基于CDIO理念的高中工程教育實踐探索

【摘 要】CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的前沿成果。它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、在課程之間有機聯系的方式學習工程。本文基于CDIO理念及高中課程特點，提出了高中工程教育的愿景、大綱及標準，并以高中校本課程“三維設計與智造”為例，介紹了無錫一中在工程教育方面的實踐與探索，總結了基于產品設計研發的項目化學習對于提升學生工程素養的有益作用。

【關鍵詞】高中工程教育；CDIO；項目化學習

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）010-080-04

2018年9月，教育部、工信部、中國工程院發布《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》，全國300多所高校加入了該計劃。普通高中是未來工程師的搖籃。江蘇省無錫市第一中學是江蘇省“工程教育課程基地”，每年有近八成學生被錄取到大學理工科專業。高中階段工程教育的實施有助于未來工程師的生涯規劃、知識儲備、技能培養和品格形成。

CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果。CDIO分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以QnbJ/bYcZ/jAFCVs/Njizw==產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、在課程之間有機聯系的方式學習工程。如今，中國已有清華大學等105所高校加入“CDIO工程教育聯盟”。

《普通高中通用技術課程標準（2020年版）》將技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達和物化能力作為通用技術學科的核心素養，強調基于“大項目、大概念和大綜合”的教學方式，與未來工程師的培養目標十分契合。學生若能在高中階段熟悉產品從構思研發到運行維護的整個項目流程，并適應CDIO的教育理念，定能助力其專業定向與發展。

高中工程教育的理論框架

CDIO包括了三個核心文件：1個愿景、1個大綱和12條標準。它的愿景是為學生提供一種強調工程基礎的、建立在真實世界的產品和系統的構思—設計—實現—運行（CDIO）過程的背景環境基礎上的工程教育。它的大綱將工程師必備的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和整個CDIO全過程能力以逐級細化的方式表達出來（3級、70多條），使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統性。它的12條標準對整個模式的實施和檢驗進行了系統的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導意義。CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢。

結合高中特點，參考CDIO的核心文件，我們提出了高中工程教育的愿景，未來工程師的能力大綱和高中工程教育的12條標準。

首先，高中工程教育的愿景是提供一種強調工程基礎的、建立在產品全生命周期基礎上的工程教育。只是，這個產品不一定是真實生活中可以使用的產品，而是一個產品模型（實物）或者電子作品（虛擬）。高中生將在信息技術、通用技術、研究性學習、校本選修等課程中，以項目學習的方式完成若干產品的完整研發過程，例如通用技術中的臺燈、紙橋、電子寵物等，信息技術的數據庫應用系統、智能家居等，研究性學習和校本選修中微電影作品、3D打印作品、物聯網系統等自選項目。

其次，我們提出了未來工程師的能力大綱[1]。基于對人才培養目標的綜合分析，一級綱要包括技術知識與推理、個人與職業技能、人際交往技能、CDIO這4個方面的內容。具體說明如下。

（1）技術知識和推理能力屬于理論層面的知識體系，是未來工程師應該具備的理論知識儲備。現代工程系統越來越趨向多學科背景知識的支撐。因此，高中學生必須掌握多學科技術知識，并具備嚴謹的推理能力，主要包括基礎數學與科學知識（高中必修課程），核心工程基礎知識（高中選擇性必修和選修課程），高級工程基礎知識工具方法（高中校本選修、大學先修課程及競賽課程等）。

（2）個人技能和職業道德屬于實踐層面的技能體系，是未來工程師必須具備的職業素養。主要包括分析推理和解決問題的能力，根據研究目標設計實驗、開展調查的能力，系統思維的能力，面對問題時應有的態度、思維與學習能力，項目實施時應具備的職業道德、公平公正和其他必備的責任意識等。

（3）人際交往技能和團隊協作溝通是未來工程師必備的社交技能。為了能夠在以團隊合作為基礎的環境中工作，學生必須掌握必要的人際交往技巧，并具備良好的溝通能力。這部分主要包括團隊組建與運營管理的能力、人際溝通的各種方式和技能。

（4）企業社會和環境背景下的CDIO系統創新過程是未來工程師的核心素養。為了能夠真正做到創建和運行產品／系統，學生必須具備在企業和社會這兩個層面進行構思、設計、實施和運行（CDIO）產品／系統的能力。

大綱中的培養目標既包括未來工程師必備的專業基礎理論，也包括實踐操作能力；既包括個體知識、經驗和價值觀體系，也包括團隊合作意識與溝通能力，基本涵蓋了未來工程師的核心技能和專業素養。

