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EIP-CDIO理念的计算科学课程体系设计 谷德权清华大学与汕头大学“下一代互联网技术联合实验室”主任汕头大学教育部重点实验室研究主任汕头大学电子工程系、计算机科学系讲座教授

学历 • 1992年获香港中文大学(CUHK)电子工程学士 • 1994 年获香港中文大学(CUHK)信息工程硕士学位 • 2000 年获美国柏克莱加州大学(UC Berkeley)电机工程哲学博士学位 • 博士导师: Prof. Shankar Sastry, Dean of Engineering, UC Berkeley • 博士委员会主席: Prof. Alberto Sangiovanni-Vincentelli, Chief Technology Advisor of Cadence Design System, UC Berkeley • 奖项 • 1994 年获得香港中文大学工程学院颁发卓越硕士论文奖 • 2005 年获得美国国家科学基金会颁发的Faculty Early Career (CAREER) Development 奖,得奖项目为 Computation Platform for the Design of Hybrid Systems • 专业学会 • 电机及电子工程师学会(IEEE) 高级会员(Senior Member) • 国际研究荣誉学会(Sigma Xi) 会员 • 专业顾问 • Stanford Research Institute International, USA • ASM Pacific, HK

现有资助项目 • 香港李嘉诚基金会及和记黄埔有限公司, 清华大学与汕头大学“下一代互联网技术联合实验室”, • 国家自然科学基金(信息与数学领域交叉类项目), 嵌入式混合系统设计的基础理论研究 • 汕头大学工学院,个人起动基金 • 过去资助项目 • National Science Foundation Faculty Early CAREER Development Program • National Science Foundation Information Technology Research Center Program • Department of Electrical Engineering and Computer Science, Vanderbilt University • DARPA Information Technology Office Software Enabled Control (SEC) Program • DARPA Infromation Technology Office Model Based Integration of Embedded Software (MoBIES) Program

Embedded software defines physical behavior of complex systems • BMW 745i Sedan • there are more than 70 microprocessors • the computation is embedded in the Transmission Electronic Control Unit (ECU), Engine ECU and more • Boeing 777 • 1280 CPUs onboard • 7 million lines of code • Autonomous Vehicles • networked embedded systems • safety- and mission-critical

Feb 21–22, 2006, Science Park, Shatin, Hong Kong Jointly organized by Hong Kong Science and Technology Parks Corporation (HKSTP), Department of Automation and Computer-Aided Engineering, CUHK With support ofChess - UC Berkeley, ISIS - Vanderbilt UniversityESCHER, ESI - HKUST, Department of Computer Science - HKUST

科研合作 • Gabor Karsai (Vanderbilt University) • Janos Sztipanovits (Vanderbilt University) • Shankar Sastry (UC Berkeley) • Edward Lee (UC Berkeley) • Tom Henzinger (UC Berkeley/EPFL) • Alberto Sangiovanni-Vincentelli (UC Berkeley) • Claire Tomlin (UC Berkeley/Stanford University) • George Pappas (University of Pennsylvania) • Ian Mitchel (University of British Columbia) • Thao Deng (VERIMAG) • Datta N. Godbole (Honeywell Technology Center) • Zhi Han (Mathworks) • Haiyang Zheng (Mathworks) • Sandeep Neema (ESCHER) • Adam Cataldo (Agilent Laboratories) • Jie Liu (Microsoft Research) • Stephen Neuendorffer (Xilinx) • Xiaojun Liu (Sun MicroSystems)

2007年11月5日－6日在汕头大学举办“2007中国高等工程教育改革论坛” ，会议特邀长期致力于工程教育改革的国内外专家，工程院院士，还有联合国教科文组织教席主持人等作“全球化环境下的工程教育改革”的主题报告会，和以“我国工程教育的问题与挑战”、“全球化对我国工程教育改革的影响和冲击”和“我国工程教育改革的目标”为议题的分组座谈会。 • 2007年11月7日－9日在汕头大学举办The International Workshop on CDIO 。CDIO工程教育理念就是要以现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程，为载体培养学生的工程能力，此能力不仅包括个人的学术知识，而且包括学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力。

