張 偉, 柳玉輝, 王麗云

(1. 東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110819; 2. 東北大學(xué) 研究院, 沈陽 110819; 3. 遼寧大學(xué) 公共基礎(chǔ)學(xué)院, 沈陽 110036)

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CDIO模式下的壓頂石項目設(shè)計與實施

張 偉1, 柳玉輝2, 王麗云3

(1. 東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110819; 2. 東北大學(xué) 研究院, 沈陽 110819; 3. 遼寧大學(xué) 公共基礎(chǔ)學(xué)院, 沈陽 110036)

CDIO工程教育是一種嶄新的教育模式,其核心思想是以工業(yè)產(chǎn)品(或系統(tǒng))生命周期為背景,以項目為主線把學(xué)生必須學(xué)到的知識、素質(zhì)和能力融合在一起,該模式要求工程專業(yè)的大學(xué)本科畢業(yè)生通過團隊合作來獲得“構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行” 復(fù)雜系統(tǒng)的能力。CDIO模式的培養(yǎng)計劃中壓頂石項目是這種理念的集中體現(xiàn)。根據(jù)作者的教學(xué)研究與實踐,結(jié)合國外大學(xué)實施CDIO壓頂石項目的經(jīng)驗,給出了設(shè)計與評價CDIO壓頂石項目的一個解決方案,包括:1)如何以CDIO的能力大綱為指引設(shè)計壓頂石項目;2)設(shè)計和實施壓頂石項目需主要解決的問題;3)如何定量地評價一個壓頂石項目的培養(yǎng)效果。最后,通過NEU本科畢業(yè)設(shè)計的事前/事后對比實驗,驗證了該方法的有效性。

CDIO工程教育; 壓頂石項目; 畢業(yè)設(shè)計; 項目評價; ABET標準

0 引 言

CDIO工程教育模式(Conceive-Design-Implement-Operate)是由美國MIT和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)在2000年提出一種新的基于項目教學(xué)的工程教育模式,其教育框架是源于這樣一個共識:工程專業(yè)的畢業(yè)生應(yīng)該具備通過團隊合作來“構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運行” 復(fù)雜系統(tǒng)(或產(chǎn)品)的能力。CDIO教育模式在培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐的工程能力方面取得了良好的效果,很快的被全球100多所大學(xué)所采納,到2016年已經(jīng)召開12屆CDIO年會,取得了大量的教學(xué)研究成果[1-3]。

1級項目(初級導(dǎo)引專業(yè)綜合項目)2級項目(課程組項目)3級項目(課程項目)3級項目(課程項目)2級項目(課程組項目)3級項目(課程項目)3級項目(課程項目)2級項目(課程組項目)3級項目(課程項目)3級項目(課程項目)1級項目(高級專業(yè)綜合項目:壓頂石項目/畢業(yè)設(shè)計項目)

圖1 CDIO三級項目體系

Fig.1 The three layer system of CDIO projects

CDIO教育模式的主要特點是以工業(yè)產(chǎn)品(或系統(tǒng))生命周期為背景,以項目為主線把學(xué)生必須學(xué)到的知識、素質(zhì)和能力融合在一起。培養(yǎng)方案的主框架是各種項目,而理論課程是為參加這些項目而開設(shè)的。項目分為3個級別:3級項目是對應(yīng)一門課程的知識及能力而實施的實踐項目;2級項目是針對一個課程群的知識能力的實踐項目;1級項目則是針對本專業(yè)所有主要知識和能力而設(shè)計的項目,是綜合性和實踐性最強的項目,如圖1所示。通常一個專業(yè)培養(yǎng)計劃中,有2個1級項目:一個設(shè)置在第一學(xué)年,叫做奠基石項目(cornerstone),旨在激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的興趣并使之對該專業(yè)有整體的概念;另一個1級項目設(shè)在第四學(xué)年,叫做壓頂石項目(capstone)[4-5],旨在訓(xùn)練學(xué)生綜合利用所有本專業(yè)的知識開發(fā)一個復(fù)雜的產(chǎn)品(或系統(tǒng)),從而提升其CDIO能力,同時也綜合培養(yǎng)其個人職業(yè)能力、交流能力、團隊合作能力。壓頂石項目在國外通常是畢業(yè)設(shè)計,與我國高校的畢業(yè)設(shè)計基本對應(yīng)。如何以CDIO的能力大綱為指引設(shè)計壓頂石項目、設(shè)計和實施壓頂石項目須主要把握哪些教學(xué)環(huán)節(jié)、如何定量地系統(tǒng)評價一個壓頂石項目的培養(yǎng)效果,這些問題對于在我國高校工科專業(yè)中有效地開展CDIO模式的壓頂石項目教學(xué)、改進我們的畢業(yè)設(shè)計,有重要的意義和參考價值。

