创客教育与CDIO融合研究

2018-04-12张德成

中国教育信息化·基础教育 2018年3期

摘要：世界各国的经济竞争和科技竞争，归根到底是民族创新能力的竞争。CDIO工程教育、创客教育通过项目学习、任务驱动等对创新人才的培养有着重要影响。文章研究了CDIO与创客教育产生的背景、内涵，分析了两者之间的差异，提出在创新思想的指导下，将CDIO的构思、设计、实现、运作过程与创客教育相融合的理念，构建了混合创新模型，以期有效提升“大众创业、万众创新”的品质和层次，提升工程教育专业和社会大众的创新能力和核心竞争力。

关键词：创客教育；CDIO；创新；融合；模型

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）06-0006-04

当今世界，各国之间激烈的是人才的竞争，建立国家创新体系，走创新型国家之路，已成为世界许多国家政府的共同选择。“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”是我国建设创新型国家的指导方针[1]，创新型人才是创新型国家的基础和重要保障。在“大众创业、万众创新”知识经济时代，使得创新过程网络化、全球化，草根大众将自身极具技术挑战的创意转化为现实制品，变身创客成为可能，创客、创客空间、创客教育等应运而生。与此同时，作为工科创新人才培养的学院派CDIO理念及其12条标准，对在校的工科学生的创新教育也起着重要的影响。

学院派的CDIO工程教育创新人才培养与草根大众的创客教育的自主创新，两者之间有何关系？其创新的理念、方法有何异同？能否将两者进行有效融合，促进创新规范化、大众化呢？文章通过对CDIO与创客教育的梳理，力求探索这些问题的答案。

一、CDIO与创客教育产生的背景

1.CDIO产生的背景

（1）工业制造的发展

工业革命经历了以蒸汽机为代表的机械时代、发电机为代表的电气时代、计算机为代表的信息时代，目前正在向智能时代迈进。相应的机械制造经过了工业1.0、2.0、3.0，正在向工业4.0发展。18世纪60年代至19世纪中期的工业1.0，通过水力和蒸汽机实现工厂机械化；19世纪后半期至20世纪初的工业2.0，采用电力驱动产品的大规模生产，通过零部件生产与产品装配的成功分离，将人类带入分工明确、大批量生产的高效新模式；20世纪70年代开始工业3.0，应用电子信息技术，使制造过程自动化控制程度、生产效率、良品率、分工合作、机械设备寿命等都得到了前所未有的提高；2010年前后出现的工业4.0，应用信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS），将实体物理世界与虚拟网络世界融合进行智能制造，将形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务新生产模式。工业制造方式不同，对工程人才的能力需求也不一样，因此高校工程人才的培养模式与方式必须不断更新，以适应工业制造发展的需要。

（2）工程人才的培养

西方国家，特别是英国作为工业革命的发源地，伴随着工业生产而产生早期的“师徒制”工程教育，教师以工程企业的一线工程师为主，在生产实践中对学生进行解决实际问题的教育，学校没有系统化理论课程。随着科技的发展，二十世纪四十年代末，系统论、控制论、信息论这三门边缘学科几乎同时产生，对科学技术和思维的发展起到了巨大的推动作用，对工程教育有着重要影响。20世纪后半叶，科学知识越来越与工程生产实践相融合，逐渐形成现代工程理论体系，工程教育逐渐从实践训练转向工程科学知识传授，教学场所从工程生产车间转移到大学教室，教师群体也从技术工程师转向工程理论研究人员[2]。

学校教育的特点是知识的基础性、完整性、系统性，由于教学条件的限制，往往重理论、轻实践，理论与实践严重脱离，高校工程专业所培养的毕业生难以适应现实工业生产的要求，需要针对性地在工业生产中进行实践的“回炉”、再“铸造”；同时由于学生缺乏相应的实践问题解决需求，对工程设计的思路、模式、方法等也缺乏系统认识，创新就更无从谈起。美国工程技术认证委员会在充分调研的基础上，对工程专业毕业生人才培养目标做出了大规模调整。高校工程教育必须主动调整人才培养模式，以满足工业生产领域的需求，CDIO工程教育模式应运而生。

2.创客教育产生的背景

所谓创客，就是一群以创新为基本追求，通过借助各种数字化、智能化和开源化工具努力把各种创意转变为现实的人群[3]。

创客源自英语单词“Maker”，原意是指“制造者”。从国外文献来看，创客（Maker，台湾翻译为“自造者”）这一术语最早出自2005年初创办发行的创客杂志（Maker Magazine），创办人Dale Dougherty[4]。创客最初灵感来源于Gershenfeld教授于1998年在MIT开设的一门课程“如何能够创造任何东西”，他认为与其让人们接受科学知识，不如给他们装备、相关的知识以及工具让他们自己来发现科学[5]。

