基于CDIO理念的新工科课程教学改革与实践——以“物流系统建模与仿真”课程为例

谭慧芳，黄建标，陶林利

（湘南学院经济与管理学院，湖南 郴州 423000）

“物流系统建模与仿真”课程是各高等院校针对物流工程和物流管理所开设的一门重要的专业基础课，对学生的计算机建模、仿真软件的动手操作和方案设计能力要求较高。该课程的设立旨在培养和提升物流本科生的系统分析与仿真实践能力，为物流行业输送专业匹配度较高的高层次应用型人才。无论对于理工类院校还是应用型本科院校，该课程的设立对学生实操能力以及综合能力的培养和提升都尤为重要。

自2017年以来，教育部积极推进新工科建设，强调加强项目实践，调整以往人才培养模式，注重理论结合实践的能力培养。物流业作为战略型新兴产业，对知识和方法的实际应用能力都要求较高。“物流系统建模与仿真”课程既需要熟练掌握各数学模型、基础理论，又需要能熟练应用各仿真软件进行实际应用和分析。传统的教学模式强调知识和方法的讲解，在应用实践环节中较难调动学生的自主性，学生独立思考和解决问题的能力较弱，这给教师的教学和学生的学习带来一定的困难。CDIO理念与新工科学科建设要求具有较高的契合性，尤其在实践与创新能力培养方面[1-2]。在新工科建设的背景下，CDIO 理念为“物流系统建模与仿真”课程的教学改革提供了一个科学的框架与方法。因此，有必要融合CDIO的理念，对“物流系统建模与仿真”课程的教学模式进行改革，探索以项目带课程的新教学模式。

1 CDIO理念及其在课程中应用的意义

CDIO理念是以构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四个环节为基础[3-6]，以方案的提出、设计到运行的生命周期为载体，让学生主动参与从理论到实践的转化过程。基于CDIO理念的教学模式是“基于项目的教育和学习”原则的集中体现，是一种倡导“教、学、做”一体的新型教学模式。

CDIO理念自2000年提出至今，已受到全球多所世界著名大学的关注和应用，采用CDIO工程教育理念和教学大纲，取得了良好效果，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。近些年我国在不断尝试着教育教学改革，从2005年开始逐步将 CDIO 教育模式引入实践教育，并取得良好的成效。通过注重培养学生系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实施能力，以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力。将CDIO的教学模式融入“物流系统建模与仿真”的课程教学中，将大大提升课堂中理论与实践相结合的教学效果，提高学生自主性和实践能力，使学生在基础知识、个人能力（方法应用）、团队合作能力和创新实践这四个层面上达到预定培养目标。

2 当前“物流系统建模与仿真”课程教学中存在的问题

“物流系统建模与仿真”是一门实操性较强的课程，在本科生的教学中，注重培养学生对物流问题的抽象表述和现实仿真能力。其中，抽象表述主要体现在数学建模方面，通过一系列数学模型对现实问题进行描述和分析，现实仿真则是借助计算机和仿真软件对方案进行模拟、仿真、统计等，以更好地向决策者呈现方案的运行效果。

“物流系统建模与仿真”在各高等院校开设多年，通过与各高校老师沟通交流，了解到传统教学法在“物流系统建模与仿真”的课堂效果并不理想，理论与实践脱节现象较严重，学生虽有良好的学习成绩，但对实际工作、方案运营与优化等缺乏认识，这对于教学创新改革、物流专业人才培养和物流行业的发展都会造成较大影响。

目前“物流系统建模与仿真”课程教学实践中存在的问题，主要表征为四个方面，其中，在基础知识方面表现为方法理解不透彻，学生难以学以致用；在个人能力方面表现为方案设计能力较弱，独立分析、解决问题的能力较差；在团队协作方面表现为团队合作能力较难得到提升；在创新实践方面表现为学生自主性较弱，创新性不足。 而CDIO理念所倡导、重点培养和锻炼的四个层次的实践目标（基础知识、个人能力、团队协作、创新实践）恰好能补足课程现阶段传统教学实践中的短板。

2.1 基础知识方面：方法理解不透彻，学生难以学以致用

物流系统建模与仿真课程中涉及的模型方法较多，且需要具备一定的数理基础，如多目标规划法、系统动力学模型、选址模型、路径优化模型、模糊综合评价法、指数平滑法、时间序列分析、线形/非线形拟合、SLP等。在传统的教学中，学生在课堂中的表现较为被动，对知识的理解和吸收主要依赖于教师的讲解，学生对方法的掌握仅停留在字面理解和书本范围内，对各方法最新的学术研究进展了解不够深入。学生不能学以致用、举一反三，实际应用时无从下手。

