基于CDIO理念的高中工程教育实践探索

【摘 要】CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的前沿成果。它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、在课程之间有机联系的方式学习工程。本文基于CDIO理念及高中课程特点，提出了高中工程教育的愿景、大纲及标准，并以高中校本课程“三维设计与智造”为例，介绍了无锡一中在工程教育方面的实践与探索，总结了基于产品设计研发的项目化学习对于提升学生工程素养的有益作用。

【关键词】高中工程教育；CDIO；项目化学习

【中图分类号】G434 【文献标志码】B

【论文编号】1671-7384（2024）010-080-04

2018年9月，教育部、工信部、中国工程院发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，全国300多所高校加入了该计划。普通高中是未来工程师的摇篮。江苏省无锡市第一中学是江苏省“工程教育课程基地”，每年有近八成学生被录取到大学理工科专业。高中阶段工程教育的实施有助于未来工程师的生涯规划、知识储备、技能培养和品格形成。

CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的最新成果。CDIO分别代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以QnbJ/bYcZ/jAFCVs/Njizw==产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、在课程之间有机联系的方式学习工程。如今，中国已有清华大学等105所高校加入“CDIO工程教育联盟”。

《普通高中通用技术课程标准（2020年版）》将技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力作为通用技术学科的核心素养，强调基于“大项目、大概念和大综合”的教学方式，与未来工程师的培养目标十分契合。学生若能在高中阶段熟悉产品从构思研发到运行维护的整个项目流程，并适应CDIO的教育理念，定能助力其专业定向与发展。

高中工程教育的理论框架

CDIO包括了三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。它的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思—设计—实现—运行（CDIO）过程的背景环境基础上的工程教育。它的大纲将工程师必备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力以逐级细化的方式表达出来（3级、70多条），使工程教育改革具有更加明确的方向性、系统性。它的12条标准对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革具体化、可操作、可测量，并对学生和教师都具有重要指导意义。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势。

结合高中特点，参考CDIO的核心文件，我们提出了高中工程教育的愿景，未来工程师的能力大纲和高中工程教育的12条标准。

首先，高中工程教育的愿景是提供一种强调工程基础的、建立在产品全生命周期基础上的工程教育。只是，这个产品不一定是真实生活中可以使用的产品，而是一个产品模型（实物）或者电子作品（虚拟）。高中生将在信息技术、通用技术、研究性学习、校本选修等课程中，以项目学习的方式完成若干产品的完整研发过程，例如通用技术中的台灯、纸桥、电子宠物等，信息技术的数据库应用系统、智能家居等，研究性学习和校本选修中微电影作品、3D打印作品、物联网系统等自选项目。

其次，我们提出了未来工程师的能力大纲[1]。基于对人才培养目标的综合分析，一级纲要包括技术知识与推理、个人与职业技能、人际交往技能、CDIO这4个方面的内容。具体说明如下。

（1）技术知识和推理能力属于理论层面的知识体系，是未来工程师应该具备的理论知识储备。现代工程系统越来越趋向多学科背景知识的支撑。因此，高中学生必须掌握多学科技术知识，并具备严谨的推理能力，主要包括基础数学与科学知识（高中必修课程），核心工程基础知识（高中选择性必修和选修课程），高级工程基础知识工具方法（高中校本选修、大学先修课程及竞赛课程等）。

（2）个人技能和职业道德属于实践层面的技能体系，是未来工程师必须具备的职业素养。主要包括分析推理和解决问题的能力，根据研究目标设计实验、开展调查的能力，系统思维的能力，面对问题时应有的态度、思维与学习能力，项目实施时应具备的职业道德、公平公正和其他必备的责任意识等。

（3）人际交往技能和团队协作沟通是未来工程师必备的社交技能。为了能够在以团队合作为基础的环境中工作，学生必须掌握必要的人际交往技巧，并具备良好的沟通能力。这部分主要包括团队组建与运营管理的能力、人际沟通的各种方式和技能。

（4）企业社会和环境背景下的CDIO系统创新过程是未来工程师的核心素养。为了能够真正做到创建和运行产品／系统，学生必须具备在企业和社会这两个层面进行构思、设计、实施和运行（CDIO）产品／系统的能力。

大纲中的培养目标既包括未来工程师必备的专业基础理论，也包括实践操作能力；既包括个体知识、经验和价值观体系，也包括团队合作意识与沟通能力，基本涵盖了未来工程师的核心技能和专业素养。

