基于协同理论的CDIO工程教育模式探索_以机械工程及自动化专业为例

教改论文

中国大学教学 2012年第5期

基于协同理论的CDIO工程教育模式探索

——以机械工程及自动化专业为例

潘柏松 胡 珏 秦宝荣

摘 要：CDIO理念下的工程教育改革受到各国的普遍关注，然而CDIO模式的普适性同样遭到质疑。本文从协同理论的研究视野探索CDIO的本土化路径，构思了基于协同理论的CDIO工程教育模式（S-CDIO）。根据S-CDIO模式的特征，结合浙江工业大学机械工程及自动化专业实际，设计了S-CDIO模式的框架，并对其教学大纲、课程体系和评价体系等进行具体阐述。

关键词：CDIO；协同理论；工程教育；机械工程

论研究。

一、基于协同理论的CDIO工程教育模式的兴起与特征

2000年，美国麻省理工学院（MIT）等4所大学组成了跨国研究组织，经过4年的探索研究，创立了CDIO工程教育模式，即：构思（C）、设计（D）、实现（I）、运行（O）。该模式强调以主动的、实践的及课程之间有机联系的方式学习工程，反映了系统论中整体性、结构性、层次性的特征。然而，每个专业、学科、大学乃至国家都有自身独特的教育环境和需求。在进行工程教育改革中，各组织、要素间复杂的相互作用既可以产生协同效应，发挥“1＋1＞2”的育人功能；也可能产生消极效应，制约工程教育的发展。

立足我国工程教育现状，具代表性误区可归为两类。其一，把教育体系视作一个封闭的系统，对于尚处试点阶段的CDIO模式既缺乏本土化的探索，又与产业界互动甚微，教育资源无法与改革步伐协同。其二，把CDIO工程教育实践教学项目机械地叠加在基于学科的专业知识教育之上，学生的学习负担不断加重，理论教学与能力培养之间的“紧张关系”仍然无法消除。

为了增加CDIO教育模式在各地的普适性，研究者已开发了许多资源，力求将其整合并系统化，使其成为一种开放资源[1]。尤其值得注意的是，在开放的、多样的、复杂的工程教育系统中，CDIO模式并不是一种规定的模式，它还有开放性、协同性的特征。为此，我们必须拓展视野，用一种新的科学理论指导操作实务和理

协同理论即协同学（Synergetics）就是这样一种理论。它由德国著名物理学家赫尔曼·哈肯于1969年创立。作为一门新兴的跨学科理论，它的研究与应用非常广泛，范围横跨自然科学和社会科学。协同学以非平衡开放系统的“协同性”为研究对象，其目标是在千差万别的各科学领域中确定系统自组织赖以进行的自然规律[2]。作为现代科学基础理论的协同理论，为工程教育提供了更为有效的研究视野和探索路径。

工程教育系统是一个复杂而庞大的系统，它符合协同理论下自组织形成所具备的要件。其一，它是一个开放的系统，其发展变化与教育界、产业界、政府、非营利性社会机构等多个利益相关者息息相关。其二，工程教育系统存在非平衡性：一方面系统内部的专业设置、课程设置、教学方式等构成错综复杂的相互联系，具有非线性的特点；另一方面工程教育的发展要求系统远离平衡态，系统涨落发生与否，取决经济、社会、自然环境的发展状况。其三，工程教育系统具备协同性，在非平衡条件下，子系统之间的协同效应使系统中的某些运动趋势联合起来并占据优势地位，从而支配系统整体的演化。

从全球范围看，工程教育系统出现明显的涨落，各国都在困境中寻求最佳的工程教育模式。CDIO教育模式诞生于工程教育系统运动过程中，从构思、设计、实现、运行4个环节培养的工科人才，逐渐成为工程教育改革的风向标和支配力量。我们认为，在协同理论（Synergetics）视角下的CDIO工程教育模式（简称

潘柏松，浙江工业大学机械工程学院副院长，教授；胡 珏，浙江工业大学机械工程学院助理研究员；秦宝荣，浙江工业大学机械工程学院机械工程及自动化系主任，教授。

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S-CDIO），必然与协同思想在其他自然系统、社会经济系统等复杂系统中的应用呈现出不同的特征。

