CDIO模式下的压顶石项目设计与实施

张 伟, 柳玉辉, 王丽云

(1. 东北大学 计算机科学与工程学院, 沈阳 110819; 2. 东北大学 研究院, 沈阳 110819; 3. 辽宁大学 公共基础学院, 沈阳 110036)



CDIO模式下的压顶石项目设计与实施

张 伟1, 柳玉辉2, 王丽云3

(1. 东北大学 计算机科学与工程学院, 沈阳 110819; 2. 东北大学 研究院, 沈阳 110819; 3. 辽宁大学 公共基础学院, 沈阳 110036)

CDIO工程教育是一种崭新的教育模式,其核心思想是以工业产品(或系统)生命周期为背景,以项目为主线把学生必须学到的知识、素质和能力融合在一起,该模式要求工程专业的大学本科毕业生通过团队合作来获得“构思-设计-实现-运行” 复杂系统的能力。CDIO模式的培养计划中压顶石项目是这种理念的集中体现。根据作者的教学研究与实践,结合国外大学实施CDIO压顶石项目的经验,给出了设计与评价CDIO压顶石项目的一个解决方案,包括:1)如何以CDIO的能力大纲为指引设计压顶石项目;2)设计和实施压顶石项目需主要解决的问题;3)如何定量地评价一个压顶石项目的培养效果。最后,通过NEU本科毕业设计的事前/事后对比实验,验证了该方法的有效性。

CDIO工程教育; 压顶石项目; 毕业设计; 项目评价; ABET标准

0 引 言

CDIO工程教育模式(Conceive-Design-Implement-Operate)是由美国MIT和瑞典皇家工学院等4所大学在2000年提出一种新的基于项目教学的工程教育模式,其教育框架是源于这样一个共识:工程专业的毕业生应该具备通过团队合作来“构思-设计-实现-运行” 复杂系统(或产品)的能力。CDIO教育模式在培养学生综合实践的工程能力方面取得了良好的效果,很快的被全球100多所大学所采纳,到2016年已经召开12届CDIO年会,取得了大量的教学研究成果[1-3]。

1级项目(初级导引专业综合项目)2级项目(课程组项目)3级项目(课程项目)3级项目(课程项目)2级项目(课程组项目)3级项目(课程项目)3级项目(课程项目)2级项目(课程组项目)3级项目(课程项目)3级项目(课程项目)1级项目(高级专业综合项目:压顶石项目/毕业设计项目)

图1 CDIO三级项目体系

Fig.1 The three layer system of CDIO projects

CDIO教育模式的主要特点是以工业产品(或系统)生命周期为背景,以项目为主线把学生必须学到的知识、素质和能力融合在一起。培养方案的主框架是各种项目,而理论课程是为参加这些项目而开设的。项目分为3个级别:3级项目是对应一门课程的知识及能力而实施的实践项目;2级项目是针对一个课程群的知识能力的实践项目;1级项目则是针对本专业所有主要知识和能力而设计的项目,是综合性和实践性最强的项目,如图1所示。通常一个专业培养计划中,有2个1级项目:一个设置在第一学年,叫做奠基石项目(cornerstone),旨在激发学生对本专业的兴趣并使之对该专业有整体的概念;另一个1级项目设在第四学年,叫做压顶石项目(capstone)[4-5],旨在训练学生综合利用所有本专业的知识开发一个复杂的产品(或系统),从而提升其CDIO能力,同时也综合培养其个人职业能力、交流能力、团队合作能力。压顶石项目在国外通常是毕业设计,与我国高校的毕业设计基本对应。如何以CDIO的能力大纲为指引设计压顶石项目、设计和实施压顶石项目须主要把握哪些教学环节、如何定量地系统评价一个压顶石项目的培养效果,这些问题对于在我国高校工科专业中有效地开展CDIO模式的压顶石项目教学、改进我们的毕业设计,有重要的意义和参考价值。

本文在研究了瑞典于默奥大学、美国加州大学和新加坡理工大学等学校的经验[5-6],并结合作者本科毕业设计教学工作中的实践,给出了上述问题的一套解决方案,同时通过事前/事后对比实验验证了该方法的有效性。

