shè)計思維的一般過程，手冊記錄了學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和圖表，包括發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計分析（概念圖）、明確問題、方案構(gòu)思（SCAMPER法、頭腦風(fēng)暴）、方案權(quán)衡（KANO模型）、方案呈現(xiàn)（草圖、三視圖等）、模型制作（工具、材料、26/4Fir8AzE4BVLFC9ZNWA==照片等）、作品評價（自評、互評和師評雷達(dá)圖）、附錄（相關(guān)學(xué)習(xí)材料）。學(xué)習(xí)手冊全方位真實(shí)地記錄了學(xué)生的項(xiàng)目過程和成果，既有助于教師從技術(shù)意識、工程思維、圖樣表達(dá)、物化能力和創(chuàng)新設(shè)計這五個核心素養(yǎng)維度來客觀評價學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量，也幫助教師診斷項(xiàng)目實(shí)施的質(zhì)量，以便對項(xiàng)目的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

（3）競賽項(xiàng)目（太空電梯）

“太空電梯工程設(shè)計專項(xiàng)賽”是教育部批準(zhǔn)的面向中小學(xué)生的白名單賽事，是由中國少年兒童發(fā)展服務(wù)中心面向全國青少年組織開展以人工智能科技創(chuàng)新為主題的競賽活動。比賽將工程設(shè)計、人工智能、電子技術(shù)、3D打印和激光切割等有關(guān)知識交叉融合，要求參賽選手組隊(duì)參加，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識，創(chuàng)作完成“太空電梯”實(shí)物模型，通過現(xiàn)場評委對模型的設(shè)計搭建、工程測試、極限測試等環(huán)節(jié)的評審進(jìn)行競賽。

我校歷屆參賽選手都獲得了省級二等以上的好成績。這些參賽選手就是從高一選修“三維設(shè)計與智造”校本課程的學(xué)生中選拔出來的，有些則是“三維打印”社團(tuán)的高二隊(duì)員。參賽學(xué)生需要利用校本選修課、研究性學(xué)習(xí)課或者課余時間完成2人組隊(duì)討論、產(chǎn)品研發(fā)、打印、組裝、測試和比賽的各項(xiàng)工作，這屬于學(xué)生個人技能、人際交流技能、產(chǎn)品的CDIO全生命周期的設(shè)計實(shí)踐技能，全方位覆蓋了高中工程教育大綱的技能要求。

2023年參賽獲獎的兩位隊(duì)員還整理了競賽筆記，全方位地記錄了他們的作品從構(gòu)思、設(shè)計、搭建和測試各個方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，特別方便教師對他們進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過程性評價。結(jié)果表明，他們的CDIO技能都得到了全面的提升。

反思與討論

限于篇幅，本文對學(xué)生工程能力評估的具體操作介紹不夠全面，教學(xué)過程中對能力大綱的應(yīng)用還有待細(xì)化。但我們相信，在CDIO教育理念的引領(lǐng)下，在標(biāo)準(zhǔn)和大綱的具體貫徹和實(shí)施中，高中生的工程能力和素養(yǎng)將會有效提升。

除了“三維設(shè)計與智造”，我校技術(shù)學(xué)科還有“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計”“微電影創(chuàng)作”“融媒體創(chuàng)編”等多個課程，還包括跟物理、化學(xué)、生物學(xué)科合作的工程教育校本課程，高中工程教育在我校開展得扎實(shí)而有成效。

結(jié)論與展望

本文基于CDIO教育理念，結(jié)合高中課程特點(diǎn)，提出了高中工程教育的愿景、大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，介紹了無錫市第一中學(xué)在工程教育方面的大膽探索和實(shí)踐。通過三個經(jīng)典案例的設(shè)計與實(shí)施，闡述了項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在高中工程教育中的有效應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)了高中生工程素養(yǎng)的顯著提升。但愿能夠拋磚引玉，為中小學(xué)工程教育的實(shí)施提供一定的借鑒。希望中小學(xué)教師們能夠清醒地認(rèn)識到我國工程教育的質(zhì)量差距，意識到教育國際化發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，產(chǎn)生教育教學(xué)改革的新動力。

注：本文系江蘇省普通高中課程基地項(xiàng)目“像工程師一樣實(shí)踐：普通高中工程整合課程基地”階段性成果；無錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題“超學(xué)科融合理念下普通高中工程教育的路徑探索與樣本建構(gòu)”（I/D/2023/21）階段成果

參考文獻(xiàn)

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