葛楊 史冬巖 滕曉燕

[摘要]大教育格局下，工程化專業(yè)學(xué)生需要建立終身學(xué)習(xí)和自我發(fā)展的能力增長新機制。從亟待提升的工程化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的問題入手，從適應(yīng)知識擴張性、連續(xù)性和快速性的變化需求出發(fā)，提出了構(gòu)建動態(tài)、雙向的創(chuàng)新能力CDIO目標(biāo)培養(yǎng)模式。能力培養(yǎng)以“問題”為導(dǎo)向，通過概念引導(dǎo)和邏輯學(xué)習(xí)，將課程學(xué)習(xí)、概念構(gòu)思、產(chǎn)品設(shè)計等內(nèi)容有機融合，保證了學(xué)生創(chuàng)新能力的持續(xù)、高效擴張的增長。雙創(chuàng)課程平臺連續(xù)5年的課程教學(xué)實踐和動態(tài)考評方法研究顯示，CDIO創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新模式能夠充分適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計創(chuàng)新性要求，保證工程化專業(yè)學(xué)習(xí)能力發(fā)展的可持續(xù)性和培養(yǎng)過程的高效性。

[關(guān)鍵詞]工程專業(yè)；CDIO模式；創(chuàng)新能力；問題導(dǎo)向；可持續(xù)；動態(tài)考評

[中圖分類號]G642.4[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634（2017）06-0114-07

0引言

在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級和國民經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下，高等教育進(jìn)入了新階段、新特征、新常態(tài)[1]，教育部《關(guān)于深化教育領(lǐng)域綜合改革的意見》指出：在知識學(xué)習(xí)、過程掌握和內(nèi)容效果方面?zhèn)鹘y(tǒng)教育存在著明顯不足，創(chuàng)新教育體系尚不能完全適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展需要，服務(wù)國家戰(zhàn)略的能力尚顯不足。社會發(fā)展的大教育格局對工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新教育模式提出了新的挑戰(zhàn)[2]。

為了強化創(chuàng)新教育的指導(dǎo)、引導(dǎo)作用，促進(jìn)專業(yè)教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有機融合，我國許多高校參與了多項CDIO 教育改革研究和試點工作，并取得了明顯的效果[3，4]。利用CDIO 工程化教育的優(yōu)勢，許多高校通過系統(tǒng)化的CDIO工程化創(chuàng)新實踐和能力培養(yǎng)，提高了專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力并形成了可持續(xù)學(xué)習(xí)的培養(yǎng)新機制，因而一定程度上解決了工程化專業(yè)教育在課程設(shè)置、培養(yǎng)環(huán)節(jié)與學(xué)術(shù)學(xué)位區(qū)分度不高的突出問題[5]。

CDIO教育模式強調(diào)創(chuàng)新學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)模式由工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力4個層面組成，形成了以構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作等要素為核心的主要內(nèi)容。有別于“人本”思想出發(fā)點傳統(tǒng)課程教學(xué)[6-8]，創(chuàng)新CDIO新教育模式力求構(gòu)建協(xié)同發(fā)展的教育教學(xué)與工程實踐相結(jié)合的育人體系，并通過12條標(biāo)準(zhǔn)化理念將其教育目標(biāo)、機制、內(nèi)容融于整個教育與教學(xué)的全流程[9-11]，形成了創(chuàng)新能力培養(yǎng)新機制?；趯DIO創(chuàng)新教育目標(biāo)的理解與應(yīng)用，課題組將CDIO 創(chuàng)新教育培養(yǎng)模式引入到雙創(chuàng)平臺課程《通用設(shè)計與創(chuàng)新設(shè)計方法》的教學(xué)過程中；同時，通過對工程設(shè)計類專業(yè)課程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)探索，課題組從跟蹤連續(xù)的教學(xué)實踐效果的分析中獲得了一些有益的經(jīng)驗。

1CDIO工程創(chuàng)新教育模式

CDIO工程創(chuàng)新教育以問題為導(dǎo)向，在課程設(shè)計上將精巧的創(chuàng)新構(gòu)思作為教學(xué)的起點，并將其理論知識運用到實踐當(dāng)中去，體現(xiàn)了專業(yè)化、可持續(xù)的教學(xué)理念，多角度、立體化地構(gòu)建新型的教育模式。如圖1所示，在學(xué)習(xí)中CDIO教育把教學(xué)理念與團隊精神、合作理念相融合，將CDIO培養(yǎng)目標(biāo)的“大工程”設(shè)置成若干個教學(xué)內(nèi)容，通過概念、邏輯與內(nèi)容等培養(yǎng)要素與具體工程任務(wù)相結(jié)合以及每個任務(wù)的完成展現(xiàn)學(xué)習(xí)成果和個人基礎(chǔ)知識的掌握程度；強調(diào)通過工程化專業(yè)創(chuàng)新學(xué)習(xí)增強學(xué)生工程與實踐能力，增強學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，機制上實現(xiàn)了目標(biāo)與內(nèi)容的雙向互動，使工程化專業(yè)知識有可能再通過在實驗室工作或在工廠內(nèi)實習(xí)的機會得到加強。

