新工科背景下遥感实验教学CDIO-OBE模式改革

李 刚,秦 昆,万幼川

(武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079)

第四次工业革命正以指数级速度展开，世界高等工程教育面临新机遇、新挑战。为应对金融危机挑战、扩大实体经济、争夺国际产业竞争话语权，主要发达国家都将重振制造业作为优先发展的战略目标，重塑制造业竞争新优势。高等教育水平是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志，发达国家在制定重振工业发展战略部署的同时，也实施了相应的人才培养规划，积极加强工程教育改革。2013年4月德国政府在发布实施《工业4.0》战略报告之后，将加强“双元制”工程教育改革作为“德国制造”的基石、德国经济腾飞的秘密武器[1]。2014年4月美国政府组建了工业互联网联盟，为加速实现美国的工业互联网战略，2017年8月MIT启动了新一轮工程教育改革——“新工程教育转型”计划，代表了美国工程教育的最新发展方向[2]。为主动应对新一轮科技革命和产业变革的重大战略选择，2015年3月中国政府提出《中国制造2025》，规划了中国制造强国建设的战略部署，促使从制造大国向制造强国转变[3]。我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点上，新经济、新产业、新战略迫切需要培养大批新兴工程科技人才，工程教育与产业发展紧密联系、相互支撑，以《复旦共识》《天大行动》和《北京指南》为标志的新工科建设“三部曲”发布了我国工程教育改革的前瞻性战略报告，奏响了人才培养主旋律，部署了我国工程教育改革的新规划。

新工科建设以创新型、综合化、全周期的工程教育理念为指导，培养科学基础厚、工程实践能力强、综合素质高的应用型、技术型创新人才，要着力解决的是高等工程教育中的实践性和创新性问题。实验教学作为高等教育的重要组成部分，是培养学生创新意识和实践能力的重要环节[5]，也是培养学生以工程应用和创新设计能力为核心的系统工程能力的最关键、最主要方式，直接决定着工程教育的培养质量。在我国产业发展步入新变革、高等教育迈进新阶段之际，遥感实验教学主动与新工科教育理念相对接，入选国家首批新工科研究与实践项目，开展面向新工科的遥感实验教学改革。实验教学模式影响着教学方法的运用、教学资源的组织及教学过程的开展，决定着教学内容的选择和教学目标的达成[6]。实验教学模式创新是提高工程教育质量的重要途径，也是面向新工科的遥感实验教学改革的重要组成部分，本文主要介绍面向新工科的遥感实验教学中引入国际工程教育最新模式CDIO[7]和美国工程教育通用模式OBE[8]，并将其相结合实施CDIO-OBE模式的改革。

1 CDIO教育模式

CDIO代表构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)，是一种符合工程科技人才成长规律和特点的教育模式。CDIO工教育模式是近年来国际工程教育创新的最新研究成果，其创始人Edward Crawley由于该模式荣获美国工程院2010年“戈登奖”，该奖项被誉为“工程界的诺贝尔奖”[9]。CDIO以产品从研发到运行生命周期上的4个环节对应工程教育实践训练的4个环节：构思、设计、实施和运行，以工程实践为载体,让学生以自主实践、课程之间有效关联的方式学习工程,培养学生掌握工程技术知识和工程实践能力。CDIO不仅总结和发展了欧美20多年来工程教育改革的思想，而且系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施及检验测评标准。CDIO培养大纲为工程教育创造了一个通用的、完整的、合理的、可概括的教学目标，将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力层面,要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标。2008年4月，教育部高教司发文成立“CDIO工程教育研究与实践课题组”，以CDIO理念为指导开展了专业培养标准、一体化课程体系、基于项目/问题教学、探究式教学等的研究与实践工作，推进了CDIO的本土化与再创新，促进了中国的工程教育改革。

2 OBE教育模式

OBE(outcomes-based education)是基于成果导向的教育模式，以预期学习产出为中心，对教育进行组织、实施和评价的结构[10]。20世纪末，美国工程教育认证委员会颁布了以OBE教育理念为核心的工程教育认证标准，规定了学生毕业时应达到的能力和水平的预期目标及保证学生达到这些预期目标的教育形式。OBE模式已成为美国工程教育界全面采用的模式，《华盛顿协议》只认可采用OBE模式培养的本科工程学位。OBE强调要以学生为中心实施能力培养、能力训练和能力创新的教育，要以成果为导向引导人才培养方案持续改进。OBE理念以学习成果为导向，要求整个教学体系，包括教学过程、教学评价等，都要依据教学目标或学习成果的要求，以使提升教学质量更具可操作性[11]。OBE教育模式以学习产出驱动整个教学活动，首先要确定教育的“成果”，明确学生的“培养目标”，然后确定达到这一培养目标的方法，成果包括对知识整体结构的把握和理解、分析问题和解决问题的能力、创造性思维能力、不断学习和适应发展的能力等。2006年教育部启动工程教育专业认证试点工作，OBE已成为我国工程教育专业认证三大理念之一，也是我国工程专业建设的指导思想，推进着工程教育的改革和实践。

