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1、基于CDIO理念的1级项目设计与实践庄哲民 沈民奋【摘 要】 现代企业与CDIO工程教育人才培养模式都对学生在技术知识和推理能力、 个人职业技能和职业道德、 团队协作交流等人际交往技能以及大系统调控能力四个方面的培养提出了很高的要求。而我们的学生由于一直受到应试教育的影响,普遍缺乏学习主动性以及团队合作意识,很少、 甚至从未进行过项目创新与设计的训练,缺乏学习目标和自我规划,不理解专业及课程设置的目的与意义。以上的种种问题,使中国大学工科新生的现状与CDIO四大能力之间有着很大差距,因此,尽早对这些新生进行CDIO训练非常必要。本文主要介绍了汕头大学电子工程系在1级项目的初始阶段(corner
2、stone)对新生进行CDIO理念教育与训练的情况。在该系1级项目的实施过程中,首先由教师向学生讲授CDIO基本理念与方法,并向学生全面介绍基于CDIO理念而设置的本专业课程计划;其次,通过剖析一个具有普遍性与代表性的电子产品结构与设计,使学生认识到产品与专业课程之间的有机联系,明确专业与课程设置的目的与意义;再次,通过组织学生去企业参观、 请企业高层管理者讲演等形式,使学生了解企业运作的规律,及其对人才的要求及标准;最后,通过一个实际项目的设计,使学生直接体验设计与创新。通过2006、2007级两届学生的实践,取得了很好的效果。【关 键 词】 CDIO cornerstone 课程计划 项目
3、设计【收稿日期】 2008年7月【作者简介】 庄哲民,汕头大学工学院副院长、 电子工程系系主任、 教授;沈民奋,汕头大学工学院院长、 教授。当今世界,全球经济一体化给各国发展带来 了机遇与挑战,科学技术发展与更新速度越来越 快,工程技术对经济和社会的推动作用也越来越 大,而工程技术人才的培养质量直接决定了一个 国家的工程技术水平和发展速度,从而决定了这 个国家的工业竞争力和综合实力。因此,世界各 国特别是工业发达国家都在大力推进工程教育的 发展与改革,力争培养出更高质量的工程技术人 才,以保持在全球经济竞争中的有利地位。在此 背景下,汕头大学工学院近10年以来,一直在工 程教育改革方面不懈努力
4、,积极尝试,从2005年 开始,引入CDIO工程教育理念,并在此基础上, 创新性地提出了EIP - CDIO培养模式1。我们认 为,当前我国工程教育应在重视科学基础的前提 下,强调对学生个人能力、 团队能力以及系统适应 与调控能力的培养,实现这一目标的有效手段是 参照CDIO理念,进行全面的工程人才培养模式 改革。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20世 纪90年代以来工程教育改革的各项成果,更重要 的是还提出了系统的能力培养标准、 教学大纲及 评估标准,更具系统性和可操作性。因此,CDIO工程人才培养模式的实践将会带来不同于以往教 学改革的实质性成效。 在与企业的交流与合作过程中,我们认识到
5、, 工程设计是整个工程系统的精髓所在,功能、 技 术、 经济的要求,以及环境、 社会乃至历史的约束, 都将在工程项目的设计过程中发挥其影响力。基 于这一理念,我们确定了以项目设计为导向(De2sign - Directed Learning)、 以能力培养为目标的CDIO人才培养模式,通过项目设计将整个课程体 系系统地、 有机地结合起来1。具体说来,就是: 所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目设计 这个核心展开,并与这个核心融合在一起,形成一 个有机整体。因此,我们在编制培养计划时,依据 项目所涉及的专业知识范围以及项目本身的规 模,为学生设置了1级、2级、3级三个级别的项 目。1级项目包含