CDIO新教育模式工程化互動、交流式的專業(yè)學(xué)習(xí)過程特點鮮明，重視將人才培養(yǎng)模式與設(shè)計課程過程有效融合。以問題為引領(lǐng)，逐步展開學(xué)習(xí)，利用實際工程問題承載知識，利用創(chuàng)新工具和信息加載，內(nèi)容上形象、生動，在工程上具有極強的可操作性。圍繞創(chuàng)新能力培養(yǎng)，CDIO 教育模式提倡知識的創(chuàng)新學(xué)習(xí)與工程化創(chuàng)新能力培養(yǎng)并重，教育目標(biāo)圍繞問題進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計——提出問題，設(shè)計問題，解決問題，然后通過創(chuàng)新認(rèn)知能力的階段性培養(yǎng)以及工程化問題的設(shè)計與實現(xiàn)使創(chuàng)新能力逐級攀升，形成螺旋狀、塔基形的教育過程。

CDIO 能力教育強調(diào)培養(yǎng)內(nèi)在邏輯和深入學(xué)習(xí)。在考慮知識連續(xù)性條件下，通過工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)4個層面的能力培養(yǎng)內(nèi)在邏輯。CDIO 教育拓展了學(xué)習(xí)的邏輯空間，增大了課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的彈性，加強了學(xué)生課程學(xué)習(xí)中所獲得的概念、邏輯等知識的傳遞強度；同時，充分滿足課程設(shè)計中不斷提出的創(chuàng)新需要，從學(xué)習(xí)和設(shè)計的雙向過程實時互動，增強了課程設(shè)計的內(nèi)生驅(qū)動力，有效激勵課程設(shè)計效果。如圖2所示，基于工程化的CDIO創(chuàng)新學(xué)習(xí)，通過合理利用知識工具以及連續(xù)的被教育過程，使學(xué)習(xí)者建立了由表及里的層次型現(xiàn)代學(xué)習(xí)理念。

只有對知識持續(xù)積累并不斷學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者才能不斷提高創(chuàng)新能力。CDIO教育基于對事物現(xiàn)象與本質(zhì)的認(rèn)知，“構(gòu)思”創(chuàng)新設(shè)計問題。學(xué)習(xí)者對“構(gòu)思問題”的創(chuàng)新認(rèn)識，形成了創(chuàng)新教育的新內(nèi)涵。因此，依據(jù)工程化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者不僅需要具有技能掌握與整合的能力，還應(yīng)具備合作、溝通以及項目管理等多學(xué)科應(yīng)用能力。CDIO教育需要通過概念理解，課程互動等構(gòu)思問題，學(xué)習(xí)者需要對工程化知識進(jìn)行記憶、分析、合成、應(yīng)用，連續(xù)的思維形成認(rèn)知過程。因而，在創(chuàng)新的大環(huán)境下以及社會、文化多樣化、全球化背景下，學(xué)習(xí)者亟待成為能夠不斷進(jìn)行創(chuàng)新學(xué)習(xí)、持續(xù)獲得創(chuàng)新能力的終生探索者。

2新教育模式下工程創(chuàng)新能力的實現(xiàn)方法

設(shè)計是在知識、手段與方法不充分的條件下，利用創(chuàng)新求解的過程。創(chuàng)新源于突破規(guī)則。在教學(xué)過程中，CDIO新模式對工程創(chuàng)新問題的構(gòu)思、設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行雙向、互動式的連續(xù)設(shè)計。針對設(shè)計問題，辨識概念是創(chuàng)新的起點，學(xué)習(xí)者利用創(chuàng)新思維、工具、方法，在雙向探求、逐次逼近答案的求解過程中，評價與檢驗創(chuàng)新能力，形成了工程創(chuàng)新能力自我提升的雙向工作機制。同時，在知識傳遞、接收與掌握過程中，問題構(gòu)思、概念辨析、決策判斷與現(xiàn)實重構(gòu)形成了CDIO新模式培養(yǎng)的不同階段，連續(xù)構(gòu)思、設(shè)計、突破與創(chuàng)新則成為CDIO工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的顯著特點。

