基于CDIO自动化专业高素质创新人才培养模式研究

于微波　刘克平　杨宏韬　董博

摘  要：根据社会经济发展对自动化领域应用型人才的知识能力和素质需求，按照“降低重心、适宽口径、突出应用、强化实践”的思路，以提高自动化专业学生的创新实践能力为目标，引进CDIO工程教育理念并借助项目模块化设计方法，对自动化专业课程设置进行梳理调整及优化，建立以项目设计为导向，核心特色课程为基础，创新实践能力培养为目标的整体培养体系，形成以强化工程能力为特征的自动化专业高素质应用型人才培养模式。

关键词：CDIO;创新人才培养;自动化专业;人才培养模式

中图分类号：C961        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）01-0040-05

Abstract： According to the socio-economic development's knowledge ability and quality requirements of applied talents in the field of automation， in accordance with the idea of 'lowering the center of gravity， widening the caliber， highlighting applications， and strengthening practice'， with the goal of improving the innovation and practical ability of automation students， the CDIO engineering education concept is introduced. With the help of the project modular design method， the major courses of automation are adjusted and optimized， an overall training system based on project design-oriented， core characteristic courses and innovative practical ability training was established， forming a training model of high-quality application-oriented talents for automation majors featuring enhanced engineering capabilities.

Keywords： CDIO; innovative talent training; automation specialty; talent cultivation mode

CDIO的英文全称为Conceive-Design-Implement-Operate，直译过来就是构思-设计-实现-运行。它是一种新的工程教育理念，是由世界著名的麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的国际研究组织创立的。它的主导思想是主动性+实践性+课程之间的有机联系三者一体，以产品研发到运行的生命周期为载体，进行工程教育的理论学习及技术经验总结。CDIO的培养模式由“三个一体化”实现：培养目标、培养理念与课程体系的一体化设计;知识、能力和素质培养的一体化实现;课程体系、教学方法、学习方法、考核方式和持续改进的一体化设计的培养模式。这种培养模式是针对工程教育提出来的，工程教育的质量好坏决定了社会工业的发展进程。我国是工业大国，工程技术人才的数量也是巨大的，那么我们如何实现量变到质变的飞跃，是高等专业院校工作者面临的一项重大考验。高质量的人才培养势必配备高质量的培养模式及教学体系，同时高校制定的培养目标及培养方案要符合社会经济发展的浪潮[1]。

作为工程技术领域的主要成员自动化专业，在工业发展中起着至关重要的作用。自动化专业技术人才要求工程设计能力强，实践能力强，团队协作能力强，人际沟通能力强。自动化专业是工程性非常强的一个专业，因此借鉴CDIO工程教育理念对构建自动化高素质人才培养模式有很重要的意义[2]。

为此，本文以培养工程能力强素质高的应用型人才为目标，以社会经济发展需要为条件，引进CDIO工程教育理念完善高校人才培养模式，构建以创新实践能力强为目标的教学体系，优化课程设计，整合教学资源，以项目为载体，改革教学方法，注重培养学生的实践能力，使自动化专业毕业生真正具备高素质的工程能力。

一、国内外创新型人才培养模式的研究现状

各国经济都在快速发展，经济发展的主体就是人才，所以国外高校对人才培养模式始终坚持不断创新。法国的教育体系是基础教育抓牢，大学的一、二年级都是强化基础教育，并且专业方向少，只有10个，基础教学存在的意义是为后面的多学科学习提供基本保障;德国的教学体系和法国有些相近，也是在低年级进行基础强化，但是在此阶段，并没有专业之分;在上世纪80年代初，哈佛大学构建了以核心课程为主，专业基础课加选修课为辅的教学体系，开拓学生的知识面，在教学实践中，美国注重应用型的教育培养，在宽泛的知识层面上，细化专业方向，以解决问题能力的培养为主线，提倡学生独立思考[3]。

