CDIO开放教学模式研究

[摘要]CDIO工程教育改革的实施，面临着学生学习热情高与教学学时有限的矛盾，如何解决这一矛盾是CDIO教育模式研究者一直关注的问题。针对这一矛盾，首先基于开放与自组织的理念构建CDIO开放教学模式，概括开放教学模式中的各组成部分；接着对开放模式中基于一体化的开放教学、开放实践、开放教学管理、自组织实现等内容进行深入讨论，给出实施方案。本文构建的CDIO开放教学体系，克服了时域与空域的限制，方便学生随时随地学习与实践，减轻教师负担，为CDIO工程教育改革顺利实施提供参考思路。

[关键词]CDIO；开放教学；一体化教学；开放实践；开放教学管理

[中图分类号]G642.0　[文献标识码]A　[文章编号]1005－4634(2012)02－0027－06

0　引言

CDIO(指构思、设计、实施与运行的英文首字母缩写)工程教育模式是世界工程教育改革的发展方向，它不仅继承了上个世纪90年代欧美工程教育改革的理念，更重要的是提出了系统的能力培养教学大纲、全面的实施指引及实施检验的12项标准，极具可实现性。CDIO教学模式在机械工程专业教学改革实践中受到学生的欢迎，激发了学习积极性，学生学习热情非常高，但也面临一个难点，就是学生与日俱增的学习热情与有限的教学学时之间的矛盾。显然对于学生的学习积极性不能压制，也不能无限地增加教学学时，为了有效地解决这一矛盾，本文探讨通过采用开放教学模式让学生随时进行学习与实践，保障了学生的学习热情，同时强化学生的自主管理，控制了教学学时的增加。基于这一理念，本文在构建CDIO开放教学模式基础上，讨论一体化开放教学、开放实践、开放教学管理实施方案。

1　CDIO开放教学模型

CDIO教学模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程技术。正是由于CDIO强调学生的主动性，因而有实施开放教学的可能性，但在实施开放教学时也不能放任学生不管，毕竟有一部分学生自觉性不太强，因此在CDIO教学过程中实施开放教学，需要解决教学、实践、管理的自组织性。在CDIO开放教学中要突破传统的教师严格按照教学大纲要求控制教学内容和进度的被组织过程，充分考虑教学系统的自组织，根据这个思路构建出CDIO开放教学模型，如图1所示。

从图1中看到，CDIO开放教学模式包括CDIO开放教学、开放实践、开放教学管理三方面的内容。开放教学将教学内容、教师、学生三者有机的联系起来，在一体化课程体系的支撑下构成相互交换的开放体系，教师与教学内容之间进行知识更新的交互，教师与学生进行知识交换的交互，学生与教学内容间进行知识获取的交互，这三者之间知识流的交换不是单向的，而是双向的，是相互影响的，保持着知识更新的动力。

开放实践包括开放实践项目建设和虚拟实践系统开发两个方面。CDIO倡导“做中学”，因而开放实践有助于CDIO工程教育模式实施。通过开放实践项目建设，学生能够开放实践和从项目中受益。进行虚拟实践系统开发，实现部分实践项目的虚拟化，这样可以协助学生在更大的空间以更大的自由度进行项目实践。

开放教学管理主要针对一体化教学管理和师生CDIO能力评估与提升。一体化教学管理是针对CDIO工程教育中开放教学、开放实践的自组织状态进行监控，使CDIO开放教学有序进行并达到教学目标。师生CDIO能力评估与提升是对教师和学生的CDIO能力进行合理评价，并给出提升途径。

2　CDIO开放教学的实施方案

CDIO教学是基于一体化课程体系的教学，如何实施开放?需要从教学内容、教师、学生、师生关系四方面进行讨论。

2.1　开放教学中的教学内容建设

以机械设计制造及其自动化专业为例讨论开放教学中教学内容建设，根据实践经验总结，建立如图2所示的教学内容建设模型。

从图2看到，开放教学内容建设包括知识点构建的依据、知识点数据库构建、知识点更新机制、知识冗余消除等方面，在此基础上对知识点进行综合重构，形成课程及课程体系，下面分别进行讨论。

1)知识点构建依据。首先分析专业知识域与人才培养目标之间的关系，机械设计制造及其自动化专业制订的人才培养目标是对社会有贡献的工程师，专业知识域分为机械设计、机械制造、机械控制三大块，对应的人才培养模型为合格工程师、优秀工程师、杰出工程师。掌握三大知识域中的一大块并了解其它两大块，就是合格的工程师。掌握三大知识域中的两大块并了解另外一块，就是优秀的工程师。当掌握了所有三大知识域，就是一名杰出的工程师。同时，在确定知识点时也调研了利益相关者(教师、学生、校友、企业工程师等)，倾听他们对机械设计制造及其自动化专业知识点设置的建议。根据专业与人才培养目标的关系及调研利益相关者基础上从传统教学内容中抽取知识点。在知识点抽取时不需考虑是否重复，仅针对项目对知识的需求。

