基于CDIO的生物医学工程专业培养模式改革

谢 勇

（大理学院工程学院，云南大理 671003）

2010 年，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），并作为贯彻《国家中长期教育改革与发展规划纲要》而提出的高等教育重大改革计划〔1〕。该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务〔2〕。为了积极应对工程教育改革新的战略要求，我们对大理学院生物医学工程本科专业的培养模式进行了改革尝试，已取得了初步的成果。

1 改革生物医学工程本科专业培养模式的背景

大理学院生物医学工程本科专业于2010 年开始招生。考虑到大理学院的医学影像学专业有很好的办学优势和就业市场，所以我们最初把生物医学工程专业培养的主要方向确定为医学影像技术。在课程的设置上，我们加大了临床医学和医学影像相关课程的比重，明显形成了重理论，轻实践的模式。然而，在实习实训基地建设的过程中，我们发现各级医院对医学影像技术人员的需求接近饱和，反而对医学工程师的需求很大，于是我们决定对我院的生物医学工程本科专业的培养方案进行重大修订。

大理学院工程学院在多年的工程教育探索中，摸索出了一种“知识、能力、素质”三位一体的工程教育培养模式，其核心就是CDIO 工程教育改革〔3〕。它也是我们重新修订生物医学工程本科专业培养方案的主要理论基础。

CDIO，即“构思-设计-实施-运作”模式，是由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院等4 所学院经过4 年的跨国研究，于2004 年创立的工程教育理念。它以产品从研发到运行的整个周期为载体来培养学生获取知识、运用知识的能力，团队工作能力，沟通和交流的能力，以及创新能力〔4〕。CDIO 教育理论包含12 条标准和一套完整的教学大纲。其精髓是实践训练，它是贯穿CDIO 教学大纲的一条主线。CDIO 具有国际先进性，实践可操作性，全面系统性和普遍实用性〔5〕，对改变我们目前重理论，轻实践的工程教育现状有很好的指导作用。

2 改革内容

基于我院生物医学工程本科专业教育存在的问题和CDIO模式的优越性，2013年，我们开始了生物医学工程本科专业CDIO 工程教育试点改革，并在2014级生物医学工程本科学生中全面实施。

2.1 制定了基于CDIO模式的培养方案CDIO 的教学目标主要有两个，第一是要使得学生具有更强的技术和理论方面的能力，从而能够在新的产品和系统研发中去扮演一个引领者的作用；第二是要使他们深刻了解自己所做的研发工作的意义和影响〔5〕。

根据CDIO 教学大纲的目标要求，生物医学工程本科专业的CDIO培养方案的课程设计主要包含3 个层次的内容：第一层次为包含本专业相关科学基础和基本能力训练的课程；第二层次为包含相关核心课程和设计能力要求的课程；第三层次为高级工程能力增强与工程创新能力训练的课程。其中第一层次的课程主要在一、二年级完成，第二层次的课程在三年级完成，第三层次的课程和实训项目主要在四年级完成。

新的培养方案注重了实践能力的训练，实验、实训课程的比重比原方案增加了23.5%。为了保证第二、三层次教学的实际效果，我们特意增设了“生物医学工程教育”“电子电工工程训练”“医用信息技术创新设计”和“医用电子技术创新设计”等课程与实训项目，从系统结构上保障了CDIO 生物医学工程本科专业培养模式的科学性和可操作性。

2.2 建立模块化的课程群根据CDIO教学大纲的能力要求，结合大理学院课程设计体系，我们建立了“通识教育、学科基础、专业教育、实践环节”四大模块的课程体系，并建立了相对应的课程群。

四大模块中，通识教育课程主要包括哲学、社会科学、文学艺术、体育等课程。学生还可以在学校提供的700多门通识选修课中根据自己的兴趣选择12 学分的课程。这一模块的课程是学校规定的必修（选）课程，主要是理论教学。学科基础模块主要包括数学、物理、生物医学、电子技术基础、计算机应用基础等课程。这一模块的教学目标是夯实专业基础，并让学生获得基本的动手能力、分析能力、团队合作能力的训练。

专业教育模块主要包含生物医学信号处理、生物医学传感技术、医学电子仪器设计、微机技术、嵌入式系统、医学影像技术、医学信息管理与网络技术、PLC 技术、生物医学信息与挖掘技术、科研训练等。实践环节模块的课程和项目有创新设计、工程训练、工程教育、毕业设计和毕业实习等。这两个模块的培养目标是让学生获得高级工程能力提升与工程创新能力训练。