2.1目標(biāo)導(dǎo)向型的學(xué)習(xí)內(nèi)容

導(dǎo)向型的CDIO教育以構(gòu)思問題為中心，將學(xué)生對創(chuàng)新方法的學(xué)習(xí)融入CDIO模式下的各個核心要素之中，保證創(chuàng)新方法高效融入課程設(shè)計效果。創(chuàng)新教育將需求、知識、方法與理論綜合，建立課程學(xué)習(xí)的雙向激勵機制，通過課程知識的表達(dá)作用于學(xué)習(xí)者。

學(xué)習(xí)者結(jié)合知識表達(dá)和知識重用的過程，利用隱示的知識，得到預(yù)期設(shè)計結(jié)果；課程設(shè)計者經(jīng)過方案的構(gòu)思、梳理，通過技術(shù)設(shè)計內(nèi)容的取向，完成課程設(shè)計的單循環(huán)過程。然而，知識只有經(jīng)過不斷的傳遞循環(huán)，才能被穩(wěn)定的吸收和再利用。為此，學(xué)習(xí)中的技術(shù)類構(gòu)思設(shè)計必須從工程設(shè)計的角度出發(fā)，以工程問題為導(dǎo)向。如圖3所示，教育者需要依據(jù)具體的課程設(shè)計目標(biāo)、原則和評價標(biāo)準(zhǔn)，完成創(chuàng)新設(shè)計和系統(tǒng)工作方案，提高決策科學(xué)性和正確性，使課程評價結(jié)果更為準(zhǔn)確、客觀、有效，進(jìn)而為教育決策提供可以進(jìn)行比較和判別的依據(jù)。

2.2概念的辨識與創(chuàng)新構(gòu)思方法

針對設(shè)計問題，設(shè)計者需要不斷地辨識概念，構(gòu)思問題；對設(shè)計問題形成創(chuàng)新認(rèn)知，創(chuàng)新設(shè)計，解決問題。因而，相對于創(chuàng)新設(shè)計其他過程，CDIO創(chuàng)新學(xué)習(xí)尤其重視概念的辨識與創(chuàng)新構(gòu)思的形成過程。

首先，面對問題，設(shè)計者通過概念和概念間邏輯關(guān)系的學(xué)習(xí)，形成基礎(chǔ)知識；對概念的內(nèi)涵與概念間的隸屬關(guān)系進(jìn)行不斷辨識，設(shè)計者從基礎(chǔ)知識的創(chuàng)新學(xué)習(xí)，進(jìn)一步形成對“構(gòu)思問題”的創(chuàng)新認(rèn)識。以發(fā)動機磨損問題解決為例，筆者進(jìn)行磨損概念的創(chuàng)新學(xué)習(xí)：在發(fā)動機工作時，液壓油泵連續(xù)不斷地將潔凈潤滑油輸送至全部運動件的摩擦表面，形成油膜，實現(xiàn)發(fā)動機液體潤滑。然而，由于雜質(zhì)磨損， 油膜破壞，發(fā)動機工作可靠性無法保證。同時，相對磨損問題，清潔是解決問題的關(guān)鍵方法之一。因此，根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)向，引入蓮葉效應(yīng)知識點，見圖4。

蓮花出淤泥而不染，高潔的形象千年流傳。蓮花出淤泥而不染的品質(zhì)源自何處？蓮葉自潔的效應(yīng)能否用來彌補發(fā)動機使用上的不足呢？通過對蓮葉的顯微觀察可以看到：蓮葉表面結(jié)構(gòu)存在著“山包”狀突起和蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)，這就使得尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵顆粒、雨滴等降落在葉面上后，在蓮葉表面微結(jié)構(gòu)與灰塵、雨滴之間形成一層極薄的納米空氣層。由于空氣層、“山包”狀突起和蠟質(zhì)層的共同托持作用，使得雨滴不能滲透。雨滴能夠在蓮葉表面自由滾動，帶走灰塵，清潔蓮葉表面，從而形成特有的蓮葉效應(yīng)。概念需要不斷的辨識才能形成創(chuàng)新認(rèn)知。

對“蓮葉效應(yīng)”的自潔功能，作進(jìn)一步的概念辨識：通過滾滴接觸角的變化可以看出，水滴對于不同材料的表面（親水、拒水材料）具有不同的滾滴接觸角。當(dāng)通過表面張力的聚集形成的水滴尺寸大于蓮葉表面山“山包”狀突起時，由于形成了一層極薄至納米級的空氣層，依靠蠟質(zhì)層的托持作用，蓮葉形成自潔能力。見圖4。