2)知识点数据库构建。当知识点抽取后，就开始构建知识点数据库。采用关系型数据库模式进行知识点数据库构建，构建时将机械专业所有知识点添加在一个表中。该表的主键设置要特别注意，以便能够消除知识点冗余。

整个知识点数据库包括知识点数据表、课程数据表、知识点表与课程表间的关系表。通过知识点表与课程表之间的关系表联系知识点表和课程表。知识点数据库要编写合适的查询算法和知识点整合算法，以便通过知识点数据表构建课程数据表。

3)知识点冗余消除。一般可以利用数据库主键不能重复的特性消除知识点冗余，但有时候知识点的数据主键设置不合适，还是会出现重复的知识点，因此需要建立知识点重复检索算法，通过知识点重复检索，发现知识点冗余后进行数据删除。

4)知识点更新机制。在当今的信息时代，知识的更新是非常快的，因此建立更新机制保持知识点数据库的知识点紧跟时展。对于机械专业来说，基础知识点是相对稳定的，一般不需要经常变动。但CDIO教育模式是培养基于国际视野的工程技术人才，需要对机械专业相关进展有一些了解，知识点更新机制主要是针对这些新技术新工艺新设备的更新。通过定期搜索机制，搜索国内外新出版的图书、期刊、报道，抽取出进展知识点，添加到知识点数据表中。同时也要定期从知识点数据表中删除一些过时的内容。

5)课程构建。通过对知识点的重新组合并结合产品项目进行一体化课程的构建。在课程构建时要参考学生的能力基础，以便“因材施教”。做法是：学生上一门课程前进行一个测试，根据测试结果分成不同的教学对象组，因教学资源的限制，分组不能太多，一般一个年级分4～5个教学对象组。

CDIO课程将理论与实践有机的融合在一起，体现了一体化特征。通过教学实践，构建有针对性的一体化课程和一体化课程体系，课程体系按知识域分块，课程域之间保持关联，优化课程顺序。适

时与当地企业急需知识点衔接，保持课程动态化，主要是TRIZ理论创新技术的应用与课程化，丰富能够激发学生创新的教学内容。课程内容要面向多维目标，以便“因材施教”。

6)课程的网络化。实施CDIO开放教学，要保证学生能随时随地地接触到教学内容，只有通过网络才能达到这一目标。通过将上述课程和课程体系网络化，形成一系列的网络专业课程群，学生能够通过网络自主的学习。

网络课程与知识点数据库互联，同步更新。同时学生通过网络课程实现学生与教学内容的双向交互，即学生除了通过网络课程学习外，还可以向教学内容提出修改(更新)的建议。

2.2　开放教学中教师的转变

CDIO开放教学中教师角色变化比较大，教师不再将教材中知识按部就班地灌输给学生，而是要创设问题情境，激活学生的已有经验进入教学过程，使学生能在已有经验的基础上主动建构知识。同时还要引导学生自主学习、自觉学习，帮助学生脱离教师而独立的有意识地学习。因此在开放教学中教师需要具有以下三方面的职能。

1)教师应善于创设学习情境。教师通过创设多元情境，激发学生的学习兴趣，引导学生对自身潜能和周围世界产生深切的感悟，维持良好的学习效果和效率。一般是采用角色扮演、现场参与、虚拟情境等方式创设学习情境。创设学习情境需要对学生兴趣和教学内容充分理解，并能对学习情境进行有效地设计。

2)教师应高效地引导学生。教师通过高效积极的引导学生，使得教学过程轻松活跃，学生能够积极参与、主动思考、合作交流，保持课堂的开放、动态和充满活力，同时使教学过程成为一个师生互动、共享体验的过程。师生关系融洽是教师高效引导学生的前提，因此教师要和学生沟通，知道学生的爱好所在，并掌握有效的引导手段。

3)教师应有效地开发教学资源。教师通过开发教学资源，使教师超越教材、走出教室、满足学生多样化需求。教师开发教学资源主要途径有：根据学生初始能力从知识点数据库中选择知识点，对知识点进行优化组合形成课程，在这一过程中参考利益相关者的建议；也可从当今技术发展前沿寻找丰富的教学资源。

从以上三方面的要求看出，CDIO开放教学对教师要求更高，需要不断培训教师，特别是加强教师与企业工程技术人员的融合，这样教师在参与教学资源、教学内容建设时可以更有针对性地开发教学资源。同时强化教师与学生的有效接触，针对目前广州大学出现的“教师走教”现象，采取教师任教学对象组导师、教师值班制度等方式鼓励教师与学生的亲密接触，这样教师能够掌握学生动态，更有针对性地引导学生和创设学习情境。