工学院基本情况 • 美欧工程教育改革 • CDIO国际工程教育理念 • 为什么需要CDIO • EIP-CDIO理念 • EIP-CDIO计算科学课程体系 • 观察与思考

1985年设立建筑工程系、计算机系、信息工程系；1991年设立机械电子工程系，1993年组建工学院。目前拥有建筑工程系、计算机系、电子工程系、机械电子工程系4个系。1985年设立建筑工程系、计算机系、信息工程系；1991年设立机械电子工程系，1993年组建工学院。目前拥有建筑工程系、计算机系、电子工程系、机械电子工程系4个系。五个本科专业：机械设计制造及其自动化电子信息工程、通信工程计算机科学与技术土木工程九个硕士点：机械设计与理论、机械电子工程计算机软件与理论、计算机应用技术信号与信息处理、通信与信息系统结构工程、工程力学、防灾减灾及防护工程博士点：结构工程基本情况

现有广东省本科名牌专业2个： • 计算机科学与技术 • 电子信息工程 • 省部级重点实验室2个： • 教育部智能制造技术重点实验室 • 广东省数字信号与图象处理技术重点实验室 • 广东省教育厅重点实验室： • 结构和风洞实验室 • 广东省高等学校实践教学示范中心2个： • 计算机基础课程实验室 • 现代电工电子实验教学中心

基本情况 • 学院教职员工111名，专任教师80人，其中具高级职称教师63名具有博士、硕士学历的教师59名 • 全院在校学生数1645人，其中本科生1394人，硕士生244人，博士生7人

美欧工程教育改革情况 • 以计算机普及和互联网出现为主要特征的信息革命，材料科学、生命科学、微电子等科学的迅猛发展不可逆转地改变了工程实践。 • 对学生和工程师提出了更高的要求，除掌握日益增加的专业知识和技能外，还要比以往更懂得人文方面，了解许多全球问题，敏于文化多样性和高效的交流能力。 • 80年代中，美国国家科学基金会（NSF）加大对工程教育和研究的资助。美国国家研究委员会（NRC）、国家工程院（NAE）和美国工程教育学会（ASEE）也纷纷展开调查和制定战略计划，积极推进工程教育改革。 • NSF 资助了一系列大学组（consortia of colleges）加入工程教育合作计划（National Science Foundation‘s Engineering Education Coalitions program），每个大学组根据不同的战略思维重新设计课程计划和改善教学方法。 • 自 1999年开始,美国国家工程院（NAE）在工程教育方面做了大量工作，如：开展一个名为 The Engineer of 2020 的项目。在2004年5月发表的项目第一阶段报告描绘了未来关于政府、雇主和工程师的愿景。项目的第二阶段将根据此愿景规划工程教育的战略和具体计划，包括更新课程计划和教学方法、重新评价学校影响未来工程技术人员的发展政策。

美欧工程教育改革情况 加拿大在90年代也进行了一系列工程教育改革 • 各工科院校开展各种工程教育改革； • 建立了国家的“创新战略”； • 国家自然科学与工程研究基金（NSERC）建立了一系列的工程设计讲座教授（NSERC Chair Professors），目的在于改变大学中重视工程科学和轻视工程设计的现象； • 建立了所有工学院都参加的“Canadian Design Engineering Network -加拿大设计工程网络”，旨在提升加拿大工程设计教育。