2.3 建构主义学习环境主导教学设计CDIO理论中，“设计（Design）”是指设计过程以及学科、多学科和多目标设计。“实施（Implement）”包括硬件与软件实现的过程、测试与证明以及实施过程的设计与管理。“运行（Operate）”包含了从设计到运行管理，再到支持产品、过程与系统的生命周期和改进，最后至生命周期终结的规划等〔4〕。为有效配合对生物医学工程本科的CDIO 工程教育，我们借鉴了建构主义学习环境理论来主导我们的课程设计。

建构主义学习环境（Constructivist Learning Environments，简称CLEs）是以学生为中心，教师在整个教学过程中利用学习环境要素使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构〔6〕。CLEs 要求教师利用现有的教学辅助手段创建适宜学生学习、训练的环境，并帮助学生完成知识的建构。学生作为学习的主体，需要借助教师创设的情境进行协作学习和会话交流来获得有意义的知识〔7〕。在这样的教学过程中，学生在一定的工程背景下，借助学习团队的帮助，利用必要的学习材料，通过意义建构的方式而获得知识的巩固和能力的提升。

例如“医用信息技术创新设计”，是在学生学习了数据库管理技术、医疗信息网络技术和医院信息系统等课程后，为学生开设的一个实训课程。该课程采用系统分析与实际应用相结合的教学方式，首先给学生剖析一个实际的工程应用系统，然后提出一个新产品开发的基本要求，让学生以3～5 人为一个项目小组，然后遵循CDIO 模式，即构思（设计的可行性论述）、设计（完成软件、硬件系统的设计）、实施（在规定的软件、硬件系统上测试和运行）、运行（系统管理、产品推广、产品支持），完成项目设计。通过这样的训练，学生能够把所学的专业知识同实际工程应用紧密联系起来，对典型工业产品的结构、设计和制造过程有一个初步的体验和认识，这不仅培养了学生的实践能力，还使学生的工程意识和组织能力得以增强。

3 结语

CDIO教育理念已被世界很多高校所采用，其理论也不断得到发展。瑞典的Linköping University 在CDIO 的框架下提出了Design-Build-Test 的工程教育模式〔8〕，澳大利亚的 Queensland University 根据CDIO 的标准 5，设计了 EDPS（Engineering Design and Practice Sequence）模式，用于四年制工科学生的教学〔9〕。大理学院生物医学工程本科专业的CDIO 培养模式实施一年多来，已经在改变“重理论，轻实践”的旧模式方面取得了一定成效，学生的动手实践机会显著增多，建构主义的学习环境也受到了师生的欢迎，学生的学习主动性明显增强。在云南省教育厅和大理学院的支持下，我们于2013年申报的《基于CDIO 的生物医学工程本科专业培养模式研究》教育改革项目获准实施。我们的下一步计划是寻找合适的企业，建立起生物医学工程本科专业工程教育的校企联合培养平台，使我校生物医学工程本科专业的CDIO工程教育模式得到提升和完善。

〔1〕林健. 谈实施“卓越工程师培养计划”引发的若干变革〔J〕.中国高等教育，2010（17）：30-32.

〔2〕程文婷.“卓越计划”背景下教学管理体制优化研究：基于高校创新人才的培养〔J〕.长春工业学院学报：高教研究版，2012，33（2）：13-15.

〔3〕Xie Yong，Ha Jincheol，Li Ruheng，et al.A Multi-level Engineering Talents Cultivating System〔J〕. Journal of Engineering Education Research，2012，15（4）：53-57.

〔4〕Crawley E.重新认识工程教育：国际CDIO培养模式与方法〔M〕.顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2010.

〔5〕顾佩华，陆小华，沈民奋.CDIO大纲与标准〔M〕.汕头：汕头学院出版社，2008.

〔6〕叶澜.教育学原理〔M〕.北京：人民教育出版社，2007.

〔7〕孟凡健.基于CDIO的教学案例设计〔D〕.石家庄：石家庄铁道学院，2013.

〔8〕Tomas Svensson，Svante Gunnarsson.A Design-Build-Test course in electronics based on the CDIO framework for engineering education〔J〕. International Journal of Electrical Engineering Education，2012，49（4）：349-364.

〔9〕Frank B，Strong D. Progress with the professional spine：A four-year engineering design and practice sequence〔J〕.Australasian Journal of Engineering Education，2013，19（1）：63-74.