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[ 摘 要 ] 结合高等工程教育对工程实践教学的需求，分析并总结了学院自动化及电气工程专业课程设计与综合实验这一工程实践教学环节的现状及存在问题。在此基础上，引入CDIO（conceive-design-implement-operate，简称CDIO）实践教学理念，结合复合创新人才培养需求和学生认知规律，围绕实践平台开发、实验项目设置、实验教学方法等方面进行系列改革，设计了基于CDIO多学科交叉融合的自动化及电气工程课程设计与综合实验实践教学体系，并具体给出该体系下的导航专业方向课程设计与综合实验教学理念和具体实施过程。教学效果表明，改革后的课程设计与综合实验进一步提高了学生的工程能力、个人能力、人际团队能力和解决工程复杂问题的能力。
[ 关键词 ] CDIO;课程设计;综合实验;实践平台;自动化
[ 中图分类号 ] G642.4 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1005-4634（2018）03-0088-06
0 引言
提高工程实践教学质量是高等工程教育体系中培养高素质工程科技人才的关键[ 1 ]。伴随高等工程教育体系快速发展的步伐，作为典型的理工院校，北京航空航天大学一直积极推进工程实践教学改革。在教育部倡导的“卓越工程师教育培养计划”和“强化基础、突出实践、重在素质、面向创新”的本科人才培养方针指导下，北航自动化科学及电气工程学院在本科人才培养过程中，先后采取了系列有力措施强化工程实践教学环节，分别在本科不同年级设置了工程认识、材料工艺与加工实习、电气技术实践、电子工程技术训练、电子电路设计训练、专业课程设计和综合实验、毕业设计等工程实践训练过程，逐步形成了“厚基础、重特色、强能力、求创新”的教学传统。
其中，课程设计与综合实验是培养学生综合运用“大学3年半”时间所学知识发现、提出、分析、解决实际问题的重要工程实践训练环节，也是“大四下”毕业设计的重要过渡阶段。然而，面对综合、多样、跨学科交融的现代工程对高层次、应用型、多样化专门人才的需求，当前依据细化专业方向设置的单一课程设计和综合实验项目，缺乏各专业方向之间的交叉融合，使得这一重要工程实践过程呈现出体系不完善、内容较零散、国际视野窄、团队合作少等系列问题，满足不了工程创新型人才培养的需求。因此，近几年学院秉承“以学生为中心—强化工程意识—培养创新人才”的实践教学理念，围绕实践平台开发、实验项目设置、实验教学方法等方面对课程设计综合实验环节进行了系列改革，建立了面向工程的校企联合实验平台，设置了系列内容丰富的工程实践项目，全面应用于自动化及电气工程专业人才的培养。
1 国内外实践教学中的CDIO推广应用
近年来，全球工业革命的推动使得任何一个工程项目都需要参与者具有处理多学科合作的能力[ 2，3 ]。然而，高等教育的专业化过程大多缺失“理解全局且领导负责复杂系统开发”的综合教育环节。为此，美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学围绕人才的工程基础知识能力、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，共同倡导了一种适用于高等人才培养的国际性和系统性CDIO工程实践教育模式。该模式以产品研发到产品运行的周期为载体，在系列综合实践教学过程中通过构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）和运作（operate）紧密结合的形式，使学生利用实践与课程之间有机联系的方式学习， 从而在上述4个层面达到落实工程对能力培养要求的预定目标[ 4-6 ]。该教育模式自2004年正式实施以来，相关教育组织已发展到世界各国的多个专业。例如，美国麻省理工学院航空航天工程专业基于CDIO模式分析了专业课程计划[ 7 ];2005年，汕头大学工学院率先在国内实施了CDIO 工程教育模式[ 8 ];此后清华大学在系列创新工程教育过程中也采用了CDIO 教學方法[ 9 ]。国内外实施经验表明，CDIO 实践教学方法普遍增强了学生的自学能力、解决问题能力、研发沟通能力和团队合作能力[ 10-12 ]。可见，系列案例表明CDIO实践教学模式已对“卓越工程师教育培养计划”的顶层设计和实施过程产生了影响。同时，该计划也为CDIO成为我国工程教育改革的重要手段提供了机遇与保障。因此，基于CDIO的实践教学改革是高等教育中实践环节的必然发展趋势。
