CDIO教學大綱及特點.ppt

CDIO教學大綱及特點,汕頭大學 沈民奮教授,三個核心問題： 當代社會需要培養(yǎng)什么樣的工科畢業(yè)生？ 工科畢業(yè)生應掌握怎樣的知識(Knowledge, Skill, Attitude)、能力和態(tài)度？ 其水平應達到什么樣的程度？ 換句話說，工程教育所希望得到的教學效果(Learning Outcome)是什么呢？ 由此提出CDIO教學大綱（Syllabus）。,近代工程教育告訴我們： 工程教育有其本身的要求，作為大學的教育工作者，我們有責任向?qū)W生傳授廣泛的學科知識。 工程師必須具備廣泛的個人能力、人際溝通能力以及產(chǎn)品、過程及系統(tǒng)的構(gòu)建能力，這些能力保證學生在實際的社會和企業(yè)背景環(huán)境(Context)下的團隊工作中發(fā)揮重要作用。,CDIO工程教育模式（Initiative）為我們提供了一種新的教育方法，有助于解決工程教育普遍存在的問題，并可滿足學生和社會的需求。 其特點是：第一次全面描述了現(xiàn)代工程師所需的知識、能力及態(tài)度的完整內(nèi)容，即我們希望獲得的教學效果。,CDIO教學大綱的發(fā)展過程： 1 教學大綱（Syllabus）工程教育所需的重要文件，也是對教學效果（Learning Outcome）的全面描述。 2 制定過程通過列出一整套工科畢業(yè)生應具備的各種知識、能力與態(tài)度，由此獲得現(xiàn)代工程教育改革的解決方案。 3 主要特點這些知識和能力的主題內(nèi)容(Topics)具有通用化的特點，可用于各個工程領域；而且非常詳細，可為制定課程計劃和評估教學效果真正發(fā)揮作用。,再考慮前面提到的一個核心問題： 工科畢業(yè)生應掌握怎樣的知識、能力和態(tài)度？ 可由在校生、教師、職工、校友及工業(yè)界等與工程教育的直接相關者（Stakehold）對一系列教學效果提出他們的需求。所以，需要有完整的學習效果，另外，還要請工程教育的直接相關者參與并明確對學生所要求的知識與能力。,工程知識和能力 早在19世紀到20世紀中期，工科教育本來就是基于工程實踐的。到了20世紀后半葉，工程教育與工程實踐相互脫節(jié)的情況越來越嚴重，工程科學逐漸成為工科院校的主流文化，工程教育經(jīng)歷了從工程實踐到工程科學的發(fā)展過程。 后來工程界體會到這些問題的嚴重性，第一次提出開發(fā)新的方法：將工程科學與工程實踐進行優(yōu)化整合。所以，我們必須對現(xiàn)代工程實踐的需求進行深入的研究。 過去十年，國外許多大學和企業(yè)一直在努力，希望盡快縮小工程教育與工程實踐之間的距離，不少大的現(xiàn)代企業(yè)（如Boeing公司）就公布了他們所期望的畢業(yè)生的個人品質(zhì)（Attributes），同時，工業(yè)界也希望對工程師的資格能夠形成新的共識。,也許有人會問：這些要求是否只適用于美國？或只適用于某一工程領域？還是只適用于過去的十年？ 例如，世界化學工程委員會根據(jù)工科畢業(yè)生所需具備的重要能力，列出了2004年工程畢業(yè)生的明顯不足之處，如下表。,工科畢業(yè)生在能力方面存在的明顯不足之處 工作中最重要的能力 教育在能力培養(yǎng)方面最大的不足之處 在團隊中有效地工作 商業(yè)途徑 分析信息 管理能力 有效溝通 項目管理方法 搜集信息 保證質(zhì)量的方法 自學有效 進行溝通的能力 市場原則的知識 道德和職業(yè)責任,如果與Boeing公司的列表及美國工程與技術認證委員會ABET EC2000標準進行比較，并與五十年來的其他資料相比較?？梢园l(fā)現(xiàn)：許多大的現(xiàn)代企業(yè)，他們對年輕工程師所需的品質(zhì)有著驚人的相似之處。企業(yè)界要求工程師所需具備的知識、能力和態(tài)度主要包括： 1-了解工程基礎、工程設計和工程制造過程； 2-具有工程實踐的背景； 3-具有批判性思維和創(chuàng)造性思維、溝通能力與團隊工作能力。 