美欧工程教育改革情况 • 在欧洲 • 1988年在西班牙Bologna发表了旨在保障高等教育适应社会需要的”Magna Charta Universitum”。1998年发表了”Sorbonne Declaration”呼吁大学教育要致力于促进公民受雇能力、适应能力（mobility）和整个欧洲大陆的发展。 • 1999年欧洲29国政府签署了Bologna宣言，制定并承诺执行“Bologna Process”，改革个各国教育系统，促进各国学位、学制的统一和互认，以加强欧洲大陆的竞争力。 • 欧洲国家工程联合会FEANI启动了名为 EUR-ACE（ Accreditation of European Engineering Programmes and Graduates）的计划，旨在给欧洲工程教育贴上统一的认证标签，参加成员有包括FEANI在内的8个欧洲教育认证组织，如今EURO-ACE已经对10对欧洲10个国家14所大学的23个工程学位计划进行了试认证 • 2005年包括FEANI在内的14个欧洲教育认证组织成立了欧洲工程教育认证组织网（European Network for Accreditation of Engineering Education ENAEE）

什么是CDIO？ • MIT，Royal Institute of Technology，Chalmers University of Technology，Linköping University于2000年向Knut and Alice Wallenberg基金申请约1600多万美元巨额资助，经过四年的探索研究后创立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO国际合作组织。 • CDIO代表构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、运作（operate）； • 它是现代工业产品从构思研发到运行改良乃至终结废弃的生命全过程； • CDIO工程教育理念就是要以此全过程为载体培养学生的工程能力，此能力不仅包括个人的学术知识，而且包括学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力。

CDIO——国际工程教育理念和框架 CDIO的要求 • CDIO的基本内容大概可以总结为： • 1个愿景（vision） • 1个大纲 ——对学生4个层面的能力要求 • 12条标准 ——对是否实践CDIO教学理念的判定标准 • 5条指引 ——对培养计划、课程结构、教学方法、教学评估和学习构架的指引 • CDIO的愿景（vision） • 学校任务是培养有专业技能、有社会意识和有企业家敏锐性的工程师。这是能在越来越依赖于复杂技术系统的环境中保持高效、创新和卓越所必需的。 • CDIO大纲的4个层面: • 复杂的工程系统（1层—技术） • 有成熟思维的个体（2层—个人） • 基于工程环境的现代团队（3层—团队交流） • 构思－设计－实现－运作（4层– CDIO）

CDIO——工程教育大纲和要求 CDIO大纲 2 个人职业技能和职业道德 1 技术知识和推理能力

CDIO——工程教育大纲和要求 CDIO大纲 4 企业和社会的构思，设计，实施和运行(CDIO)系统 3 人际交往技能：团队协作和交流

12条标准:

CDIO——工程教育大纲和要求 • 5条指引 • 培养计划：设置丰富的实践项目并辅以工业实习，利用课堂和现代学习场所/实验室使计划具有活泼的、实践的、团队的特色。及时与外界沟通，通过广泛评估与评价不断改进计划； • 课程结构：基础科目：工程实践入门，激发学生兴趣，学习初步技能，并亲手制作一点简单的东西；常规科目可以调整使前后连贯。高级科目：包括产品CDIO的主要经历 • 教学方法：现实：学习的主动性能极大的提高学习效率，所以：增加主动学习和动手实践；强调分析问题和解决问题的能力；增强概念学习；加强学习反馈机制 • 学习评估：不同的能力用不同的方式进行考核，专业知识可用试卷或口头测验，而CDIO相关的能力则可以记录、报告、自评、互评等等形式进行，考核方式的多样化促使学习方式广泛化，并能建立更完整可靠的评价系统 • 学习构架：建立教学计划、教学方法和学生评估体系相协调的学习构架并辅以现代学习和实践的环境

