工程教育的目的是培养具有熟练技术基础和广泛专业能力的学生。在过去几十年里，大学之外的社会一直在要求工程教育者改进工作以更好地满足以上目标。在CDIO项目中，我们明确了基本需求，即：在现代团队协作环境中，教育学生理解如何对复杂的增值工程产品、流程和系统进行构思、设计、实施和操作。
　　CDIO方法有三个前提是最基本的，即远见，目标和教学基础：
　　1.为了最好地满足基本需求，我们设定了强调基本需求的目标，同时将面向产品、流程、系统的构思、设计、实施和操作的过程作为工程教育的环境。
　　2.学生的学习成果目标要由教育的利益相关者参与制定，可以通过创设一系列全面的学习经历来实现，其中有些是经验性质的，即让学生处于工程师的实际角色之中。
　　3.这些全面的学习活动的创设可以达到双重效果，让学生掌握关键的个人和人际能力及产品、流程和系统的建造技能，同时也加强基础知识的学习。
本文着重阐述了第一点，即为什么要将对产品、流程、系统的构思、设计、实施和操作过程作为工程教育的环境。我们将仔细阐述思路，辅以背景并介绍基于环境的学习有效性的证据。这个问题对工程教育是如此之关键，因而被定为CDIO的第一准则，或称“有效实践原则”。
　　注意，准则1没有明确规定工程教育的环境一定是“构思-设计-实施-操作”，而是基于更广义的产品、流程、系统的生命周期的开发和使用框架内，而把“构思-设计-实施-操作”作为一个例子。
　　本文分成三部分。第一部分概述了工程职业实践的环境，即现代工程师工作所处的环境。这对于理解工程教育应有环境的基本特征是必要的。
第二部分讨论了具体的工程教育环境，并给出相应例子。我们正致力于建立一个完善的模式，将工科学生置于其中以开展基于环境的学习。简要介绍了基于环境学习的背景，解释了它的重要特征和效益所在。结尾详细展示了对CDIO第一准则的理解和施行依据。
　　最后，本文结尾讨论了对于采取适当的环境开展工程教育以更有效地培养工程师的广泛社会需求。突出阐述了中国工程教育的发展，同时也介绍了瑞典和美国对工程教育的需求。
　　一、工程职业实践环境
　　在阐述工程教育的环境之前，首先有必要来解释一下一般的“环境”和现代工程职业实践的具体环境。
　　1.什么是环境?
　　“环境”(Context)在语言学中称为“语境”，其定义为：“文中词语或章节之前或之后、用来帮助理解其意思的词、短语或章节”。该定义有两个重要部分：a.事物所处的周围环境的意义，b.使用周围环境来了解事物的意义。我们通常采用第二个定义，即“事物的周边情况和相关事件形成了事物赖以存在的环境”，这里，提出了周围环境的意义，同时隐含着利用该环境帮助理解某事物的意思。例如，建筑师会用第二种定义去说“要理解一个建筑的风格，必须观察它所处的周围环境”。再举个例子，我们要通过研究周边存在的问题和势力来理解一个组织做出的决策。所以，我们选用环境的第二种解释——用周围环境帮助理解。为了理解工程的环境，我们接下来要看看工程的内涵。
　　2.什么是工程?
　　工程的核心任务是设计和实施尚未存在的方案，以直接或间接地服务社会或社会的组成部分。工程和其他科学的不同在于它有一个创造的过程。著名工程师Theodore Von Kármán曾经说过“科学家发现世界上已经存在的事物，而工程师创造世界上从未存在的事物”。工程的一个重要方面是利用自然材料、应用科学知识和技术来创造“世间从未有过的事物”。工程在不同领域创造不同的事物。在CDIO方法中，我们使用产品、流程、系统这些词语来代表工程师所创造的事物。在这一表达中，产品是任何有形的商品或可被转化的对象，而流程是为了达到某个目标而采取的一系列行动或变换，而系统是为了达到某种所需结果的实体和流程的总合。产品、流程、系统只是一个简化的表达，代表对工程师创造的各种不同问题解决方案的描述。制造工程师、土建工程师、化工工程师创造工厂、产品和项目，生物工程师创造新的分子，材料工程师创造新的材料，计算机工程师创造软件和系统。
无论专业领域如何，工程师角色的核心是设计和实施问题的解决方案。同样工程师需要定义这些问题，包括理解客户和社会需求，找到可被利用的新技术，制定高水准的设计需求和实施策略。这些我们在CDIO方法中用“构思”来表示。而就项目的最终结果而言，绝大多数被设计、实施的产物必须得到使用以体现其价值。