本文在研究了瑞典于默奧大學(xué)、美國加州大學(xué)和新加坡理工大學(xué)等學(xué)校的經(jīng)驗[5-6],并結(jié)合作者本科畢業(yè)設(shè)計教學(xué)工作中的實踐,給出了上述問題的一套解決方案,同時通過事前/事后對比實驗驗證了該方法的有效性。

1 壓頂石項目設(shè)計

壓頂石項目通常是畢業(yè)設(shè)計項目(下文中不做特別的區(qū)分),要求學(xué)生將前3年所學(xué)的知識、能力進行綜合、應(yīng)用、提高,同時通過對所完成項目任務(wù)的反思和評價,并獲得團隊工作的能力。壓頂石項目的設(shè)計是一個基于企業(yè)工作過程的實踐課程的教學(xué)設(shè)計,要重點解決好以下環(huán)節(jié)。

1.1 壓頂石項目目標

壓頂石項目的宗旨要滿足以下4個宏觀目標:

1) 提供實際企業(yè)項目來強化實踐學(xué)習(xí)過程和學(xué)生參與度;

2) 創(chuàng)造更好的理論知識與實際應(yīng)用均衡結(jié)合的學(xué)習(xí)任務(wù);

3) 為社會和企業(yè)集團創(chuàng)造真正的商業(yè)價值;

4) 使學(xué)生在真正的(或者仿真的)企業(yè)工作環(huán)境和管理規(guī)范下開展工作。

表1所列的是學(xué)生、企業(yè)、學(xué)校各方對一個壓頂石項目標的期望。

對于學(xué)生而言,項目課程目標可細化如下:

1) 在專業(yè)領(lǐng)域中識別、表述、界定一個問題或任務(wù);

2) 在規(guī)定的時間框架內(nèi)規(guī)劃問題或任務(wù)的解決方案并定期報告;

3) 整合、提升與問題相關(guān)的知識以解決問題;

4) 為項目團隊解決復(fù)雜問題做出貢獻;

5) 投入到項目組的團隊協(xié)作;

6) 每天用日記記錄整個項目的進程;

7) 口頭展示問題解決方案并為之辯護;

8) 比照項目目標評價項目效果;

9) 從問題表述、項目執(zhí)行與執(zhí)行效果等方面,批判地理解并評價其他項目組的工作。

表1 一個校企聯(lián)合項目的利益相關(guān)者及其目標

企業(yè)和大學(xué)對于項目課程目標的描述可類似細化。

1.2 角色與責(zé)任

許多教師、企業(yè)工程師和學(xué)校行政人員參與到壓頂石項目中來,他們的角色與責(zé)任如下:

1) 專業(yè)負責(zé)人確定學(xué)習(xí)效果與內(nèi)容,選擇合適的項目,并進行相關(guān)的協(xié)調(diào)。

2) 設(shè)有專門的主管來指導(dǎo)各個項目組,并評價項目質(zhì)量。這些主管在課程中處于核心地位。

3) 對壓頂石項目課程的考核由主管與主考者協(xié)同完成。

4) 教師、主管、工程師、輔導(dǎo)員共同對通用能力的培養(yǎng)負責(zé)。

5) 對通用能力學(xué)習(xí)效果的主考者由專業(yè)負責(zé)人擔(dān)任,他們同時也組織收集課程評價情況。

6) 學(xué)生中心(或教學(xué)辦及學(xué)生辦)的管理人員負責(zé)項目課程中學(xué)生的注冊、信息、項目選擇、項目分配、必修課程的記錄等。

1.3 理解行業(yè)和合作企業(yè)

在校大學(xué)生對企業(yè)的了解不足是影響壓頂石項目成功實施的一個重要障礙,使學(xué)生了解并熟悉企業(yè)運營又是壓頂石項目使學(xué)生受益最大的教學(xué)環(huán)節(jié)。