2 基于CDIO的专业课程设计与综合实验教学改革
在时代背景下，准确把握智能制造对工程创新人才的需求，遵循工程创新人才培养国际标准，围绕国家中长期规划，以北京航空航天大学的本科人才培养方针为指导思想，秉承学院的教学传统与理念，依托学校重点和院系教改项目支持，引入CDIO实践教学模式，建设资源共享的实践教学平台，开发满足不同层次学生需求的综合性、多元化专业课程设计与综合实验项目，构建具有国际视野的航空航天特色自动化及电气工程专业课程设计与综合实验教学体系，为我国经济发展和社会进步培养大批具有专业技能和国际竞争力的优秀工程师和科技人才，这是当前专业课程设计与综合实验教学改革的目的。
2.1 基于CDIO的专业课程设计与综合实验教学理念
北京航空航天大学自动化与电气教学研究实验中心在实践教学过程中，注重平台实验课及专业实验课之间的交叉融合，很好地提高了学生掌握工程基础及专业知识的能力和个人能力。为了进一步加强学生工程系统能力和人际团队能力的培养，作为综合环节的课程设计与综合实验过程，需从工程系统角度出发充分考虑课程体系构架下顶层设计与各个要素之间的关系，同时明确团队协作在工程系统实现过程中的重要性。因此，在课程设计实践教学体系顶层设计方面，要按照综合化课程设计原则和要求，围绕工程创新人才培养目标重构实践课程计划，实现知识、能力、技能和态度培养的一体化建设。实践教学体系要素设计方面，分析影响专业课程设计综合实验教学的多方面因素，构建了基于CDIO的自动化及电气工程专业课程设计综合实验实践教学理念（如图1）。
經过三年半的培养，多数学生已经掌握了部分基础知识、专业知识及系统知识。“大四上”开设的课程设计与综合实验正是运用理论知识解决复杂工程问题并进一步深化理论知识学习的综合实践环节。在建立基于CDIO专业课程设计与综合实验实践教学体系过程中，自动化与电气教学研究实验中心积极与国际知名企业（罗克韦尔自动化有限公司、博世力士乐有限公司等）联合，共建服务于课程设计与综合实验的实践基地以及教学平台，以建立的国际化、分布式、多目标、远程化综合实践平台与实践教学经验丰富的教学团队为保障和基础，在CDIO理念下优化并进一步完善具有航空航天特色的综合实践教学过程，开发符合学生认识规律的多类型实验项目，以便提高学生的多方面素养。同时，通过问卷调查、直接约谈等方式掌握学生对实践过程满意度、改进意见或建议等反馈信息，据此进行体系构架下教学模式及内容的动态调整，不断完善专业课程设计与综合实验实践教学体系。
2.2 分布式远程化综合实验教学平台建设
优质的教学质量离不开一流的教学环境与实践平台。因此，学院在探索和研究实践教学方法与教学模式的同时，逐渐建设课程设计与综合实验教学环境与平台。在学校学院大力支持下，在国防特色学科、本科“十三五”建设项目以及国内外知名企业资助下，先后改善和建立了包括北航—罗克韦尔联合实验室、北航—罗克韦尔自动化安全实验室、北航—博世力士乐联合实验室等在内的20多个教学实验室，借助网络资源逐步建成了多个二级学科交叉融合的国际化、分布式、多目标、远程化专业课程设计与综合实验教学平台。例如，基于PLC的远程信息采集子平台，如图2（a）;机载液压泵源综合创新实验子平台，如图2（b）;机器人群综合创新子平台，如图2（c）;基于博世力士乐液压机电工程子平台，如图2（d）。利用这些子平台可以开设相关的专业实验项目，提高学生的专业素养与技能;同时，每个子平台又是一个复杂的系统工程，且某些子平台之间通过信息交互形成更大的平台，为学生提供交叉融合的实践机会。
2.3 多类型专业课程设计与综合实验项目设计
经过大学前期三年半的学习与培养，不同学生在专业学习、知识掌握及运用方面呈现出差异化特征。作为综合实践重要组成部分的专业课程设计与综合实验，实践项目与内容采取“一刀切”方式时，复杂项目不利于能力一般的学生综合运用自然科学、工程基础和专业知识解决基本工程问题;简单项目则限制了创新意识较强学生充分认识和解决复杂工程问题能力的培养。因此，要在明确学生差别基础上设计面向不同层次学生的多类型实验项目和内容。
基于不同的实践平台与控制对象，以目标为导向、内容为载体、创新能力为核心，结合CDIO理念中的“巧妙构思—自我设计—具体实施—动手执行”过程，与学生共同开发了系列跨学科、具有难度区分的螺旋式综合设计型实验项目。每个项目都有明确的研究目标，注重知识点的紧密联系与互相支撑，要求学生结合目标自行分析设计解决方案，通过动手实操实验解决问题。即使是同一个综合项目，也要根据知识点分布和实现的难易程度，分为基本型、提高型、创新型3个层面。每个层面的内容安排由浅入深，循序渐进，螺旋上升（如图3所示）。同时，不同层面的实验项目评价标准具有一定区分度，主要体现在实验过程的最高成绩给定方面。在最终的成绩考核指标中，实验过程成绩占总成绩的60%，平时成绩和预习成绩为总成绩的40%。如果学生仅仅出色地完成了基础型实验项目，意味着实验过程成绩最高为75分。若想获得更优异的实验过程成绩，就要向更为综合的实践项目发起挑战。