创客一经提出便风靡全球，创新、创造得到全世界的认可和推广。创客产生的原因是多方面的：一是工业3.0的高效率、模块化与产品标准化的大规模定制，使最终的产品惊人的高度一致，缺少创新与个性，客观上为创新提出了必然要求；二是个人通讯和个人计算、开源硬件的普及、3D打印技术的兴起，为创客提供了必备的硬件条件，形成“DIY”（自己动手做）文化，他们掌握了自生产工具，实现了从专业科研人员到普通用戶、从专业实验室的科技创新到大众的共同创新、开放创新；三是知识经济、信息经济的关键是创新能力，只有信息共享，并与人的认知能力——智能相结合，才能高效率地产生新的知识[6]，才能推动第一生产力——科技的发展。

二、创客教育与CDIO的内涵

1.CDIO的内涵

1997年麻省理工学院航空/航天战略计划，提出CDIO增强本科生的关键能力，1999年与瑞典相关学校合作，从2000年开始CDIO项目，2001年诞生CDIO教学大纲V1版，2004年制定了CDIO标准，形成了构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）的CDIO工程教育理念和实施体系。并成立了CDIO国际合作组织，截至2017年8月共有120所高校自愿加入“CDIO工程教育联盟”[7]。

构思包括设立系统目标和要求、定义功能、概念和体系结构、系统建模并确保目标可能达成、项目发展的管理。

设计包括设计过程、设计过程分期与方法、设计中对知识的利用、学科专业设计、跨学科专业设计、综合设计。

实现包括设计实施的过程、硬件制造过程、软件实现过程、硬件与软件的结合、测试、验证、认证以及取得证书、实施过程管理。

运作包括设计和优化操作、培训及操作、支持系统的生命周期、系统改进和演变、弃置处理与产品报废问题、运行管理。

“构思、设计、实现、运作”四个单词及其顺序表达了产品开发与生产的四个阶段，体现模型与工程生产的紧密结合。CDIO包括了三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。CDIO的目标是培养工科学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等，通过3级、70条、400多款指标进行评价[8]。

CDIO的核心内涵主要有：工程理念贯穿于一体化教学计划，培养整体思维、系统思维；教学中以学生工程实践能力培养为中心，强调学生在工程实践场所中，基于自己的思考和解决问题的主动学习，要有强烈的求知欲和自省能力，形成综合性学习经验；学生要有创造性思维、批判性思维，有团队意识和创新精神。

2.创客教育的内涵

信息技术的普及、数字工具的应用，使大批志同道合的、具有把创意转变为现实的草根创客自组织地聚集在一起，协同工作。创客坚守创新理念，通过行动和持续实践，发现问题和需求，并努力找到解决方案，并乐于分享创新成果。他们最初的活动创客空间是车库。随着人员的不断扩展以及条件的日益改善，实验室、工作坊、厂房、工作间，甚至移动的卡车等都可成为创客空间。创客空间为参考与提供动手学习、协作、自我导向、STEM（科学、技术、工程与数学）教育、原型设计以及创客文化等机会[9]，遵循“亲自实践、共同分享、寻求创新”的理念[10]。发明创造将不只发生在拥有昂贵实验设备的大学或研究机构，也将不仅仅属于少数专业科研人员，而有机会在任何地方由任何人完成[11]。

创客的发明、创新、创造能力除自主协作学习获得外，也可以通过系统的教育、规范的实践获得，由此以培育大众创客精神为导向的教育形态[12]——创客教育应运而生。创客教育是一种融合信息技术，秉承“开放创新、探究体验”教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式[13]。概括来说，创客教育的本质是创新满足需求，协作实现创意，实践产生价值[14]。

三、创客教育与CDIO的比较

从上述的CDIO与创客教育产生的背景、内涵来看，两者有着相似之处，都是强调以学生为中心，让学生在一定的环境中灵活、自由、主动学习，通过项目解决问题，激发创新意识，培养创新精神、实践能力、团队协作能力、自主学习能力、以及沟通与表达能力等。但在以下方面有着明显的差异：

1.学习目标

CDIO工程教育培养的是针对企业需求的专业化、定制式、精英式人才，有真实的、复杂的工程问题，团队成员相对固定；将学科学习与工程职业训练相融合，知识、能力等相对标准、统一，须通过工程教育专业认证，以满足行业需求，具有明显的职业倾向性。（构建工程教育与企业界的联系机制，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性；促进我国工程教育的国际互认，提升国际竞争力。）

创客教育是面向大众的个性化教育，可以是在校学生，也可以是社会人员；创客按兴趣爱好构建松散性团队，压缩力相对较弱；学习的内容、进度等也是根据自己的喜好和能力自主选择和确定，以拓展知识、发展能力为目标，因人而异、按需学习；往往在生活中发现问题，自主探究解决问题，无明显的职业倾向。