利用對蓮葉自潔概念的創(chuàng)新，結(jié)合頭腦風(fēng)暴和知識庫等創(chuàng)新工具，CDIO教育模式下的學(xué)習(xí)者可以很容易將“蓮葉效應(yīng)”的自潔功能移植到發(fā)動機的設(shè)計中， 利用“納米空氣層”減少了發(fā)動機機件磨損，降低了產(chǎn)品功率消耗，從而保證了發(fā)動機工作可靠。

2.3概念間的邏輯學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

CDIO課程為構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)等要素的循環(huán)。創(chuàng)新邏輯學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)的循環(huán)，構(gòu)成CDIO工程化教育的模式。現(xiàn)以蓮葉效應(yīng)和空化現(xiàn)象概念、原理及其工程應(yīng)用為例，進(jìn)行概念間邏輯的分析、對比與綜合。

1） 現(xiàn)象與問題。如圖5所示，螺旋槳通常在邊緣處會出現(xiàn)點蝕問題，影響產(chǎn)品的使用壽命，那么原因是什么？

2） 原理解釋。盛滿液體的容器通入超聲波后，由于液體振動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，即空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播形成的負(fù)壓區(qū)生長，在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負(fù)壓強下受到壓縮和拉伸。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，一般可高達(dá)幾十兆帕至上百兆帕。高壓的沖擊性造成螺旋槳破壞，見圖6。

3） 空化作用與創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品。超聲波空化作用是指存在于液體中的微核空化氣泡，在聲波的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學(xué)過程。中藥制劑純化就是利用空化作用進(jìn)行加工的實例。如圖7所示， 由于液體中形成的空穴崩潰而產(chǎn)生的高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等的作用，空化作用可用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，粉碎液內(nèi)懸浮物，制造乳劑，殺滅細(xì)菌或清洗機件等。

2.4創(chuàng)新能力的雙向激勵機制

創(chuàng)新問題源于對事物本質(zhì)現(xiàn)象的再認(rèn)識。針對創(chuàng)新問題，設(shè)計課程應(yīng)該在規(guī)劃學(xué)習(xí)程序性知識的基礎(chǔ)上，有效利用創(chuàng)新方法和創(chuàng)新工具，通過創(chuàng)新能力培養(yǎng)的雙向激勵機制，提高學(xué)生對事物的認(rèn)知能力，求得對創(chuàng)新設(shè)計問題的解決方法。

如圖8所示，結(jié)合“蓮葉效應(yīng)”與“空泡現(xiàn)象”兩個案例，教師從對自潔和清潔的概念對比分析，再到新產(chǎn)品設(shè)計，并從設(shè)計產(chǎn)品問題再回到創(chuàng)新概念進(jìn)行反向思考。通過創(chuàng)新認(rèn)知的雙向激勵，學(xué)習(xí)者可以得到如下啟示，具體見表1。

3新教育模式的動態(tài)考評方法

CDIO模式將傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法集成化綜合管理，構(gòu)筑CDIO創(chuàng)新教育骨架結(jié)構(gòu)。新模式充分利用頭腦風(fēng)暴、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、在線測試等方法和手段建立動態(tài)完整機制，并創(chuàng)新考核方法，對學(xué)習(xí)者進(jìn)行有效的綜合評價。

3.1工程創(chuàng)新能力的動態(tài)考評機制

在當(dāng)前全球化工程背景下，創(chuàng)新與適應(yīng)能力由分析訓(xùn)練、設(shè)計指導(dǎo)問題、分析與評判、基本的科學(xué)素養(yǎng)等內(nèi)容構(gòu)成，其全方位的知識結(jié)構(gòu)、團隊協(xié)作、二次學(xué)習(xí)與項目管理和有效交流能力形成工程創(chuàng)新能力的變量關(guān)系。如圖9所示，創(chuàng)新能力存在于方法、環(huán)境、課程等集成因素中，通過整理問題型魚骨圖[9-11]方法，進(jìn)行創(chuàng)新能力因素關(guān)聯(lián)性的整體性分析。創(chuàng)新能力作為考評的目標(biāo)，首先將作為魚頭，方法、環(huán)境、課程等因素與其直接相關(guān)，構(gòu)成魚骨，以期為建立CDIO教學(xué)模式的多側(cè)面綜合考評機制做準(zhǔn)備。因此，對創(chuàng)新能力教育進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，把創(chuàng)新能力因素當(dāng)作變量來處理，建立學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果和實踐能力延伸遞增的機制，變靜態(tài)考評為動態(tài)考評，能使綜合考評方法和評判過程真實、有效。