这样具有区分度的实验项目，使得学生能够充分结合自己的实力与兴趣自由选择。在兴趣的推动下，以满腔热情投入到专业课程设计与综合实验实践过程中。同时，也鼓励学生在实践过程中不断挑战自己。实施结果表明，通过“基本型”的综合实验项目训练，学生能够综合应用所学的理论知识和专业系统知识，解决跨学科的一般性工程问题;“提高型”综合实验项目很好地考察了学生解决复杂工程问题的能力;鼓励学生挑战“创新型”综合实验项目，训练学生的扩散思维能力，培养并提高了学生解决复杂工程问题时的创新能力。
2.4 项目驱动下的课程设计与综合实验交互合作教学方法
为了培养基础扎实、素质全面、实践能力强的高等复合创新人才，结合CDIO关注的学生工程基础知识能力、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面。教师对课程设计和综合实验教学方法进行了相应改革。通过前面章节的阐述可知，设置专业课程设计与综合实验内容时采用了多类型项目驱动方式。该方式下的授课过程采取师生交互合作的教学方法。所谓交互，主要是指教师和学生之间的互动交流。整个授课过程“教师启发为辅、学生探究为主”，教师和学生共同营造浓厚的学习实践氛围，互相讨论、互相启发、互相促进。所谓合作，主要是指学生之间的团结协作过程。鼓励不同学院不同专业方向的学生自愿组建团队，一般每个团队包含3～5名组员，每名同学在不同项目中交替性承担组长和成员的角色，在同一项目中，在组长领导和成员的共同努力下分工协同完成所有内容。多学科背景下每名学生个体、成员以及负责人的角色转换带给学生的不仅仅是新鲜感，更主要的是增强了他们对于自己承担工作的责任感，以及对团队合作精神的认同感，很好地提高了学生团队合作和沟通能力。最后，采用项目复杂度、协同合作度、论述清晰度的“三度”评价机制，综合评价实验项目的完成情况，并给定相应成绩。
2.5 评价督導体系及师资队伍方面建设
建设课程设计与综合实验安全管理系统。教师通过安全管理系统可以随时了解课程开设期间各种突发状况。建立由自动化与电气教学研究实验中心主任为组长的评估小组和督导小组，制定《本科生专业课程设计和综合实验管理暂行规定》，对课程设计与综合实验各个环节进行不定期抽查和监督，严格按照教学日历安排进度，组织阶段性的进度检查及答辩，综合评价学生课程设计与综合实验的质量。此外，师资队伍建设也是实践教学的重要内容之一。近两年，积极推进实验中心师资队伍建设，鼓励项目教师走出去学习交流，先后与普渡大学、俄罗斯鲍曼技术大学、密苏里大学、上海交通大学等国内外多所知名高校及校企联合实验室加强交流，学习不同学校的实践教学经验，有效地提高了师资队伍水平。
3 基于CDIO的导航方向课程设计与综合实验实施及改革前后对比分析
“导航”作为自动化专业的一个方向，重点培养航空航天导航领域高水平人才，具有专业性强、工程性强、综合性强的显著特点。如果课程设计与综合实验环节仅仅简单地串联专业知识，则达不到全面培养学生运用工程知识解决工程系统问题能力的目的。将基于CDIO的专业课程设计与综合实验教学理念引入到导航方向实践环节中则能解决上述问题。结合学生的多元化特征，导航方向课程设计与综合实验以解决导航工程应用面临的典型问题为目标，借助分布式远程化综合实验教学平台和先进的导航系统，将导航系统分解为系列模块化项目（例如，传感器信号检测与处理、导航计算机硬件调试、导航传感器误差补偿、导航算法软件仿真、导航算法实时嵌入等模块）。学生在导航测试设备调试（如图4a）、传感器测试评价（如图4b）、导航系统实验（如图4c）、导航算法仿真嵌入（如图4d）等模块化项目的分解与综合过程中，进一步发现问题、抽象问题、解决问题。采用项目驱动、教师为辅、学生为主的合作互动教学方法，学生自由组建团队并完成系列实际操作实验，历经多个模块化工程的完整训练实现导航课程设计与综合实验目标。
