“MPC-CDIO教育教学模式”实施效果评析

王 芳 张 瑛 刘建军 严彦文 郭绍辉

(中国石油大学(北京)理学院,北京 102249)

1 MPC - CDIO概述

1.1 概念

MPC-CDIO(Mathematics and Physics Courses-Conceive, Design, Implement and Operate)是为了响应教育部的2010年6月开始启动的“培养卓越工程师”的号召[1]，2011年由中国石油大学(北京)理学院提出来的将数理公共基础课程教学改革放到卓越工程教育的大背景下所进行的教育教学模式改革。MPC-CDIO是在CDIO工程教育理念及能力培养通识目标的基础上，从数理课程具体的内容特点出发，围绕工程能力的培养特别是数理能力及素养的训练所建立起来的国内首创改革模式。MPC-CDIO教育教学模式改革明确“3个坚持”为培养目标，即坚持实现低年级大学生“知识、能力、素质”协调发展的目标；坚持支撑服务专业院系人才培养需求的目标；坚持为学生终身发展或可持续发展服务的目标。MPC-CDIO工程教育教学模式内容涵盖了分层分类的MPC-CDIO课程体系的建设，MPC-CDIO能力培养大纲的确立，MPC-CDIO三级能力培养项目体系的建立，教、学、研互动式教育教学模式的实施，以及保障和评价体系的设计等内容[2]。

1.2 理论基础

截至2010年底，我国已开设有工科专业的本科高校是1003所，占本科高校的90%。但麦肯锡全球研究所统计资料显示[3]，80.7%的美国工程师可在全球受雇，而满足同样条件的中国工程师只有10%。不仅如此，洛桑管理开发研究院的《国际竞争力年度报告》显示中国工程师被认可程度连续多年位居末位。数据表明，我国目前只是工程大国而非强国。因此，作为直接为国家输送人才的大学工程教育教学改革迫在眉睫。

吸取国际工程教育领先国家的经验，教育部于2010年启动了工程教育重大改革项目“卓越工程师教育培养计划”，从此开始大力度进行高等教育的卓越工程师培养进程。但问题是如何培养一名卓越工程师?究竟采取何种模式进行改革?这是横亘在高教工作者面前的亟待解决的问题。适逢其时, CDIO作为国际先进的工程教育理念和模式之一[4], 2005年开始引入中国的各高校教育教学中，取得了很好的效果。中国石油大学(北京)理学院认真研究领会CDIO工程教育理念，借鉴了汕头大学的EIP_CDIO工程教育模式[5]、清华大学的联结理论与实践的CDIO工程教育模式[6]、华中科技大学的CDIO工程文化教育模式[7]等先进的CDIO教育教学模式改革。在调研学习的基础上首次将CDIO工程教育理念引入数理基础课教学中.突出数理课程与CDIO能力之间的交叉融合与培养,坚持工科大学的学生除了应具备坚实的数理基础知识以外，还应具备在低年级就应获得的数理素养以及通过数理课程学习应获得的其他课程所不能代替的能力，例如，数学和物理建模的能力，定性与半定量问题的研究能力，量级的估算能力等。为高年级的专业研修乃至毕业后成为一名卓越的工程师打下良好的基础。

1.3 框架及内容

MPC-CDIO教育教学模式不仅要在教学中实现CDIO工程教育模式所要实现的“知识、能力和素质”的协调发展，更重要的是将CDIO教学大纲中的关于知识和能力目标融进数理教学过程中，通过课内的课程体系和课程内容改革、课外的三级项目体系创新以及教学方法和手段的配套实施最终实现卓越工程人才培养目标。图1是主要分3个模块进行的MPC-CDIO教育教学模式具体框架结构。

图1 MPC-CDIO教育教学模式的框架结构

1) 实施MPC-CDIO分层分类分级式课程体系，满足不同学习目标的能力培养

课程体系和教学内容决定着人才培养对象所具有的知识、能力和素养的结构和内涵，因此，需要构建合理的数理课程体系并改革教学内容以满足将来不同专业的需求，例如，石油、地质等学科需要的数理知识不仅面要广而且要有一定的深度；而化工、应化等专业则需要扩大知识面和见识；而人文社科类的数理难度最小。基于这样的需求，学院将数理公共基础课进行了归类分级，对内容和要求进行了调整和删减，形成了以适应学生个性化培养的分层分类MPC-CDIO课程体系[1]。包括以培养学术研究型人才为主的创新班，以培养工程技术高级人才的卓越班，以及普通工程人才的普通班和文科班。根据人才培养目标和类型，从教材的选用、教学内容、教学手段等方面都进行了设计和建设，不仅体现了学科专业的交叉性和综合性，而且突出了高校人才培养的特色价值和个性发展，目的是因材施教最终能够人尽其才。