1 压顶石项目设计

压顶石项目通常是毕业设计项目(下文中不做特别的区分),要求学生将前3年所学的知识、能力进行综合、应用、提高,同时通过对所完成项目任务的反思和评价,并获得团队工作的能力。压顶石项目的设计是一个基于企业工作过程的实践课程的教学设计,要重点解决好以下环节。

1.1 压顶石项目目标

压顶石项目的宗旨要满足以下4个宏观目标:

1) 提供实际企业项目来强化实践学习过程和学生参与度;

2) 创造更好的理论知识与实际应用均衡结合的学习任务;

3) 为社会和企业集团创造真正的商业价值;

4) 使学生在真正的(或者仿真的)企业工作环境和管理规范下开展工作。

表1所列的是学生、企业、学校各方对一个压顶石项目标的期望。

对于学生而言,项目课程目标可细化如下:

1) 在专业领域中识别、表述、界定一个问题或任务;

2) 在规定的时间框架内规划问题或任务的解决方案并定期报告;

3) 整合、提升与问题相关的知识以解决问题;

4) 为项目团队解决复杂问题做出贡献;

5) 投入到项目组的团队协作;

6) 每天用日记记录整个项目的进程;

7) 口头展示问题解决方案并为之辩护;

8) 比照项目目标评价项目效果;

9) 从问题表述、项目执行与执行效果等方面,批判地理解并评价其他项目组的工作。

表1 一个校企联合项目的利益相关者及其目标

企业和大学对于项目课程目标的描述可类似细化。

1.2 角色与责任

许多教师、企业工程师和学校行政人员参与到压顶石项目中来,他们的角色与责任如下:

1) 专业负责人确定学习效果与内容,选择合适的项目,并进行相关的协调。

2) 设有专门的主管来指导各个项目组,并评价项目质量。这些主管在课程中处于核心地位。

3) 对压顶石项目课程的考核由主管与主考者协同完成。

4) 教师、主管、工程师、辅导员共同对通用能力的培养负责。

5) 对通用能力学习效果的主考者由专业负责人担任,他们同时也组织收集课程评价情况。

6) 学生中心(或教学办及学生办)的管理人员负责项目课程中学生的注册、信息、项目选择、项目分配、必修课程的记录等。

1.3 理解行业和合作企业

在校大学生对企业的了解不足是影响压顶石项目成功实施的一个重要障碍,使学生了解并熟悉企业运营又是压顶石项目使学生受益最大的教学环节。

当大学与企业达成合作协议,参与项目的学生通过企业实习将学习到企业文化、组织结构、主流技术、项目管理和项目质量控制。例如,通过学校与企业合作,学生了解并掌握了某个拥有数万员工的IT企业的相关知识:

1) 企业文化----组织成员共同的行为方式----包括:互相尊重、学术自由与创新精神、工程技术的严谨性;如果一个组织文化是强有的、富于凝聚力的,那么这个组织的成员就会把组织的目标当成自己的目标,团结一致的努力奋斗;

2) 企业的组织结构,如图2所示;

3) 该企业的主流技术;

4) 该企业的项目开发过程管理,如图3所示;

5) 企业的质量控制,等。

1.4 项目开发方法

CDIO倡议并提供了一种用于工程教育框架。由学生、教师和企业人员共同研讨完成压顶石项目的前期准备和需求分析。团队开发项目的同时,理论研讨的学术会议也定期举行来给学生提供充足的领域知识,诸如业务开发、项目管理、服务设计、品牌推广和技术演讲。

1.4.1 项目计划的3个阶段

第一阶段:项目启动阶段,学生要撰写项目计划,包括:1)对项目目标、目的、内容的描述;2)项目所需的资源;3)项目的时间进度表;4)项目中的角色与责任的分配。

图2 某IT企业的组织结构

图3 某IT企业的项目开发管理

第二阶段:编制计划报告,将项目计划扩展为一个更加详细的问题描述与分析报告。专业负责人决定何时、怎样提交这份报告。报告应该包括以下信息:1)项目题目;2)背景;3)目标;4)项目涉及的问题和主题;5)限制;6)方法与性能。

图4 少年驾驶员安全辅助系统结构图Fig.4 Structure of the Safe-Teen-Driver system

第三阶段:最终报告,包括以下内容:1)题目页;2)摘要;3)目录;4)背景介绍;5)项目描述(主要部分);6)讨论部分;7)结论;8)参考文献;9)附件。最终报告的设计随项目特征的不同而变化。例如:文献研究与设计-构建-测试类项目的内容显然有差别。学生会得到特别的写作指导,所有参考文献应明确列出。

