“MPC-CDIO教育教學模式”實施效果評析

王 芳 張 瑛 劉建軍 嚴彥文 郭紹輝

(中國石油大學(北京)理學院,北京 102249)

1 MPC - CDIO概述

1.1 概念

MPC-CDIO(Mathematics and Physics Courses-Conceive, Design, Implement and Operate)是為了響應教育部的2010年6月開始啟動的“培養卓越工程師”的號召[1]，2011年由中國石油大學(北京)理學院提出來的將數理公共基礎課程教學改革放到卓越工程教育的大背景下所進行的教育教學模式改革。MPC-CDIO是在CDIO工程教育理念及能力培養通識目標的基礎上，從數理課程具體的內容特點出發，圍繞工程能力的培養特別是數理能力及素養的訓練所建立起來的國內首創改革模式。MPC-CDIO教育教學模式改革明確“3個堅持”為培養目標，即堅持實現低年級大學生“知識、能力、素質”協調發展的目標；堅持支撐服務專業院系人才培養需求的目標；堅持為學生終身發展或可持續發展服務的目標。MPC-CDIO工程教育教學模式內容涵蓋了分層分類的MPC-CDIO課程體系的建設，MPC-CDIO能力培養大綱的確立，MPC-CDIO三級能力培養項目體系的建立，教、學、研互動式教育教學模式的實施，以及保障和評價體系的設計等內容[2]。

1.2 理論基礎

截至2010年底，我國已開設有工科專業的本科高校是1003所，占本科高校的90%。但麥肯錫全球研究所統計資料顯示[3]，80.7%的美國工程師可在全球受雇，而滿足同樣條件的中國工程師只有10%。不僅如此，洛桑管理開發研究院的《國際競爭力年度報告》顯示中國工程師被認可程度連續多年位居末位。數據表明，我國目前只是工程大國而非強國。因此，作為直接為國家輸送人才的大學工程教育教學改革迫在眉睫。

吸取國際工程教育領先國家的經驗，教育部于2010年啟動了工程教育重大改革項目“卓越工程師教育培養計劃”，從此開始大力度進行高等教育的卓越工程師培養進程。但問題是如何培養一名卓越工程師?究竟采取何種模式進行改革?這是橫亙在高教工作者面前的亟待解決的問題。適逢其時, CDIO作為國際先進的工程教育理念和模式之一[4], 2005年開始引入中國的各高校教育教學中，取得了很好的效果。中國石油大學(北京)理學院認真研究領會CDIO工程教育理念，借鑒了汕頭大學的EIP_CDIO工程教育模式[5]、清華大學的聯結理論與實踐的CDIO工程教育模式[6]、華中科技大學的CDIO工程文化教育模式[7]等先進的CDIO教育教學模式改革。在調研學習的基礎上首次將CDIO工程教育理念引入數理基礎課教學中.突出數理課程與CDIO能力之間的交叉融合與培養,堅持工科大學的學生除了應具備堅實的數理基礎知識以外，還應具備在低年級就應獲得的數理素養以及通過數理課程學習應獲得的其他課程所不能代替的能力，例如，數學和物理建模的能力，定性與半定量問題的研究能力，量級的估算能力等。為高年級的專業研修乃至畢業后成為一名卓越的工程師打下良好的基礎。

1.3 框架及內容

MPC-CDIO教育教學模式不僅要在教學中實現CDIO工程教育模式所要實現的“知識、能力和素質”的協調發展，更重要的是將CDIO教學大綱中的關于知識和能力目標融進數理教學過程中，通過課內的課程體系和課程內容改革、課外的三級項目體系創新以及教學方法和手段的配套實施最終實現卓越工程人才培養目標。圖1是主要分3個模塊進行的MPC-CDIO教育教學模式具體框架結構。

圖1 MPC-CDIO教育教學模式的框架結構

1) 實施MPC-CDIO分層分類分級式課程體系，滿足不同學習目標的能力培養

課程體系和教學內容決定著人才培養對象所具有的知識、能力和素養的結構和內涵，因此，需要構建合理的數理課程體系并改革教學內容以滿足將來不同專業的需求，例如，石油、地質等學科需要的數理知識不僅面要廣而且要有一定的深度；而化工、應化等專業則需要擴大知識面和見識；而人文社科類的數理難度最小。基于這樣的需求，學院將數理公共基礎課進行了歸類分級，對內容和要求進行了調整和刪減，形成了以適應學生個性化培養的分層分類MPC-CDIO課程體系[1]。包括以培養學術研究型人才為主的創新班，以培養工程技術高級人才的卓越班，以及普通工程人才的普通班和文科班。根據人才培養目標和類型，從教材的選用、教學內容、教學手段等方面都進行了設計和建設，不僅體現了學科專業的交叉性和綜合性，而且突出了高校人才培養的特色價值和個性發展，目的是因材施教最終能夠人盡其才。