鑒于這些共性，美國專業(yè)團體開始修定認證標準，其他工業(yè)化國家也發(fā)起了類似的工程教育改革。盡管這些出發(fā)點都是好的，但大部分改革并沒有對最初人們所期待的教育產(chǎn)生根本性的影響。,Boeing公司的列出的工程師所需理想的特質(zhì),良好理解工程科學基礎 數(shù)學（包括統(tǒng)計學）， 物理和生命科學 信息技術（遠多于計算機掃盲） 良好理解設計和制造的過程 具有多學科、系統(tǒng)視角 對工程實踐的背景環(huán)境的基本了解 經(jīng)濟（包括企業(yè)實踐） 歷史 環(huán)境 顧客和社會的需求 良好的交流能力 書寫、口頭、圖表、傾聽 高職業(yè)道德標準 批判性和創(chuàng)造性的思維-無論是獨立還是合作環(huán)境下 適應性，即適應快速或重大變化的能力和自信 好奇心和終身學習能力 深刻理解團隊合作的重要性,呼喚合理而詳細的教學大綱,以上列出的能力需求，是一個工程師所需的品質(zhì)，但仍不夠合理和詳細。基于此，需要重新對現(xiàn)有的需求進行規(guī)范，由此創(chuàng)立CDIO培養(yǎng)模式（Initiative）。努力的起點就是重新對工程教育的現(xiàn)有能力需求進行系統(tǒng)的論述，結(jié)論是： 每個工科畢業(yè)生都應具備在團隊合作的現(xiàn)代工程環(huán)境背景中，能夠構(gòu)思、設計、實現(xiàn)和運行復雜的具有附加值的工程產(chǎn)品、過程及系統(tǒng)。 換句話說：需要把構(gòu)思設計實現(xiàn)運行（CDIO）作為工程教育的環(huán)境背景（Context, not Content），由此獲得一系列詳細而合理的教學目標和教學效果。,1-CDIO教學大綱，就是要建立一個清晰、完整、系統(tǒng)和詳細的工程教育目標，使工科老師能夠理解并予以實現(xiàn)，這些目標已成為我們合理設計課程計劃和進行評估的重要基礎。 2-根據(jù)工程師的職能而制定的CDIO大綱，實際上并沒有弱化工程科學或工程研究的作用。恰恰相反，工程科學已成為工程教育的重要基礎，而且工程研究還為工程教育帶來了新的知識。我們的培養(yǎng)目標是：通過CDIO培養(yǎng)過程使絕大多數(shù)的學生成為合格的工程師，其實，這一點在MIT表現(xiàn)得非常突出，值得借鑒。 3-無論學生最后成為工程師還是工程研究人員，都必須讓他們在學校的4年里經(jīng)歷系統(tǒng)及產(chǎn)品的CDIO全過程實踐，這對于增強他們的工作閱歷和背景是極為重要的。,CDIO教學大綱 CDIO教學大綱提出了一系列關于知識、能力及態(tài)度的主題內(nèi)容，這些內(nèi)容與當代工程實踐標準是一致的。 其特點是：(1) 包含所有的能力需求內(nèi)容. (2) 由多個領域的專家評審通過. 教學大綱的主要價值：可用于各種不同的工科專業(yè)，并可作為一個通用模型，指導我們獲得所期待的教學效果和培養(yǎng)目標。 前面已經(jīng)提及：要把知識、能力和態(tài)度作為工程教育的結(jié)果。那么，教學效果就應該納入到CDIO教學大綱中。這些教學效果必須在工科專業(yè)計劃中具體說明：當工科學生畢業(yè)時，應掌握什么？他們能做什么？這些問題應該在大綱中得到全面的體現(xiàn)。,教學大綱除了對技術學科知識（第1部分）的教學效果進行說明外，還特別強調(diào)個人能力(Personal)、人際協(xié)調(diào)能力(Interpersonal)、產(chǎn)品、過程及系統(tǒng)構(gòu)建能力等方面的教學效果。個人的學習效果（第2部分）主要集中在學生個人的認知與感情的發(fā)展上，包括工程推理和解決問題能力、實驗能力與知識探索能力、系統(tǒng)思維能力、創(chuàng)造性思維能力、批判性思維能力以及職業(yè)道德等方面。人際協(xié)調(diào)能力的學習效果（第3部分）主要集中在個人與團體之間的互動(Interact)上，如團隊工作能力、領導能力和溝通能力等。