为什么要CDIO？ • 学生学到知识但仍缺少实际能力对于美欧：良好的工程科技基础 • 数学（包括统计学） • 物理和生命科学 • 信息科技（远多于“计算机能力”） • 20世纪90年代开始大规模的工程教育改革： • 工业界对工程师素质要求的改变：如波音公司的10条要求 • 工程教育认证标准的改变：如ABET的EC2000的11条要求波音公司对工程人员的品质要求 • 良好的设计和运作能力 • （即了解工程） • 学科交叉，系统观察力 • 对将要从事的行业内容有基本地了解 • 经济状况（包括贸易运作） • 过去历史 • 外界环境 • 顾客和社会需求 • 良好的交流能力 • 写作、口语、图示、听力 • 职业道德和责任感 • 批评性和创造性的思维能力-独立性和合作性 • 适应性。有自信并能较快适应大的变化和改动 • 求知欲和终生学习能力 • 深刻理解团队协作的重要性

为什么需要CDIO？ 对于我国： • 专业全球经济一体化的发展的需要 • 生产大国”转变为“生产强国”的需要 • 高速发展科学、技术的需要 • 开展全面，深层次工程教育改革的需要 1、现代企业，特别是跨国企业要求与学校培养学生的差异 2、社会要求与学校培养理念上的差异 3、快速发展的科学、技术与培养上的脱节 4、教育系统偏于理论，缺乏project 和团队合作工作的实际训练 5、职业道德 7、综合素质的要求

EIP-CDIO教学理念 我国传统的工程教育模式以学科知识为核心，对历史、社会和环境的认知与责任方面的教育不够，特别是近年来，由于种种原因，诚信、道德、特别是职业道德的缺失，以及个人主义、缺乏团队意识等等，使得现代企业对高校培养的毕业生的认同感较低。为更好的实现工程教育改革目标，在CDIO的基础上，工学院创新性地提出建立EIP-CDIO培养模式：即注重职业道德(ethics)、诚信(integrity)和职业素质(professionalism)并与构思－设计－实现－运作进行有机结合的工程教育新模式。将职业道德和诚信（EIP），与构思－设计－实现－运作(CDIO)进行有机结合。

EIP-CDIO模式强调做人与做事有机结合，做人通过做事体现，做事通 过做人保证，在培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的工程师具备优秀的职业道德、正直、富有责任感。杨叔子院士到我校做《人文文化与科学文化的交融是时代发展的必然趋势》、《踏平坎坷成人成才》报告

通过EIP-CDIO工程教育改革,办出我们的特色与优势。通过EIP-CDIO工程教育改革,办出我们的特色与优势。 • 2006年，经国际工程教育合作组织（CDIO委员会）审查后，同意接受汕头大学成为中国高校第一个CDIO成员。 • 近二年来，在EIP－CDIO培养模式的指导下，组织了一系列专题研讨会和培训活动，全院形成了推进EIP-CDIO工程教育改革的共识。

1、学习CDIO理念 • 2005年11月起工学院全体教师学习、讨论CDIO理念 • 2006年3月-5月全院教师集体研讨 • 2006年3月开始全院骨干教师集体研究如何应用CDIO理念.

2、全面改革制定培养方案 确定以设计为导向的CDIO培养模式 • 设计是工程实践的精髓所在，功能、技术、经济以及环境、社会乃至历史的要求和约束都要在设计过程中得到反映 • 通过设计过程，学生将所学和所需要学习的内容融合在一起，综合发展 • 全面要求“实施”（I）和“运行”（O）在我国现阶段从经济上和环境设备上都有困难，但必须要有足够的“实施”实践和精心挑选的“运行”评估

EIP—CDIO 以设计为导向的EIP-CDIO 培养模式 • 新培养方案在2006级开始全面实施 Real World 通过项目设计将整个课程体系有机的、系统的结合起来。其特点是：所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心，并与这个核心融合在一起，形成一个整体。