国外著名大学的人才培养模式大都以学生为教学主体，教师为引导，即引导式教学比较多。在美国，学生自学时间与有序的学校学习时间的比例为4：1，鼓励学生独立思考，自主创新。学校的上课时间也是以研讨为主，并不是教师的单行道，一味的传授讲解。授课内容以学生的热点问题为主，激发学生创新思维，对基础知识的灵活应用展开讨论，教师存在的意义就是指导学生学习，并非传递信息。在德国，教师授课并没有严格的教材、教案、教学计划等，是教授主持的一种启发式教学。对学生的教学秩序也没有严格要求，課堂授课采取自愿方式。但是对实验课、讨论课等教学的要求反而是严格的。在师生讨论过程中可以提供教学资源，对学生提出的知识观点给予点评。在实验课上，要求学生必须自己动手操作，验证理论知识点[4]。

在国外，创新型人才培养的另一个重要途径是科研实践能力的训练。国外的学生从小就接受学习独立自主性的培养，所以在其高等教育阶段，除了专业理论学习之外，他们可以有自己的研究团队，从事和自己专业相关的研究活动。对于研究生，导师可聘请其为助理研究员，辅助导师完成教学工作。除此之外，国外大学也鼓励学生开创公司，并为其提供一定的便利条件，如比尔·盖茨、杨致远、拉里·佩奇等都是非常成功的大学生创业者，他们创建的企业最初都起源于校园。创业公司的建立不仅是对创建者的学习能力的肯定，同时它也为后续的学生提供实践的机会与场所，是一场双赢战。日本高校将市场机制引入学校，建立适应市场经济发展的教学、教研与实践一元化的教学体系，引进企业参与学校的教科研项目中，与企业签订定向人才培养合同。

创新型的教育模式以美国尤为突出，它始终以独立、自由思考贯彻整个教育过程，看似“形散”的教育模式却能达到创新人才培养的最佳效果。在课程设置上丰富多样化，文科与理科兼容，交叉学科相融合，如，MIT规定学生在修完九个科目的科学课程外，还必须修完8个科目的人文、艺术、社会科学（HASS）的学分。还开设了生动的项目课程，UROP（本科研究机会项目）与IAP（独立活动期）是其中开设时间最长和效果最好的两个项目课程，这些课程将研究、学习与社区一体化有效整合为一体。

我国以前对工程技术人才的培养模式是传统的高校课堂教授为主。授课前制定统计的教学大纲、教学计划、期末考试试卷形式。课堂上以灌输为主，学生缺少独立思考，自主创新的能力，像是提线木偶，教师讲到哪里，就只能跟随到哪里。实践学习时间少，实践教学仍是以实验、课程设计为主，整个学年的实践教学时间大概在4周左右。

现在经济发展势必带动教育事业发展，工程教育有重大改革。各大高校对工程教育中的实践操作课程设置的比例有所偏重，将毕业生向应用技术型培养。大力支持高校创新发展人才培养计划，如卓越工程师计划、“SRT”计划等。

二、现阶段自动化专业人才培养模式存在的问题

快速发展的自动化学科渗透到社会的各个经济领域，是我国科学技术发展的重要支撑，当今社会面临向智能化发展，自动化专业的发展对此项发展战略的实现有着重要的意义[5]。

作为承担培养专业人才重任的高校，人才培养质量的优良与社会经济水平的发展息息相关，是社会经济发展的重要保障和支撑。目前存在的情况是经济快速，人才培养滞后，这就造成了二者的不同步，主要表现为：

1. 目前地方工科院校自动化专业传统的人才培养模式存在不同程度的趋同，缺乏特色，与新时代下我国经济和社会发展对创新型人才需求及学校发展新的办学定位之间存在不匹配问题。