2) 設計、構建三級MPC-CDIO項目體系，逐層培養訓練學生的工程能力

為了更有效地實現CDIO能力培養，學院按照專業人才培養需求，進行了“CDIO能力分析”，篩選出凸現數理能力和素養特征的新能力條款，研發出相應的研究項目，并以其作為紐帶，對數理核心課程及內容進行了優化與重組，形成了三級MPC-CDIO項目體系(見表1)，對學生的各類工程能力進行不同深度的訓練，最終實現“知識、能力、素質”三者協調發展的目的。具體的，第三級MPC-CDIO項目主要來源于根據教材改編的習題，目的是培養數理素養，如數學語言的物理意義、量綱量級的轉換規律等內容，放在大一新生中進行，用以規范學生的學習行為、習慣等素質。二級MPC-CDIO項目源于數理知識的拓展和應用，包括數學建模、物理實驗競賽等，突出數理課程的結合，致力于數理知識的綜合能力訓練和培養,時間是從大一下半年持續到大二年級整一年。而一級MPC-CDIO項目從大二上半年至畢業一直持續進行，重點是創新創意綜合訓練素質項目，與工程技術、專業背景、節能源環保等熱點問題結合的數理科技創新訓練課題，旨在對學生進行MPC-CDIO項目全過程訓練，開發學生的創新、創意潛能，提升學生全面的CDIO綜合素質。

表1 三級MPC-CDIO項目體系列表

3) 建立MPC-CDIO“教、學、研”互動式教學模式,促進能力培養的力度和速度

無論是課程體系和教學內容的改革還是MPC-CDIO三級項目的訓練都要在教學過程中去具體實施，實踐過程中的教學方法和教學手段的設計至關重要。MPC-CDIO教-學-研互動式教育教學模式[1]融“教、學、研”于一體，依托各級各類MPC-CDIO項目研討，學生通過“自主探索、合作研究、交流討論、成果展示以及總結點評”等環節，真正深度參與教學活動。該教學模式包括MPC-CDIO課堂教學互動、MPC-CDIO實踐教學互動和MPC-CDIO項目成果展示交流互動3種方式，最突出的特點為：①學習方法發生了明顯的變化。由“被動的學習”轉變為“自主探索-合作研究-交流討論-成果展示”的主動學習；②教學方式發生了明顯的變化，由“單一知識的傳授”轉變為“融知識、能力、素質一體化培養的“多模式教學”；③師生關系發生了明顯的變化。教師不再是講壇上的圣人，而是站在學生旁的指路人，為學生成長鋪路搭橋、樹立信心、激勵前進，促進能力培養的力度和速度。

2 MPC - CDIO教育教學模式實施效果評析

MPC-CDIO教育教學模式改革已有6年，期間的改革實施主要是在試點班進行，研究涵蓋了上述的課程體系、三級項目、互動教學模式，而且還包括教學能力大綱的編寫、教學目標的制定以及組建MPC-CDIO教學團隊和交流教學平臺、完善MPC-CDIO保障與評價體系等內容。6年的改革實踐為學生進行深度的數理學習創造了良好的氛圍和環境，為培養和提高學生的學習能力及工程綜合能力奠定了扎實的基礎，取得了很好的預期效果。下面將對實施改革的試點班的能力培養情況及結果進行具體分析。

2.1 學生學習力的培養情況評析

如今是互聯網時代，知識與技術的更新日新月異，所以，卓越的工程人才首先應該具備的是超強的學習力。針對這點，MPC-CDIO項目改革實施過程中，教師非常注重強化學生的學習力培養。例如，為了培養提高學生查閱資料、分析歸納綜合、提煉知識等學習能力，教師延伸拓展課本內容，然后以工程案例專題的形式讓學生去練習；另外還積極鼓勵學生自學，一方面，拓展學生自學的內容、豐富學生自學的形式；另一方面，在期末成績評估時增加自學模式的實踐分值，以達到鼓勵學生加強自學的目的。