6、本专业主要核心课程,体现本 专业主要能力要求;2级项目则引导一组相关核 心课程的学习,重点突出了对某项能力要求;3级 项目则针对单门课程,是为增强学生对该门课程 内容的理解而设置的,3级项目设立的必要性、 所 涉及的能力要求等,均是根据课程的需要而定。 91图1 电子工程系的CDIO培养计划鱼骨架图通过以上三个层次的项目设计,整个培养计划形 成为一个有机的整体。 在这三个层次的项目中,由于1级项目完整 地贯穿于整个本科教学阶段,对学生系统地进行 构思、 设计、 实现、 运作的整体训练,因此1级项目 是CDIO培养计划中最为重要的环节。本文主要 介绍汕头大学工学院电子工程系的CDIO培养计 划1
7、级项目初级阶段的实践。 一、 电子工程系CDIO培养计划框架 如何使学生围绕项目设计这一主线来完成CDIO各项能力的训练和培养,满足电子信息技术 迅速发展的需要,是汕头大学工学院电子工程系 的教学改革必须面对的挑战。为此,我们设计了 基于CDIO理念的电子工程系学生培养计划鱼骨 架图(如图1所示)。 由图1可见,在新生入学的第一年里,我们要 求学生首先完成数学、 物理、 化学等基础学科知识 的学习,使学生具备基本的科学素养,并为将来的 专业课学习做好准备。在此基础上,我们将本着 以项目设计为导向的思想,开展后续专业知识的 教学过程。 首先,我们以专业核心课程的学习作为专业 能力培养的基础,在专
8、业核心课程的实施过程中, 注重通过3级项目的设计训练,使学生加深对该 核心课程主要知识点的理解和掌握。 在学课程的同时,我们要求学生完成 若干个2级项目的设计,使学生再次加深对重要 知识点的理解和掌握,了解课程群内各门课程之间的有机联系,并使学生得到能力训练的机会。 而整个鱼骨架图的主干部分就是1级项目的 设计,如图2所示。1级项目必须完整地贯穿于整个本科教学阶 段,使学生完整地得到构思、 设计、 实现、 运作等方 面的系统训练。汕头大学工学院电子工程系的1 级项目是由初级阶段(Cornstone)和高级阶段(Cap2stone)两个部分构成。初级阶段在一至三年级分 步骤完成,主要工作任务是:
9、在了解CDIO理念的 基础上,通过解剖一个产品实例来了解其组成部 分及设计原理,使学生在增加感性认识的同时,了 解本专业核心课程与实际产品之间的对应关系, 从而以一个未来工程师的角色定位去面对专业知 识的学习;同时,让学生经历一次项目构思与设计 的实践过程,激发其专业兴趣和创新思维,并明确 培养计划是一个有机的整体。毕业实习和毕业设 计为1级项目的高级阶段,与初级阶段紧密衔接, 主要工作任务是:学生在完成专业课程学习与相 关项目训练后,利用所学知识,就一个产品项目完 成构思、 设计、 实现、 运用等全过程的训练,系统地 经历一次工业设计实践过程。1级项目的目的, 就是让学生从解决实际工程问题出
10、发来进行专业 知识的学习,激发学生对实际工程问题的兴趣,引 导他们探索并掌握解决问题的途径和方法。 02高等工程教育研究 2008年第6期二、 学习CDIO能力大纲,了解课程体系内 涵1级项目初级阶段一开始,就由教师向即将 开始专业学习的新生介绍CDIO的内涵与思想。 首先,结合CDIO能力大纲,使学生了解CDIO 理念将工科毕业生的能力分为工程基础知识、 个 人能力、 人际团队能力以及工程系统能力四个层 面,要求学生参照这四个层面的能力要求为自己 设定专业学习目标及今后的努力方向。由于CDIO能力大纲是直接参照工业界对工程人才的 要求(如波音公司对人才素质的要求、ABET的标 准EC2000
11、)而制定的,因此,不仅提出了系统的能 力培养理念,更重要的是,提供了全面的实施指引 (包括培养计划、 教学方法、 学生考核以及学习构架)以及实施检验的12条标准,具有系统性及可 操作性,作为学生的专业学习指南是完全可行的。 同时,我们提醒学生:由于不同学科有不同的内 涵,虽然CDIO能力大纲在 “工程基础知识” 这一 条目下只粗略提到了 “基础科学知识” 、“核心工程 基础知识” 和 “高级工程基础知识” 这三点内容,但 这些内容对于后三个层面的能力培养是非常重要 的。 其次,向学生讲解基于CDIO理念的培养计 划的内容,使学生对将要学习的专业课程及将要 参与的各种CDIO实践活动具备初步的认
