摘要:
简要介绍近年来蓬勃发展的全球领先的CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate, CDIO)工程教育改革与实践模式，简要介绍“中国制造2025”相关知识，以及物联网、云计算、大数据、人工智能、机器人等关键元素。在此基础上，基于“中国制造2025”作为驱动工程教育变革重要因素的视角，分析和讨论CDIO工程教育改革实践模式在“中国制造2025”背景下的继续适用性，并对CDIO与“中国制造2025”的关联性、适应于“中国制造2025”所需要的工科学生知识结构和综合素养及培养质量，以及发展实施CDIO所需要修正和完善的具体措施等做出分析。
Abstract:
This paper briefly introduces the CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate) engineering education reform and practice mode that has developed rapidly in recent years. Meanwhile, this paper briefly introduces the knowledge of “Made in China 2025” and key elements such as Internet of Things, cloud computing, big data, artificial intelligence and robotics. On this basis, from the perspective of “Made in China 2025” as an important driving factor of engineering education reform, the continued applicability of CDIO engineering education reform practice mode in the context of “Made in China 2025” is analyzed and discussed. It also analyzes the relevance of CDIO to “Made in China 2025”, the knowledge structure, comprehensive quality and training quality of engineering students that are adapted to “Made in China 2025”, and the specific measures that need to be revised and improved for the development and implementation of CDIO.
1. 引言
“中国制造2025”催生一场“新工业革命”，也必将以最基本的方式影响我国的高等工程教育体系，同时，对工科专业人才培养的要求也发生了巨大变化，就知识结构而言，要求具备：1) 全生命周期服务能力，即从开发、设计、仿真测试、运行等多方位的服务能力；2) 不同层级的垂直集成能力，即对不同层级进行系统架构、协调的集成能力；3) 全局建模能力，即从资产管理、技术集成、通信协调、数据采集、功能设计、业务管理等多维度的建模能力。这是未来对工科专业人才的能力需求，不仅要求学生个人的开发能力和运作能力要强，还要有全局的思维能力和开放的开发思想，也就是要有整体的协调与配合能力 [1] [2] [3] [4]。我国高等工程教育必须适应这种变化，包括持续解决诸如先理论后实践的串行教学模式、重视单项技术的深入而轻多学科交叉和系统思维，强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视技术基础而轻管理和经济等问题。本文后续的内容组织安排：首先简要介绍CDIO工程教育改革与实践模式，“中国制造2025”和德国“工业4.0”；然后对CDIO与“中国制造2025”的关联性，以及适应于“中国制造2025”所需求的工科学生知识结构、综合素养及培养质量等做出分析和讨论，并对CDIO需要修正和完善的具体措施提出建议。
2. CDIO工程教育改革与实践模式
CDIO模式是近年来蓬勃发展的全球领先的工程教育改革与实践模式之一，作为培养下一代工程师的创新教育框架，CDIO (Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO，构思–设计–实现–运作)以产品及系统研发到产品及系统的运行、维护和淘汰废弃的全生命周期为载体，通过建立一体化的、相互支撑的以及有联系的专业培养标准和课程体系，让学生以主动、实践的方式学习工程 [5] [6] [7]。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，是与经济社会需求和产业发展紧密联系、相互推动的。CDIO理念是在2000年由美国麻省理工学院(MIT)、瑞典皇家理工学院、查尔默斯大学和Linköping大学等几所大学联合创立，随后倡议发起了以CDIO命名的国际合作组织。到目前为止，在世界各地(分布在五大洲30多个国家)CDIO合作成员已达150多所院校。从2005年第一届始，CDIO国际合作组织每年组织的年度国际会议已连续召开了17届，第18届CDIO国际会议将于2022年6月在冰岛雷克雅未克大学(Reykjavik University)召开，会议主题：枝繁叶茂——为未来做准备(Surviving and Thriving-Preparing for the Future) [5] [8]。