2. 大学生的创新意识和创新能力培养存在的实践教学比重偏低，与生产实践脱节，实践教学条件和实践基地建设有待加强的问题。

3. 教学内容与生产实践、科技发展结合不紧密以及课堂教学方式单一，注入式过多的问题。

4. 课程建设中存在的弱化课程内容建设、资源共享度不足以及精品课的带动示范作用不足等问题。

5. 大学生学习状态和学习方式存在的自主性不够，内生动力不足，学习兴趣不强的问题。

三、基于CDIO理念构建自动化专业创新型人才培养模式

（一）构建以社会需求为导向，服务地方为宗旨的人才培养目标

作为地方高校的自动化专业，坚持以促进地方经济建设和社会发展、特别是为战略性新兴产业建设与发展服务为人才培养目标。同时长春工业大学于2013年被国务院学位办批准为博士授权单位，并于2014年开始招收博士研究生，学校将办学定位从建设“教学型”地方一流高校调整为建设“教学研究型”地方一流高校。自动化专业（控制科学与工程学科）作为学校首批博士授权学科点之一，与机械工程学科联合招收培养博士研究生。因此，本专业根据国家对自动化专业技术人才需求和学生健康成长要求，结合本校新的办学定位，根据学生差异，确定为研究应用型、综合应用型、技术应用型三种人才培养规格，建立以通识教育为基础、通识教育与专门教育相结合，以传授知识、培养能力和提高素质为主线，培养具有高度的社会责任感，扎实掌握本专业的基础知识并熟悉相关学科知识，具有创新精神和务实的作风，实践能力强、综合素质高的自动化技术创新型人才的人才培养目标。

自动化专业三种类型人才具有以下特点：

1. 宽口径：适应自动化专业内涵丰富、外延宽广、综合交叉性的学科特点，培养专业基础雄厚、知识面宽、多面手、口径宽的综合型人才。

2. 工程型：培养服务于工业生产过程、智能机械与机器人、仪器仪表等诸多领域，能够解决电机控制、运动体控制、电能生产与转换、网络控制、计算机应用技术、工业节能技术、电力电子技术、信息处理以及经济管理等工程技术问题。

3. 创新性：基于自动化专业具有方法论性质的学科特点，依托国家级工程实践教育中心、“控制工程”吉林省高校重点实验室、自动化工程技术研究中心、吉林省工业节能科技创新中心及4个校外实习实践基地，加强学生创新精神、实践能力和综合素质的培养，突出人才的创新性、实践性、综合性和适应性。

4. 个性化：倡导“合格加特长”的培养方式，注重培养和激发学生的学习兴趣，通过优化选修课、增加课外科技活动、吸纳学生参加教师科研项目等多种措施，创建不同形式的培养平台，鼓励学生个性化发展。

（二）梳理自动化专业特色，科学构建知识体系和课程体系

基于CDIO工程教育理念，结合吉林省经济科技发展战略及学科资源实际，对自动化专业课程设置进行梳理调整及优化，重新设计构建以项目设计为导向，核心特色课程为基础，创新实践能力培养为目标的课程体系[6]，如图1所示。

整个课程体系包括七个平台，其中实践教学平台占总学分的23.1%，调增了课程设计与综合实验环节，在总的学分未变的情况下，与上一版培养方案相比实践教学学分增加3.1%。为了培养学生的创新创业能力，单独设立了由理论模块和实践模块组成的创新创业教育平台，包括学科竞赛训练、开放创新实验、科研开发训练等，占总学分的3.9%。为主动适应国家新兴战略产业发展的需求，与上一版培養方案相比新增了有关新一代信息技术的专业选修课程：机器人学、物联网技术与应用、网络化控制系统、轨道交通车辆传动与控制、智能交通系统等课程，学生根据个体差异选修不同课程，实现了共性培养与个性培养的结合。

社会对人才需求是多样化的，而且随着经济的发展，这种需要越来越高。自动化专业的学生本身具备了技术层面的多样化，需要补充的是人文素质教育。在专业技能强的基础上配备高素质人文修养，在严谨的科学思维下配备坚韧不拔的科学态度，这才是完整的自动化人。所以，在素质教育模块增加了大学生职业规划与素质拓展、大学生就业指导与创业教育，大学四年全程配备导师，指导学生树立正确的价值观，面对快速发展的经济，清楚自己的就业定位。

（三）深化改革教学方法，整合教学内容，完善创新教育

提高人才培养的质量，关键是课程建设，所以整合教学内容及深化教学方法是课程建设的重要环节。课题组开展教学内容改革：一、教学内容的选取要符合学科发展的前沿动态，做到与时俱进;二、教学内容要融入实践项目，以项目为载体，深化知识点的学习;三、教学内容体现教科研成果转化，将教师课题研究成果转接到课堂，产教融合;四、教学内容含带素质教育，素质培养贯穿整个教学内容。

遴选出本专业的四门专业核心课程，既有专业基础课（自动控制原理、现代控制理论），又包含实践性较强的专业课（单片机原理及应用、现代电气控制技术），创新实践教学法的“五原则”，即以问题为主线，以综合为导向，培养兴趣，注重转化，鼓励突破。