產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力(Building Skill)（第4部分）則強調(diào)在企業(yè)、商業(yè)和社會環(huán)境中，對產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)進行構(gòu)思、設計、實現(xiàn)與運行的能力。,CDIO教學大綱的內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 目標： 1.建立一個基本原理清晰的結(jié)構(gòu)。 2.獲得一個合理的高級目標集。 3.提供清晰、完整和系統(tǒng)的主題集，可以實現(xiàn)和評估。 大綱的出發(fā)點是：工程師為改善人類生活而構(gòu)建產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)。為使學生更好地進入當代工程職業(yè)領域，必須具備一個工程師的基本功能應能夠在現(xiàn)代的團隊環(huán)境中去構(gòu)思-設計-實現(xiàn)-運作復雜的且具有附加值的工程產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)。另外，還期望他們成為具有獨立思考能力的成熟的個體。,CDIO教學大綱的內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 如圖所示，反映了CDIO教學大綱的第一層內(nèi)容與關系。 總的期望直接反映在教學大綱的第一層，包括四個方面的要求畢業(yè)生要掌握一整套個人與職業(yè)方面的能力和品質(zhì)，其核心內(nèi)容就是實踐能力。其次，為了開發(fā)復雜的具有附加值的產(chǎn)品或工程系統(tǒng)，學生必須掌握必要的技術知識和推理能力。第三，為了能夠在現(xiàn)代團隊的環(huán)境中開展工作，必須培養(yǎng)學生的團隊工作和人際溝通能力。 最后，為了能夠創(chuàng)建并運行產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)，學生需要了解在社會和企業(yè)環(huán)境中進行系統(tǒng)的構(gòu)思、設計、實現(xiàn)及運作。,圖中給出了大綱的第一層中 “1技術知識和推理”下面的第二層具體內(nèi)容及其關系?，F(xiàn)代工程基于“基礎科學知識(1.1)”?！昂诵墓こ袒A知識(1.2)”則是基于核心科學的，“高級工程基礎知識(1.3)”使學生擁有實際工作所必備的能力。 把技術知識和推理能力放在教學大綱的最前面，目的是提醒人們技術基礎知識的深層應用是工程教育的基本目標。教學大綱中保留了包括工科畢業(yè)生所需的所有知識、能力和態(tài)度這三部分的內(nèi)容。另外，大綱盡量對所有的專業(yè)使用明確的術語，以便在不同的工程領域的具體應用時，可對這些術語進行轉(zhuǎn)譯和解釋。 CDIO教學大綱：技術知識和推理的第2層關系,下圖給出了 “2. 個人能力、職業(yè)技能和職業(yè)道德”與 “3. 人際協(xié)調(diào)能力”的第二層內(nèi)容及關系：,大綱（ 2.1, 2.2, 2.3）表示了工程師用得最多的三種思維模式 【1】工程推理和問題解決(2.1)，【2】實驗與知識探尋(2.2)和【3】系統(tǒng)思維(2.3)。這三種思維模式也稱為工程思維、科學思維和系統(tǒng)思維。每種思維模式可以進一步細化為問題的表達、思維過程和問題的解決。 大綱(2.5)職業(yè)能力和職業(yè)道德包括：工程實際中的職業(yè)計劃和終身學習所需的職業(yè)操守、職業(yè)行為以及能力與態(tài)度。 大綱(2.4)個人能力和態(tài)度包括：一般的性格特征，這些性格特征是指一個人的進取心、堅定不移、創(chuàng)造性、批評性思維、自知之明、好奇心、終身學習能力和時間管理能力。 