1．在合作和竞争的基础上建立的协同关系。协同理论认为，系统要从无序状态向有序状态演进与发展，必须不断打破平衡状态，扩大对外开放，与外界进行物质、各部门间教育资源的集成与共享。委员会还应与推行S-CDIO模式的院系、学校教学主管部门共议重大决策和阶段性政策制度，引导学校形成合理的人才培养目标、课程体系和评价体系，保障改革试点工作的顺利开展，实现S-CDIO模式的动态平衡。

信息和能量的交换。因此，S-CDIO模式的提出在于构建一个开放的、既与国际接轨又与本国经济社会发展相适应的工程教育系统，这就是要解决CDIO模式的本土化的问题。要实现S-CDIO模式，需要在学校与利益相关者之间建立一个利于资源共享和交流的战略联盟或平台，通过合作达到共赢。同时，S-CDIO模式的形成必然涉及两个及以上的部门或组织，每个参与成员都是具有自治权利的独立单位，除了联合与合作外，必然也存在着自主与竞争。

2．以资源集成与共享为核心的协同。S-CDIO工程教育模式的运作应当能够保证教育部门能及时获得其发展所需的资源。时至今日，CDIO成员已经开发了诸多教育资源以供各国高校学习交流共享。此外，S-CDIO模式的运作要实现协同效应，应积极取得产业界和政府的支持，营造适合从人力、物力、财力上保障工程教育创新所需要的各种资源。

3．面向利益相关者需求的协同。有需求才会有供给，正是因为有了政府、企业界、非营利性社会机构等众多利益相关者的各种需求，才会导致工程教育系统的变革和S-CDIO模式的出现。由于中西文化的差异，区域经济特征差异，地区产业发展阶段不同，CDIO模式是否完全适合我国国情？我国企业对工程人才知识、能力、素质的要求是否和麻省理工学院的CDIO大纲完全一致？进而工程教育系统能否在区域经济环境中注入变革力量？这些问题的解决，有待我们以协同视角审视CDIO成员组织及其利益相关。

二、S-CDIO工程教育模式的运行

1．S-CDIO工程教育模式框架

基于对S-CDIO模式特征的阐述和我校机械工程及自动化专业实际情况，S-CDIO模式框架分为宏观、中观和微观三个层次展开。

宏观尺度上的协同是指学校与政府、产业界、非营利性机构等组织的协同发展，关注S-CDIO组织与宏观环境的关系问题。

中观层面上，为了形成新模式下的运行机制和组织文化，有必要在学校成立专门的机械工程人才培养协作委员会。委员会成员由政府、企业专家、学校高层管理者或学科带头人组成，旨在统筹与协调人才培养过程中

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本文关注的重点是微观层次上的协同，即S-CDIO模式在演化过程中产生的协同关系和现象。

首先，要关注培养目标与课程体系的协同关系。培养目标直接反映利益相关者对人才知识、能力、素质的需求。现在众多高校试图通过要求理工科学生选修一些属于人文科学的课程来解决“专门化”的倾向问题。然而，正如一般系统论的创始人贝塔朗菲所指出的，增加或者“并列”各种不同方面的课程，既培养不出“素养”，也带不来“通才”教育[3]。因此，我们借鉴当前许多CDIO成员学校的做法，一方面夯实工科通识基础，为学生提供与工程专业关联的人文社科类课程，把工程活动所涉及的知识融会贯通地传授给学生；另一方面将项目式教学方法应用于传统的课堂教学中，共享产学合作课题，创新课程内容，调整课程结构，以集成方式综合培养学生的工程能力。S-CDIO课程体系应从原来的学科、专业导向，转变为能力、素质导向。

其次，实现评价体系与课程体系的协同。在S-CDIO评价体系中，评价指标不仅是对人才培养质量和教师能力的一种体现，而且是对课程体系所涉及的课程结构、课程内容、教学方法的一种检验。如果将评价指标看做S-CDIO模式的一种序参量，那么它既是微观层面教学系统合作效应的表征和度量，又是工程教育系统整体运动状态的度量[4]。因此，评价体系一方面告知各课程体系该如何调整，另一方面又反映了S-CDIO模式的整体运作效果。

最后，要实现评价体系与培养目标的协同。评价目的不仅在于规范教学活动，而且要促进学生独特的学习方法与思维方式的形成，促进学生工程能力的协同提升；评价指标的设置要紧密结合S-CDIO的培养目标，实现个性化和多元化；评价内容要指向人才质量、教师能力以及其他的教学成果。评价体系支撑着工程能力的培养，同时为培养大纲的修订和完善提供了参考依据。评价体系的确立应充分考虑产业界的意见，真正创造面向地区产业特色和引领产业技术创新的校内工程实践环境。