3 面向新工科的CDIO-OBE模式遥感实验教学

新工科要求借鉴国际先进的工程教育经验，探索实施工程教育人才培养的“新模式”。在“新工科”背景下，为培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的创新人才，遥感实验教学引入工程教育最新理念CDIO，以科学研究实验教学转化、工程应用实验教学转化开展项目式教学，同时引入美国工程教育通用模式OBE，以预期学习产出为中心来组织、实施和评价项目式教学，并将其结合创建多层次的新型教学模式CDIO-OBE，以成果产出驱动CDIO的整体训练。

根据CDIO能力大纲中规定的工程师必须具备的知识和技能，遥感实验教学的目的是以测绘科学、地球科学、计算机科学等多学科交叉融合的技术为基础，以遥感的理论、方法和应用为主线，培养学生的遥感技术知识和推理能力，个人技能、人际交往与团队合作技能以及构思、设计、实施、运行项目过程中所表现出来的系统工程能力。遥感实验教学实施CDIO-OBE模式，首先借鉴《华盛顿协议》体系、欧盟的EUR-ACE体系及我国工程教育专业认证标准，确定了整体预期学习产出；其次，根据整体预期学习产出，结合遥感专业特色和行业需求，逆向设计各门实验课程，建立实验课程与产出目标的匹配矩阵对遥感实验课程体系进行优化；然后，根据课程与产出的匹配矩阵构建课程目标，制定实验课程具体的预期学习产出，确定实现策略并对达成课程学习产出的教学内容进行追溯式设置；最后，以实现学习产出为目的，按CDIO开展项目和团队的整体训练，针对“构思、设计、实施、运行”环节精心设计项目式教学，形成CDIO-OBE相结合的教学模式。

3.1 实验教学整体预期学习产出

新工科建设要求用国际实质等效的标准引导专业教学，加强工程人才培养质量标准体系建设，培养创新型工程技术人才[4]。《华盛顿协议》体系和欧盟的EUR-ACE体系，是世界公认的工程教育标准体系。《华盛顿协议》规定了毕业生素质应由“必须掌握的知识”和“问题解决水平”构成[12]，要求具备沟通能力、合作能力、专业知识技能、终身学习能力、解决复杂问题和处理不确定性问题的能力及健全的世界观和责任感。欧盟的EUR-ACE体系界定了工程教育必须达到的6个方面的成果：知识和理解、工程分析、工程设计、调研、工程实践、可迁移技能[13]。为推进我国工程教育改革、提高工程教育质量，教育部开展了工程教育专业认证工作，提出了包含“工程知识”“问题分析”“设计/开发解决方案”“研究”等要求的毕业标准，构建了与国际等效接轨的工程教育体系。

借鉴《华盛顿协议》体系和欧盟的EUR-ACE体系，结合我国工程教育专业认证标准，分析遥感人才应具备的素质，探索遥感实验教学应达到的培养质量标准。遥感实验教学应有助于培养工程实践能力强、具备一定创新创业能力的高素质技能型人才，遥感实验教学实施CDIO-OBE模式的预期学习产出为：

(1) 数学知识和遥感技能:掌握数学、计算机科学及工程基础知识，掌握遥感专业技能，能运用遥感专业技术解决社会发展、环境监测中的复杂工程问题。

(2) 遥感问题分析:将数学知识运用于遥感工程实践问题，进行适当过程表述与方法分析。具备对技术问题进行调研、分析、实验的能力。

(3) 设计/开发遥感解决方案:能够应用遥感专业知识设计针对复杂遥感工程问题的解决方案、技术路线和方法步骤，并主动建构应用开发的知识经验。

(4) 遥感创新研究：针对复杂遥感工程应用问题，能利用遥感新技术、新方法进行创新研究、实施工程实验，并能对实验结果进行分析、解释，能够对实验过程加以控制。

(5) 遥感创业管理：掌握工程项目管理的基本原理和方法，掌握遥感地理信息市场及成果管理方面的知识，并能加以应用。

(6) 使用现代工具：掌握遥感文献检索、资料查询的方法，掌握多种获取遥感数据的方法，能够获取实验研究所需要的数据，能够利用多种遥感专业软件和计算机编程技术分析和解决遥感领域的复杂工程问题。