人際協(xié)調(diào)能力（Teamwork）分成三個重疊的子集：多學科團隊工作(3.1)，溝通(3.2)和外語交流(3.3)。團隊工作是指形成技術團隊，使之運作和成長，并領導該團隊。溝通能力則包括設計出交流策略和構(gòu)架，并能使用包括書面交流，口頭交流，圖形描述和電子化手段等四種基本溝通模式。外語交流指的是傳統(tǒng)的外語學習能力，并能夠應用在特定的技術交流中。,下圖顯示：在企業(yè)和社會環(huán)境中，“4 構(gòu)思、設計、實現(xiàn)及運作系統(tǒng)”的框架。該圖說明了開發(fā)一個產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的四個階段：構(gòu)思與建造系統(tǒng)(4.3)，設計(4.4)，實現(xiàn)(4.5)和運作(4.6)。這些名詞可用硬件、軟件、系統(tǒng)和過程工業(yè)四個方面來進行描述?！皹?gòu)思”是指從市場定位或通過高級概念設計選擇機會這一過程，同時還包括開發(fā)與項目管理。“設計”則包括設計過程，以及學科、多學科和多目標設計等方面?！皩崿F(xiàn)”包括硬件與軟件實現(xiàn)過程、測試與證明、以及實現(xiàn)過程的設計和管理。“運作”包含了從設計和運作管理，再到支持產(chǎn)品、過程與系統(tǒng)的生命周期和改進，最后到生命周期終結(jié)的規(guī)劃等多方面問題。,在企業(yè)和商業(yè)環(huán)境中(4.2)，工程師必需懂得有效進行產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的創(chuàng)建與運作。在任何類型和規(guī)模的企業(yè)中，工程師需要具備能夠理解企業(yè)文化和發(fā)展戰(zhàn)略的能力，并且懂得以一名企業(yè)家的方式發(fā)揮作用。同樣，企業(yè)也是在一個更大的外部與社會環(huán)境中(4.1)生存。這方面的知識和能力包括對社會與工程之間關系的認識，以及對廣泛的歷史、文化和全球情況的了解。 大綱的構(gòu)思、設計、實現(xiàn)和運作,顯然，CDIO教學大綱的前兩層構(gòu)成為： 第一層反映了工程師的職能：工程師作為一個訓練有素的個體，參與企業(yè)的工作過程，目的是構(gòu)建產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)。 第二層對第一層內(nèi)容進行細化，反映了當代工程專業(yè)的實踐與學術方面的內(nèi)容。 教學大綱還分別細化到第三層和第四層。這些細化的層級須從高級目標轉(zhuǎn)換成可講授和可評估的學習效果。這種詳細的教學大綱對工科教師來說會有許多好處。細節(jié)部分可使我們深刻理解大綱的內(nèi)容和教學效果，并科學地將這些能力要求整合到課程計劃中去，由此制定教學與評估的規(guī)劃。（詳細的大綱見下發(fā)的小本子）,CDIO教學大綱的合理性 制定詳細的教學大綱內(nèi)容，需要考慮： 1在產(chǎn)品開發(fā)中用戶需求的因素； 2關于學術研究方面的其它技術因素。 為了保證教學大綱適用于所有工程領域，參與專門小組討論的成員應具有不同的工程背景。還要向這些小組提出以下問題：“什么才是一個工科畢業(yè)生應具備的具體的知識結(jié)構(gòu)、能力和態(tài)度？” 這些原文件材料代表了工業(yè)界、政府和高等學校對大學畢業(yè)生所期待的目標。包括前面所述的ABET EC2000標準，Boeing提出的工程師品質(zhì)，以及MIT的其他相關文件等。,為確保大綱的全面性，對大綱內(nèi)容與其他材料進行某些比較： ABET EC2000-3標準的11項指定的品質(zhì) 1 具備應用數(shù)學和理工科知識的能力。 2 具備設計和指導實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析和解釋的能力。 