面向专业认证的CDIO模式在无机非金属材料专业课程教学中的应用

刘开伟，孙道胜，丁 益，吴修胜，王爱国，徐海燕

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽合肥230022）

当今全球化和技术革新驱使工程实践在社会发展中起着越发重要的角色，最新的全球竞争力报告显示中国排在第28位[1]，在新兴市场中具有较强的竞争力，但是其中一级指标高等教育和技术培训仍略靠后，说明我国高等教育和技术培训与发达国家相比还有一定距离。随着人工智能、物联网等新兴产业的发展，世界已经迎来第四次工业革命。工程科技人才便成为其中的关键，决定着新兴产业发展质量的高低。为了着力解决当前工程教育“工程性”和“创新性”不足的问题，在进入新世纪之初国内很多工科院校采用CDIO工程教育模式并取得了较为明显的成效。为进一步提升我国教育国际竞争服务，我国于2016年正式加入《华盛顿协议》，希望达到工程教育学位国际互认[2]。

安徽建筑大学无机非金属材料专业入选教育部的“卓越工程师计划”并试点采用CDIO教学模式进行教学，同时该专业在2016年6月通过了国家工程教育认证的考察评估。因此基于安徽建筑大学无机非金属材料专业对比CDIO和工程教育专业认证在教育理念、培养目标、培养过程和评价方式方面的要求，分析CDIO模式在专业课程教学中教学设计和实施过程及其对工程教育专业认证评估的作用。

1 CDIO与工程教育专业认证的比较

CDIO工程教育理念是MIT和瑞典皇家工学院等大学在奈特基金支持下于2015年创立[3]，它是以学生为主体，让学生能够从产品研发到运行的全周期中主动参与并进行的学习方式，且设立相应的能力细则评价标准进行逐项评价。国际工程教育认证则是对学生毕业5年的目标提出要求，通过对结果的评价来评估是否达到工程教育的要求[4]。笔者将两者在发展愿景和理念、目标、实施、评价和改进体制这4个方面作对比，如表1所示。通过对比可以发现：（1）两者在发展愿景方面基本一致，均吸纳了基于学习产出的OBE模式的工程教育思想，都是以学生为教学主体，希望能够培养出满足产业需要、处理实际工程问题的工程师。（2）在培养目标与实施过程上，CDIO在真实产品设计与运行的基础上制定各项能力的要求标准进行推进，而工程教育认证则是一种认证的标准，是以认可的毕业要求为标准，反向实施教学全过程，并通过反馈形成持续改性的体系。（3）在评价环节，CDIO是将需要的能力细化评价，如掌握理论知识、个人与团队的合作、理解产品与社会关系等。而工程教育专业认证是描述了学生毕业时应该掌握的素养，通过毕业要求来分析是否达成。实际上，CDIO模式下能力大纲要求与专业认证中“毕业要求”是一致的[5-6]，不同的是CDIO在细节描述上更趋于量化并可以个性设定，而专业认证则是通过与标准比较后得出达成或者不达成的结果，然后得到认证结果为合格或不合格，是一种底线质量要求。

表1 CDIO和工程教育认证的对比分析

2 工程教育专业认证中引入CDIO教学模式

2.1 面向专业认证的专业课程优化

安徽建筑大学无机非金属材料专业根据专业认证的相关要求构建了专业教学体系，按纵向将课程分为通识教育、大类学科基础和专业课程3个方面。通识教育让学生掌握必需的、扎实的基础理论知识；大类学科基础则增强学生在大材料宏观方向的知识储备，如功能无机材料、传统无机材料等；专业课程则培养学生能够运用专业基础知识分析并解决建筑材料在工程应用中出现的问题。本专业针对工程教育专业认证的毕业要求，梳理了与毕业要求指标点对应的专业课程，开展了CDIO项目式教学改革，对专业课程进行了整合与优化。如本专业开设了“材料科学与工程综合实践”“水泥基材料设计”“建筑节能体系设计”和“材料工程设计”这4个CDIO项目来优化专业课程体系。这4个CDIO项目穿插于大三和大四两年时间内，第一个CDIO项目整合了《材料科学基础》《材料物理性能》《材料研究方法》课程学习；第二个和第三个CDIO项目学生二选一，整合了《胶凝材料与混凝土学》《材料工程基础》《现代混凝土技术》的学习，最后一个CDIO项目则串联《无机非金属材料工学》《无机材料生产设备》《材料工厂设计概论》的学习。

2.2 专业认证下CDIO教学的设计与实施

CDIO教学模式是以学生为中心、使学生参与产品整个生命周期的一个教学过程[7]。本文以其中一个CDIO项目做简单分析。在大三上学期的专业课程学习中学生会觉得学习内容极为抽象，容易感觉到枯燥。为了避免枯燥的理论学习，《材料科学与工程综合实践》CDIO项目被提出引入教学。该项目大体分为4个阶段，如图1所示。将班级的学生划分成小组参与CDIO项目的运行，约以6人为一组，然后选择一名导师完成一种功能材料的设计。在项目过程中学生变成主体，学生自行选择组长并进行项目的协调和统筹安排，老师则是在他们遇到问题时进行交流和指导。让学生在任务的驱动下，以团队合作的方式借助CDIO项目平台整合《材料科学基础》《材料物理性能》和《材料研究方法》等课程讲述的知识，让学生“学中做”和“做中学”，进行主动的探索和创作。