2) 设计、构建三级MPC-CDIO项目体系，逐层培养训练学生的工程能力

为了更有效地实现CDIO能力培养，学院按照专业人才培养需求，进行了“CDIO能力分析”，筛选出凸现数理能力和素养特征的新能力条款，研发出相应的研究项目，并以其作为纽带，对数理核心课程及内容进行了优化与重组，形成了三级MPC-CDIO项目体系(见表1)，对学生的各类工程能力进行不同深度的训练，最终实现“知识、能力、素质”三者协调发展的目的。具体的，第三级MPC-CDIO项目主要来源于根据教材改编的习题，目的是培养数理素养，如数学语言的物理意义、量纲量级的转换规律等内容，放在大一新生中进行，用以规范学生的学习行为、习惯等素质。二级MPC-CDIO项目源于数理知识的拓展和应用，包括数学建模、物理实验竞赛等，突出数理课程的结合，致力于数理知识的综合能力训练和培养,时间是从大一下半年持续到大二年级整一年。而一级MPC-CDIO项目从大二上半年至毕业一直持续进行，重点是创新创意综合训练素质项目，与工程技术、专业背景、节能源环保等热点问题结合的数理科技创新训练课题，旨在对学生进行MPC-CDIO项目全过程训练，开发学生的创新、创意潜能，提升学生全面的CDIO综合素质。

表1 三级MPC-CDIO项目体系列表

3) 建立MPC-CDIO“教、学、研”互动式教学模式,促进能力培养的力度和速度

无论是课程体系和教学内容的改革还是MPC-CDIO三级项目的训练都要在教学过程中去具体实施，实践过程中的教学方法和教学手段的设计至关重要。MPC-CDIO教-学-研互动式教育教学模式[1]融“教、学、研”于一体，依托各级各类MPC-CDIO项目研讨，学生通过“自主探索、合作研究、交流讨论、成果展示以及总结点评”等环节，真正深度参与教学活动。该教学模式包括MPC-CDIO课堂教学互动、MPC-CDIO实践教学互动和MPC-CDIO项目成果展示交流互动3种方式，最突出的特点为：①学习方法发生了明显的变化。由“被动的学习”转变为“自主探索-合作研究-交流讨论-成果展示”的主动学习；②教学方式发生了明显的变化，由“单一知识的传授”转变为“融知识、能力、素质一体化培养的“多模式教学”；③师生关系发生了明显的变化。教师不再是讲坛上的圣人，而是站在学生旁的指路人，为学生成长铺路搭桥、树立信心、激励前进，促进能力培养的力度和速度。

2 MPC - CDIO教育教学模式实施效果评析

MPC-CDIO教育教学模式改革已有6年，期间的改革实施主要是在试点班进行，研究涵盖了上述的课程体系、三级项目、互动教学模式，而且还包括教学能力大纲的编写、教学目标的制定以及组建MPC-CDIO教学团队和交流教学平台、完善MPC-CDIO保障与评价体系等内容。6年的改革实践为学生进行深度的数理学习创造了良好的氛围和环境，为培养和提高学生的学习能力及工程综合能力奠定了扎实的基础，取得了很好的预期效果。下面将对实施改革的试点班的能力培养情况及结果进行具体分析。

2.1 学生学习力的培养情况评析

如今是互联网时代，知识与技术的更新日新月异，所以，卓越的工程人才首先应该具备的是超强的学习力。针对这点，MPC-CDIO项目改革实施过程中，教师非常注重强化学生的学习力培养。例如，为了培养提高学生查阅资料、分析归纳综合、提炼知识等学习能力，教师延伸拓展课本内容，然后以工程案例专题的形式让学生去练习；另外还积极鼓励学生自学，一方面，拓展学生自学的内容、丰富学生自学的形式；另一方面，在期末成绩评估时增加自学模式的实践分值，以达到鼓励学生加强自学的目的。