2005年汕头大学率先引入CDIO模式，经过十多年的实践与发展，已成为推进我国高等工程教育改革的重要手段。2016年我国CDIO工程教育联盟(英文名称：Alliance of CDIO)在广东汕头成立，现已有成员高校和企业单位近200所 [9] [10]。
3. “中国制造2025”和德国“工业4.0”战略
2012年美国率先提出“国家制造创新网络计划”(简称NNMI计划)，2013年“德国工业4.0”、“英国工业2050战略”、“新工业法国战略”和“日本再兴战略”等相继出台，随后，2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略。“中国制造2025”与2013年4月德国政府正式推出的“工业4.0”战略，都是在新一轮科技革命和产业变革背景下针对制造业发展提出的一个重要的战略举措。两国在战略定位上，德国“工业4.0”战略规划要由制造强国向超级强国转变，“中国制造2025”则提出要由制造大国向制造强国转变。“中国制造2025”提出的十大重点领域、德国“工业4.0”关键元素和实现技术分别示于图1、图2。
Figure 1. Ten key fields proposed by “Made in China 2025”
图1. “中国制造2025”提出十个重点领域
Figure 2. Key elements and implementation technology of “Industry 4.0”
图2. “工业4.0”关键元素和实现技术
4. CDIO与“中国制造2025”的关联性分析
“中国制造2025”改变了产业发展的方式，同时，也更加需要一大批与之相应的高等工程科技人才的支撑，这对我国高等工程教育改革提出了更高要求。从“中国制造2025”、“建设制造强国的行动纲领”战略和对创新型工程科技人才的现实需求入手，梳理和分析CDIO与“中国制造2025”的关联性，有利于进一步促进CDIO的发展，为新工业时代、新经济和新兴产业发展提供持续的智力支撑和高等工程科技人才保障 [1] [7] [11] [12] [13]。
CDIO包括了“教学大纲”和“标准”二个核心文件 [5] [6] [14]。CDIO教学大纲为课程体系和课程内容设计提供了具体要求，以分级、分条款逐级细化的方式，表述了现代工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力。有关“中国制造2025”的新知识(如物联网、云计算、大数据分析、人工智能、机器人等)可以在新版的CDIO教学大纲第一部分“技术知识和推理能力”中得到有效地涵盖。在第二部分(个人能力、职业能力和态度)、第三部分(人际交往能力：团队工作和交流)、第四部分(在企业、社会和自然环境背景下的构思、设计、实施、运行系统——创新的过程)，仍然适用于所有工程专业。使用大致相同的个人技能和人际交往技能，遵循大致相同的通用流程，将预期的学习结果与专业实践相结合，培养“中国制造2025”时代要求的各行业类型的工程师，这与当代全球经济社会的时代精神是大体一致的。我们认为，目前的CDIO教学大纲能够充分包含“中国制造2025”所需的所有技能，这也从另一侧面说明了教学大纲在“中国制造2025”背景下的继续(仍然)适用性。
“CDIO标准”文件共有12条标准，可以看作是对CDIO教学大纲文件执行保障、学习效果评估和CDIO能力考核的文件 [14] [15]。基于“中国制造2025”视角，比较分析“中国制造2025”与每条CDIO标准的相关性。表1给出了最新的V3.0版CDIO标准与“中国制造2025”的相互关联性，以及适应于“中国制造2025”背景下工科学生所需要的知识结构、综合素养及培养质量的分析与比较 [15]。
Table 1. Relevance of CDIO standards and “Made in China 2025”
表1. CDIO标准与“中国制造2025”关联性
通过上述的分析和比较，CDIO工程教育改革与实践模式、教学大纲和12条标准仍然适应于面向“中国制造2025”的工科学生的教育培养，显示了在“中国制造2025”背景下的继续(仍然)适用性 [7] [12]。但建议CDIO还需要在以下几方面进行修正和完善：
1) 目前的研究工作大多都集中在工程教育如何以应对和适应新工业时代、新经济和新兴产业发展的技术挑战方面，但更重要的是需要研究从国外发达国家引入的CDIO，在新工业时代、新经济和新兴产业发展背景下，如何具体地修正和完善CDIO，以继续更好地“使能”工科学生创新服务“中国制造2025”。
2) 注重教育和培养学生在新工业时代、新经济和新兴产业发展环境下的工作方式，需要更熟练的人际交往技能，在与不同背景和不同学科/专业的人一起工作的技能，以及团队协作精神。
3) 将来的必修课程和学生的学习方式将会有很大的不同。具体来说，课程内容更广泛、多学科交叉，甚至还包括管理和经济等学科知识，授课甚至可能是外聘的行业/企业工程师，根据课程的需要，更多的学习将安排在虚拟的工作场所或工业现场、车间，这需要进一步加强校企合作和本行业相关单位或机构的参与。
4) “中国制造2025”需要能够整合多学科和跨领域知识的新一代工程师，能够更专注于从系统的角度理解系统的工作，而不仅仅是一个领域知识的专家；必须应对“中国制造2025”所涉及的新范式/概念(如建模、仿真、互操作性及自组织)和新技术(如物联网、大数据和数据分析)，开发和设计聚焦于多学科、新的专业课程/项目非常重要，但目前的这方面的工作是缺乏的，需要加强。
5) 注重为学生提供定制教育和个性化学习体验，基于项目的学习周期，需要制定更短的校内学习时间，腾出空间给予更长的实习时间。
5. 结束语
本文在简要介绍CDIO工程教育改革与实践模式、“中国制造2025”基础上，基于“中国制造2025”视角，分析和讨论了实施发展CDIO的继续(仍然)适用性，以及适应于“中国制造2025”以及新经济和新兴产业发展所需要的工科学生知识结构、综合素养及培养质量等，并对进一步实施CDIO需要修正和完善的具体措施提出了建议。