CDIO教育模式在學生創新設計競賽中的應用與探討

于衛　于晶晶　陳才扣

【摘 要】研究與探討基于CDIO工程教育理念進行學生課外創新設計活動，使學生在工程實際環境中學好專業知識、掌握專業技能的同時培養在現代企業中必備的創新設計、實踐動手和團隊協作能力，提出了與之相匹配的學生學習成果評估方法。以“2015年全國大學生電子設計競賽為例”，精辟地闡述了CDIO工程教育模式的全面實施過程。基于CDIO的創新設計競賽可以全面提高學生的綜合素質和工程應用能力。

【關鍵詞】CDIO；創新設計競賽；教育模式改革；素質與能力

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）21-0049-02

引言

目前，各高等工科院校和工業職業技術學院都在培養適應社會需求的工程型應用技術人才，尤其是工科本科教育正在快速地向工程應用型教育轉變。如何建立和完善高等工科教育人才的培養機制和模式，培養出適應社會需求的能理論和實際相結合的解決實際問題的應用型工程技術人才，就是本論文重點研究和探索的問題[1-4]。

我國有很多工科方面的各層次的院校在培養工程技術應用性人才，但是企業還是感到此類人才的奇缺。造成這個情況的原因是多方面的，其主要原因是我國工程技術教育的辦學理念、思路方法和教育的質量存在嚴重問題。由于傳統的教育思路和方法的影響，我國當前的工程技術教育過分強調基礎理論，忽視企業實踐和工程訓練，脫離企業實際，背離實踐為主、能力為強和應用為重的指導思想；此外教育中不重視對學生創新能力、實踐動手能力、團隊協作能力和應用理論知識解決實際問題的能力的培養；不重視對學生的工程觀念教育、責任感的培養以及經濟、社會、管理等相關知識和能力的培養。因而培養的學生缺乏解決實際工程問題的能力，缺乏參與工程的組織、策劃、協調、控制的基本能力和素質。

在2015年全國大學生電子設計競賽中，我們吸收了國際上先進的CDIO（構思Conceive、設計Design、實施Implement、運作Operate）工程教育理念，結合我國和揚州大學的實際情況，主要依托我校電氣信息類相關專業進行人才培養模式的試點，以CDIO全工程為載體，以全國大學生電子設計競賽為平臺，全面培養學生的CDIO工程能力。

一、CDIO工程教育

CDIO是一整套全面系統的、以實踐能力培養為目標的嶄新的工程教育模式，它以完整的工程項目或產品研發為載體，即構思、設計、實施和運作為載體，讓學生積極主動地以課程之間有機聯系的方式學習工程，要求學生在工程教育中既要掌握專業知識和技能，又要掌握集科技、社會、人文、經濟為一體大系統的適應和調控能力。該理念是：做中學“和“基于項目的學習和創新”的高度集中概括。它具有國際先進性、實踐可操作性、全面系統性和普遍適應性。針對當前國內工程技術教育和應用型人才培養出現的高等教育與社會需求嚴重脫節等諸多問題：學生理論不扎實、綜合能力差、社會適應性差、畢業后職業競爭能力差以及需要較長時間培訓才能具備理論聯系實際，將所學的理論知識轉化為現實產品的能力。CDIO工程教育模式對本科應用型人才培養的指導思想是：堅持人才培養方案和目標應與社會需求就業市場緊密相結合；堅持提高理論水平和提升實踐能力相結合；堅持通識教育，培養學生的綜合素質；堅持開展校企合作和工程項目研究，培養學生的應用理論解決實際問題的工程能力、創新能力、動手能力、團隊協作能力和不怕吃苦、勇于進取的精神。我國近年來重視開展CDIO工程教育模式的研究、應用，取得了可喜的效果[2]，某些（如上海第二工業大學）高校成立了CDIO工程教育實驗室。我校在學生創新室和校企合作的基礎上正在積極籌備CDIO工程教育實驗室。國內一些教育機構或組織也在積極地互相交流和研討CDIO工程教育的經驗和心得，促進了我國CDIO教育的改革和發展。