针对目前大学生上课不注意、课后不复习，考前紧突击、考后就忘记的学习状态和学习方式，践行激发教育理念，实施激发教育的“八措施”，即志向性激励、多样性模式、个性化培养、问题化情境、有效性学习、主动性实践、多点式考核、综合化评价，切实提高人才培养质量，培养具有创新精神的大学毕业生。

坚持开展教学方法改革，深化创新教育，探索和实践了有利于培养学生创新精神和实践能力的多种教学方法。对2013级和2014级自动化专业本科生成立了综合改革试点班。在试点班积极探索并实施了案例式教学、项目式教学、提问式教学、讨论式教学等多种教学方法改革措施。在试点班中实施导师制，每位教师从大学一年級开始指导2名本科生，专业创造各种条件让本科生参与导师的科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队。

（四）基于新工科教育理念，强化实践创新能力培养

新工科教育理念是以产业需求建专业，将产业所需的技术技能转化为教学内容，这就要求理论知识与实践能力有机结合，不断更新实践教学内容，真正打通实践教学的“最后一公里”[7]。

依据自动化专业培养目标及专业特点，本专业通过增加实践教学比重、深化实践教学方式改革、改善实践教学条件和加强实践基地建设，强化实践教学环节，培养学生基于需求的创新能力。

1. 构建“三、四、五”实验教学体系，提高学生实践创新能力

为适应当今科学技术的发展和自动控制领域对自动化专业技术人才知识、素质和能力结构的需求，课题组积极开展实验教学体系的建设，以培养学生的实践动手能力和创新意识为主线，构建了如图2所示的“三、四、五” 实验教学体系。

按照三层次（基本技能、综合设计、研究创新）、四结合（理论教学与实验教学相结合、基本训练与能力培养相结合、软件设计与硬件开发相结合、虚拟仿真与实际项目相结合）、五模块（电工基础、控制理论、计算机技能、电力拖动、过程控制）搭建了相应的实验教学平台。

2. 建立“反馈型”学生综合实践能力培养方式，促进知识传授与学生能力培养的结合

经充分论证与教学试点， 创建了如图3所示的“反馈型”综合实践能力培养方式。教学过程以项目为载体，教师作为宏观指导，引导学生从项目的预期效果入手，循序进入分析项目执行的每个环节，在此过程中构建了学生的分析问题、解决问题、效果评判、预期反馈的闭环循环，是学生在实践中学习，在学习中实践，不停调节，达到知识与能力的完美结合，使实践教学环节得到强化。

课题组实践了电类工程技术综合实践及自动化工程技术综合设计这两门课程的项目教学。学生以小组为单位，实践题目自选，若没有理想题目，指导教师指定。课程进行时长为一个教学学期，教学模式为“半集中”，即每个教学周规定了教师答疑时间，所有项目问题集中解决，其他时间小组协同，进行项目研究。这种教学模式对指导教师及教学评价机制提出了更高的要求。教师要求小组的每个项目做好前期准备工作，为后续指导奠定基础;“半集中”的授课形式对学生的自主性学习要求较高;在学分制的教学管理模式下，教学效果评价机制也要更加健全。项目完成的优异以各个项目的性能指标为衡量标准，除此之外还要有指导教师对项目进行中每名同学的学习程度的评价以及小组成员间的互评，三方成绩汇总是学生考核的最终成绩。通过上述管理运行及评价体系保证了“反馈型”学生综合实践能力培养方式的高质量实施。

3. 坚持三个课堂的结合，构建立体化全开放的学生创新实践平台

坚持“三个课堂”的结合，鼓励学生积极参加各种形式的课外实践活动，特别是教育部主办的包括挑战杯、全国大学生智能车竞赛、电子设计竞赛等高水平学科竞赛活动，构建综合素质和创新能力培养为核心的立体化、全开放的学生创新实践平台，为学生塔建技能训练的硬件环境。