2.3　开放教学中学生的转变

开放教学中要充分体现学生的主体地位，保障学生主体性的发挥，引导学生实现自主、合作、研究的学习方式。学生群体中自主能动性不一致，并不是所有的学生都能够自觉地完成开放教学中学生角色的转变，因此促使学生发挥在开放教学中的主体性需要一系列的保障和激励措施。

2.4　开放教学中的师生关系演变

在开放教学中，师生是精神世界相互开放的民主平等的主体问的关系。师生之间的交往既有常规人际交往的共性，又体现出教学中所独具的个性。有效的师生交往不仅有助于实现教学目标，而且也是教学目标之一。开放教学中师生关系如下。

1)相互尊重，作为教学中独立的交往主体，师生之间应该相互尊重。教师尊重学生，就是要尊重每一个学生的感想、困惑、观点、需要等。

2)相互理解，教学过程是师生共同合作完成的过程，教师的教与学生的学是这一过程中不可分割的有机整体。因此，师生必须在这一过程中相互理解、相互认识，进而相互合作。

3)平等对话，在开放教学中，促使学生主动参与、积极实践需要平等对话来保证。平等对话是师生间的接纳与分享。

4)知识互补，在开放教学中，知识面较宽，学生与教师的知识是互补关系而非单向传授。

3　开放实践的实施方案

CDIO开放实践保障学生在非教学时间能够进行自主的实践活动，并能拓展实践空间，减少实践时间方面的限制。根据图1的CDIO开放教学模型，开放实践应该在开放实践项目建设和虚拟实践系统开发两个方面下功夫。

3.1　开放实践项目建设

如图3所示，根据开放实践的要求，充分激励教师、实验技术人员、学生共同参与实践项目的设计与开发，建立开放实践项目数据库。实践项目主要包括基于知识点的实践项目(验证已有知识)、基于创新的实践项目、基于竞赛的实践项目，并通过实践参考文件资源保障实践项目顺利实施。

从图3看出，教师、实验人员、学生共同参与的实践项目设计是开放实践项目建设的关键，充分发挥三者的积极性，并乐于构思与实践，凝练优秀合适的实践项目，使实践项目便于开放实践，启发学生思考与提高知识掌握牢固度。

基于知识点的实践项目是在改造传统的验证性实践项目基础上添加自组织的元素，使学生能够自主的验证知识点。这种实践项目也要注意趣味性及与当下先进技术对接，找到应用的切入点，便于学生“学以致用”。

基于创新的实践项目包括学生自身根据生活实际提炼出的创新实践项目及教师根据科研项目提炼出的创新实践项目。创新实践项目要高于现有综合性实验和设计性实验，着重培养学生的自主创新能力。创新实践项目中引入TRIZ理论元素，给学生以创新方法学支持，帮助其提高创新能力。

基于竞赛的实践项目采用竞赛的方式激发学生参与热情、创新热情等。现在开展的竞赛实践项目主要包括竞速车竞赛项目、三维建模竞赛项目、机器人创新应用竞赛项目等，同时还鼓励学生参与“挑战杯”科技竞赛活动、机械创新设计大赛等大型竞赛活动。在竞赛项目中，除了锻炼学生的创新实践能力外，学生的团队协作能力也得到了锻炼。

3.2　虚拟实践系统开发

机械工程有些产品是复杂的系统，实物设计制造将需要很高的成本，而且有的由于构思缺陷造成的制造失误会导致浪费，因此，有必要开发虚拟实践系统，便于学生随时随地的进行实践过程，并减少实践成本。

虚拟实践是随着计算机、网络和虚拟现实等现代信息技术手段广泛应用而兴起的一种崭新的实践形式。可以实现对现实实践的模拟、对现实可能性实践的虚拟、对现实不可能性实践的虚拟，因而比现实实践具有更大的自由度。

对于机械工程来说，虚拟实践系统一般以现有的CAD／CAE／CAM／CAPP／CFD软件系统为基础，进行二次开发，将这些软件平台融合起来，构成一体化虚拟实践平台。通过这个虚拟的平台，学生能够随时随地地进行机械系统的构建、仿真分析、优化设计、仿真制造等，掌握机械专业的设计、制造、控制方面的知识要点。目前主要是利用VisualC++将Pro／Engineer、MasterCAM、ANSYS、FLEUNT等几个常用的CAD／CAM／CAE／CFD软件结合起来，自动实现数据交换，构造一体化平

台，便于学生对复杂机械系统的设计、分析与零部件制造等方面进行虚拟实践。

4　开放教学管理的实施方案

有效的开放教学管理是CDIO工程教育顺利实施并取得应有效果的保证。CDIO开放教学管理比传统的教学管理难度加大，主要是学生在教师不在时的学习实践的管理与评估以及教师自身的评估等，根据CDIO开放教学管理的实际情况，将CDIO开放教学管理分为一体化教学管理和师生CDIO能力评估与提升两个方面。