2.2 个人能力方面：方案设计能力较弱，独立分析、解决问题的能力较差

问题提炼的能力较弱，不能应用所学知识对现状问题进行科学规范的表述，无法独立进行物流方案设计，逻辑思维不严密，遇到问题时无从下手。并且，在课堂互动时，由于课堂时间有限，不能保证每一位学生都能参与其中，这致使一部分学生的独立分析、解决问题的能力得不到锻炼。

2.3 团队协作方面：团队合作能力较难得到提升

团队协作能力是工作中的必备技能之一，但传统的教学中较少涉及该项能力的锻炼。课堂上很多学生进行分组时未对各自能力进行评估和团队衡量，小组中各组员分工不均、分工不明确，经常出现一个小组几乎完全由1或2名组员完成作业，其他组员未参与其中，团队的分工与协作未能得到充分锻炼。

2.4 创新实践方面：学生自主性较弱，创新性不足

被动式教学的方式在很大程度上削弱了学生的自主性，创新能力得不到培养和锻炼。课堂中，大部分时间由授课教师对深奥理论和方法进行讲解，缺乏给学生提供创造性思维的机会，学习自主性较弱，学习动机不强，往往遇到困难或者不熟悉的领域便难以坚持下去。传统教学中所包含的开放性实践项目较少，学生动手能力也得不到锻炼，较难调动学生的主观能动性，最终导致专利、学科竞赛等学生的成果输出较少。

3 基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”教学改革实施路径

结合近年来的教改实践，以新工科发展要求、CDIO大纲和学生学习情况为背景和基础，建立基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”教学模式改革模型，如图1所示。在教改实施过程中，主要以CDIO大纲为指引，以实践项目为驱动，结合项目制教学思路、学生主导式课堂、情景式教学、以比赛带学科的“双线”制教学在实践教学中的应用，建立从课程目标、教学设计、教学方法与过程、课程考核与评估四个层面的实施路径，并以CDIO的目标和标准进行实施效果评估，根据实施效果再逐步优化驱动项目、改进教学内容和过程。

图1 基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”教学模式改革模型

3.1 优化课程学习目标

CDIO包括4个层次的大纲、12项标准和3项目标，其中大纲内容可以概括为基础知识、个人能力、团队合作、创新实践四个方面的内容，三项目标为：（1）使学生掌握深厚的技术基础知识；（2）使学生能够领导新产品、过程和系统的创造与运行；（3）使学生能够理解技术的研究和技术发展对社会的重要性和战略影响[7]。课程目标体系应充分考虑以上内容。

前期，在CDIO理念融入阶段，将CDIO理念所提倡的团队协作、创新实践等能力与现有的人才培养方案进行结合和完善，结合新工科注重理论结合实践的发展需要，并匹配社会需求，强调知识掌握、能力培养、素质养成并重，明确课程学习目标即知识目标、能力目标、素质目标。其次，将课程学习目标融入每一个项目目标中，尤其在能力目标与素质目标中体现CDIO的四项大纲内容和三项标准内容，使学生在项目完成过程中掌握基础知识，提升系统思维、项目思维、科学思维，养成符合当下社会所提倡和岗位所要求的职业素养。基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程目标体系如图2所示。

图2 基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程目标体系

3.2 重构课程教学设计

项目制教学是CDIO理念实施的核心。在课程教学设计阶段，需明确项目本位的课程设计理念，重构课程教学设计，构建CDIO驱动项目资源库，更新相应的教材和教学内容，并以项目为驱动将课程知识点串珠成链，通过参与项目、完成项目的学习形式促进学生对知识的获取、掌握和熟练应用。

3.2.1 “课程+项目”一体化课程体系

在教学内容编写上，以 CDIO 理念和能力培训为核心，综合考虑专业知识和技能，将课程体系与项目体系相结合。依据培养目标，设计高度融合、高度关联的课程与项目，建设从四级到一级项目逐级递进的一体化课程。通过“学中做”和“做中学”一体化教学组织知识与项目的教学资源，强调在学中规范、在学中提升，在做中反思、在做中提炼。基于CDIO理念的一体化课程模型如图3所示。

图3 基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”一体化课程模型

3.2.2 教学内容与驱动项目

根据知识章节和能力培养目标，编写驱动项目资源库，将课程分解为不同的驱动项目。通过项目驱动，将物流所需掌握的知识和项目任务结合起来，根据CDIO理念，引导学生围绕项目目标依次进行项目构思、项目设计、项目完成、项目运作。