　　有时产品的操作是由客户来进行的，比如汽车、房屋、运动用品。而一些复杂的系统经常由专业人员操作，譬如由从事维修升级和系统更新换代工作的工程师来操作。即使不需要工程师来操作的产品，设计工程师也必须关注该产品设计中关于产品使用操作的要求。在CDIO方法中，我们把整个产品制造完成(即实施)后的过程称为“操作”。从构思、设计、实施到操作的全过程就是产品、流程、系统的生命周期，以其代表工程范畴。
　　3.工程职业环境的发展。
　　工程活动和工程职业的环境日新月异，但值得注意的是其中有些特征相对稳定，而有些则发展迅猛。在过去50年里基本没有实质改变的环境因素包括：
　　对于客户需求和社会问题的关注。自古以来以来工程师就重视、主动了解和解决这些问题。
　　将新产品、新工艺和新系统交付使用。工程的最终结果是将“解决方案”交给客户去用，以满足客户和社会的需求。
　　面向未来，担当发明和新技术创造者角色。水渠、风车、铁路、飞机、因特网，所有这些工程师的成果都造就那个时代，并延续后世。
　　利用多学科知识来解决问题。工程师关注“解决问题”，采用任何必要的学科知识来完成任务。大概200年前，蒸汽工程就需要流体力学、固体力学、控制、热力学、燃烧学和制造学。当各个学科的工程师们意识到应该联合工作才能解决问题的时候，便出现了新近发明的“交叉学科”这个词。
　　团队工作、有效交流、技术组织的领导力。工程师不是一种单干户的职业，它是外向型的，需要和其他工程师和非工程师交流来完成产品、流程和系统的开发和交付。
　　需要高效工作，利用现有资源并赢利。面向公众，工程师要全力将产品和服务按时交付使用；对于自己的企业，他们还必须同时赢利。
　　也许，20世纪工程和其他基础学科愈加紧密的联系标志着从不变的工程环境向一个迅速发展的环境转变。但这种联系古已有之，200年前蒸汽机所采用的热力学原理与今日并无不同。相对新的变化是基于科学的分析和新技术发展对综合设计的影响。这些改变使得工程教育也发生了改变，转向以工程科学为基础。在过去的50年里，我们见证了工程环境的转变，这些发展的特征包括：
　　从征服环境到治理环境的转变。1828年英国建筑工程师协会声明，工程是“征服自然界的巨大资源、为人类谋福利的艺术”。今天，我们意识到要保护和持续利用地球资源，而不是征服它们。
　　全球化和国际竞争。直到不久前，工程产品和服务的实施都还是本地化或本国化的，而现在则努力转移到世界上任何一个能够最快最好完成它们的地方去实施。
工程活动在地域和内容上的分散化。全球化的今天，工程师完成任何项目都需要跨地区、跨国家和跨文化合作。
　　日益以人为本的工程实践。随着对人的需求的了解和认知逐渐增多，随着客户化的成本日益减少，服务和产品按照顾客不断个性化的需求来提供已变成主流，比如，无处不在的网络计算将成为一种趋势。
　　同时，随着服务型的工程产业日益受到重视，技术快速发展，现在刚毕业的工程师在他们的职业生涯中需要反复接受培训。另外，公司希望新进员工能够从上班第一天起就给公司创造价值，所以，未来的工程师也需要有快速学习的能力。
　　如上所述，我们总结了工程的未变本质及工程环境的持久特性，以及与此相比较少随世界变化而变化的一些特性。工程教育者们应意识到并理解这样的工程职业实践环境，进而作出反应，将它转变为工程教育的环境。
　　二、工程教育的环境
　　上文阐释了工程职业实践的环境，现在我们来为工程教育定义一个合适的环境。我们认为，职业实践决定了教育的环境应包括学生的经验基础、促进学习的因素和学以致用的方向。
　　如果我们在工程职业实践环境的基础上建立教育环境的话，那么，环境对工程教育的意义就显而易见了。就是说，教育应立足于职业环境中稳定不变的那些方面：
●以客户的需求为本；
●向市场提供完整的产品和服务；
●引进新发明和新技术；
●着重问题的解决，而不是强调学科知识；
●与他人合作；
●有效沟通；
●在现有资源和其它相关条件下开展工作。
　　我们应该使学生意识到环境中新的变化，并且恰当地将其融入学习内容，这些新的变化包括：可持续发展、全球化、地域分散化、以人为本的工程实践、工程服务中的突发事件和技术发展的速度。这也是在CDIO准则1中要抓住的思想。
　　工程职业实践环境的核心特点大都没有改变，而在过去50年里呈现变化的是工程教育环境的日渐疏离和轻视工程职业实践的趋势日益凸显。和工程实践环境的脱节大概源于上世纪五六十年代工程教育开始采用工程科学方法的改革。当然，这项改革的发起者的初衷是通过奠定更坚实的科学基础并采用分析的方法来加强工程教育。他们并不是想以此来取代工程实践环境，而是为了提供额外的内容。