在基于產品的項目化學習中，核心教學目標宜粗不宜細。因此，建議一線教師參考上述要點設計項目化學習需要習得的核心能力，參考CDIO三級綱要制定評價標準。未來工程師能力評估要點因篇幅所限，不再贅述。

最后，提出了高中工程教育的12條標準（表1），作為高中開展工程教育的基本原則[2]。

高中工程教育實踐案例

下文以“三維設計與智造”課程為例，介紹我校的具體教學實踐。

1.課程規劃及項目設計

“三維設計與智造”課程的宗旨是讓學生學習三維建模技術，遵循設計思維的方法論，進行有目的的產品設計與智造，以形成具有一定功能的電子作品或物化產品作為最終成果。課程目標是培養學生的信息意識和技術意識、計算思維和工程思維、數字化學習與創新設計、圖樣表達和物化能力、信息社會責任等核心素養[3]。顯然，這與我們的工程教育愿景完全符合。

“三維設計與智造”課程屬于一門校本選修課程，是統整多門技術課程而形成的一體化課程，符合標準1、2、3的要求。基于課程統整的理念，本課程融合了高中通用技術中的必修模塊“技術與設計1”“技術與設計2”，選擇性必修“技術與創造”系列模塊，以及高中信息技術的選擇性必修模塊“三維設計與創意”的相關內容[4]。上述被統整的技術課程都是高中工程教育的入門課程，都有基于產品的CDIO全過程的項目實踐內容，而且本校為學生的項目實踐活動提供了專屬的通用技術、信息技術、3D創意、創客中心等13個實踐場館，符合標準4、6的要求。

“三維設計與智造”的課程評價包括過程性評價和總結性評價兩個部分，總分100，具體按照如下比例打分。過程性評價：考勤20%+平時30%（課堂表現、平時作業）；總結性評價：結業作品50%（包括設計草圖、三維模型文件、打印成品及產品設計手冊）[5]。這里的平時作業其實是學生學習三維建模時完成的微項目，例如七巧板、魯班鎖、馬克杯等微產品設計。結業作品就是綜合性比較強的產品設計項目，具體由學生自選，例如創意花瓶（六成學生的選擇）、創意小臺燈（三成學生的選擇，可同時作為通用技術必修課的結業作品）、太空電梯（少數學生的選擇，可作為競賽作品參加省市級比賽）等。這些作品的設計與打印都是學生主動的學習和選擇，都包含了產品的構思（C）、設計（D）、實施（I） 和運行（O）等完整過程，符合標準1、5、7、8的要求。

“三維設計與智造”課程的設計采用了ADDIE模型，包括分析（Analysis）、設計（Design）、開發（Develop）、實施（Implement）、評估（Evaluate）等過程[6]。本課程的教學主要采用項目化學習，強調“做中學、學中做”的學習理念，引領學生在基于產品設計的項目實踐過程中，學會“設計與智造”。課程的教學策略主要有項目內容的情境化和整體性、學習活動的實踐性和自主性、學習思維的可視化和深度化、學習評價的過程性和伴隨性。教師把所有微項目都制作成微視頻，上課時學生自主學習、控制進度，完成項目內容。通過教與學方式的統整與變革，引導學生實現技術知識與實踐技能的遷移、思維水平和技術素養的提高。教師通過這些設計與教學流程，提高了自身的產品設計技能和教學實施技能，采用了多種評價手段評估學生的產品設計能力及課程的實施績效，符合標準9、10、11、12的要求。

2.經典項目實施效果

（1）基礎項目（創意花瓶）

創意花瓶設計項目是本課程的核心項目，主要教學目標是通過4個微項目學習掌握三維建模中的各種特征造型方法，如實體組合、拉伸、旋轉、掃掠、放樣、拔模、圓角和倒角等操作，最后綜合運用各種建模方法，設計一個創意花瓶。由于教師事先錄制微課，上課時可以隨時答疑解惑。學生可以按照自己的節奏開展自主學習，課堂反饋都比較積極。好多學生認為這樣的教學方式新穎而有效，氛圍輕松而活躍，真正激發了他們的創意。學生設計的花瓶在材質、造型、貼圖、色彩方面都別出心裁，彰顯個性。