圖2 2011—2015年試點班與普通班期末物理試卷成績對比柱狀圖

實踐結果表明，學習力的確是可以通過訓練得到培養和提高的。無論是分析問題解決問題的能力還是歸納概括總結的能力，無論是舉一反三的思維發散能力還是建立模型修正結果的綜合能力，通過訓練都會有長足的進步和發展。圖2是2011—2015年期間試點班與全校普通班的大學物理期末試卷成績對比柱狀圖。大學物理試卷試題包括基礎題、專項能力測試題和綜合能力測試題，試卷的分值能夠較真實地反映學生的綜合學習力。圖2顯示，由于每年題的難易程度不同，學生的平均分值是不一樣的，但是趨勢和結果是一樣的，即每一年試點班的學生期末成績的平均值均高于全校普通班的期末成績的平均值，直接說明了學習力若經過有意識訓練的確可以得到很大的提升，也間接反映了學習力培養的同時基礎知識也得到了很好的夯實。

為進一步反映MPC-CDIO教育教學模式對學生學習力的培養及提高情況，表2顯示的是同一名老師教授的試點班與普通班的高等數學從2012—2016年的期末考試試卷的平均分值的對比情況。數據表明：即使同一老師教授，試點班的數學期末考試平均成績要明顯高于普通班的，盡管每年的試題難易程度不同導致分值不一，但差異都在5.6～12.22分之間變化。對于相同基礎水平的試點班與普通班，這個差距足以說明通過有意識的訓練學習力的提高是顯著的。

為了量化探索MPC-CDIO項目訓練對學生學習力的影響程度，在試點班進行了有目的的大學物理和高等代數的前后測實踐。表3顯示的是高等數學前后測試增量分析，總共包含50道試題,選取了2012級石油工程專業試點班和2012級機械、測控專業普通班進行了測試對比。測試題目有考查學生記憶概念和辨析概念能力的，例如表3中的題5,13,42,50；有考查學生運用公式計算能力的(見表3中題20,31,39,48)；有考查學生知識遷移解決實際問題能力的(見表3中題7,11,28,43)；也有考查學生抽象思維建立模型能力的(見表3中題16,21,37,40)。數據分析表明,通過一學期的學習,學生的各項學習能力都得到了提高,但是試點班與普通班的提高程度不一樣。其中概念記憶類題的正確率提高程度基本是一樣的,正確率的增長在正負3%之內。其他的像運算類試題、知識遷移類試題、建模類試題方面的正確率試點班都高于普通班，并且，建模能力增長差異度最大，知識遷移能力差異度次之，運算能力增長差異度較小。充分說明MPC-CDIO學習力訓練提升的不僅僅是記憶概念、公式計算等基本學習力，對抽象分析、概括、知識遷移及建模等復雜的綜合學習力提升力度更大，效果更顯著。

2.2 學生創新能力的培養評析

創新能力是將我國從工業大國轉型為工業強國的核心能力，是評價一名工程技術人員是否優秀的基本特征，是考核貫徹CDIO工程教育理念成功與否的重要標志，所以MPC-CDIO教育教學改革將創新能力的培養和訓練作為重中之重。基于創新能力主要是由知識視野、創新意識、創新思維、創新技能和創新素質等要素相互作用而形成的綜合能力[8]，結合數理課程的具體內容、三級能力培養項目以及目前的教學環境設計了MPC-CDIO創新能力培養的基本實施環節(見圖3)。

表2 2011—2016年CDIO試點班與普通班高等數學期末試卷平均分值比較

表3 試點班與普通班高等數學前后測增量分析

圖3 MPC-CDIO創新能力培養的基本實施環節

首先，為培養提升學生的創新能力，MPC-CDIO教育教學改革設置了2個輔助環節。一方面,拓展知識，不僅在授課內容增添一些實踐應用知識和科技前沿知識，而且也積極開發輔助課程來開闊學生的創新視野，從而提高創新素質；另一方面，增設試驗平臺，通過反復實踐提升學生的創新技能。統計結果表明，過去6年里，數理基礎教學共開設輔助課程4門，新建數學實驗室、物理創新實驗室等5個實驗室作為科技創新技能訓練的平臺。其次，積極拓展自主項目的內容，鼓勵學生自覺主動地從身邊的生活生產實踐出發，尋找有價值有興趣的課題進行研究，培養他們的好奇心，進而培養學生的創新激情與意識。不僅如此，還設計和運用多種教學方法鼓勵學生求變求新，例如，以評估加分的形式鼓勵學生設計多個試驗方案，選擇和創造盡可能多的辦法去解決問題,有時候會讓幾組同學做一個課題，然后進行比賽看誰的方案最優化，誰建立的模型最合理等，極大地挖掘了學生運用多種思維求新求創意的潛能。