图2 2011—2015年试点班与普通班期末物理试卷成绩对比柱状图

实践结果表明，学习力的确是可以通过训练得到培养和提高的。无论是分析问题解决问题的能力还是归纳概括总结的能力，无论是举一反三的思维发散能力还是建立模型修正结果的综合能力，通过训练都会有长足的进步和发展。图2是2011—2015年期间试点班与全校普通班的大学物理期末试卷成绩对比柱状图。大学物理试卷试题包括基础题、专项能力测试题和综合能力测试题，试卷的分值能够较真实地反映学生的综合学习力。图2显示，由于每年题的难易程度不同，学生的平均分值是不一样的，但是趋势和结果是一样的，即每一年试点班的学生期末成绩的平均值均高于全校普通班的期末成绩的平均值，直接说明了学习力若经过有意识训练的确可以得到很大的提升，也间接反映了学习力培养的同时基础知识也得到了很好的夯实。

为进一步反映MPC-CDIO教育教学模式对学生学习力的培养及提高情况，表2显示的是同一名老师教授的试点班与普通班的高等数学从2012—2016年的期末考试试卷的平均分值的对比情况。数据表明：即使同一老师教授，试点班的数学期末考试平均成绩要明显高于普通班的，尽管每年的试题难易程度不同导致分值不一，但差异都在5.6～12.22分之间变化。对于相同基础水平的试点班与普通班，这个差距足以说明通过有意识的训练学习力的提高是显著的。

为了量化探索MPC-CDIO项目训练对学生学习力的影响程度，在试点班进行了有目的的大学物理和高等代数的前后测实践。表3显示的是高等数学前后测试增量分析，总共包含50道试题,选取了2012级石油工程专业试点班和2012级机械、测控专业普通班进行了测试对比。测试题目有考查学生记忆概念和辨析概念能力的，例如表3中的题5,13,42,50；有考查学生运用公式计算能力的(见表3中题20,31,39,48)；有考查学生知识迁移解决实际问题能力的(见表3中题7,11,28,43)；也有考查学生抽象思维建立模型能力的(见表3中题16,21,37,40)。数据分析表明,通过一学期的学习,学生的各项学习能力都得到了提高,但是试点班与普通班的提高程度不一样。其中概念记忆类题的正确率提高程度基本是一样的,正确率的增长在正负3%之内。其他的像运算类试题、知识迁移类试题、建模类试题方面的正确率试点班都高于普通班，并且，建模能力增长差异度最大，知识迁移能力差异度次之，运算能力增长差异度较小。充分说明MPC-CDIO学习力训练提升的不仅仅是记忆概念、公式计算等基本学习力，对抽象分析、概括、知识迁移及建模等复杂的综合学习力提升力度更大，效果更显著。

2.2 学生创新能力的培养评析

创新能力是将我国从工业大国转型为工业强国的核心能力，是评价一名工程技术人员是否优秀的基本特征，是考核贯彻CDIO工程教育理念成功与否的重要标志，所以MPC-CDIO教育教学改革将创新能力的培养和训练作为重中之重。基于创新能力主要是由知识视野、创新意识、创新思维、创新技能和创新素质等要素相互作用而形成的综合能力[8]，结合数理课程的具体内容、三级能力培养项目以及目前的教学环境设计了MPC-CDIO创新能力培养的基本实施环节(见图3)。

表2 2011—2016年CDIO试点班与普通班高等数学期末试卷平均分值比较

表3 试点班与普通班高等数学前后测增量分析

图3 MPC-CDIO创新能力培养的基本实施环节

首先，为培养提升学生的创新能力，MPC-CDIO教育教学改革设置了2个辅助环节。一方面,拓展知识，不仅在授课内容增添一些实践应用知识和科技前沿知识，而且也积极开发辅助课程来开阔学生的创新视野，从而提高创新素质；另一方面，增设试验平台，通过反复实践提升学生的创新技能。统计结果表明，过去6年里，数理基础教学共开设辅助课程4门，新建数学实验室、物理创新实验室等5个实验室作为科技创新技能训练的平台。其次，积极拓展自主项目的内容，鼓励学生自觉主动地从身边的生活生产实践出发，寻找有价值有兴趣的课题进行研究，培养他们的好奇心，进而培养学生的创新激情与意识。不仅如此，还设计和运用多种教学方法鼓励学生求变求新，例如，以评估加分的形式鼓励学生设计多个试验方案，选择和创造尽可能多的办法去解决问题,有时候会让几组同学做一个课题，然后进行比赛看谁的方案最优化，谁建立的模型最合理等，极大地挖掘了学生运用多种思维求新求创意的潜能。