當(dāng)大學(xué)與企業(yè)達成合作協(xié)議,參與項目的學(xué)生通過企業(yè)實習(xí)將學(xué)習(xí)到企業(yè)文化、組織結(jié)構(gòu)、主流技術(shù)、項目管理和項目質(zhì)量控制。例如,通過學(xué)校與企業(yè)合作,學(xué)生了解并掌握了某個擁有數(shù)萬員工的IT企業(yè)的相關(guān)知識:

1) 企業(yè)文化----組織成員共同的行為方式----包括:互相尊重、學(xué)術(shù)自由與創(chuàng)新精神、工程技術(shù)的嚴謹性;如果一個組織文化是強有的、富于凝聚力的,那么這個組織的成員就會把組織的目標當(dāng)成自己的目標,團結(jié)一致的努力奮斗;

2) 企業(yè)的組織結(jié)構(gòu),如圖2所示;

3) 該企業(yè)的主流技術(shù);

4) 該企業(yè)的項目開發(fā)過程管理,如圖3所示;

5) 企業(yè)的質(zhì)量控制,等。

1.4 項目開發(fā)方法

CDIO倡議并提供了一種用于工程教育框架。由學(xué)生、教師和企業(yè)人員共同研討完成壓頂石項目的前期準備和需求分析。團隊開發(fā)項目的同時,理論研討的學(xué)術(shù)會議也定期舉行來給學(xué)生提供充足的領(lǐng)域知識,諸如業(yè)務(wù)開發(fā)、項目管理、服務(wù)設(shè)計、品牌推廣和技術(shù)演講。

1.4.1 項目計劃的3個階段

第一階段:項目啟動階段,學(xué)生要撰寫項目計劃,包括:1)對項目目標、目的、內(nèi)容的描述;2)項目所需的資源;3)項目的時間進度表;4)項目中的角色與責(zé)任的分配。

圖2 某IT企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)

圖3 某IT企業(yè)的項目開發(fā)管理

第二階段:編制計劃報告,將項目計劃擴展為一個更加詳細的問題描述與分析報告。專業(yè)負責(zé)人決定何時、怎樣提交這份報告。報告應(yīng)該包括以下信息:1)項目題目;2)背景;3)目標;4)項目涉及的問題和主題;5)限制;6)方法與性能。

圖4 少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the Safe-Teen-Driver system

第三階段:最終報告,包括以下內(nèi)容:1)題目頁;2)摘要;3)目錄;4)背景介紹;5)項目描述(主要部分);6)討論部分;7)結(jié)論;8)參考文獻;9)附件。最終報告的設(shè)計隨項目特征的不同而變化。例如:文獻研究與設(shè)計-構(gòu)建-測試類項目的內(nèi)容顯然有差別。學(xué)生會得到特別的寫作指導(dǎo),所有參考文獻應(yīng)明確列出。

1.4.2 項目開發(fā)

項目開發(fā)是在需求分析報告和系統(tǒng)設(shè)計報告的基礎(chǔ)上,開發(fā)實際可運行的完成特定功能的軟硬件系統(tǒng),涉及很多技術(shù)細節(jié)。本文以美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的一個壓頂石項目“少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)(Safe Teen Driver)”為例[6],描述項目開發(fā)的主要環(huán)節(jié)。

項目名稱:少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)(Safe Teen Driver)。

系統(tǒng)目標:設(shè)計并實現(xiàn)一個基于GPS通訊技術(shù)的車載監(jiān)控設(shè)備,記錄汽車軌跡和即時速度,具有圖形界面和語音提示功能。

圖5 少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)外觀圖Fig.5 The panel of the Safe-Teen-Driver system

項目描述:少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)通過GPS通訊記錄汽車軌跡和即時速度。數(shù)據(jù)存儲在SD卡中,計算機和SD讀卡器均可讀該卡數(shù)據(jù)。該設(shè)備(系統(tǒng))使用一個雙線LCD提供圖形化的速度顯示,同時使用放大器和揚聲器提供語音的速度警告。該設(shè)備(系統(tǒng))由5 個模塊組成:1)處理器ARM 7,采用ARM7微處理器(32 K內(nèi)存,512 K閃存,60 Mhz);2)GPS(I2C),提供經(jīng)度和緯度的位置坐標;3)LCD(μART),提供圖形化的用戶操作界面,需要焊接I2C跳線;4)SD Card (SPI),GPS坐標被寫在SD卡中,各種速度限制數(shù)據(jù)庫也安裝在SD卡中;5)、放大器,放大器與ARM7的DAC口連接,通過揚聲器向用戶播放語音。