圖4 2012—2015年間試點班與普通班平均每學期獲得國家級及校級科創項目的對比

在過去6年里試點班學生的創新能力經過訓練有了很大的發展，可以從下面的數理科技創新情況及數學建模競賽數據上略見一斑。圖4顯示了從2011年到2015年學生在基礎課學習期間平均每學期獲得的國家級科技創新及校級科技創新試點班成功申請到的項目和普通班成功申請到的項目的對比情況。其中試點班每個自然班平均每學期成功申請國家級科創數量是1.2個，而普通班是0.27個，試點班的國家級科創平均數量是普通班的4.44倍。另外，試點班成功申請校級科創的數量是平均每學期2.83個，是普通班的3.02倍.數據反映通過MPC-CDIO創新能力培養，讓學生大學伊始就注重創新能力的培養，也會取得較好的效果。

數學建模過程是運用科創能力解決實際問題的過程，是一個很好的科技創新能力培養過程，所以，學生數學建模的成績很大程度上反映了學生創新能力的培養情況。表4描述了從2011—2016年我校低年級學生在美國數學建模競賽中的獲獎情況。毫無疑問，盡管試點班每年參賽的比例是不一樣的，但是獲獎比例總是高于參賽比例，說明試點班學生的科技創新能力遠高于普通班的學生。

表4 我校大學生在美國數學建模競賽中的獲獎情況

不僅如此，2011年以來，MPC-CDIO教改試點班學生參與發表的教育教學研究論文9篇，獲得實用新型專利1項，研發物理演示儀器或產品39項目，其中具有石油特色的演示儀器5套, 學生項目獲省部級以上獎項7項。這些數據足以表明MPC-CDIO教學模式對學生的創新能力和意識的培養是有幫助的。

2.3 學生團隊意識和國際化視野的培養

團隊意識和國際化視野是衡量一名卓越工程師的重要標志，積極組織學生參與國際交流、拓展學生的國際視野，提升學生跨文化交流、合作能力和參與國際競爭能力為了培養學生的團隊意識.然而無論是團隊意識還是國際化視野都不是與生俱來的，必須通過挖掘和培養才能顯現的[9]。在MPC-CDIO教育教學改革過程中，一方面，建立小組學習模式，課堂上設立專題進行小組討論，然后學生代表陳述觀點。對于綜合性強的實踐問題進行課下小組討論，最后將解決的問題整理成PPT，并進行闡述和答辯。另一方面，建立互動體驗工作坊模式：15名左右學生在一起活動，活動內容形式多樣，有角色扮演，也有問題模擬等，并且，要確定組長，秘書等，分工合作，過段時間就工作互換，目的是培養他們的團隊合作能力和意識。在2013—2014年連續兩年對試點班的學生進行的滿意度問卷調查中，結果高達91%的同學喜歡小組學習的模式，認為對他們的團隊精神和集體責任感，特別是培養領導能力和欲望都有很大的幫助。

為了培養學生的國際化視野，MPC-CDIO項目積極在校內營造國際化的學習環境，例如積極鼓勵學生查閱英文文獻，并為能夠英文答辯和撰寫結題報告的學生加分，還利用英語社團以及留學生資源舉辦多次文化學術交流等。不僅如此，還多方籌資帶學生出去參加一些國際性的會議和競賽，例如，在改革實施期間，曾帶學生赴臺灣、廣州等地學術交流7次，帶回的先進理念和成果使學生視野得到了拓展，也很受鼓舞。