2．面向地区产业的S-CDIO模式教学大纲 在我国经济社会发展过程中，各地区产业特征差异显著，人才和科技成果对于地区产业的发展至关重要。我校

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所在省份以轻纺和机械两大行业为主，企业规模一般较小，知识创新和技术研发能力薄弱[5]。作为输送人力资源和科技成果的高校，与地区产业之间存在高度的协同性。地方制造业对于知识和技术创新的追求，对于产品质量和生产流程的管理的改进，有赖于高校工程科技人才培养模式的全面调整。

培养目标是工程教育改革的逻辑起点，因此改革的首要工作是构建适应地区产业的S-CDIO教学大纲，形成包括知识、能力、素质在内的框架体系，如表1所示。在原有CDIO大纲的基础上增加“工科通识与人文素养”，旨在使工科学生立足地方产业，思考与地区产业发展相适应的工程问题，实现构思、设计、实现和运作能力的全面提升。此外，通过与地方企业构建产学联盟，为机械工程及自动化专业学生提供了解区域产业的典型产品、科研成果、技术应用成果的认知教学平台和主题研究项目支持平台。

3．S-CDIO模式的课程体系

S-CDIO工程教育模式更加注重的不是学生掌握知识和取得高分，而是使他们得以终身受益的内在素质和外在能力。因此，课程体系创新改革的关键落脚点是适应多样化与专业性要求的能力培养

[6]

体系。表2给出了实现其中四项标准的课程组合，将知识、能力、素质目标融入各具体的教学环节

表1 机械工程及自动化专业S-CDIO教学大纲

一级标准

1. 工科通识与人文素养（面向地区产业）

二级标准

1.1 工程科学基础知识 1.2 人文和社会科学知识 2.1 机械设计原理与方法 2.2 机械制造工程原理与技术

2. 技术知识与推理

2.3 机械系统中的传动和控制 2.4 热流体

2.5 计算机辅助技术

3.1 工程推理与问题解决能力 3.2 实验与知识发现能力

3. 个人职业能力与素质

3.3 系统思维能力 3.4 个人技能与态度 3.5 职业道德与技能

4.1 团队协作能力

4. 人际能力

4.2 表达与沟通能力 4.3 外语交流能力

5.1 外部和社会环境认知和行为

5. 在企业与社会环境下的CDIO能力

能力

5.2 企业产品制造系统的设计、运行和维护等综合能力 5.3 工程项目组织与管理能力

。方法是依据

S-CDIO大纲中的要求整合原有的课程资源，形成一个一体化的课程计划。根据机械工程及自动化专业S-CDIO培养大纲，结合浙江工业大学的发展战略目标、学科优势、师资力量等办学条件与特色，机械工程及自动化专业建立相应的“培养目标实现矩阵”，形成了包含导论课程、学科课程和专业课程及总结性课程（实践）的课程

表2 S-CDIO机械工程及自动化专业人才培养目标实现矩阵

二级标准

1.1 工程科学基础知识 1.2 人文和社会科学知识 4.1 团队协作能力

导论课程

学科/专业课程

数学，英语，物理，力学，工程图学 工程经济，物流管理，美学概论

机械原理，机械设计，传动和控制，流体力学，

机械工程导论

CAD/CAM技术

工程设计基础，创新设计方法学，先进制造技术，机械工程项目管理，生产设备运行管理及维护，生产实习

总结性课程

工程与人文主题项目实践 主题设计与制造项目I 主题设计与制造项目II、毕业设计

5.2 企业产品制造系统的设计、运行和维护等综合能力

如表2所示，S-CDIO课程体系打破原有的学科化倾向和线性格局，课程之间的关系不再局限于知识点的衔接，而是以能力素质为导向，整合成为一个矩阵式结构。全新的课程体系在“纵向”上依照大纲二级标准整合关联课程，并据此安排教学进程；“横向”上仍然保留课程之间的学科属性和内在逻辑顺序。值得注意的是，

矩阵中的课程，除了原有的工科基础课程和专业课程外，增加总结性课程。总结性采用项目式教学方法，或称项目课程。

其中，项目课程旨在强化学生的“构思、设计、实现、运行”经历。我们采取项目式教学手段，结合浙江省制造业特色和产学合作课题为每个阶段的项目确立主

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题。项目式课程的安排分为四个阶段：工程与人文主题项目实践，主题设计与制造项目I，主题设计与制造项目II，毕业设计。