图4 2012—2015年间试点班与普通班平均每学期获得国家级及校级科创项目的对比

在过去6年里试点班学生的创新能力经过训练有了很大的发展，可以从下面的数理科技创新情况及数学建模竞赛数据上略见一斑。图4显示了从2011年到2015年学生在基础课学习期间平均每学期获得的国家级科技创新及校级科技创新试点班成功申请到的项目和普通班成功申请到的项目的对比情况。其中试点班每个自然班平均每学期成功申请国家级科创数量是1.2个，而普通班是0.27个，试点班的国家级科创平均数量是普通班的4.44倍。另外，试点班成功申请校级科创的数量是平均每学期2.83个，是普通班的3.02倍.数据反映通过MPC-CDIO创新能力培养，让学生大学伊始就注重创新能力的培养，也会取得较好的效果。

数学建模过程是运用科创能力解决实际问题的过程，是一个很好的科技创新能力培养过程，所以，学生数学建模的成绩很大程度上反映了学生创新能力的培养情况。表4描述了从2011—2016年我校低年级学生在美国数学建模竞赛中的获奖情况。毫无疑问，尽管试点班每年参赛的比例是不一样的，但是获奖比例总是高于参赛比例，说明试点班学生的科技创新能力远高于普通班的学生。

表4 我校大学生在美国数学建模竞赛中的获奖情况

不仅如此，2011年以来，MPC-CDIO教改试点班学生参与发表的教育教学研究论文9篇，获得实用新型专利1项，研发物理演示仪器或产品39项目，其中具有石油特色的演示仪器5套, 学生项目获省部级以上奖项7项。这些数据足以表明MPC-CDIO教学模式对学生的创新能力和意识的培养是有帮助的。

2.3 学生团队意识和国际化视野的培养

团队意识和国际化视野是衡量一名卓越工程师的重要标志，积极组织学生参与国际交流、拓展学生的国际视野，提升学生跨文化交流、合作能力和参与国际竞争能力为了培养学生的团队意识.然而无论是团队意识还是国际化视野都不是与生俱来的，必须通过挖掘和培养才能显现的[9]。在MPC-CDIO教育教学改革过程中，一方面，建立小组学习模式，课堂上设立专题进行小组讨论，然后学生代表陈述观点。对于综合性强的实践问题进行课下小组讨论，最后将解决的问题整理成PPT，并进行阐述和答辩。另一方面，建立互动体验工作坊模式：15名左右学生在一起活动，活动内容形式多样，有角色扮演，也有问题模拟等，并且，要确定组长，秘书等，分工合作，过段时间就工作互换，目的是培养他们的团队合作能力和意识。在2013—2014年连续两年对试点班的学生进行的满意度问卷调查中，结果高达91%的同学喜欢小组学习的模式，认为对他们的团队精神和集体责任感，特别是培养领导能力和欲望都有很大的帮助。

为了培养学生的国际化视野，MPC-CDIO项目积极在校内营造国际化的学习环境，例如积极鼓励学生查阅英文文献，并为能够英文答辩和撰写结题报告的学生加分，还利用英语社团以及留学生资源举办多次文化学术交流等。不仅如此，还多方筹资带学生出去参加一些国际性的会议和竞赛，例如，在改革实施期间，曾带学生赴台湾、广州等地学术交流7次，带回的先进理念和成果使学生视野得到了拓展，也很受鼓舞。