具体而言，从运载体飞控系统对导航精度的需求出发提出设计目标，并依据总体目标将系统工程模块化，实现CDIO中的“Conceive”过程;然后协同合作完成导航计算机的硬件设计和软件嵌入，实现CDIO中的“Design”过程;在“Implement”和“Operation”环节利用实验平台和高精度测试系统完成系列复杂实验，综合评估已完成模块项目的可行性并不断提出完善改进措施。与之前零散知识点的授课内容相比较，上述4个环节层层递进紧密衔接。95%以上的学生一致认为，改进后的导航课程设计与综合实验充分结合了机载导航系统工程应用背景，每个实验项目都是由导航系统工程应用问题凝练而来，提高了他们对复杂环境下机载导航系统的深入认识，调动了学生之间的团结合作性。此外，项目驱动下的合作互动教学方法，充分体现了教师的主导性与学生的主体性并重，教师讲授与互动交流并重，为学生营造了良好的自主学习氛围。这种教学方法给予了学生宽松的自由度，却没有影响学生探索真理的自觉性，反而增强了他们力图解决复杂问题的主观能动性。
结合课程设计与综合实验的实施效果可以看出，实践平台、实验项目、实验教学方法等方面的系列改革取得了显著成果。在实践平台建设方面，不再依靠单一或定制型实验装置开展实践教学，而是充分引入企业优质资源，开发系列面向实际工程应用的多学科交叉综合实验平台。在此基础上将航空航天与现代工业生产相融合，打破之前仅仅依据专业方向设置单一固定课程设计与综合实验项目的教学形式，设置了具有区分度的多选性项目内容，扩大了学生结合自己实力与兴趣选择的自由度。基于CDIO的交互合作实验教学方法与传统“填鸭式”教学方法相比较，不仅凸显了实践过程中学生的主体性，也便于学习过程中调动学生的主观能动性。改革后的课程设计与综合实验教学过程培养的人才，更加符合现实对工程人才的需求。
4 结束语
不管是理论创新还是应用创新，都需与真实世界发展情况紧密结合。对于理工科领域的学生而言，科研创新的同时更应注重解决实际工程问题，对此学生应该把握好各个阶段的综合实践环节，学会应用学科知识完整解决实际问题。在“卓越工程师教育培养计划”和北京航空航天大学本科人才培养方针指导下，自动化与电气教学研究实验中心将CDIO高等教育理念引入本科综合实践教学环节，构建了以工程项目为导向的自动化及电气工程专业课程设计综合实验教学体系，对课程设计与综合实验项目内容进行整合优化，建设了资源共享的远程化综合实践平台，为培养满足符合国家战略发展需求的航空航天高水平人才做好充分准备。
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CDIO-based automation and electrical engineering course design and comprehensive experimental teaching reform
Wang Ling-ling， Fu Li
（School of Automation Science and Electrical Engineering， Beihang University， Beijing 100083，China）
Abstract Combining the requirements of higher engineering education for experimental teaching， a series of problems of curriculum and experiment design for automation and electrical engineering are analyzed and summarized. Then， the experimental teaching system of curriculum and experiment design for automation and electrical engineering based on CDIO is proposed， including practice platform development， experimental projects and teaching methods reformations. The implementation result in navigation field shows that the proposed teaching system can effectively improve students" engineering capacity， personal ability， team skills and the ability of solving complex engineering problems.
Keywords CDIO; curriculum design; comprehensive experiment; practical platform; automation