1.4.2 项目开发

项目开发是在需求分析报告和系统设计报告的基础上,开发实际可运行的完成特定功能的软硬件系统,涉及很多技术细节。本文以美国加州大学圣芭芭拉分校的一个压顶石项目“少年驾驶员安全辅助系统(Safe Teen Driver)”为例[6],描述项目开发的主要环节。

项目名称:少年驾驶员安全辅助系统(Safe Teen Driver)。

系统目标:设计并实现一个基于GPS通讯技术的车载监控设备,记录汽车轨迹和即时速度,具有图形界面和语音提示功能。

图5 少年驾驶员安全辅助系统外观图Fig.5 The panel of the Safe-Teen-Driver system

项目描述:少年驾驶员安全辅助系统通过GPS通讯记录汽车轨迹和即时速度。数据存储在SD卡中,计算机和SD读卡器均可读该卡数据。该设备(系统)使用一个双线LCD提供图形化的速度显示,同时使用放大器和扬声器提供语音的速度警告。该设备(系统)由5 个模块组成:1)处理器ARM 7,采用ARM7微处理器(32 K内存,512 K闪存,60 Mhz);2)GPS(I2C),提供经度和纬度的位置坐标;3)LCD(μART),提供图形化的用户操作界面,需要焊接I2C跳线;4)SD Card (SPI),GPS坐标被写在SD卡中,各种速度限制数据库也安装在SD卡中;5)、放大器,放大器与ARM7的DAC口连接,通过扬声器向用户播放语音。

少年驾驶员安全辅助系统(Safe Teen Driver)的结构框图如图4所示,该系统的产品外观图如图5所示。

1.5 项目时间安排

学生、教师和企业工程师组成的项目组共同讨论,详细制订项目开发的时间进度表是十分重要的,这可以使学生对整个项目由哪些开发过程组成、检查点是什么、中间结果是什么、何时联调各子模块等有一个整体的了解,而且该进度表也充分显示了CDIO项目的特点。图6是一个压顶石项目的开发进度表的样例。

图6 压顶石项目的开发进度表

2 压顶石项目教学效果及评估

2.1 学生问卷

从学生的反映来看,压顶石项目(或毕业设计)都给学生一个很好的综合实践的训练。本文讨论的最后一项内容是,以CDIO的项目评估标准对参与项目学生的学习效果进行定量评价,从而探索和研究未来按照CDIO标准对毕业设计教学应该提高和改进的方向。

为了更好地评价学生所参与项目工作的质量,对学生的考核应该与项目的类型一致起来。因此,一般将压顶石项目广义地分为:研究类、工程类和E-learning软件开发类等3 类。所有这些项目的评估要覆盖以下几方面:组织与计划 (10%);过程与/或产品(30%);中期报告与展示(10%);工作能力(25%);最终报告与展示(25%)。以上分类比例对各专业基本一致,也覆盖了其他没有采用CDIO理念的专业。每个方面需具体细分,限于篇幅,本文列出“工作能力”和“过程与/或产品”的详细分解表如表2和表3所示。

表2 考核评分表-工作能力

表3 考核评分表-过程与/或产品

学生的体验是衡量一个压顶石项目是否实现课程目标的一个重要因素。大多数参与项目的学生都有一个训练动手能力的工作模块,他们也希望找到项目工作的兴趣和挑战。图7是学生参与项目后对其CDIO能力的评价及数据统计。该图展示了瑞典林雪平(Link oping University)大学计算机科学、信息技术和工程管理3个专业的学生参加项目后CDIO能力的自信程度[7]。对于诸如“我学会了充分的‘团队合作’方面知识和能力”这样的问卷问题,学生给自己打分,打分范围是1～5分,1分为不自信,5分为完全自信。其中横坐标的能力项分别是CDIO能力中的一项。林雪平大学一共对1 544 名毕业生发出了问卷,收到了828 份答卷。数据显示,经过压顶石项目的训练,信息技术专业的学生在“团队合作”“经济学”“口头沟通”“领导力”“项目工作”等软实力方面大大强于比较偏向理论研究培养的计算机科学专业的学生。而后者在“数学”“批判思维”等方面则表现较强。3个专业都需要加强的是“系统实现”和“外语”能力。

