基于CDIO理念的自动化专业工程教育改革研究

通雁辉 王娆芬 王宇嘉

摘要：随着国家经济的不断发展，社会对工程应用型人才的综合素质提出了更高要求。我国的应用型本科院校迫切需要充分借鉴先进的工程教育理念和经验，不断推进工程教育教学改革，以适应国家中长期发展需求。本文对当前我国应用型本科院校自动化专业培养目标制定、课程体系设置、师资队伍建设以及教学活动设计等方面普遍存在的问题进行了分析，基于国际上先进的CDIO工程教育理念，提出了自动化专业工程教育改革的方向和策略。

关键词：CDIO理念；工程应用型；自动化专业；课程体系

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1673-7164（2021）03-0096-03

基金项目院中央专款“应用型本科试点专业部分建设经费-自动化”（项目编号：0232-A2-8948-20-0101）。

随着国家经济的不断发展，社会各行业对应用型本科大学毕业生解决复杂工程问题的能力提出了更高的要求[1]。在当前国家不断倡导创新型国家建设的背景下，工程教育认证、卓越工程师培养计划以及新工科建设等项目不断推进，应用型本科院校抓住契机努力实现工程教育转型势在必行。应用型本科专业工程教育的成功转型必将为中国经济的高质量发展提供强大的动力来源。

自1999年高等教育扩招以来，大学向社会输送毕业生的数量不断增加，其中研究生的比例也随之上升。然而，当前我国大学教育普遍存在的一个问题就是注重学术教育而忽略工程教育，导致大学所输出毕业生的工程能力与行业需求不匹配。该现象一定程度上也与部分大学定位模糊有关。部分高校以建设一流研究型大学、培养一流学术人才作为办学目标，并沒有结合学校的客观条件和社会发展的需求来制定学校以及各专业的培养目标和方式。

作为近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO工程教育理念越来越受欢迎。我国也于2016年成立了CDIO工程教育联盟，目前已有105所高校加入。所谓CDIO理念，是指通过针对实际系统或产品的构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate）这一培养过程，来夯实学生的工程基础能力[2]，培养学生的综合工程能力。工程项目的设计是CDIO工程教育理念的核心，由于工程项目基本涉及系统或产品研发到运作的整个生命周期，通过工程项目实践可以帮助学生认识项目研发流程和任务分解过程，有效培养系统工程思维和解决复杂工程问题的能力。

CDIO培养大纲将毕业生的能力分为基础工程能力，即学科知识和分析能力；个人能力，即个人专业技能和品质；人际团队能力，即人际交往和团队协作能力；系统工程能力，即实际系统构思、设计、实现和运作能力。上述四个层面的培养目标决定了应用型本科院校的培养模式必须是科学的和系统的，必须从专业培养目标制定、项目设计、课程体系设置、课程内容编排、课程教学等过程中始终贯彻和实践CDIO理念，而不仅仅是将该理念贯穿于几门课程的教学过程中[3]。本文将以自动化专业为例，思考和探讨基于CDIO理念的自动化专业工程教育教学改革策略。

一、当前工程教育中存在的主要问题

由于自动化技术可应用于冶金、化工、电力以及航空和航天等行业各个领域，所以自动化专业是一个综合性很强的专业，其在注重理论知识传授同时也注重工程实践训练。正因为自动化专业的上述特点，其在工程教育教学改革中具有一定的代表性。当前应用型本科院校自动化专业工程教育教学中不同程度地存在以下几方面的问题。

（一）专业特色不明显

专业特色是大学通过多年探索和实践形成的一套科学的专业培养体系，其与专业服务的行业和应用背景密切相关。对于国内一些拥有优良历史传承和较强行业背景的一流大学而言，其自动化专业已经形成了鲜明的特色。但对于大多数应用型本科院校而言，由于自动化专业设置较晚以及专业与行业对接不紧密等原因，其专业特色并不明显。然而，随着无人驾驶、物联网、云计算等新兴行业的崛起以及大数据、人工智能技术的应用，自动化专业的应用场景越来越多元、越来越具体。应用型本科院校努力推进与新兴行业的对接和融合，结合学校优势逐渐探索自动化的特色是一条有效途径。