2.知识体系

CDIO工程教育人才培养，围绕基础科学知识、核心工程基础知识、高级工程基础知识等系统构建知识体系与实践方案，具有各学科之间相互支撑并进行实践的一体化教学计划。

创客活动广泛，有开发学生智力的创客活动，如智力电脑游戏、机器人制作等；有满足学生基本生活需求的手工制作活动，如烘焙、园艺、剪纸等；有开展与学校课程设置相关的活动，如计算机、3D打印技术、电子设备等。因此对于创客教育而言，没有统一的标准和知识体系，是按需教学、按条件开展活动的碎片化知识。当前在机器人创客方面有着丰富的开源硬件，体系相对较为成熟，深受各类创客爱好者的喜爱。

3.实践场所

CDIO工程教育专业认证中有严格的支持条件，如教学设施、实验经费、仪器设备及使用率、师生比、实验开出率等，实践场所相对真实、规范、全面，实验场所有专业的实验教师指导，满足工程专业人才培养的目标要求。

创客教育场所相对自由，实验室、车库、工作坊等，只要能提供创客工作的基本条件即可；无统一的设备配置标准；创客教师人员较为复杂，包括企业工程师、博士、志愿者等，水平参差不齐。

4.社会评价

CDIO工程教育专业的社会评价是从用人单位的角度来看待专业培养出来的毕业生，包括来自就业单位、研究生培养机构、社会舆论的评价[15]。通过考试、面试、实践操作等方式评价学生的专业知识、应用能力和综合素质。

创客的最终成果是以用户为中心的创新产品，往往和实际紧密结合，具有新颖性、实用性、便利性等特点，能引领潮流。成果通过网络平台进行发布，并得到来自用户的评估[16]，具有市场前景的成果则会得到投资并转化为产品的机会。教育创客的作品实用性相对较少，可以从科学、技术、工程、藝术、数学多维度全面进行学生的能力和综合素质。CDIO与创客教育的比较如表1所示。

四、创客教育与CDIO的融合

无论是CDIO工程教育，还是创客教育，都包含了知识创新与技术创新，技术创新是在知识创新的基础上，要将各种技术转变为产品或服务并在市场上实现其价值，从而获取经济利益[17]。从上述的比较分析来看，CDIO由于受到专业性质、工程思想等的限制，往往过分拘泥于“构思、设计、实现、运作”的规范化模式，有时缺少问题意识和灵活创新。相反，创客教育传承了创新教育、DIY理念的思想，善于从生活中发现问题，通过“亲自动手”、“一起做”实现产品的创新，方法实用、灵活，但由于缺乏必要的工程教育系统知识与方法的支撑，解决问题难度较大，研究也难以深入，不能从根本上实现创新。因此，在创新思想的指导下，可将CDIO与创客教育相融合，取长补短，以突破各自的缺点与不足。

在借鉴企业技术创新过程模型的基础上，构建CDIO与创客教育深度融合的混合模型如图1所示。

具体过程是：基于问题、需求等构建创客团队，团队成员在系统知识的支持下，通过头脑风暴、讨论交流等方式进行创客互动，根据问题的目标、要求等形成构思，建立系统实现建模；运用系统知识进行跨学科的专业设计、综合设计；在创客实验场中，通过亲身实践，验证设计思路，通过3D打印等技术制作原形，试制产品；产品的生产实现过程中，可对设计、构思中存在的问题进行修正，力求产品的功能完善与规范等；通过互联网、市场调研等向用户征求意见、进行试用体验，通过云计算、大数据等实现创客产品的优化、系统的改进等，并借助互联网进行大范围的推广、应用，使创新产品实现规模化生产，实现创新知识的产品转化。

五、结束语

总之，在CDIO工程专业教育的基础上，融合大众化的创客教育理念，对培育“尚技重工”的文化[18]，提升学生的创新思维能力、系统知识掌握与应用能力、实践能力等都有着重要的影响，为用户提供更多的创新产品和创新体验，可有效提升“大众创业、万众创新”的品质和层次，使高校创客实践中心成为创新的起源场、互动场、实践场、系统化场[19]。

参考文献：

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[2]王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究.2009，（8）：116-119.

[3]克里斯·安德森.创客：新工业革命[M].北京：中信出版社，2012.

[4][9]刘丽敏，王晴.国外图书馆创客空间研究及实践进展[J].图书馆论坛.2016，（7）：115-123.

[5]Fab Lab.百度百科[DB/OL].https：//baike.baidu.com/item/fab%20lab/4795716？fr=aladdin， 2017-08-12.

[6]知識经济.百度百科[DB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E7%9F%A5%E8%AF%86%E7%BB%8F%E6%B5%8E/22646？fr=Aladdin， 2017-08-20.

[7]CDIO.CDIO[DB/OL].http：//www.cdio.org/，2017-08-30.

[8]CDIO.百度百科[OL].http：//www.baike.com/wiki/CDIO， 2017-09-03.

[10]张红利，曹芬芬.国内外典型图书馆创客空间实践研究和启示[J].图书馆学研究.2015，（22）：9-16，97.

[11]宋刚，陈凯亮.Fab Lab创新模式及其启示[J].科学管理研究.2008，（06）：1-4.

[12]祝智庭，雒亮.从创客运动到创客教育：培植众创文化[J].电化教育研究，2015，（7）：5-13.