图1 《材料科学与工程综合实践》CDIO项目周期

（1）调研阶段（1～3周）。要求学生能够运用现代工具自主检索和查阅文献，对文献进行比较和分析，同时可走访周边相关企业进行调研和分析。要求学生提交前期调研报告，由指导老师检查每个小组的项目调研报告。

（2）材料设计阶段（2～4周）。要求学生根据调研报告的结果，在小组反复讨论后完成材料的配方设计和工艺方案，并讨论方案的可行性。此阶段学生需要提交方案的可行性论证报告。

（3）材料制备及性能测试阶段（6～8周）。该阶段要求学生合理选择相关的设备，在安全规程下操作设备、制备材料，并对制备材料的性能进行检测。如遇到问题，在团队内部开展交流，进行反向解决问题。

（4）成果展示/运用阶段（2周）。当项目由指导老师验收完后，学生根据内部验收的结果，改进完成最后的样品，所有小组进行展示和评比。。

在项目实施过程中安排两种形式交流环节，一种是所有小组不定期交流讨论，由学生组织安排；另一种是指导教师和学生一起讨论交流项目过程中的问题。

2.3 CDIO学习成果评价与毕业要求达成度的关系

在项目实施阶段，按照专业认证的毕业要求，结合自身专业的特点，根据能力达成程度对CDIO项目成绩进行评价，学生的学习成绩评价由以下4个部分组成：

（1）组内互评20分。这部分主要为项目小组内部成员匿名评价后求平均值，分为4个部分：文献查阅、资料收集（25%）；信息共享及献计献策（25%）；设计及分析解决问题（25%）；小组活动的组织、管理与活跃度（25%）。

（2）组间互评10分。这部分成绩由其他小组匿名评价后求平均值，评分项目为各团队间的合作交流（50%）及项目过程评价（50%）。

（3）指导老师评价40分。小组指导老师对小组成员以下7个方面的表现进行打分：文献查阅（10%）、方案设计（20%）、装置搭建（20%）、数据分析（10%）、工具/软件的应用（10%）、材料对社会的影响（10%）、团队合作与交流（20%）。

（4）答辩成绩30分。答辩成绩由所有指导教师根据每个小组4次答辩后打分求平均值构成，计入该小组每个人的答辩成绩。4次答辩评委教师评分依据文献调研、交流表达、自主学习（总计12.5%），材料与环境关系、方案设计、交流表达（总计25%），方案执行、个人与团队关系、自主学习（总计25%），理论知识点、数据分析、问题分析与解决、产品性能（总计12.5%）。

在工程教育专业认证的达成度分析中，专业课程体系对毕业要求的支撑极为重要。毕业要求主要是工程知识、问题分析、设计/开发解决问题的方案、研究问题、使用现代工具、工程与社会的关系、环境与可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通能力、项目管理和终生学习这12条[8]。而此时采用以学生为中心的CDIO教学模式可以整合优化相关课程教学，将学生的能力细化和量化，可有效地支撑毕业要求达成度分析。如CDIO项目中的文献查阅能力可以有效支撑毕业要求1、5和12；材料配方设计课支撑毕业要求2和3；方案设计支撑毕业要求3、5、9和10；理解材料与社会/环境的关系可支撑毕业要求6，7和8；信息共享和团队合作支撑毕业要求9、10和11；实验装置的安全搭建可支撑毕业要求2，3和6；数据分析和方案调整可支撑毕业要求1，4，5和12；交流表达可支撑毕业要求10和11；软件和工具应用支撑毕业要求3和5；自主学习能力可支撑毕业要求12。综上，引入以学生为中心的CDIO教学模式能够优化专业课程体系，对学生的各项能力进行培养并评价，而细则能力的量化评价又十分有助于工程教育认证过程中毕业要求达成度的分析和评价。

3 总结

总体而言，在目标和实施上略有差异，专业认证则是围绕毕业要求达成，是不分专业的通用“底线”，通过统一标准验证工程教育水平是否达标，作为刚性约束为各专业提供了通识的努力方向和目标。而CDIO偏向于整个产品周期过程中各项能力的培养，对能力有足够的细化，是追求产业需求的逼近，通过具体自身专业目标来制定柔性定制培养内容，可以是动态拔优的“高线”。由于两者的愿景和理念一致，评价也只是描述上的差异。通过CDIO教学模式能够有效优化专业课程体系，且细化的CDIO能力指标能够直接支撑课程体系对毕业要求达成度的贡献，对持续改进有明显积极的意义。因此CDIO教学模式更有利于毕业达成度的分析，两者的结合可以更好地优化工程领域人才的培养。