不同复杂度的工程问题需要具备相应的知识能力水平，采取相应的方法解决。S-CDIO课程体系根据工程人才的认知水平和能力发展规律，按学年整合各类理论课程和项目课程，如表3所示。在第一学年，通过基础课程和导论性质的课程向学生介绍学科概念和基础知识，工程与人文主题实践课程面向地区产业进行市场调研和产品构思（C）。第二学年重点在简单的设计（D），专业课程根据主题设计与制造项目I的任务要求设置分解项目，结合机械设计、机械制造工程原理等理论知识的学习，集成若干个分解项目，实现产品部分功能，完成主题设计与制造项目I。第三学年重点在设计－实现环节（D－I），适当增加跨学科知识的学习，应用集成多学科知识的项目课程，实现CDIO后三个环节（从设计到运行）的训练，最后完成综合性的项目，即主题设计与制造项目II，培养学生解决复杂工程问题的能力，初步实现产品的制造。毕业设计环节则在前面三个阶段团队项目实践的基础上由每位学生独立完成。

表3 S-CDIO项目课程教学进程

学期 阶段 项目课程

教学进程 阶段成果1 构思 市场调研 产品（系2

构思

工程与人项目选题、可行性统）初步文主题项

分析

概念设计2

构思

目实践 产品（系统）初步方案

概念设计

3

构思

产品需求分析、项目选题

产品图3 设计 主题设计与制造项产品功能设计 纸、设计3 设计 目I

产品原理创新设计 说明书、4 设计 产品结构设计 原理样机4 实现 产品样机制造 5

构思

复杂产品需求分析、项目选题

5 设计 复杂产品概念设计 复杂产品6 设计 主题设计与制造项复杂产品结构设计 图纸、设计说明6 设计 目II

复杂产品优化设计 书、原理6 实现 复杂产品样机制造 样机 7

运行

复杂产品样机性能试验

8 运行

专利申请 专利授权8

设计

毕业设计

产品设计

设计成果38

4．S-CDIO模式的评价体系

S-CDIO工程教育模式评价体系，要结合我国高等教育评价的特征和高校办学特色，实现以下几方面的转变：（1）在评价功能上，突出评价的激励与调控功能，从强调知识传承和知识教育的单一功能，向重视工程人才的全面发展转变。（2）在评价方法上，从过度强调定量评价向定性评价与定量评价相结合转变，从结果性评价为主向过程性评价与结果性评价相结合转变。（3）在评价内容上要构建多维度评价指标体系，教学效果上更加重视对学生的综合评价，关注能力培养；教师评价上则从重视科研向重视教学水平、教学方法等方面倾斜。4）实现评价对象（客体）的多元化，学生、教师、培养目标、课程体系、校企联合工程教育的软件硬件都可被列为考查对象，作为评价的要素。（5）实现评价主体的多元化，高校的教师、学生、专业研究人员、管理者，企业专家，社会团体等均可承担评价和监控的职责。

在教学实施过程中，我们依照上述理念，逐步实现对CDIO教师的资质和教学效果做出合理的价值判断。在学生评价方面，制订了《基于CDIO工程教育大纲的学生多维评价考核表》，“多维”既是评价内容的多维度，又是评价主体的多维度。考核表的评价内容与能力素质框架相一致，设置了5个一级指标，分值比例分别是：工科通识与人文素养15％，技术知识与推理20％，个人职业能力与素养20％，人际能力20％，在企业与社会环境下的CDIO能力25％。

参考文献：

[1] Crawley E., et al. Rethinking Engineering Education: The CDIO Approach[M]. New York: Springer, 2007.

[2] 赫尔曼·哈肯. 高等协同学[M]. 郭治安译. 北京：科学出版社，1989.

[3] 贝塔期菲. 人的系统观[M]. 北京：华夏出版社，1989. [4] 赫尔曼·哈肯. 信息与自组织[M]. 宁存政，郭治安等译. 成都：四川教育出版社，1988.

[5] 潘柏松，柴国钟等. 机械工程学生创新实践能力培养模式探索[J]. 高等工程教育研究，2008（增刊）.

[6] 陈乐，王沛民. 课程重建：欧洲工程教育改革的启示[J]. 高等工程教育研究，2006(5).

[本文得到教育部人才培养模式创新实验区项目“适应地方制造业的机械工程创新型人才培养模式创新实验区”（发文号：教高函〔2007〕29号）的资助]

[责任编辑：余大品]

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