（二）课程体系设置不合理

课程体系的设置与专业的培养目标紧密相关，课程体系的设置也是各门课程教学内容制定的基础，因此课程体系的设计工作是一个系统工程。当前应用型本科院校课程体系的设置存在不合理的现象，不足以有效地支撑专业培养目标的达成。在目前课程总学时非常有限的条件下，各院校需要对现有课程体系的科学性和合理性进行评价，在此基础上不断进行优化和完善。从专业教育的根本目的出发，对现有课程和教学内容进行改革。随着行业的发展和新兴产业的出现，对新的理论和技术提出了需求，因此广大应用型本科院校需要与时俱进地引入新的教学内容，以实现大学专业与社会行业的零接轨[4]。总之，课程体系的设置与课程内容的制定必须结合行业的需求、师资的状况以及学校的特点科学合理地进行。

（三）综合性实践教学环节薄弱

虽然目前大部分应用型本科院校尝试加大实践教学环节的比例，但是由于缺乏系统性的策划和设计，各实践教学内容之间的关联度不强。大多数实践教学内容以课内实验和综合实验的形式开展，课内实验往往仅局限于原理验证和技术操作[5]，而综合实验由于缺乏对实际工程实例的考证和分析[6]，其对学生综合工程能力的训练存在不足。自动控制系统的设计以满足实际生产中的性能及工艺要求为最终目的，所以自动化专业实践课程的设计应重在培养学生解决复杂控制系统分析和设计的能力。实践教学的设计应该在校企合作的模式下进行，应从工程实际背景需求出发，主要目的是在验证理论教学中基本原理和方法的基础之上，激发学生的系统工程思维，最终实现对学生创新能力、协作能力等综合工程能力的培养。

（四）双师型教学队伍建设不足

师资队伍是大学教学质量的重要保证。目前我国应用型本科院校教师队伍中具有博士学位的教师比例在不断提高，理论水平和专业功底不断增强。然而，存在的主要问题在于教师对行业发展需求的了解不充分，实际工程经验比较欠缺。虽然整体的理论教学水平有了一定程度的提高，但是实践教学水平还存在较大不足。在当前国家大力倡导校企协同育人的教育模式下，应用型本科院校应加大力度与企业对接，利用企业的项目资源为教师提供更多的培训机会，不断推进双师型教师队伍的建设。而对于在应用型本科教育中具有突出贡献的企事业单位，政府也可给予一定的政策激励和奖励，以提高企业服务教育的积极性。

二、CDIO工程教育改革的方向

专业培养目标的完成程度与课程体系设置、师资队伍建设和学生综合工程能力培养方式紧密相关，下文从以下几个方面来探讨自动化专业工程教育教学改革的思路。

（一）优化和完善课程体系

自动化专业的特色需要从自动化应用行业的背景中凝练，专业特色需要相应的课程体系来支撑。自动专业所服务的行业特点决定了需要将不同种类的课程纳入课程体系中。比如分别服务于航空航天、化学工业以及生命科学领域的自动化专业，则相应的需要纳入飞行动力学、化工动力学以及神经动力学方面的课程。不但要向学生讲授自动控制理论和技术方面的知识，还要讲授复杂被控对象动力学行为和建模理论及方法，以为后续开展工程项目的实践奠定基础。复杂系统动力学建模理论和方法与控制理论和技术等方向的交叉融合，有利于提升专业的特色。同时可以促进不同专业学科和方向教师之间的交流和合作。因此，以自动化专业为切入点推动电气、力学、化工等不同学科和专业之间的课程联通，也是一种提升专业特色和促进学科交叉的好方法。

课程体系的内容主要包含通识类课程和专业类课程。在CDIO理念中，学生的人文素质也是工程教育的培养目标。因此，在通识类课程中需要设置工程导论、工程伦理、环境概论、社会与法律等课程。而专业类课程又分为专业基础类课程和一般专业类课程。从理论和技能传授的角度划分专业类课程内容又可分为理论部分和实践部分。由于专业类课程强调理论与实践并重，因此在课程体系设置过程中可以采用项目群课程分类方法，将专业类课程按项目需求分为不同的课程群。比如，在以计算机视觉和运动控制交叉为特色的自动化专业课程体系中，可以设置基于视觉的运动控制系统课程群，该课程群所包含的基本课程名称及递进关系如图1所示。课程群的设置有利于强化课程之间的关联和不同任课教师间的协作，为基于CDIO理念的工程教育实践提供可行的解决方案。

（二）培养教师的CDIO工程教育思维

教师队伍是教学活动的策划者和制定者，工程教育改革需要行政管理岗位和专业技术岗位的全体教师集体参与。前提条件是所有教师要牢固树立CDIO工程教育思维，这样才有可能构建工程教育的环境，形成工程教育文化，并使这种文化基因根植于应用型本科院校的校园文化之中。