少年駕駛員安全輔助系統(tǒng)(Safe Teen Driver)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,該系統(tǒng)的產(chǎn)品外觀圖如圖5所示。

1.5 項目時間安排

學(xué)生、教師和企業(yè)工程師組成的項目組共同討論,詳細制訂項目開發(fā)的時間進度表是十分重要的,這可以使學(xué)生對整個項目由哪些開發(fā)過程組成、檢查點是什么、中間結(jié)果是什么、何時聯(lián)調(diào)各子模塊等有一個整體的了解,而且該進度表也充分顯示了CDIO項目的特點。圖6是一個壓頂石項目的開發(fā)進度表的樣例。

圖6 壓頂石項目的開發(fā)進度表

2 壓頂石項目教學(xué)效果及評估

2.1 學(xué)生問卷

從學(xué)生的反映來看,壓頂石項目(或畢業(yè)設(shè)計)都給學(xué)生一個很好的綜合實踐的訓(xùn)練。本文討論的最后一項內(nèi)容是,以CDIO的項目評估標準對參與項目學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行定量評價,從而探索和研究未來按照CDIO標準對畢業(yè)設(shè)計教學(xué)應(yīng)該提高和改進的方向。

為了更好地評價學(xué)生所參與項目工作的質(zhì)量,對學(xué)生的考核應(yīng)該與項目的類型一致起來。因此,一般將壓頂石項目廣義地分為:研究類、工程類和E-learning軟件開發(fā)類等3 類。所有這些項目的評估要覆蓋以下幾方面:組織與計劃 (10%);過程與/或產(chǎn)品(30%);中期報告與展示(10%);工作能力(25%);最終報告與展示(25%)。以上分類比例對各專業(yè)基本一致,也覆蓋了其他沒有采用CDIO理念的專業(yè)。每個方面需具體細分,限于篇幅,本文列出“工作能力”和“過程與/或產(chǎn)品”的詳細分解表如表2和表3所示。

表2 考核評分表-工作能力

表3 考核評分表-過程與/或產(chǎn)品

學(xué)生的體驗是衡量一個壓頂石項目是否實現(xiàn)課程目標的一個重要因素。大多數(shù)參與項目的學(xué)生都有一個訓(xùn)練動手能力的工作模塊,他們也希望找到項目工作的興趣和挑戰(zhàn)。圖7是學(xué)生參與項目后對其CDIO能力的評價及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。該圖展示了瑞典林雪平(Link oping University)大學(xué)計算機科學(xué)、信息技術(shù)和工程管理3個專業(yè)的學(xué)生參加項目后CDIO能力的自信程度[7]。對于諸如“我學(xué)會了充分的‘團隊合作’方面知識和能力”這樣的問卷問題,學(xué)生給自己打分,打分范圍是1～5分,1分為不自信,5分為完全自信。其中橫坐標的能力項分別是CDIO能力中的一項。林雪平大學(xué)一共對1 544 名畢業(yè)生發(fā)出了問卷,收到了828 份答卷。數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)過壓頂石項目的訓(xùn)練,信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在“團隊合作”“經(jīng)濟學(xué)”“口頭溝通”“領(lǐng)導(dǎo)力”“項目工作”等軟實力方面大大強于比較偏向理論研究培養(yǎng)的計算機科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。而后者在“數(shù)學(xué)”“批判思維”等方面則表現(xiàn)較強。3個專業(yè)都需要加強的是“系統(tǒng)實現(xiàn)”和“外語”能力。

圖7 各專業(yè)CDIO能力比較

2.2 教師問卷

圖8 教師對壓頂石項目教學(xué)效果評價Fig.8 Faculty survey of the effects of CDIO capstone projects

大學(xué)教師們對壓頂石項目的教學(xué)效果的評價則反映了CDIO教學(xué)改革的另一個重要的側(cè)面。圖8是對參與項目的教師進行問卷調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果,其中每個描述語句可由教師根據(jù)其認可程度打分,1分表示完全不同意,10分表示完全同意。可以看到,大多數(shù)教師對“畢業(yè)生CDIO能力提高了”“學(xué)生提高了人際交往能力”“壓頂石項目質(zhì)量改善了”“畢業(yè)生就業(yè)能力有所提高”表示認同,但也有很多教師認為“CDIO實施導(dǎo)致教學(xué)成本增加”和“畢業(yè)生的數(shù)學(xué)知識少了”[8]。