3 具備設計一個系統(tǒng)或系統(tǒng)組成的要素、或過程，以滿足現(xiàn)實需要的能力。 4 具備在多學科團隊中發(fā)揮作用的能力。 5 具備夠鑒別、闡述和解決工程問題的能力。 6 能夠理解職業(yè)和道德責任。 7 具備有效進行溝通的能力。 8 在全球社會背景下，擴大教育需要以理解工程問題解決辦法的影響。 9 具備認識到社會需求，參與實踐和終身學習的能力。 10具有關于當代問題的相關知識。 11具備在工程實踐中使用技術，技能和現(xiàn)代工程工具的能力。 ,CDIO大綱的特點和優(yōu)點 將CDIO大綱與ABET EC2000標準3進行比較，結(jié)論是：CDIO教學大綱有明顯優(yōu)勢，大綱比標準3組織得更合理，大綱是從現(xiàn)代工程的功能方面產(chǎn)生的。另外，它比ABET文件更詳細，并形成各層內(nèi)容。大綱中每個細節(jié)部分都給出實質(zhì)性的意思。最后，大綱還定義了一些可測試的目標，這些目標對課程計劃的設計和評估都很重要。,職業(yè)類型所需的一般能力 下面將工程師在五個不同的職業(yè)類型所需的一般能力進行對比。所有職業(yè)類型所需的一般能力包括： 2.1 工程推理和問題解決，2.4 個人能力和態(tài)度，2.5 職業(yè)技能和道德； 3.1 多學科團隊工作，3.2 交流，3.3 用一種外語交流； 4.1 外部和社會背環(huán)境。 根據(jù)工程師的個人能力和興趣，他們至少可以從事五種不同的職業(yè)類型。如下圖： 下圖示出了這些職業(yè)類型以及對應的CDIO大綱部分。,CDIO教學大綱中隱含的職業(yè)工程師的職業(yè)生涯,當然，不可能有一個剛剛畢業(yè)的工程師就能成為這五個職業(yè)類型的專家，而且實際上，他們可能對任何一類職業(yè)都不行。 現(xiàn)代工程實踐的基本特征就是個人的角色要隨時間而進行改變和不斷進步。剛畢業(yè)的工程師應能夠與其他不同職業(yè)類型的人打交道，并要培養(yǎng)成通才，以應對這些職業(yè)類型中的一個或多個不同組合的職業(yè)要求。,現(xiàn)代工程主旋律 - 創(chuàng)新和可持續(xù)性（Contemporary themes in engineering-innovation and sustainability） 根據(jù)工程師所需的知識和能力而制定的長期和穩(wěn)定的CDIO教學大綱。同時，當代主題凸顯了工程本身和工程教育的重要性?，F(xiàn)在，創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的概念也屬于當代主題這一范疇。這些主題在更高級的大綱標題中并不明顯，但我們相信支持這些主題的知識和能力實際上已經(jīng)在大綱中表現(xiàn)出來了。 可持續(xù)發(fā)展 1987年聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會所發(fā)表的布特蘭報告書中經(jīng)常使用的關于可持續(xù)發(fā)展的定義：“人類有能力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展既滿足當代人的需求，又不對后代的需求構(gòu)成危害?！?實際上，CDIO大綱的4.4.6“多目標設計”部分就明確地參考了可持續(xù)性這一定義，大綱中關于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展設計就包括了產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)設計這一目標。 皇家工程院還將可持續(xù)性解釋為：對以技術為核心、以社會為核心以及以生態(tài)為核心的這三方面內(nèi)容進行建設性的融合。如果從這三方面的角度來看CDIO大綱，可以發(fā)現(xiàn)：大綱用4個第三層的主題內(nèi)容討論了適當發(fā)展和合理使用技術方面的問題，并用5個第三層的主題內(nèi)容討論了各種