项目牵引的轮机工程专业CDIO课程教学模式构建

贾宝柱许媛媛安连彤郝康

(1.广东海洋大学 海运学院，广东 湛江 524088；2.南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)，广东 湛江 524088)

一、引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。天津大学继2019年4月发布实施的深入改革和全面创新工程教育体系的“天大方案”后，于2020年6月印发《天津大学新工科建设方案2.0》，迭代创新、持续优化中国高等工程教育方案设计，提出四方面12条重点任务和关键举措，引领并推动全国高等工程教育“质量革命”深入推进。

蓬勃发展的新工科建设和工程教育专业认证背景下，从顶层设计到质量提升，全国乃至全世界都在探索高等工程教育、教学的新模式、新方法[1]，CDIO(Conceive，Design，Implement，Operate)工程教育就是目前研究最深入、实践规模最广的模式之一。截至目前，我国已有近170所高校和企业单位加入CDIO工程教育联盟，积极开展现代工程教育研究与实践。在工程教育认证与CDIO培养模式的融合探索方面，胡海峰等[2]、马发顺等[3]、唐文献等[4]通过对工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的比较研究，从二者的理念、标准、学习成果等方面充分论证了工程教育专业认证与CDIO工程教育模式的一致性，提出CDIO培养模式是现代工程教育的理想方案和实现工程教育专业认证的最佳途径；在基于CDIO的课程教学模式探索方面，曾洪涛等[5]从课程体系结构、创新实践课程等方面对能源动力类专业课程提出创新与改革措施；针对轮机工程专业课程改革，黄连忠等[6]提出基于雨课堂的全时空混合式教学模式设计和实践方案，为提升轮机工程专业课程教学质量提供重要参考。

已有文献对接国内与国际工程教育的轮机工程专业课程教育教学模式改革研究还有广阔的深入与拓展空间。本文针对轮机工程专业理论与实践结合要求较高的课程，构建项目牵引的CDIO课程教学模式，契合《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》明确的“两性一度”内涵要求，具有一定的典型性和创新性。以“船机维修技术”课程为例，在满足交通运输部海事局船员适任证书考试要求的基础上，面向工程教育专业认证，对培养具备实践能力、管理能力、创新能力，适应国家经济社会发展需要的高质量综合型工程领域人才的课程教学模式进行设计和实践研究[7]。

二、轮机工程专业课程教学模式改革的必要性

1.工程教育专业认证与船员培训质量管理认证的需求

2006年，我国启动工程教育专业认证试点工作，截至2019年底，全国共有241所普通高等学校1353个专业通过了工程教育认证，涉及21个工科专业类。轮机工程专业作为同时受控于教育部高等教育质量体系和交通运输部海事局质量管理体系的传统涉外类、航海类工程教育专业，需要发挥自身人才培养、教育教学优势，深度融合高等教育质量体系和船员培训质量管理体系进行教育、教学改革，实现工程教育专业认证和船员培训质量管理认证双资质[2]。

2.“以学生为中心”工程教育教学模式构建的需求

相关统计可见,“以教师为中心”的传统教学模式使学生处于被动接受的学习氛围中，课堂上师生互动性差，学生对课程内容兴趣低，如图1所示(数据来源：麦可思-中国2017届、2018届大学毕业生培养质量跟踪评价)。

图1 2017、2018届大学毕业生培养质量评价

2017、2018届大学毕业生中，超过60%认为母校教学在“实习和实践环节不够”，需要改进(排名第一)，认为教学“无法调动学生学习兴趣”的人数接近50%。两届毕业生在各选项的人数、比例趋于一致，表明目前国内大学生对大学教育教学改革的期望是一致的。“学生中心、成果导向、持续改进”的现代CDIO工程教育理念和课程教学模式更加契合当前高等教育的需求和期望。

三、项目牵引的CDIO课程教学模式改革方案

“船机维修技术”作为轮机工程专业的一门专业教育核心课程，在轮机工程专业人才培养中承担着十分重要的角色，是根据国际海事组织(IMO)STCW公约规则所划分的7项职能之一——“轮机维护与修理”而设置，是“操作级”3000kW及以上船舶二/三管轮的必考科目[8]。

“船机维修技术”不仅是包含船机缺陷检查、修复工艺、维修保养的“技术”课程，而且是涉及材料、轮机、船舶、管理、再制造等多领域知识的工程系统课程，在教学内容上涵盖故障与维修理论、缺陷检验与故障诊断，以及船机主要部件缺陷和故障及其发生机理、修复工艺、维护保养、修理和检验以及维修生产管理等多学科基础理论及实践应用，具有内容繁杂、实践性强、涵盖学科广、知识点分散、教学难度大以及理论与实践结合度高等特点，对学生的基础理论学习和实践操作能力要求较高。