（五）完善具有鲜明专业特色的校内外实训基地，加强创新教育

对高等工科教育而言，实习基地建设对于培养学生实践动手能力、提高工程意识和创新精神都具有重要作用。本专业从实际出发，调动一切有利资源，充分发挥校内外各自的优势，建立了适合自动化专业发展的具有鲜明专业特色的校内外实习（实训）基地，收到良好的人才培养效果。利用省财政专项资金，结合“自动化及电气工程专业实验教学中心”省级实验教学示范中心的建设，改善实践教学条件。对现有的实验教学平台及实验室进行资源整合，充分利用每一个教学平台，使其利用率最大化。依托本专业与吉林铁合金股份有限公司合作单位的优势，使实验平台与企业相对接，建立特色的冶金行业实践平台。以健全的实验室管理机制为保障，实践教学内容的不断更新为依据全面推进首批“国家级工程实践教育中心”以（与吉林铁合金股份有限公司共建）、“控制工程”吉林省高校重点实验室、自动化工程技术研究中心（与“吉林省工业节能科技创新中心”共建）等高水平科研平台的建设，全面向本科生开放，实施学生科研训练一体化方案。

在已建立的校外实习实践基地建设的基础上，以“产学合作、做学融合、研学融合”的工程教育理念为指导，根据国家特别是吉林省战略性新兴产业对自动化专业人才的要求和需求，2015年与吉林省科技小巨人企业“吉林省金沙数控科技有限公司”建立了“本-硕-博” 人才培养一体化实践基地。此项基地的建立完善了以往传统实践基础的功能，由传统学生实习转化为定向实习。根据吉林省金沙数控科技有限公司对人才需求，量身定制技术人才，同时此平台也可以作为企业培训员工使用。企业与高校实践平台的构建是必然趋势，是工程教育势必实行的举措，此项工作使高校与企业资源对接，互惠互利，满足校企可持续发展的长远大计。

四、结束语

坚持开展教学内容和教学方法改革，提出课堂教学“四体现”，实施教法“五原则”，探索和实践有利于培养学生创新精神和实践能力的教学方法。在教学过程中指导学习方法，坚持教改与学改相结合，努力引导学生由传统学习向创新学习转变。践行人才培养的激发教育理念，在人才培养的各个环节中实施激发教育，取得了良好效果，学生实践能力和综合素质稳步提升。学生在全国各类學科竞赛上的获奖数量不断增长，获奖层次大幅度提高。

参考文献：

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[2]刑广成，董燕飞.《中国制造2025》背景下自动化专业人才培养模式改革与发展研究[J].高教学刊，2018（23）：5-7.

[3]郭兴启，李菡，郭恒俊.国内外大学生创新型人才培养模式的比较[J].高等农业教育，2009（2）：89-91.

[4]彭绪娟.国外创新型人才培养模式及启示[J].辽宁高职学报，2007（6）：18-19+43.

[5]郭殿林，于宗艳，王欢.自动化专业创新人才培养模式的研究与实践[J].黑龙江教育，2018（7）：73-74.

[6]冯勇，张杰，薛小强.CDIO项目驱动模块化课程体系建设研究[J].中国电力教育，2012（35）：54-56.

[7]郭明良，王朋，郭松林.基于CDIO模式的电类本科实践教学体系构建[J].中国电力教育，2014（2）：158-159+163.

基金项目：吉林省教育厅“关于做好2019年吉林省高等教育教学改革研究课题立项工作的通知”（吉教高办函[2019]18号）;吉林省教育厅“关于做好2018年吉林省高等教育教学改革研究课题立项工作的通知”（吉教高办函[2018]13号）;吉林省高等教育学会2018年高教科研一般课题“新工科背景下以工程教育专业认证为导向的自动化专业课程体系建设与实践”（编号：JGJX2018D73）;吉林省高等教育学会2019年高教科研一般课题“新工科背景下面向工程教育专业认证的地方高校自动化高水平特色专业建设与实践”（编号：JGJX2019D95）

作者简介：于微波（1970-），女，汉族，山东海阳人，硕士，教授，研究方向：自动化专业建设及教育教学理论研究，机器视觉测量;刘克平（1971-），男，汉族，吉林汪清人，博士，教授，研究方向：自动化专业教育教学研究与改革实践，智能控制理论及系统;杨宏韬（1982-），男，汉族，山西临汾人，博士，副教授，研究方向：视觉伺服与数据融合，高等教育教学改革;董博（1986-），男，汉族，吉林长春人，博士，副教授，研究方向：智能机械与机器人控制，实践教学管理。