　　这项改革虽然的确增强了工程科学的内容，但却未曾预料到会因此而失去工程实践环境。在上个世纪后半叶，工程教育的教师越来越多地由工程科学家来担任，其中多数人从来没有做过工程师。他们思考、工作、教学都是在其所熟知的工程研究环境中。工程研究固然是一个很重要的领域，但问题是，它实际上逐渐取代工程实践环境而变成了工程教育的环境。这样，我们就不知不觉地开始把学生培养成为工程研究者，而不是工程师。
　　1. CDIO作为工程教育的环境。
　　CDIO方法的第一准则就是我们应该重拾传统，把工程教育重新置入工程实践环境——即产品、流程和系统的开发和使用中去。我们认为，构思-设计-实施-操作不应该成为教育的内容，而应当被视为获得这些内容的工具和环境。几乎所有的大学都认为学生应该学习某学科的基础技术知识和方法：机械工程、土建工程、生物工程等。我们强调的是学生在适宜的环境中学习这些内容会更好，且在CDIO环境中可以大大加强其个人的、人际的、系统构建的能力。
　　上面已经描述了“构思-设计-实施-操作”的环境，旨在构建一个并非唯一的产品、流程和系统生命周期的模式。这四个词用来表达泛化的工程师行为，但它们直接针对离散的机、电、信息产品和系统的开发和序列生产，诸如汽车、飞机、轮船、软件、计算机和通讯设备等。生产工程师规划、设计、实施和操作这些离散的产品和系统的制造工艺流程；而其他工程师则规划、设计、开发和分配网络及系统，例如交通运输网络和通讯系统。在软件方面，工程师创意、设计、编写、运行程序。在化工领域和类似产业，工程师们规划、设计、建造和运作一个工厂或设备。在建筑工程中，也有类似的步骤，即通过计划、设计、建造和管理来完成一个独立的建筑项目。尽管用了不同的词语，但所有这些工程类别都要遵循“构思-设计-实施-操作”的基本程序。
　　2.其他生命周期的环境。
　　除了选择CDIO作为工程教育的环境之外，还有其它模式可以反映工程职业实践。有人说，设计本身就是工程的核心。设计固然重要，但在市场上实现的是产品、流程、系统的价值，仅仅把设计作为唯一值得关注的工程实践环境，会减弱工程师在设计新产品/新系统、开发新技术以及实施、操作阶段的作用。因此，整个产品、流程和系统的生命周期，包括所有的工程活动，都应当作为工程教育的环境。
　　不言而喻，CDIO并不是唯一可行的生命周期模型。CDIO经常被解释成一个“自顶而下”模型，对新产品和新系统的构思是由顾客和社会需求驱动的。构思的施行则通常由新技术新发明来推动，这样，就可满足顾客和社会需求。比如，自生物工程出现以来，MIT的教师们构建了一个被称为“考虑-建模-操作-制作”的生命周期模型，该模型的构建被认为是找到一个新的生物分子的必要活动。首先，要考虑自然界中有什么可以作为建造的材料，然后为它们建立模型，用以开发装置来操作基本构造块件，进而获得新的生物分子。这是一个全面的描述，为学生建立了一个专门职业实践的环境，并将生物工程师和生物科学家的职能区分开来。
　　可以有比CDIO更全面的环境描述。譬如，比利时鲁汶工程大学就为“培养复合型的工程师”建立了五个“E”的模式。前面三个“E”代表工程师的社会作用。
ENGINEERING：建造物品。复合型工程师通过运用技术和基础科学来创新，他们熟谙跨学科的方法。
ENTERPRISING：把事情做到底。复合型工程师具有宽阔的眼界，在此基础上，他们确定使命并聚集队伍来从事工程活动。通过创新、进取和发挥领导力，他们能全面有效地将使命贯彻到底。
EDUCATING：完善自我与他人。复合型工程师能够教育自己、他人和团队，其理想是每个人都能得到良好发展。
ENVIRONMENTING：包容所有。复合型工程师意识到技术和世界间的相互影响，因而能在一个全球化和不断发展的世界中综合考虑自身的行为对伦理、生态、美学和经济产生的影响。
ENSEMBLING：包容和超越。复合型工程师能透彻理解事物的内在联系。通过区分和整合，从各个角度来审视问题，从而得到更深刻的见解，且不断丰富自己的经验。
　　无论是直接的“构思-设计-实施-操作”模型，还是类似于“考虑-建模-操作-制作”的变体模型，或是类似于5E的延伸模型，重要的是，要将对学生的教育置于一个产品、流程、系统生命周期的开发和使用的环境中。