二、2015全國大學生電子設計競賽公開賽

全國大學生電子設計競賽是教育部倡導的大學生學科競賽之一，是面向大學生的群眾性科技活動，目的在于推動課程教學、教學改革和實驗室建設工作；按照緊密結合教學實際，著重基礎、注重前沿的原則，促進電子信息類專業和課程的建設，推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內容的改革，有助于高等學校實施素質教育，培養大學生的實踐創新意識與基本能力、團隊協作的人文精神和理論聯系實際的學風；加強學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，有助于學生工程實踐素質的培養、提高學生針對實際問題進行電子設計制作的綜合能力；有助于吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才的脫穎而出創造條件。全國大學生電子設計競賽每兩年舉辦一次，分兩次進行，第一次在各省賽區進行，第二次由各省賽區評出的部分一等獎再參與全國性評獎。

三、構建大學生科技創新競賽的 CDIO培養方案

我校本次參加“2015年全國大學生電子設計競賽”的人員是我校CDIO科技創新試點班的所有同學，分別參加了“雙向DC-DC變換器”、“增益可控射頻放大器”、“數字頻率計”和“短距視頻信號無線通信網絡”競賽，要求參賽人員在規定的時間內完成從總體方案確定、軟硬件設計、實物制作和測試、編寫總結報告等所有工作。

1.方案構成。

依據CDIO工程理念，學生參加電子科技競賽的培養方案和目標應與電子學科和電子產品的發展方向對大學生的水平、能力和知識素養的要求密切關聯，這其中包括學生的比較完善合理的知識結構、創新能力、實踐動手能力、團結協作能力、品質素質以及電子系統和產品的設計和研制能力。因此，構建立體化、多樣化的培養方案非常重要。方案以學生為中心，體現水平與能力并重、理論與實踐并重、繼承與創新并重，強調團結和協作精神，素質和能力的協調發展。構建基于CDIO工程教育模式的多樣化培養方案主要包括以下幾個方面：

（1）自主學習和合作研討式學習相結合。

為了迎接2015全國大學生電子設計競賽，學校經過精心策劃，將經過層層選撥的學生組成CDIO科技創新試點班， 根據電子設計競賽的要求，首先集中組織培訓，然后要求學生自主學習，學習有關電子設計競賽所必備的知識：模擬和數字電路、高頻電子線路、可編程邏輯器件及應用、單片機編程及應用、傳感技術及應用 等。通過集中做課題的形式，完善競賽所必備的知識結構。在培訓的后半期則組成以三人一組的形式按照競賽幾大類進行進行專類題目設計演練，在演練中提倡多位同學合作研討式的方式進行學習，合作研討學習是激發學習興趣、提高學生自主學習效率、開拓思維和解決設計中出現的問題的有效途徑。通過帶有目的性的自主學習和合作學習，發現問題并解決問題。沒有Conceive，就沒有接下來的Design。因此合作研討式學習實質上就是CDIO中的 自我Conceive和Design。

（2）學習能力和交往能力相結合。

雖說大家都關心競賽結果，但實際上現在過程也很重要，越來越受到老師學生們的重視，因為參加競賽的過程就是提高理論實踐水平、提升綜合能力、豐富產品研制經驗、激發學習興趣和交流的過程，這對今后的學習和工作都大有益處。因此學校組織的競賽培訓計劃就是要給學生提供一種學習經驗，不僅讓學生完善相關知識結構和加強專業應用，而且有具體的計劃能讓學生在研討互動學習過程中提高交際能力和電子產品系統構建的能力。具體明確的競賽培訓計劃就是通過整合這些能力和多學科知識的方法，將CDIO中的IO能力培養融合于競賽訓練中。因為學生的創新能力、實踐能力、交往能力和職業能力的培養是整個CDIO課程計劃不可分割的一部分。因此競賽培訓不僅培養學生的學習和實踐能力，同時也是提高學生間交往與合作能力。