人才培养方案中“物流系统建模与仿真”课程设置为40学时（理论+实训），教学模块分为物流系统建模与物流系统仿真两部分。通过重组课程所涵盖的知识点，设计具可操作性的驱动项目，并以驱动项目为任务牵引，将相关知识点连珠成线，依次引导学生逐级完成项目，使学生在边做边学的过程中学习掌握相关知识点。基于 CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程驱动项目资源库见表1。

表1 基于 CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程驱动项目资源库

3.3 引入多元化教学方法

3.3.1.学生主导式课堂实施

在教学方法上，CDIO要求更新教学观念，树立“以学生为核心的课堂”的新观念，将课堂和学习的主动权从教师转移给学生，引导学生发现问题、分析问题和解决问题。为此，教师需花费更多精力在课前任务设计、课堂组织和作业方案点评上，将课堂的宝贵时间留给学生思考讨论、演讲展示、实践动手等环节上。课前，教师需提前分发项目任务，通过设计一系列的课堂活动如课堂讨论、项目答辩、项目竞争等，激发学生的学习热情，并引导学生在课堂中多进行表达，发表观点，让学生在课堂中全身心投入。课后，教师需细心复盘课堂里每一个环节各位学生的表现，即时做好课后反思记录，根据学生的学习情况，改进下一次的课堂设计和作业任务内容。

3.3.2 借助情景式教学法提升课堂效果

CDIO的项目制教学思路充分具备了情景式教学的条件和基础。基于CDIO理念的课堂的驱动项目即是模拟在企业特定情景下的真实决策问题，在课堂组织中，通过情景模拟和角色扮演可取得较好的课堂效果。如，在每一次派发项目任务之前，随机抽取3名学生扮演决策者共同组成项目方案评审团，其他学生以5人为单位分组扮演物流设计公司，进行方案的最终竞选，其中这5名学生根据任务内容分工，分别扮演总工程师、副总工程师、数据分析师、可视化工程师、投融资测算分析师等，完成项目的全周期运作。并将方案评审团的成绩以学生互评的方式作为方案呈现与表达的指标得分。

3.3.3 “课内+课外”双线教学

在课外课堂中，秉承以比赛带学科的发展思路，将课堂学习扩展到专业学科竞赛，多方面制造学生的实践锻炼机会，让学生在比赛中加深知识的理解、提升团队协作能力、主动学习能力、抗压能力等。鼓励学生参加各类校级、市级、省级甚至国家级的学科竞赛，如大学生现代物流设计竞赛、电子商务主题赛、大学生数学建模大赛等，通过专业比赛的激励来加深学生的学习兴趣，切实提升学生团队合作的能力和知识的应用能力，实现知识与能力的双向提升。

3.3.4 建立基于CDIO理念的课程考核体系

以CDIO大纲中的基础知识、个人能力、团队协作、创新实践为课程的四个基本要素，将其作为课程的重要考核维度。从课堂积极性、项目完成度和期末考查三个方面对学生的课程表现进行全方面的考核，并将项目完成度方面的考察作为重点考核内容。具体，“物流系统建模与仿真”课程考核框架和体系如表2所示。

表2 基于 CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程考核体系

4 教学效果与思考

通过四年的教学实践，基于CDIO理念的“物流系统建模与仿真”课程的教学模式改革成效较好，学生的思辨能力、知识的灵活运用能力、方案设计能力、团队协作能力、学习的自主性均得到较大提升，近几年学生组队参加物流设计竞赛、电子商务主题竞赛均获得省级以上奖励，每年至少保持4支参赛队伍获得省奖，成果颇丰。对2015、2016、2017、2018、2019级共340余名物流本科生进行问卷调查，课程好评度均达92%以上，获得学生较大程度的认可，如表3所示。学生普遍认为，在CDIO的课程理念下，通过以项目促学习的方式，能够使学生的关注点放在分析问题和解决问题上，对模型和方法的理解更加深刻，多样的课堂教学方式，使学生的实践能力、团队协作能力、表达能力等都得到锻炼，综合能力得到提升。

表3 课程满意度问卷结果统计

下一步，将针对现有的教学模式及项目制教学中存在的问题和难点进行探讨和总结，并结合校企合作的发展方向，进一步延伸课内、课外的教学内容，提升和拓展学生的综合能力，培养更多适用于行业和企业的物流高层次人才。