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)。CDIO能力大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力及素养、人际团队能力和工程系统能力四个层面[9]，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。本质上讲，CDIO标准应为一个实施CDIO培养模式的指引，在CDIO能力培养大纲中各个层面设置相应的项目任务教学，构建基于项目牵引的“学生中心、成果导向、持续改进”CDIO课程教学改革方案，并建立教学过程监控的持续优化闭环控制，实现教育教学质量的持续改进，调整现有教学大纲[10]。项目牵引的CDIO课程教学模式闭环控制模型如图2所示。

图2 项目牵引的CDIO课程教学模式闭环控制模型

1.工程基础知识层面

目前广东海洋大学海运学院“船机维修技术”课程教学大纲设置48学时理论教学和8学时实验教学，初步形成“理论+实践”的工程教育模式。结合项目牵引的CDIO课程教学模式，融合课堂讲授、信息技术等教学手段，在理论教学环节，结合线上教学平台(如超星学习通、雨课堂等)进行混合式教学，细分课前、课中、课后学习内容，丰富教学手段和方法，并采用学校已完成的“船机维修技术”课程题库的递进式渗透和考核，夯实基础理论知识，实现理论知识一体化。

2.个人能力及素养层面

基于课程知识体系，凝练课程实践任务，在实验实践教学环节，通过动手实践，深入理解船机部件故障形式及机理。一方面基于理论知识建立各个部件的故障模型，提出故障诊断方法；另一方面，根据船机部件的特性选取合适的缺陷检验方法、修复工艺，完成船机零部件的修理，并对标现行行业规范和企业标准，对船机零部件进行最终检验和验收工作。最后，基于故障诊断方法、船机零部件维修后的状态进行可靠度研究，形成“理论—实践—总结”的一体化学习过程。

3.人际团队能力层面

基于“船机维修技术”教学内容，结合项目牵引的CDIO课程教学模式，凝练具备独立性和系统性，具有层次化、模块化、实践性强的高阶化的课程项目，增强学生学习过程中的体验感和获得感[11-12]。在课程教学实施过程中，通过凝练课程项目安排4～6个课程项目，如曲轴检修、气缸套检修，以及结合现代船舶修造技术、人工智能等多学科融合的在线油液监测、振动噪声监测、智能故障诊断、船机设备PHM故障预测与健康管理等，采用分组研讨、案例教学、现场教学等手段增强人际团队能力培养。

4.工程系统能力层面

进一步探索工程实践过程，从成本管理、时间管理、资源管理等方面分析船机零部件维修、整体大修过程中的项目实施及进展，形成理论、实践和素养有机融合的教学方案。同时借助大学生创新创业训练项目、挑战杯等科研项目牵引，培养学生对具体科研问题的系统化和专业化能力，提升学生的工程系统能力，实现知识学习和能力培养过程的一体化。

5.合理设计课程评价机制

工程教育的考核过程分布于整个教学实施过程，从理论教学、实验实践，到工程项目和工程系统能力实践，形成一套科学合理的考核评价体系，为教学大纲、教学计划、教学方案的调整提供高效、精准的反馈，形成一体化教学实施过程，增强工程教育教学效果[13]。参考图2中教学实施过程，根据“船机维修技术”课程培养方案及教学大纲，提出具体考核评价方法见表1。

表1 课程考核评价方法

以CDIO标准指引CDIO培养模式实施，建立教学评价微反馈循环，增强评价的可信度、效用度，在CDIO能力培养大纲中各个层面设置相应的考核评价标准，以此作为教学、评价导向，提升教学内容、评价机制的挑战度，进而提升学生工程系统能力。

6.课程教学模式的持续改进

(1)教学全过程的持续改进

如图2中的工程教学模式闭环控制模型，依托CDIO能力大纲四个层面的工程能力目标，制定项目牵引的CDIO模式课程教学大纲，设计一体化课程教学方案；通过教学实施过程，获得学生学习成果评价和教学评价，作为反馈调整教学大纲、教学方案，形成课程教学全过程的闭环控制过程。

(2)工程教育教学能力持续改进

探索企业与学校的产研学合作通道，深入挖掘本地、珠三角、琼州海峡等地区船舶制造、营运和维修企业丰富的科研和教学资源，以产业企业先进生产技术和工程项目为牵引，融合学校教师的科研创新能力，使产业推动科研进步、科研带动产业发展，并在科研活动过程中，提高青年任课教师工程实践能力和工程教学能力。在产研融合创新的同时，凝练船机生产和维修的工程教学案例，高阶化课程教学内容，实现产业、科研、教学协同发展。