（3）重視主動學習中的教與學。

大學學習計劃都是按照專業培養要求而定的，對那些學習不自覺的學生來說就是被動學習，被動學習是不能保證學習效果的，如何轉化被動學習為主動學習在于讓學生明確學習目的，激發學習的積極性。學校對于參加競賽的學生的要求是必須要主動學習，主動學習讓學生致力于發現問題、分析問題和解決問題。在本次競賽前培訓的過程中，劃出競賽要求學習的內容范圍，充分發揮學生的學習主動性，包括如小組合作和講解、討論、辯論、提問，以及從學生那里得到他們對學習的反饋，全面體現了CDIO中的CD培養理念。當學生被要求對問題，尤其是難點問題進行思考時他們必須做出正確的回答，這樣學生不僅能學到更多的知識和技能，而且能更好地認識到該如何學和學什么，這個感知的過程有助于激發學生的學習興趣、提升學生的學習動力、提高學生的學習效果，并養成良好的學習習慣。因此應用主動式學習方法實現了教師高效率教與學生高受益的學的有機統一。

2.培訓階段。

針對暑假競賽，學校在春季學期一開始即籌劃成立CDIO科技創新試點班，并實行工程化系統培訓。

具體做法是學校在（主要是13級）學生自愿申報的基礎上，根據學生平時表現進行初審，通過后參加第一輪筆試，主要考與競賽相關的基本知識和基本技能，按成績高低以50%學生進入第二輪；第二輪讓學生帶著自制作品參加交流與面試答辯，學校專門組織以指導老師為主的評委進行打分，根據情況，按成績高低再以20-30%的比例進入試點班。最終進入試點班的多數為平時勤奮好學的參加學校科技創新的學生為主。試點班成立后，學校先進行集中的系統培訓，講解參加電子設計競賽必備的基本知識、基本技能，熟悉常用器件和電子儀器的使用，掌握設計軟硬件的基本方法；然后3人一組進行分組，針對競賽的幾大方面分組進行專門的培訓，專門從事相關題目設計研究，從技術指標的確定到總體方案的設計再到各軟件模塊的具體設計和調試，最后將各部分電路連接起來組成一個完整的作品系統，通過綜合聯調，各技術指標努力符合要求，編寫設計總結報告。這樣做使每個小組成員都對電子設計競賽有個全面的認識，既分工協作、獨立思考、提出自己的見解和解決問題，又相互協作互相討論受到啟發得到靈感，解決難題。這樣每個隊員對比賽的理解都進行了構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate），使得CDIO理念在普訓階段就深入到訓練中。

CDIO科技創新試點班給每組學生布置了2011-2014競賽試題和指導老師精心準備的課題供選擇設計。首先對規則的解讀和作品的具體（基本部分、擴展部分）要求的正確理解是比賽開始前的必備工作，做有心人和心理準備的人是成功的基礎。競賽中每個題目都有其規則和具體技術指標要求，各小組要根據題目的規則和具體技術指標要求制訂不同的最優的競賽戰術方案；同小組3名成員先獨立構思制訂戰術方案，然后3人進行討論，以確定最優的方案，這樣為競賽取得成功得以好的開頭。構思（Conceive）、設計（Design），即CDIO中的CD兩個環節在競賽中全部得以實現，前期的CD準備對于整個設計競賽的CDIO是最為重要的。但隨著總體方案的展開、硬件和軟件設計和調試的深入，會出現越來越多和越來越難的問題，面對這些問題，各小組必須進行多次討論研究，每個人都必須為競賽的成功出謀劃策，冥思苦想和廢寢忘食地努力，最終多組同學較好地解決了設計過程中所有的問題。最后實施（Implement）和運作（Operate）是最耗費精力的，但也是CDIO中最能體現成果的階段，后期的IO決定了能否將CDIO中前期的CD才智充分地體現出來。