在基于产品的项目化学习中，核心教学目标宜粗不宜细。因此，建议一线教师参考上述要点设计项目化学习需要习得的核心能力，参考CDIO三级纲要制定评价标准。未来工程师能力评估要点因篇幅所限，不再赘述。

最后，提出了高中工程教育的12条标准（表1），作为高中开展工程教育的基本原则[2]。

高中工程教育实践案例

下文以“三维设计与智造”课程为例，介绍我校的具体教学实践。

1.课程规划及项目设计

“三维设计与智造”课程的宗旨是让学生学习三维建模技术，遵循设计思维的方法论，进行有目的的产品设计与智造，以形成具有一定功能的电子作品或物化产品作为最终成果。课程目标是培养学生的信息意识和技术意识、计算思维和工程思维、数字化学习与创新设计、图样表达和物化能力、信息社会责任等核心素养[3]。显然，这与我们的工程教育愿景完全符合。

“三维设计与智造”课程属于一门校本选修课程，是统整多门技术课程而形成的一体化课程，符合标准1、2、3的要求。基于课程统整的理念，本课程融合了高中通用技术中的必修模块“技术与设计1”“技术与设计2”，选择性必修“技术与创造”系列模块，以及高中信息技术的选择性必修模块“三维设计与创意”的相关内容[4]。上述被统整的技术课程都是高中工程教育的入门课程，都有基于产品的CDIO全过程的项目实践内容，而且本校为学生的项目实践活动提供了专属的通用技术、信息技术、3D创意、创客中心等13个实践场馆，符合标准4、6的要求。

“三维设计与智造”的课程评价包括过程性评价和总结性评价两个部分，总分100，具体按照如下比例打分。过程性评价：考勤20%+平时30%（课堂表现、平时作业）；总结性评价：结业作品50%（包括设计草图、三维模型文件、打印成品及产品设计手册）[5]。这里的平时作业其实是学生学习三维建模时完成的微项目，例如七巧板、鲁班锁、马克杯等微产品设计。结业作品就是综合性比较强的产品设计项目，具体由学生自选，例如创意花瓶（六成学生的选择）、创意小台灯（三成学生的选择，可同时作为通用技术必修课的结业作品）、太空电梯（少数学生的选择，可作为竞赛作品参加省市级比赛）等。这些作品的设计与打印都是学生主动的学习和选择，都包含了产品的构思（C）、设计（D）、实施（I） 和运行（O）等完整过程，符合标准1、5、7、8的要求。

“三维设计与智造”课程的设计采用了ADDIE模型，包括分析（Analysis）、设计（Design）、开发（Develop）、实施（Implement）、评估（Evaluate）等过程[6]。本课程的教学主要采用项目化学习，强调“做中学、学中做”的学习理念，引领学生在基于产品设计的项目实践过程中，学会“设计与智造”。课程的教学策略主要有项目内容的情境化和整体性、学习活动的实践性和自主性、学习思维的可视化和深度化、学习评价的过程性和伴随性。教师把所有微项目都制作成微视频，上课时学生自主学习、控制进度，完成项目内容。通过教与学方式的统整与变革，引导学生实现技术知识与实践技能的迁移、思维水平和技术素养的提高。教师通过这些设计与教学流程，提高了自身的产品设计技能和教学实施技能，采用了多种评价手段评估学生的产品设计能力及课程的实施绩效，符合标准9、10、11、12的要求。

2.经典项目实施效果

（1）基础项目（创意花瓶）

创意花瓶设计项目是本课程的核心项目，主要教学目标是通过4个微项目学习掌握三维建模中的各种特征造型方法，如实体组合、拉伸、旋转、扫掠、放样、拔模、圆角和倒角等操作，最后综合运用各种建模方法，设计一个创意花瓶。由于教师事先录制微课，上课时可以随时答疑解惑。学生可以按照自己的节奏开展自主学习，课堂反馈都比较积极。好多学生认为这样的教学方式新颖而有效，氛围轻松而活跃，真正激发了他们的创意。学生设计的花瓶在材质、造型、贴图、色彩方面都别出心裁，彰显个性。

（2）挑战项目（创意小台灯）

创意小台灯是半开放项目，也是高一通用技术必修一的经典项目，但要求学生独立完成，缺乏团队合作环节。本项目包含了台灯产品设计的流程、结构、材料和工艺等通用技术主干内容，又涉及升压电路、电子元件、声光电传感器、电子控制系统等物理知识。由于三维课程的项目进度与通用技术课一致，教师指导学生同步采用3D软件设计台灯的底座、支撑和灯罩，帮助学生将组件打印出来后用于台灯的后期组装，从而完成一个跨越三个学科（物理、通用技术和信息技术）、历时两个多月（16课时）的颇具挑战性的综合项目。在项目化学习的过程中，学生充当了设计师、工程师等角色，体验产品设计的全过程，通过解决各种实际问题，整合所学的技术知识与技能，综合运用设计思维、工程思维和计算思维等方法，设计出产品模型，进而组装出物化产品。学生在自主开展项目实践的过程中，逐步将已有的各学科知识与新知识融会贯通，有助于形成立体、开放、系统的知识技能结构。