近一年来，学院邀请国内外学者、专家开展科学研究、教育教学等相关学术讲座和专题报告10余场，积极在珠三角、琼州海峡及本地相关船舶生产、维修、运营单位探索产研学长效合作机制，并借助南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)、本校船舶与海洋工程学科平台，深度融合产研学协同创新与发展。一系列举措为教师科研、教育教学能力的提升提供交流、学习平台，并取得显著成效。

四、项目牵引的CDIO课程教学模式实践

通过课程教学实践，初步完成项目牵引的“船机维修技术”CDIO课程教学模式实施框架的构建及基于超星学习通的混合式教学课程建设，在2017级轮机工程专业“船机维修技术”课程教学实施过程中完成了应用实践。

1.课程项目教学实践分析

在CDIO工程教育理念+项目牵引教学模式下，采用分组讨论、分组实践课程任务、课程项目教学中，制定相应的评分评价标准见表2，丰富过程评价方法见表3，综合教师评价、组内互评、组间互评(仅组长评价)、自评的评分评价结果，最终获得任务小组及个人的评价结果。

表2 考核评分评价标准

表3 课程项目考核评价方法

从某一论文类课程项目的10个教学小组中抽取优秀组、良好组、中等组各一组，计算每组各项成绩平均分，三组学生各项成绩平均分分布如图3所示。其中，组间互评呈逆序偏差，表明学生对该课程项目的主题、论文水平认知、评价方面存在一定偏差；组内互评成绩平均值落差较大，表明组内对各成员项目贡献度辨识清晰；自评成绩基本符合整体评价结果，而成绩差距缩小，表明学生对项目完成度、贡献度等自我认识较为准确。该课程项目的学生成绩分布如图4所示，标准偏差为3.43，基本符合正态分布。

图3 三个小组各项成绩平均分分布图 图4 课程项目所有学生成绩分布图

基于以上分析，在课程项目考核评价方面改进措施如下：(1)凝练改进课程、科研项目，调动学生兴趣，提高学生参与课程项目、科研项目的积极性和自主性；(2)为学生深入分析课程、科研项目，促进学生对项目主题、内容、思路的理解，避免认知误差导致的成绩误差；(3)加强学生的人文和思想教育教学，端正自评、互评态度，根据具体情况调整自评和互评成绩比例。

2.课程项目教学模式评价分析

在“持续改进”的CDIO工程教育理念下，及时掌握项目牵引的CDIO课程教学模式应用和实践效果，在教学过程结束后，通过问卷形式调查学生对该教学模式评价情况，累计发出问卷89份，收回有效问卷89份，回收率为100%，部分统计结果如图5—图8所示。其中一项题目为“学生在大学期间学习成绩自我评价”，如图5所示，基本呈正态分布，证明该调查问卷置信水平较高。

(1)在CDIO工程教育理念下，融合项目牵引教学模式，以科研项目为依托凝练可行性高的课程项目，通过论文或实践项目进行分组研讨，学生对此模式评价如图6所示，其中“满意”与“非常满意”的比例达82.1%，表明学生对该教学理念和模式的可行性、教学实施过程的评价较高。

图5 学生对大学期间学习成绩自我评价 图6 项目牵引的CDIO课程教学模式评价

图7 平时成绩计算方法评价 图8 “船机维修技术”课程教学效果总体评价

(2)根据“船机维修技术”课程培养方案及教学大纲确定课程平时成绩与理论考试成绩比例各占50%，其中平时成绩包含课程任务、课程项目和工程实践评价(见表1)，综合考勤、课程项目、讨论、中期考核等各项指标成绩，学生对此评价结果如图7所示，“非常满意”占比55.1%，“满意”及“非常满意”占比高达92.2%，由此可见绝大部分学生认为“理论与实践”相结合的综合考核方式置信度较高、满意度更高。

(3)“船机维修技术”课程总体评价上，包括教学水平、教学模式、教学手段及课堂管理等方面，超过70%的学生“非常满意”，给予“满意”以上评价的学生占94.4%，表明学生从学习效果、课堂教学效果等多方面总体认可度较高。

五、结语

本教学团队融合CDIO工程教育理念与项目牵引教学模式，针对轮机工程专业理论与实践结合较强的课程，从教学计划、教学内容、产研学协同育人和考核评价机制等方面具体规划课程教学实施过程。在CDIO工程教育理念下，通过项目牵引教学模式，以“船机维修技术”课程教学实践为范例，夯实学生的专业理论知识，培养职业道德素养，充分挖掘学习和科研潜力，调动学生参与科学研究、学术创新的积极性和能动性，培养其分析与解决问题能力、沟通与合作能力、总结与创新能力，提升专业课程教学质量，培养学生成为具有系统性专业思维和专业能力的工程领域人才。该教学模式的设计和创新将为轮机工程专业的工程教育专业认证和“双万计划”一流本科课程建设探索新的思路。