2.4 教师CDIO能力的培养

MPC-CDIO教育教学改革针对的是低年级学生，教师的辅助和引导就显得非常的重要，因此，MPC-CDIO教育教学改革伊始就狠抓教师队伍的建设，不断进行培训严抓日常团队活动。6年过去了，MPC-CDIO教师团队的教育理论水平和教改能力都得到明显提升，在统计源和核心期刊上发表相关教改论文20余篇，值得一提的是，2015年3月在《高等工程教育研究》上发表的文章“MPC-CDIO教育教学模式的探索与实践”，迄今已被引用4次，下载772次，并获得“北京市高等教育学会”的一等奖、“中国石油石化联合会”的一等奖，及“中国高等教育学会第九次高等教育研究成果奖”的三等奖，引起学者的广泛关注。同时，2017年12月MPC-CDIO项目研究成果被评为北京市教学成果一等奖及中国石油教育学会教学成果特等奖。

2.5 MPC - CDIO教育教学改革产生的影响

6年的改革和实践结果表明MPC-CDIO教育教学改革产生的影响是深远的,主要表现在以下几个方面。

1) 为缩短卓越工程师培养周期提供了宝贵的理论和实践经验

MPC-CDIO人才培养模式是针对新生设计的，改革的进行摒除了学生头脑中原有的关于基础知识无用的错误观点，打破了原有的基础课与专业课之间的壁垒，改变了以往经过高考的学生想在基础课懈怠的现象。更重要的是MPC-CDIO教育教学改革为新生的学习指明了卓越工程师的培养方向,奠定了知识和能力基础，大大缩短了高年级学生CDIO能力的培养周期。

2) 对提高能力培养的效率起到了重要的引导和推动作用

MPC-CDIO人才培养模式不仅构建了培养能力的MPC-CDIO三级项目体系贯穿于公共基础课程教学，对学生进行不同层次、侧重点不同的CDIO全过程训练。而且，将MPC-CDIO能力条款对应写入授课章节内容中，并具体落实到每一节课程的教学过程中，形成了独具特色的MPC-CDIO教案，通过教学实施反复实践达到提升能力的目的和效率。

3) 为CDIO工程教育模式下公共基础课的教育教学改革提供了可借鉴的经验

MPC-CDIO人才培养模式形成了数理核心课程的MPC-CDIO教学文件，构建了MPC-CDIO教-学-研互动式教育教学模式，初步建立了MPC-CDIO项目的考核评分体系，纳入过程性考核指标，实现了基于MPC-CDIO理念的全过程、多元化的课程考核体系，这些都为公共基础课的教育教学改革提供了可借鉴的经验。例如，在“全国CDIO工程教育2013年会”上，我校做了题为“石油工业创新人才培养模式中数理基础教育的实践与探索”报告，介绍了理学院在数理基础课程MPC-CDIO教学模式的改革探索，引起参会嘉宾和代表的极大反响。另外，在我校和汕头大学主办的“2015年全国部分高校CDIO数理基础课程教育学术研讨会”上，做的《MPC-CDIO教学模式的探索与实践》专题报告也得到了汕头大学、北京大学、机械工业出版社等单位与会专家和代表的认可。

3 总结与展望

本文简要介绍了MPC-CDIO教育教学模式改革的概念、内容和实施过程，然后对MPC-CDIO教育教学改革进展情况及改革实施效果进行了介绍和分析，主要围绕对比试点班与普通班的学习力、创新力、国际化视野、团队意识等卓越工程能力的获得情况来展示改革的亮点。结果表明：自2011年启动以来，MPC-CDIO教育模式不仅达到了预期的成果，而且对于如何在基础课学习期间训练培养学生的工程能力，以及如何提高各种工程能力培养的效率提供了宝贵的实践经验，为工程类乃至综合类大学的公共基础课的教育教学改革提供了可借鉴的理论和实践经验。

尽管如此，MPC-CDIO教育模式毕竟是国内首创，在实施的过程中仍存在着一些问题：突出表现在师资力量不够，以及目前还没有真正实现校企联合等方面。因此，在今后的MPC-CDIO教育教学改革和推广过程中，不仅需要更多的教师参与，而且还需要各学院间的进一步联合，配合学校、人事部、教务部门落实政策，保障改革的进一步实施。并且，为了鼓励和吸引学生积极主动地参与改革，需要制定细化与学生切身利益挂钩的政策，例如，加大学生参与CDIO项目得分在综合测评成绩的比例。吸引更多的学生和老师参与进来，继续扩大MPC-CDIO教育教学模式改革试点工作、推进改革的深度。