12、识,了 解培养CDIO各项能力(如沟通能力和协调能力等个人能力,协同能力,项目的组织、 设计、 开发和 实施能力)的重要性;同时,通过各种案例(cases) 激发学生的创新意识,引导他们培养创新能力及 协作精神,形成理论联系实际的严谨学风。 由于我国学生社会活动偏少,实践训练不足, 普遍比较腼腆,在团队交流与协作中会遇到较多 困难,为帮助学生锻炼口头表达能力,我们特别设 计了一些有关CDIO的研讨题,在课堂上组织学 生讨论,要求所有学生必须发言,从而为后续的项 目设计和能力培养打下基础。 三、 剖析电子产品,了解专业课程内涵 在接下来的1级项目实施过程中,为了使学 生充分了解专业课程设置的目的
13、和意义,我们通 过解剖、 分析一个医用脉冲超声多普勒血流仪(如 图3所示) ,使学生了解实际产品的构成原理与设 计思路,能以整个产品系统的概念去思考未来的 学习与实践,在开始专业学习之前就以一个工程 师的角度去面对即将开始的专业课学习,同时增 加必要的感性认识。 从图3可以看出,最前端超声传感器部分的 原理与设计,涉及数学、 物理、 化学等基础科学的 知识,没有足够的基础科学知识,将无法完成传感 器的设计与使用;放大、 接收、 信号发生器、 功率放 大和检测部分涉及电路原理、 模拟电子技术、 数字 电路、 高频电子技术等课程;计算机控制、 模/数转 换、 脉宽、 采样控制等部分涉及微机原理与接
14、口、图3 脉冲超声多普勒血流仪与课程关系 12基于CDIO理念的1级项目设计与实践单片机原理及应用、 嵌入式系统的相关课程;超声 信号处理、 图像处理等涉及信号与系统、 数字信号 处理、 自适应信号、 数字图像处理、 随机信号处理 等课程的内容。 通过对产品的分析,学生不仅了解了产品与 课程的关系,对专业课程的认识也加深了,这对以 后的专业课学习帮助非常大。 在此基础上,我们还组织学生去汕头超声总 公司和汕头超声研究所等相关电子产品生产企业 参观实习,了解该产品的生产过程与现代企业的 运转过程,加深学生的感性认识;最后请企业领导 讲演,使学生能从企业家的角度了解现代企业对 人才的要求,从而有目
15、的、 有系统地规划未来的学 业。 四、 激发创新思维,开展项目设计 为激发学生的早期创新思维,使之初步学会 构思、 设计,在1级项目初级阶段的最后部分,我 们将学生组成10人左右的团队,教师也组成指导 团队,并由经验丰富、 责任心较强的教师担任组 长,指导学生尝试构思并设计一个电子混合系统。 为保证项目构思与设计的质量,我们制订了详细 的实施计划,规定每一环节必须达到标准后才能 进入下一环节67。其流程如图4所示。由于学 生还没有开始专业课的学习,所以该项目主要侧图4 1级项目Cornerstone的实现流程重于构思(C)阶段,侧重于框图及系统的蓝图设 计能力的培养;随着专业课程的进入,再逐步
16、加强 设计(D)与实现(I)方面的训练。在不同阶段,我 们都要求学生在查阅大量文献资料的基础上,通 过团队研讨、 交流,在导师指导下不断完善构思与 设计,并在各个阶段都接受质量评估,从而最终达到教学要求。 总之,通过以上的项目训练,学生基本克服了 中国工科大学生常有的一些缺点,初步培养和提 高了个人能力、 团队交流及创新思维的能力,达到 了预期要求。 由于1级项目在整个电子工程系CDIO教学 环节中的重要性,其中初级阶段部分更是起着承 前启后的作用,因此我们非常重视1级项目初级 阶段部分的实践,并在实践过程中不断完善教学 与训练的模式,使学生不断得到构思、 设计、 实现 与操作的训练机会。同时,我们注意到,1级项目 的初始阶段是在一年级开始进行的,此时的学生 尚未掌握太多的专业知识,因此项目设计主要侧 重 “构思”(C)和 “设计”(D)环节的实践;在1级项 目后续的教学环节中,根据课程的进展与深入,再 逐步开展 “实施”(I)和 “运行”(O)方面的训练,从 而使得学生得到CDIO所要求的四大能力的完整 训练。参考文