图7 各专业CDIO能力比较

2.2 教师问卷

图8 教师对压顶石项目教学效果评价Fig.8 Faculty survey of the effects of CDIO capstone projects

大学教师们对压顶石项目的教学效果的评价则反映了CDIO教学改革的另一个重要的侧面。图8是对参与项目的教师进行问卷调查的统计结果,其中每个描述语句可由教师根据其认可程度打分,1分表示完全不同意,10分表示完全同意。可以看到,大多数教师对“毕业生CDIO能力提高了”“学生提高了人际交往能力”“压顶石项目质量改善了”“毕业生就业能力有所提高”表示认同,但也有很多教师认为“CDIO实施导致教学成本增加”和“毕业生的数学知识少了”[8]。

总的来说,CDIO压顶石项目是一个综合的实践的训练,确实能够提高诸如技术能力、沟通能力、团队合作能力、口头和书面表达能力等CDIO工程能力。当然,从各方面的反馈来看,实施CDIO压顶石项目,也有需要引起注意的地方:如,需要比较大的经费投入、可能减低学生对数学等基础理论的重视度等。

2.3 事前/事后测试法

事前/事后测试是一种测量学习效果的方法,它将学生在课程学习前所知道的与在学习后所知道的内容进行对比,以得出学习效果数据并进行分析[8-9]。本文作者对所指导的本科毕业设计进行了事前/事后对比实验,所设计的事前/事后测试问卷如表4所示,其中,技能自信水平指标分5 级:5-非常自信;4-相当自信;3-可以;2-自信较少;1-不自信。

对参与本校CDIO压顶石项目(工程类毕业设计)学生在毕业设计前和毕业设计后2 次发送并回收了《学生个人技能定期审核表》,该表格被收集并且进行逐项统计与分析,找出项目教学的优点与不足。根据统计分析的数据,指导教师修订教学内容以改进不足,并用学生学习中的进步来激励学生。典型的学习效果表现为事后测试至少比事前测试进步了20%～25%。通过这个事前/事后测试,验证了本文所提出的压顶石项目设计方案的有效性[10-13]。

3 结 论

实施CDIO工程教育的主要目的是给予学生更真实的工程教育体验。这要求每个学校有系统的方法来设计CDIO教学、尤其是基于项目的教学。本文以CDIO框架中最核心的压顶石项目为研究目标,结合以瑞典于默奥大学、美国加州大学和新加坡理工大学等学校的经验及作者的教学实践[14-15],给出了设计、分析和评价计算机类压顶石项目的一个解决方案,通过分析国外的教学质量数据并结合作者指导本科毕业设计的事前/事后对比实验,验证了该方案的有效性。

表4 学生个人技能定期审核表

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Design and implementation of capstone projects based on CDIO mode

ZHANG Wei1, LIU Yuhui2, WANG Liyun3

(1. College of Computer Sci. and Eng., Northeastern University, Shenyang 110169, China; 2. Research Academy, Northeastern University, Shenyang 110169, China; 3. College of Comprehensive Foundation Study, Liaoning University, Shenyang 110036, China)

CDIO is a new engineering education approach that integrates disciplinary knowledge, personal skills and system building abilities into experimental learning projects, and teaches students in the whole lifecycle of products or systems. CDIO aims to culture students toward obtaining the abilities of conceiving, designing,implementing and operating complex systems in a teamwork environment. The capstone projects in the curriculums epitomize the ideas of the CDIO approach. According to the authors’ research on the graduation projects of overseas universities and the practice in Northeastern University, an integrated solution for design and evaluation of CDIO capstone projects is described in this paper. The solution consists of the following 1) CDIO syllabus guided design of capstone projects; 2) the procedure for designing capstone projects and the expected outcomes of each of its stages; 3) the quantitative evaluation of the effects on students who participate in CDIO capstone projects. It is shown that, by a comparison experiment of pre-test and post-test to the Northeastern University undergraduate students, our method works effectively.

CDIO engineering education approach; capstone project; graduation project; project evaluation; ABET standard

1673-5862(2017)02-0220-08

2016-12-12。

国家科技支撑计划项目(2014BAI17B01); 软件开发环境国家重点实验室开放课题项目(SKLSDE-2012KF-02); 辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(辽教发[2014]123号)。

张 伟(1962-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士。

TP311; G434

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.019