设计为导向的CDIO培养模式 • 每专业必须有精心规划的构思、设计、实施、运行（CDIO）项目导引学生对核心专业课程的学习兴趣和能力培养，并对本专业有形成较清醒的总体认识。 • 将CDIO项目按规模和范围划分为三级，1级为包含本专业主要核心课程和能力要求的项目；2级为包含一组相关核心课程、能力要求的项目；3级为单门课程内为增强该门课程能力与理解而设的项目。3级项目的设立与否及形式由各门课程大纲根据需要确定。 • 每专业至少有二次1级项目。一般可以在一、二年级进行一次以介绍本专业核心内容及调动学生兴趣为目的的1级项目；而以毕业实习+毕业设计为第二次1级项目。每个1级项目作为一门课程单独计分。 • 以三至五个2级项目为载体加强本专业核心课程的学习与应用。

EIP—CDIO：计算科学课程体系 • 专业建设 • 人才培养 (本科): • 计算机科学与技术系（简称计算机系）始建于1985年，并于当年开始招收本科生 • 2002年计算机科学与技术本科专业成为广东省第二批名牌专业 • 1993年获得计算机软件与理论硕士点并开始招收计算机软件与理论专业硕士研究生，是汕头大学首批获得硕士学位授权的专业之一， • 2003年获得本学科第二个硕士学位授权点——计算机应用专业； • 培养目标:计算机科学与技术专业本科培养以EIP-CDIO为框架，以培养个人能力（包括自学能力和创新能力）、协同工作能力和系统调控能力为主要目标，以科学的课程（内容）设置作为能力培养的载体，以科学的课程安排（进度）促进能力培养，建立起符合国际工程师认证的课程体系。我們的目标是培育出IT行业中未来的领导者，并且提供终生学习和成长的技巧与基础。 • 培养规模:已形成高水平的人才培养体系，每年可培养本科生120名。目前在校本科生分布：2003级（122人）、2004级（145人）、2005级（80人）、2006级（65人）、2007级（大类招生未分专业）。

EIP—CDIO：计算科学课程体系 • 专业培养计划和课程体系（以鱼骨图形式表达）：

EIP—CDIO：计算科学课程体系 • 一级项目（project） • 第二年至第四年每年都有一个具体的设计和研究项目（open-ended） • 学生分成团队4-6个人，每个团队有一个项目，从设计要求、功能设计、概念设计和系统设计、到制造出来； • 培养设计、创新、协调、沟通和领导能力（每个团队的组成轮流担任，每个学生都有当领导的机会），增强学生的自信心； • 这种开放型的项目，使学生有机会把知识有机的联系起来，应用知识，有可能用到没有学过的知识，因此学生要学会以探究方式获取知识，整个过程体现CDIO 所有的项目均为团队合作项目，学生在项目进行的过程中学习探索、综合应用知识，锻炼团队精神、学习基本项目组织、管理，培养CDIO能力。应当注意到，这些项目的进行所需要的很多重要，但非核心的知识能力无需专门开设专门课程而只需要设计适当的考核要求和极少的帮助即可。比如，组织管理、会议议程、会议记录、决策过程和方法、报表、文字和图像处理、撰写报告、查询和阅读资料、口头交流、口头报告、电脑和软件的使用、自信心提高等等，比较深一点的如行业发展、科技前沿、市场分析等也可以通过指导收集资料、集体研讨进行交流、学习。切实理解从理论到实现的综合过程和决定成败的一些细部要求和规范、标准的要求 • 二级项目（project） • 二级项目是基于课程群，每个课程群都有一个项目 • 这些项目相当于综合性的课程设计 • 把相关联的课程知识有机的结合起来 • 使学生认识到有机和关联的知识群而不是孤立的知识点 • 课程群的建设与实践结合起来 • 消除内容重复，可减少学时数 • 三级项目（课程项目） • 每个教师都有知道自己的课程在整个专业培养体系中的作用，包括知识能力培养中的贡献 • 在构建学生的知识体系中有什么作用 • 每门课程涉及那些能力和知识 • 每门课程中应有20-30% 时间用于互动、启发式、探究式的学习，引导学生提出问题，找到解决问题的方法，提取概念和有规律性的方法；新的知识