（2）挑戰項目（創意小臺燈）

創意小臺燈是半開放項目，也是高一通用技術必修一的經典項目，但要求學生獨立完成，缺乏團隊合作環節。本項目包含了臺燈產品設計的流程、結構、材料和工藝等通用技術主干內容，又涉及升壓電路、電子元件、聲光電傳感器、電子控制系統等物理知識。由于三維課程的項目進度與通用技術課一致，教師指導學生同步采用3D軟件設計臺燈的底座、支撐和燈罩，幫助學生將組件打印出來后用于臺燈的后期組裝，從而完成一個跨越三個學科（物理、通用技術和信息技術）、歷時兩個多月（16課時）的頗具挑戰性的綜合項目。在項目化學習的過程中，學生充當了設計師、工程師等角色，體驗產品設計的全過程，通過解決各種實際問題，整合所學的技術知識與技能，綜合運用設計思維、工程思維和計算思維等方法，設計出產品模型，進而組裝出物化產品。學生在自主開展項目實踐的過程中，逐步將已有的各學科知識與新知識融會貫通，有助于形成立體、開放、系統的知識技能結構。

臺燈項目的評價不僅是平時作業和結業作品，還有項目學習手冊。按照設計思維的一般過程，手冊記錄了學生各階段的學習數據和圖表，包括發現問題、設計分析（概念圖）、明確問題、方案構思（SCAMPER法、頭腦風暴）、方案權衡（KANO模型）、方案呈現（草圖、三視圖等）、模型制作（工具、材料、26/4Fir8AzE4BVLFC9ZNWA==照片等）、作品評價（自評、互評和師評雷達圖）、附錄（相關學習材料）。學習手冊全方位真實地記錄了學生的項目過程和成果，既有助于教師從技術意識、工程思維、圖樣表達、物化能力和創新設計這五個核心素養維度來客觀評價學生學業質量，也幫助教師診斷項目實施的質量，以便對項目的設計進行改進和優化。

（3）競賽項目（太空電梯）

“太空電梯工程設計專項賽”是教育部批準的面向中小學生的白名單賽事，是由中國少年兒童發展服務中心面向全國青少年組織開展以人工智能科技創新為主題的競賽活動。比賽將工程設計、人工智能、電子技術、3D打印和激光切割等有關知識交叉融合，要求參賽選手組隊參加，綜合運用多學科知識，創作完成“太空電梯”實物模型，通過現場評委對模型的設計搭建、工程測試、極限測試等環節的評審進行競賽。

我校歷屆參賽選手都獲得了省級二等以上的好成績。這些參賽選手就是從高一選修“三維設計與智造”校本課程的學生中選拔出來的，有些則是“三維打印”社團的高二隊員。參賽學生需要利用校本選修課、研究性學習課或者課余時間完成2人組隊討論、產品研發、打印、組裝、測試和比賽的各項工作，這屬于學生個人技能、人際交流技能、產品的CDIO全生命周期的設計實踐技能，全方位覆蓋了高中工程教育大綱的技能要求。

2023年參賽獲獎的兩位隊員還整理了競賽筆記，全方位地記錄了他們的作品從構思、設計、搭建和測試各個方面的經驗和教訓，特別方便教師對他們進行項目化學習的過程性評價。結果表明，他們的CDIO技能都得到了全面的提升。

反思與討論

限于篇幅，本文對學生工程能力評估的具體操作介紹不夠全面，教學過程中對能力大綱的應用還有待細化。但我們相信，在CDIO教育理念的引領下，在標準和大綱的具體貫徹和實施中，高中生的工程能力和素養將會有效提升。

除了“三維設計與智造”，我校技術學科還有“開源硬件項目設計”“微電影創作”“融媒體創編”等多個課程，還包括跟物理、化學、生物學科合作的工程教育校本課程，高中工程教育在我校開展得扎實而有成效。

結論與展望

本文基于CDIO教育理念，結合高中課程特點，提出了高中工程教育的愿景、大綱和12條標準。在此基礎上，介紹了無錫市第一中學在工程教育方面的大膽探索和實踐。通過三個經典案例的設計與實施，闡述了項目化學習在高中工程教育中的有效應用，進而促進了高中生工程素養的顯著提升。但愿能夠拋磚引玉，為中小學工程教育的實施提供一定的借鑒。希望中小學教師們能夠清醒地認識到我國工程教育的質量差距，意識到教育國際化發展的挑戰與機遇，產生教育教學改革的新動力。

注：本文系江蘇省普通高中課程基地項目“像工程師一樣實踐：普通高中工程整合課程基地”階段性成果；無錫市教育科學“十四五”規劃2023年度一般課題“超學科融合理念下普通高中工程教育的路徑探索與樣本建構”（I/D/2023/21）階段成果

參考文獻

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.“三維設計與智造”課程設計與實施[J]. 中國信息技術教育，2020（21）： 14-16.