应用型本科院校以培养高素质工程师为主要目标，而工程师角色的核心是设计和实施工程项目的解决方案，所以教师有必要对本专业所对应行业的需求、工程师的工作任务及社会责任等状况进行充分的交流和学习。同时，由于国际CDIO工程教育的理论与实践经验不断丰富和发展，各应用型本科院校需要建立起一套国外交流与学习的机制，特别是帮助青年教师树立CDIO工程教育理念、掌握CDIO工程教育的理论和方法。條件允许的情况下，学校也可选派教学表现出众的教师前往欧美国家工程教育开展成功的大学学习，将国外先进的工程教育模式和办学经验引入国内高校。

（三）校企协同提升教师的工程教学能力

目前在教育部的倡导下，许多应用型本科学院均在积极推动校企协同育人模式的探索和实践。协同的形式主要包含科研项目合作、技术转化、企业实习、共建实验室等。然而，存在的主要问题是企业更看重项目合作和技术转化以提升企业的研发能力，而在教学和育人方面参与的程度有待进一步加强。政府应该鼓励和支持优秀企业参与到工程教育实践改革中，特别是为高校教师工程能力的提升提供更多的培训机会和锻炼平台，必要时企业的工程师也需要参与到教学活动的策划和实施中。参与高校工程教育的改革也是企业承担社会责任的体现，政府应给予政策上的引导和支持，这样有助于促进高校和企业形成长期有效的合作关系。

（四）在教学过程中强化对学生综合能力的培养

CDIO工程教育理念推崇项目导向的教学方式，在工程项目中解决实际系统或产品的构思、设计、实施和运作既是专业培养的目标又是对毕业生培养质量的评价手段。而在工程项目中解决复杂问题的能力是一项综合性的要求，因此所有教学活动的开展都要聚焦到培养学生解决复杂工程问题的能力这一目标上。在项目课程群内各门课程的授课过程中，所有教师需围绕工程项目的需求将本门课程在项目中的地位和作用以及与其他课程之间的联系有深刻的认识和理解。在授课过程中时刻有意识地培养学生的综合工程能力是课程群内全部任课教师的共同责任，所有课程和教师并不是孤立存在的，而是一个整体。另外，应鼓励教师在授课过程中充分利用数学和工程计算软件来培养学生的综合分析和设计能力，诸如自动化领域内的Matlab/Simulink、Maple/MapleSim软件，其功能不断发展，均提供了丰富的多域物理系统建模、控制系统设计和验证等功能，这也为学生综合能力的训练提供了很好的平台。

三、结语

在当前国家不断倡导和推进工程教育改革的时代背景下，各应用型本科院校需努力实现教育转型，这也是社会经济发展的必然要求。CDIO工程教育理念代表国际工程教育改革的最新成果，努力实践CDIO工程教育理念并实现与国际先进工程教育的接轨，进而为各行各业培养出优秀的工程师人才，是政府、应用型本科院校和企业共同的社会责任。工程教育改革的直接推动者是广大应用型本科院校的教师，因此各院校需要不断帮助教师确立CDIO工程教育理念和提高工程教学能力，并创造良好的教学改革环境。而全体教师需要在课程体系的设置、课程内容的制定以及教学活动的全部过程中有效贯彻CDIO工程教育理念。本文所提出的自动化专业工程教育改革的方向和策略，也将为自动化相关专业工程教育的建设提供思想借鉴。相信在教育主管部门的科学决策下以及各行业企事业单位的积极参与下，各应用型本科高校一定能探索出一条与国家社会经济发展需求相适应的工程教育之路。

参考文献：

[1]林健.如何理解和解决复杂工程问题———基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（05）：17-26+38.

[2]陈立奇.基于CDIO的电气工程及其自动化专业课程教学改革与实践[J].教育现代，2018（13）：80-81+99.

[3]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（S2）：138-141.

[4]张慧妍，金学波，孙晓荣.新时期自动化专业教学改革探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（06）：75-77.

[5]彭熙伟，廖晓钟，冬雷.自动化专业课程教学改革的探索与实践[J].中国大学教学，2016（01）：72-74.

[6]李占英.自动化专业应用型人才培养教学改革探索[J].中国现代教育装备，2020（01）：91-92.

（责任编辑：胡甜甜）