(7) 个人和团队、沟通：具有一定的组织管理能力、表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力。

(8) 工程、环境和可持续发展：合理分析和评价遥感工程实践对社会、环境、健康、安全的影响并理解应承担的责任，在工程设计中具备综合考虑多种制约因素的意识。

3.2 基于学习产出的实验课程体系优化

为支撑预期产出目标的达成，结合遥感专业特色和行业需求，将产出目标进一步分解具体化为明确的能力培养指标，表1为围绕培养目标的具体能力指标(部分)。

围绕实验教学整体预期学习产出及表1中培养目标的具体能力指标，逆向设计各门课程，通过分析实验课程与产出目标之间的相互关系，按照布鲁姆教育目标分类法确定课程对产出目标的支持程度，建立实验课程与产出目标的匹配矩阵，根据产出目标及课程对产出目标的支持程度优化遥感实验课程体系，强调能力培养型课程。设置了从地面、低空遥感实验到航空、航天遥感实验，从数据采集、处理实验到信息解译、应用实验，从区域资源分析实验到全球探测、监测实验，按理论技术基础型、专业技能综合型、工程应用设计型和探索研究创新型构成了相互衔接的多层次、多角度的实验课程体系，培养学生遥感专业技能、工程实践能力及创新研究能力，同时加强遥感工程应用能力培养。表2为遥感实验课程与预期学习产出的匹配矩阵(部分)，其中L1、L2、L3、L4、L5为布鲁姆教育目标分类确定的掌握程度，分别代表知道、领会、应用、分析、综合。

表1 培养目标的具体能力指标(部分)

表2 遥感实验课程与预期学习产出的匹配矩阵(部分)

续表2

3.3 课程学习产出及教学内容设计

实验教学整体预期学习产出最终要落实到具体的实验课程上，根据培养目标、能力指标，以及课程与产出的匹配矩阵设计构建课程目标，确定实验课程层面的预期学习产出。如分析表1和表2进行逆向设计，为培养学生遥感建模的知识和技能以及运用遥感模型分析、解决实际遥感应用问题的能力而开设了《遥感应用模型实验》，确定了表3所示的课程目标。

表3 《遥感应用模型实验》课程目标

根据课程层面的学习产出，分析教学内容与产出目标之间的关联，追溯式设计实现课程预期产出的教学内容，并确定实现策略，使用多样化的教学方法实现课程目标，表4展示了课程目标与教学内容、教学要求、教学方法的对应关系(部分)。根据“学习产出”类型，采取问题启发式方法、任务驱动式方法及翻转课堂等相结合的多样化方法，实现“以教师为主开展教学”到“以学生为本组织教学”的转变，以培养学生实践兴趣。

3.4 基于成果产出的CDIO教学

为实现遥感实验课程的预期学习产出，必须以能力培养为主线贯穿整个试验过程。CDIO以工程项目为载体，将课程系统地、有机地结合起来融入项目设计中，使学生以主动实践的方式参与到教学过程。

基于学习产出的遥感实验课程CDIO教学设置了“调研构思”“自主设计”“开发实现”“运行应用”4个教学环节，要求对项目式教学完整地展开“构思、设计、实现、运用”的整体训练。调研构思主要包括模拟进行项目应用调研、需求分析、可行性分析及技术程序和计划制订。自主设计主要包括技术路线、方法步骤、图纸设计及实施方案设计等。开发实现是将设计方案转化为成果产品的过程，包括制造、解码、测试及设计方案的确认。运行应用主要是分析、评价项目成果产出以对前期构思、设计、实现过程进行评估，对项目方案进行修正，经过再开发实现、再运行应用提高成果产出。基于成果产出的CDIO教学,以学习产出驱动CDIO实践教学过程,将所学的分散知识以完整的工程项目形式串成整体,在项目和团队工作中对主动学习能力、创新研究能力、系统工程能力及团队合作能力进行整体培养。遥感实验课程CDIO教学如图1所示。

表4 《遥感应用模型实验》课程教学产出(部分)

4 结 语

新工科建设是应对国家战略发展新需求、产业转型升级新趋势、国际竞争新形势而实施的人才培养规划。按照新工科建设的理念和要求进行遥感实验教学模式改革，对于实现新工科培养目标、提高实验教学质量、培养创新型遥感工程应用人才起着重要作用。本文总结了在新工科建设背景下遥感实验教学借鉴国际先进的工程教育经验、探索实施工程教育人才培养的CDIO-OBE新模式，以培养学生工程科技创新能力、终身学习发展、适应时代要求的关键能力，持续提升遥感工程人才的培养水平。