台灯项目的评价不仅是平时作业和结业作品，还有项目学习手册。按照设计思维的一般过程，手册记录了学生各阶段的学习数据和图表，包括发现问题、设计分析（概念图）、明确问题、方案构思（SCAMPER法、头脑风暴）、方案权衡（KANO模型）、方案呈现（草图、三视图等）、模型制作（工具、材料、26/4Fir8AzE4BVLFC9ZNWA==照片等）、作品评价（自评、互评和师评雷达图）、附录（相关学习材料）。学习手册全方位真实地记录了学生的项目过程和成果，既有助于教师从技术意识、工程思维、图样表达、物化能力和创新设计这五个核心素养维度来客观评价学生学业质量，也帮助教师诊断项目实施的质量，以便对项目的设计进行改进和优化。

（3）竞赛项目（太空电梯）

“太空电梯工程设计专项赛”是教育部批准的面向中小学生的白名单赛事，是由中国少年儿童发展服务中心面向全国青少年组织开展以人工智能科技创新为主题的竞赛活动。比赛将工程设计、人工智能、电子技术、3D打印和激光切割等有关知识交叉融合，要求参赛选手组队参加，综合运用多学科知识，创作完成“太空电梯”实物模型，通过现场评委对模型的设计搭建、工程测试、极限测试等环节的评审进行竞赛。

我校历届参赛选手都获得了省级二等以上的好成绩。这些参赛选手就是从高一选修“三维设计与智造”校本课程的学生中选拔出来的，有些则是“三维打印”社团的高二队员。参赛学生需要利用校本选修课、研究性学习课或者课余时间完成2人组队讨论、产品研发、打印、组装、测试和比赛的各项工作，这属于学生个人技能、人际交流技能、产品的CDIO全生命周期的设计实践技能，全方位覆盖了高中工程教育大纲的技能要求。

2023年参赛获奖的两位队员还整理了竞赛笔记，全方位地记录了他们的作品从构思、设计、搭建和测试各个方面的经验和教训，特别方便教师对他们进行项目化学习的过程性评价。结果表明，他们的CDIO技能都得到了全面的提升。

反思与讨论

限于篇幅，本文对学生工程能力评估的具体操作介绍不够全面，教学过程中对能力大纲的应用还有待细化。但我们相信，在CDIO教育理念的引领下，在标准和大纲的具体贯彻和实施中，高中生的工程能力和素养将会有效提升。

除了“三维设计与智造”，我校技术学科还有“开源硬件项目设计”“微电影创作”“融媒体创编”等多个课程，还包括跟物理、化学、生物学科合作的工程教育校本课程，高中工程教育在我校开展得扎实而有成效。

结论与展望

本文基于CDIO教育理念，结合高中课程特点，提出了高中工程教育的愿景、大纲和12条标准。在此基础上，介绍了无锡市第一中学在工程教育方面的大胆探索和实践。通过三个经典案例的设计与实施，阐述了项目化学习在高中工程教育中的有效应用，进而促进了高中生工程素养的显著提升。但愿能够抛砖引玉，为中小学工程教育的实施提供一定的借鉴。希望中小学教师们能够清醒地认识到我国工程教育的质量差距，意识到教育国际化发展的挑战与机遇，产生教育教学改革的新动力。

注：本文系江苏省普通高中课程基地项目“像工程师一样实践：普通高中工程整合课程基地”阶段性成果；无锡市教育科学“十四五”规划2023年度一般课题“超学科融合理念下普通高中工程教育的路径探索与样本建构”（I/D/2023/21）阶段成果

参考文献

CDIO. The CDIO Syllabus v2.0 [DB/OL]. http：//www.cdio.org/files/project/file/cdio_syllabus_v2.pdf. Accessed 20-23 June. 2011.

CDIO. CDIO Standards 3.0. [DB/OL]. http：//cdio.org/files/CDIO%20STANDARDS%203.pdf. Accessed 10 Oct. 2023.

[4] [5] [6] 王胄青.“三维设计与智造”课程设计与实施[J]. 中国信息技术教育，2020（21）： 14-16.