4.1　一体化教学管理

一体化教学管理是CDIO开放教学过程基础知识与实践能力一体化教学效果的保障。一体化教学实施步骤如下：(1)制订《CDIO理论与实践一体化》教学实施计划；(2)组织师资队伍，布置教学任务；(3)编写相关教案；(4)安排一体化教室。一体化教学过程是指按照一体化教学计划要求，以一体化课程进行教学，精心组织，实现理论与实践的有效融合。一体化教学不仅反映一体化课程，也要体现课内外一体化、师生一体化、时域空域一体化。

针对CDIO开放教学要求，一体化教学管理引入教学管理人员、教师、学生共同参与，特别是要强化学生的自主管理。在一体化教学管理中充分发挥学生的自主管理积极性，通过勤工助学形式聘任高年级、有责任感、认真的学生作为管理人员，负责对一体化教室、学生学习情况进行管理，这样保证了在非教学时间监督一体化教室、学生学习情况(主要是针对少部分自觉性比较差的学生)，同时也锻炼了学生自主管理的能力。

面向开放教学的一体化教学管理需要引入远程管理模式，教师或教学管理人员在非工作时间通过网络、通讯等方式与学生、学生管理员保持联系，使学生能够随时获得智力支持，也帮助教师随时掌握学生学习情况，以便教师客观评估学生CDIO能力。

4.2　师生CDIO能力评估与提升

师生CDIO能力正确评估是CDIO实施效果评价的重要因素，考虑到师生CDIO能力评估的复杂性与系统性，采用CMM(Capability Maturity Mod-el，能力成熟度)模型分阶段进行评估。

CMM是美国卡耐基梅隆大学软件工程研究所推出的评估软件能力与成熟度的一套体系，提供了一个过程能力阶梯式进化的框架，阶梯分为5个不断进化的级别。中南大学的胡志刚、陈启元等人将CMM模型引入到CDIO教学中的学生与教师的能力评估与提升中。笔者参考其成果，结合实际情况，建立了适合机械专业师生的CDIO能力评估与提升体系。如图4所示，师生CDIO能力评估与提升模型包括教师CDIO能力评估与提升系统和学生CDIO能力评估与提升系统，以及它们之间的相互作用。

从图4中看出，在师生CDIO能力评估与提升体系中将学生CDIO能力成熟度由低到高划分为4个等级：新手级、基础级、专业级和创新应用级。各能力成熟度等级反映了学生在CDIO工程教育中不同发展阶段的不同特征和学习内容需求。将教师的CDIO能力成熟度由低到高划分为4个等级：初级、中级、高级和精通级。各能力成熟度等级反映了不同教师的CDIO能力和所要达到的目标，每个成熟度级别都包含实现该级别目标的若干关键过程。在每个等级评估中，可以按照PDCA循环进行能力改善，使得师生CDIO能力有序提升。

将CDIO能力成熟度分级对学生和教师都是一个压力，促使学生认真学习，不断完成评价指标并进行提升，在这个过程中掌握专业知识和技能；同时督促教师不断改善自身能力，以适应不断发展的CDIO教学要求。

5　开放教学中自组织的实现

自组织理论的研究对象主要是复杂自组织系统的形成和发展机制问题，即在一定条件下系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有序走向高级有序的。CDIO开放教学模式中，在开放教学过程、开放实践、教学管理方面都提到了自组织，也就是希望维持CDIO开放教学系统处于自组织状态，使学生获取知识不单单靠教师课堂传授，而是学生自组织的获取知识。

自组织实现的关键是保持学生自组织行为实现。把学生看成一个系统，学生学习过程实际上就是教学内容与学生系统进行相互作用的过程，通过外来激励进入学生系统，引发学生系统自发的进行自组织、自协同、自有序，最终使学生系统通过自同构、自复制与自催化等行为达到学习目标。这种外来激励就是前面分析过的学生CDIO能力评估与学生自主管理。

6　结束语

为了解决学生不断增长的学习要求与教学课时不足的矛盾，在CDIO工程教育中有必要实施开放教学。通过对CDIO开放教学模式及实施方案讨论，为CDIO开放教学实施提供参考。

笔者正在2008～2010三个年级中进行CDIO开放教学实践，在教学实践中有些问题异常复杂，诸如课程间知识点交叉与关联如何协调、学生自组织行为如何挖掘与驱动、师生CDIO能力评估与提升如何更有效等。这些问题在前面的分析中都有提及，但在实践中有效地解决需要深入研究实施细节，以保证CDIO开放教学模式能够顺利实施，并取得满意的教学效果。