總的來說,CDIO壓頂石項目是一個綜合的實踐的訓(xùn)練,確實能夠提高諸如技術(shù)能力、溝通能力、團隊合作能力、口頭和書面表達能力等CDIO工程能力。當(dāng)然,從各方面的反饋來看,實施CDIO壓頂石項目,也有需要引起注意的地方:如,需要比較大的經(jīng)費投入、可能減低學(xué)生對數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論的重視度等。

2.3 事前/事后測試法

事前/事后測試是一種測量學(xué)習(xí)效果的方法,它將學(xué)生在課程學(xué)習(xí)前所知道的與在學(xué)習(xí)后所知道的內(nèi)容進行對比,以得出學(xué)習(xí)效果數(shù)據(jù)并進行分析[8-9]。本文作者對所指導(dǎo)的本科畢業(yè)設(shè)計進行了事前/事后對比實驗,所設(shè)計的事前/事后測試問卷如表4所示,其中,技能自信水平指標分5 級:5-非常自信;4-相當(dāng)自信;3-可以;2-自信較少;1-不自信。

對參與本校CDIO壓頂石項目(工程類畢業(yè)設(shè)計)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計前和畢業(yè)設(shè)計后2 次發(fā)送并回收了《學(xué)生個人技能定期審核表》,該表格被收集并且進行逐項統(tǒng)計與分析,找出項目教學(xué)的優(yōu)點與不足。根據(jù)統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù),指導(dǎo)教師修訂教學(xué)內(nèi)容以改進不足,并用學(xué)生學(xué)習(xí)中的進步來激勵學(xué)生。典型的學(xué)習(xí)效果表現(xiàn)為事后測試至少比事前測試進步了20%～25%。通過這個事前/事后測試,驗證了本文所提出的壓頂石項目設(shè)計方案的有效性[10-13]。

3 結(jié) 論

實施CDIO工程教育的主要目的是給予學(xué)生更真實的工程教育體驗。這要求每個學(xué)校有系統(tǒng)的方法來設(shè)計CDIO教學(xué)、尤其是基于項目的教學(xué)。本文以CDIO框架中最核心的壓頂石項目為研究目標,結(jié)合以瑞典于默奧大學(xué)、美國加州大學(xué)和新加坡理工大學(xué)等學(xué)校的經(jīng)驗及作者的教學(xué)實踐[14-15],給出了設(shè)計、分析和評價計算機類壓頂石項目的一個解決方案,通過分析國外的教學(xué)質(zhì)量數(shù)據(jù)并結(jié)合作者指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計的事前/事后對比實驗,驗證了該方案的有效性。

表4 學(xué)生個人技能定期審核表

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Design and implementation of capstone projects based on CDIO mode

ZHANG Wei1, LIU Yuhui2, WANG Liyun3

(1. College of Computer Sci. and Eng., Northeastern University, Shenyang 110169, China; 2. Research Academy, Northeastern University, Shenyang 110169, China; 3. College of Comprehensive Foundation Study, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

CDIO is a new engineering education approach that integrates disciplinary knowledge, personal skills and system building abilities into experimental learning projects, and teaches students in the whole lifecycle of products or systems. CDIO aims to culture students toward obtaining the abilities of conceiving, designing,implementing and operating complex systems in a teamwork environment. The capstone projects in the curriculums epitomize the ideas of the CDIO approach. According to the authors’ research on the graduation projects of overseas universities and the practice in Northeastern University, an integrated solution for design and evaluation of CDIO capstone projects is described in this paper. The solution consists of the following 1) CDIO syllabus guided design of capstone projects; 2) the procedure for designing capstone projects and the expected outcomes of each of its stages; 3) the quantitative evaluation of the effects on students who participate in CDIO capstone projects. It is shown that, by a comparison experiment of pre-test and post-test to the Northeastern University undergraduate students, our method works effectively.

CDIO engineering education approach; capstone project; graduation project; project evaluation; ABET standard

1673-5862(2017)02-0220-08

2016-12-12。

國家科技支撐計劃項目(2014BAI17B01); 軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室開放課題項目(SKLSDE-2012KF-02); 遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目(遼教發(fā)[2014]123號)。

張 偉(1962-),男,遼寧沈陽人,東北大學(xué)教授,博士。

TP311; G434

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.019