如小組成員在設計2011年的C題智能小車時，首先先弄清和正確理解設計規則要求，在對規則進行理解時發現：基本部分要求是甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈；兩車按指定位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車 區內實現超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現乙車超過甲車；兩車的行駛時間要盡可能的短。發揮部分要求繼續行駛到第四圈，實現兩車四圈交替領跑功能，行駛時間要盡可能的短。首先以實現基本功能為主，兼顧到發揮功能，進行總體方案設計，小組成員在規定時間里進行設計討論，確定最優方案；然后進行分工分別完成硬件設計、軟件設計、作品制作和編寫總結報告。在這過程中，始終伴隨著需要解決實際難題（比如：如何實現交替超車難題）的互相交流和探討的過程，最終在規定的時間內完成作品設計和制作的所有工作。通過這樣一個實戰演練，讓學生深入地體驗和經歷將構思、設計、實施和運作的全過程[5-6]。

3.競賽階段。

在圍繞設計競賽，致力于培養學生的創新、實踐動手和團隊協作能力的同時，告誡學生，能夠被學校選中參加全國電子設計競賽是很榮耀的事，不只是代表個人，而是代表了揚州大學，代表了設計團隊。要有思想境界，要從戰略的高度重視競賽，要有不怕吃苦的精神和遇到困難不放棄和持之以恒的毅力，只有這樣高度的認識，才能為競賽的成功提供思想基礎。在競賽題目下來后，同學們根據自己的特長和指導老師的意見選定題目，再根據要求查閱相關技術資料、設計總體方案、軟件硬件設計、實物制作和編寫設計報告。這些天里，小組每一位成員都為使競賽達到最好的成績廢寢忘食般地出謀劃策，每晚熬到12點多，有時為某一難點如何解決而掙得面紅耳赤，但最終想出最好的解決方法。比如做數字頻率計的小組成員則忙于計算機軟件編程和硬件制作之間，為使測量的頻率范圍、時間間隔和誤差符合規定要求而精心設計和制作電路、精心設計和調試軟件。雖然時間緊迫、困難多多，但同學們都以很大的熱情積極面對，互幫互助的精神得到很好的體現。在此期間，各小組之間也相互幫助。如數字頻率計組幫助增益可控射頻放大器組解決高頻模塊的設計問題；后一組又幫助短距視頻信號無線通信網絡組解決電源問題，小組成員充分發揚了奉獻精神和吃苦精神，通過苦干實干巧干和互相交流幫助，最終都取得了較好的成績。競賽階段將培訓階段CDIO中IO出現的各種問題集中起來進行解決，有時要推翻前期的CD用更科學更合理的CD來代替，因此這有時就是一個系統的反復多次的過程。

四、結語

通過這次競賽，揚州大學共獲得全國二等獎3項，省一等獎7項，省二等獎5項，取得了歷年來沒有取得的好成績，這要歸功于CDIO教育培訓模式的實施.每位學生都從競賽中全面系統地學到了2-3個項目的基本流程和運作管理，這使得每位學生的CDIO能力都得到了全面的鍛煉和提高。

學生的創新設計競賽在CDIO模式下運行體現出的成果從學生的角度主要表現為[7-10]：激發了學習興趣，在有明確的目標的情況下，萌發了學生的學習熱情；鞏固和提高了學生專業基礎水平，提高了應用理論知識解決實際問題的能力和實踐動手能力；培養了創新和吃苦精神、增強了團隊協作意識。從老師的角度表現為：提高了指導老師的教學和設計水平，特別是年輕老師的水平和能力，因為我們是采取的1名有能力的指導老師帶2名年輕老師來指導學生的。從學校的層面上講，創建了較為完善的和切合實際的評價體系來測評電子設計競賽的質量和效果。對基于學生創新設計競賽的CDIO教學模式的探索，將有效地推動和深化高等院校的創新實踐教育的研究、改革和發展，從而為社會培養和輸送更多的高質量的工程技術型和創新型人才。

參考文獻

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作者簡介：于衛（1963-） 男 ，漢族，江蘇江都人，揚州大學電工電子教學實驗中心副主任，副教授、高級實驗師、工程師，現主要從事創新性實踐教學改革研究、實踐教學與管理工作。研究方向：現代電路與系統設計。