3.2專業(yè)課程的評價體系與考核內(nèi)容

動態(tài)考評作用機制如圖10所示。依據(jù)整理問題型魚骨圖，整理創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵影響因素，建立開放式的學(xué)習(xí)內(nèi)容動態(tài)擴充機制。創(chuàng)新能力課程考核體系，將CDIO教學(xué)效果與教學(xué)方法相結(jié)合，評價專業(yè)課程教學(xué)效果，動態(tài)考評原則內(nèi)容包括：1） 改變單一的考核評價體系。鼓勵學(xué)生利用工程專業(yè)知識探索工程應(yīng)用，參加各類型的創(chuàng)新比賽，參與科研項目。學(xué)校將學(xué)生所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用計入考評內(nèi)容和指標(biāo)體系；2） 課程內(nèi)容設(shè)計多樣化。利用橫向課題，帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)利用設(shè)計方法解決工程問題；（3） 評價方法最優(yōu)化。參考優(yōu)化的評價方法，結(jié)合學(xué)生課程設(shè)計能力，對畢業(yè)生進(jìn)行跟蹤評價。

3.3動態(tài)考評的方法與效果

本研究利用雙創(chuàng)課程教育平臺，對通用設(shè)計方法與創(chuàng)新設(shè)計方法課程進(jìn)行教學(xué)模式（前3年未采用CDIO模式）探索，建立學(xué)科課程利用率簡單抽樣圖（圖見11）和創(chuàng)新能力直方圖（見圖12）。

1） 采用GPA方法進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過課程利用率、選課人數(shù)等“量化”實驗效果對比分析，確定課程教學(xué)總體、課程設(shè)計、課程實施、課程作用維度與教育現(xiàn)象間的因果關(guān)系。

2） 連續(xù)5年抽取15%樣本，對畢業(yè)后的機械工程類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)評課程效果跟蹤分析，并對后續(xù)3門專業(yè)課程知識的利用率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、隨機抽樣、連續(xù)跟蹤和統(tǒng)計分析。

從CDIO教育模式與非CDIO教育模式效果分析可知，在對比課業(yè)考核成績、學(xué)習(xí)課程的知識利用率、創(chuàng)新能力效果比率3個指標(biāo)，采用CDIO創(chuàng)新教育培養(yǎng)模式之后，綜合成績比率明顯提高。CDIO創(chuàng)新教育的良好效果，保證了課程設(shè)計內(nèi)容的持續(xù)、高效的擴張性，數(shù)值見表2。

4結(jié)束語

結(jié)合CDIO創(chuàng)新培養(yǎng)模式，通過問題的快速構(gòu)思，以及動態(tài)自主學(xué)習(xí)、雙向式激勵和工程化設(shè)計的培養(yǎng)過程，建立以“創(chuàng)新問題”為導(dǎo)向的教育教學(xué)的實現(xiàn)過程，對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)化設(shè)計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對CDIO教育目標(biāo)實現(xiàn)效果的分析與論證，從多個角度也證明了CDIO新教育模式所構(gòu)建的測評體系及其各量表具有穩(wěn)定性和合理性。CDIO培養(yǎng)教育模式能夠充分適應(yīng)專業(yè)創(chuàng)新能力的要求，滿足學(xué)生未來實際工程化實踐的需要。

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AbstractUnder the situation of big education，engineering students need to establish a new mechanism of capacity growth for lifelong learning and self-development.Starting from the enhanced problem to improve the innovation ability，this paper，from the points of knowledge expansion，continuously and fast changeable social needs，proposed the construction of the CDIO training mode of dynamic and bidirectional innovation capability.The new mode of problem oriented and task driven learning，through the concept guide and the course learning，organically integrate such factors as concept conceiving，product design and other content，and to ensure the sustainable and efficient expansion of students innovative abilities.Based on the use of the dual creative course platform，this paper makes a study of evaluation methods for 5 consecutive years of teaching practice and teaching research，which shows that dynamic effect：CDIO training mode for innovation abilities can fully adapt to the modern creative design requirements，and ensure that process the development of engineering professional learning abilities can be sustainable and efficiently cultivated.

Keywordsengineering specialty；CDIO mode；innovative ability；problem orientation；sustainability；dynamic evaluation