2.4 教師CDIO能力的培養

MPC-CDIO教育教學改革針對的是低年級學生，教師的輔助和引導就顯得非常的重要，因此，MPC-CDIO教育教學改革伊始就狠抓教師隊伍的建設，不斷進行培訓嚴抓日常團隊活動。6年過去了，MPC-CDIO教師團隊的教育理論水平和教改能力都得到明顯提升，在統計源和核心期刊上發表相關教改論文20余篇，值得一提的是，2015年3月在《高等工程教育研究》上發表的文章“MPC-CDIO教育教學模式的探索與實踐”，迄今已被引用4次，下載772次，并獲得“北京市高等教育學會”的一等獎、“中國石油石化聯合會”的一等獎，及“中國高等教育學會第九次高等教育研究成果獎”的三等獎，引起學者的廣泛關注。同時，2017年12月MPC-CDIO項目研究成果被評為北京市教學成果一等獎及中國石油教育學會教學成果特等獎。

2.5 MPC - CDIO教育教學改革產生的影響

6年的改革和實踐結果表明MPC-CDIO教育教學改革產生的影響是深遠的,主要表現在以下幾個方面。

1) 為縮短卓越工程師培養周期提供了寶貴的理論和實踐經驗

MPC-CDIO人才培養模式是針對新生設計的，改革的進行摒除了學生頭腦中原有的關于基礎知識無用的錯誤觀點，打破了原有的基礎課與專業課之間的壁壘，改變了以往經過高考的學生想在基礎課懈怠的現象。更重要的是MPC-CDIO教育教學改革為新生的學習指明了卓越工程師的培養方向,奠定了知識和能力基礎，大大縮短了高年級學生CDIO能力的培養周期。

2) 對提高能力培養的效率起到了重要的引導和推動作用

MPC-CDIO人才培養模式不僅構建了培養能力的MPC-CDIO三級項目體系貫穿于公共基礎課程教學，對學生進行不同層次、側重點不同的CDIO全過程訓練。而且，將MPC-CDIO能力條款對應寫入授課章節內容中，并具體落實到每一節課程的教學過程中，形成了獨具特色的MPC-CDIO教案，通過教學實施反復實踐達到提升能力的目的和效率。

3) 為CDIO工程教育模式下公共基礎課的教育教學改革提供了可借鑒的經驗

MPC-CDIO人才培養模式形成了數理核心課程的MPC-CDIO教學文件，構建了MPC-CDIO教-學-研互動式教育教學模式，初步建立了MPC-CDIO項目的考核評分體系，納入過程性考核指標，實現了基于MPC-CDIO理念的全過程、多元化的課程考核體系，這些都為公共基礎課的教育教學改革提供了可借鑒的經驗。例如，在“全國CDIO工程教育2013年會”上，我校做了題為“石油工業創新人才培養模式中數理基礎教育的實踐與探索”報告，介紹了理學院在數理基礎課程MPC-CDIO教學模式的改革探索，引起參會嘉賓和代表的極大反響。另外，在我校和汕頭大學主辦的“2015年全國部分高校CDIO數理基礎課程教育學術研討會”上，做的《MPC-CDIO教學模式的探索與實踐》專題報告也得到了汕頭大學、北京大學、機械工業出版社等單位與會專家和代表的認可。

3 總結與展望

本文簡要介紹了MPC-CDIO教育教學模式改革的概念、內容和實施過程，然后對MPC-CDIO教育教學改革進展情況及改革實施效果進行了介紹和分析，主要圍繞對比試點班與普通班的學習力、創新力、國際化視野、團隊意識等卓越工程能力的獲得情況來展示改革的亮點。結果表明：自2011年啟動以來，MPC-CDIO教育模式不僅達到了預期的成果，而且對于如何在基礎課學習期間訓練培養學生的工程能力，以及如何提高各種工程能力培養的效率提供了寶貴的實踐經驗，為工程類乃至綜合類大學的公共基礎課的教育教學改革提供了可借鑒的理論和實踐經驗。

盡管如此，MPC-CDIO教育模式畢竟是國內首創，在實施的過程中仍存在著一些問題：突出表現在師資力量不夠，以及目前還沒有真正實現校企聯合等方面。因此，在今后的MPC-CDIO教育教學改革和推廣過程中，不僅需要更多的教師參與，而且還需要各學院間的進一步聯合，配合學校、人事部、教務部門落實政策，保障改革的進一步實施。并且，為了鼓勵和吸引學生積極主動地參與改革，需要制定細化與學生切身利益掛鉤的政策，例如，加大學生參與CDIO項目得分在綜合測評成績的比例。吸引更多的學生和老師參與進來，繼續擴大MPC-CDIO教育教學模式改革試點工作、推進改革的深度。