　　3.采用产品、流程、系统生命周期作为环境的理由。
　　采用系统生命周期(如构思-设计-实施-操作)的原则，可以为工程教育提供适宜的环境。理由如下：
　　这一周期正是产业工程师所做的工作；
　　它的这些基本环节(CDIO)是产业界给大学列出的工程毕业生所应具有的基本技能清单；
　　它是将技能传授给学生的自然场景；
　　它有助于更好地加强技术基础知识的学习；
　　前三点在本节加以简要阐述，第四点是一个更全局的观点，在接下来的章节中加以讨论。
　　首先，现代工程师致力于CDIO的某些或所有阶段的工作。有的学生到学校来学习，志在成为工程师，并希望了解这些基本的工程实践活动。而我们的教育却不让他们身处工程实践环境之中，这就削弱了他们的学习动力和积极性。反之，如果将工程教育融入实践环境中，就能向学生展示工程师究竟在做什么并以什么服务于人类。
　　第二点——即相关的技能清单——可以通过工业界广泛、持久、有序的活动及其向学校的呼吁得到印证，他们要求培养学生的必要能力。从上个世纪70年代末80年代初起，到90年代逐步增强，工业界代表人物对工程毕业生的专业技能和工作态度开始表现出关切。他们从一个更广的角度详尽表达了对专业实践中所需技能的重视。英国1978年发表的Finiston报告，就体现了工业界早期的这种反映。1984年，模拟数字转换器的发明者BernardM. Gordon更为直率地指出，“社会对工程教育的现状甚是不满”。90年代，美国波音公司对于工程师的素质提出了11条要求。这是工业界对大学提供的人力资源存在的问题所造成的威胁的自然反应。各类业界人士的共同观点是强调毕业生具备工程职业实践需要的知识、技能和态度的重要性，大多数企业对工程基础知识的重要性持保留意见，进而列举广泛的技能清单，主要包括设计和制造、交流协作及其它个人技能和素质。
　　第三点——即CDIO作为传授技能的自然场景——更为微妙。原则上讲，我们可以在学生专门学习工程理论基础后再教他们工程技能和工作态度，但事实证明，这种方式并不那么有效。那么，有什么比使学生置身于产品和系统开发使用环境中以培养其技能更自然的方式吗?显然，CDIO就是学生学习和使用其知识和技能的真实环境!
　　4.生命周期环境的教育原理。
　　采取产品、流程、系统生命周期作为工程教育环境的第四点理由是更有效地学习技术基础。从教育原理上看，在一个有助于理解和说明的环境中开展教与学可以更为有效。在教育实践中，这被称为基于环境的教学，或简称为环境教学。
　　5.什么是环境教学?
　　环境教学是一个已被证实的概念，融入了认知科学的许多前沿研究成果。根据环境教学理论，只有当新的知识在学生已拥有的参考系中具有意义时，他们才能主动有效地学习。该理论认为，大脑会自然地在学习者所处环境中搜索知识的意义，寻找知识的意义与应用的关系。
环境教学植根于建构学习理论和认知学习理论，有如下特点：
●在学生熟悉的真实情境和经验中教授新的概念；
●问题和习题概念要在应用的环境中展示；
●在学生已知的环境中展示概念；
●上一条包括让学生相信相关概念现在或今后在其生活中很重要的情景暗示；
●所提供的学习经验能鼓励学生在有用环境中应用概念和技术，将其带入可预想的未来，比如可能从事的职业、尚未熟悉的场所(如工作地点)等。
　　采取环境学习方法的原理是极具说服力的。这个方法鼓励学生选择一定的职业，并能在相应的专业中坚持学习。在职业实践环境中的学习能开阔学生的思路，使他们成为更有思想、更积极参与的社会成员和劳动大军的一分子。更重要的是，环境学习方法帮助学生了解如何监控自己的学习，使之成为自律的自学者。
　　6.环境学习的优势和例子。
　　环境学习方法为工程教育提供了很多好处。除了上面已经提到的之外，还能做到：
巩固和强化对新知识新技能的记忆；
在彼此依赖的概念和知识之间建立关联；
沟通学生所学知识和能力的原理，彰显其意义和适用性。

　　以下几个例子可以用来帮助说明环境学习的好处。
　　在课程阶段：①热传导的学习可用于测量隔热材料的质量和数量如何影响建筑温度所需能量的保持；②可在学习基础科学的同时交叉学习生物学、化学和数学课程，可研究全球自然灾害后的传染病，或研究环境退化如何与农荒互相影响。
在专业阶段：①生物工程专业的学生在医院实验室的现场工作可以为医疗设备的设计获得一个激励的环境；②关注社区非盈利组织对创新产品和服务的需求，可赋予工程专业的设计-实施实践以实际意义和实用性。