EIP—CDIO：计算科学课程体系 • 确定专业培养目标： • 主要目标：培养个人能力（自学能力、创新能力），协同工作能力，调控工程-社会大系统能力 • 培养工程行业未来的工程技术和管理人员，为其提供终生学习和成长的技巧与基础 • 促使学生具有：较强的产品设计开发和制造的能力；较强的创新能力；较强的团队精神和领导能力；较强的沟通能力；较强的英语表达能力 EIP-CDIO 培养框架图 • 确定教育改革目标： • 吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程师认证的课程体系，培养学生系统工程技术能力。 • 提出全新的EIP (Ethics, Integrity, Profession) - CDIO培养模式，以职业道德和诚信为基础、开展以构思－设计－实现－运作为指导思想的工程教育理念，形成工学院培养应用型人才的定位和本专业特色。

金工实习基地 机器人实验室传动与控制实验室工程材料实验室柔性制造系统实验室（FMS）测试技术实验室公差实验室 EIP—CDIO：计算科学课程体系 3、改善教学环境 • 汕头大学工学院现有本科教学实验室40个，结构合理，满足教学需要 • 实验室11000平方米，其中本科教学实验室近8000平方米 • 自2006年3月以来，工学院共投入1500万元用于更新改造实验室及购置新仪器设备 • 为配合 EIP-CDIO培养计划的实施，学院建设600多平方米CDIO创新实践中心,工学院5个专业学生的公共实践平台，学生可以组队申请项目在中心内进行他们的科技实践活动微机原理实验室通信实验室 CDIO创新实践中心机械加工实验室电路实验室

4.CDIO试点课程 • 通过修订培养方案、优化课程结构、更新课程内容和改变教学方法，对全院所有五个专业进行EIP-CDIO教学改革； • 迄今为止，已有34门课程探索采用CDIO理念进行教学； • 2006年起全面实施基于EIP-CDIO教学理念的培养计划。 CDIO工程教育改革研讨会 CDIO课程教学研讨会

5.制度保障 通过各种规章制度在管理者、教师、学生中形成工作规范和约束机制。通过院系领导、同行教师及教学督导员的听课制度、教学质量学生联系小组工作制度等形成监督机制。通过各种教学奖励、年度考核、职称晋升、岗位聘任、学生综合测评等措施形成激励机制。通过教学督导员评价、学生课堂教学评估、听课反馈等机制，使教学方法的改进和教学效果的提高落到实处。

从教学内容角度出发，核心工程技术内容差距不断减少，区别是什么呢？从教学内容角度出发，核心工程技术内容差距不断减少，区别是什么呢？ • 教学/学习的过程 • 学习的经验 • 学生主动获取知识的能力 • 能力，知识，态度和综合素质 • 学生的工程师职业技能 • 教师的理论、实践和教育水平的差别 • 教师的职业态度与道德标准

几个问题供思考： • 是否要建立工程的知识体（Body of Knowledge）？ • 由于知识迅速的增加，国际化企业间的竞争，公司很难有充分时间为毕业生提供在岗培训，现在的教育模式包括4年学制是否满足将来的发展要求？ • 工程认证方法是否要更加深入和具体，真正考查学生的工程师能力？ • 工程教育质量和培养目标的保障系统 • 现在大学，特别是研究型大学对优质教育是否给予了充分的重视？ • 如何正确处理好科研与教学的关系？学校及其领导层有何作为？ • 竞争与合作，不断提高教学质量不能只靠竞争，更要加强合作，因为个人的课程与整体培养方案是不可分割的，怎样处理好良性竞争和诚信合作？ • 国际化与本土化的结合，不是西方所有的东西都可以直接照搬，中国要建一条国际化本土化结合的道路，不断创新、发展

谢谢！ johnkoo@stu.edu.cn http://embedded.stu.edu.cn/people/johnkoo

EIP-CDIO ç†å¿µçš„è®¡ç®—ç§‘å¦è¯¾ç¨‹ä½“ç³»è®¾è®¡