CDIO – en referensmodell och en verktygslåda för utveckling av ingenjörsutbildning Johan Malmqvist Chalmers tekniska högskola Grundläggande frågor vid utveckling av ingenjörsutbildning Vad gör ingenjörer och vad bör ingå i en ingenjörsutbildning? – Utöver de traditionella ämneskunskaperna Vilka inslag och vilken pedagogik kan göra att vi blir bättre på att uppfylla dessa mål? – Givet existerande begränsningar vad gäller studentoch lärartid och finansiella resurser Vad gör ingenjörer? Vad bör ingå i en ingenjörsutbildning? Vad gör ingenjörer? ”Scientists investigate that which already is. Engineers create that which has never been. - Theodore von Karman ”What you need to invent, is an imagination and a pile of junk” - Thomas Edison ”What is chiefly needed is skill rather than machinery” - Wilbur Wright Vad gör civilingenjörer två år efter examen? Huvudsakliga arbetsuppgifter - antal (en person kan ha svarat mer än ett alternativ) 45 40 35 30 25 20 Kvinnor 15 Män Totalt 10 5 0 (Alumnienkät E-K-Kf-M 2008) Desired attributes of an engineer (Boeing, ca 1995) A good understanding of engineering science fundamentals – Mathematics, Physical and life sciences, Information technology A good understanding of design and manufacturing processes A multi-disciplinary, systems perspective A basic understanding of the context in which engineering is practiced – Economics, History, The environment, Customer and societal needs Good communication skills - written, oral, graphic, and listening A profound understanding of the importance of teamwork. Personal skills – High ethical standards – Ability to think both critically and creatively—independently and cooperatively – Flexibility Curiosity and a desire to learn for life Den svenska examensordningen från 2007 för civil- och högskoleingenjörsutbildning innehåller liknande mål CDIO:s definition (2003) ”Engineers Conceive, Design, Implement and Operate complex products and systems in a team-based environment” ”Ingenjörer planerar, utvecklar, tillverkar och driver komplexa tekniska produkter och system, i team och med moderna ITverktyg som hjälp” Mål för en CDIO-baserad utbildning CDIO-baserade utbildningars mål Ge aktiva och djupa kunskaper inom grundläggande matematiska och teknikvetenskapliga ämnen Ge förmåga att ta ledande roller vid planering, utveckling, tillverkning och drift av komplexa tekniska system Ge insikt i sambandet mellan grundläggande teknikutveckling och samhällsutvecklingen i stort Dessa tre mål skall uppfyllas parallellt Detaljerad målbeskrivning – CDIO syllabus CDIO syllabus är en målbeskrivning för ingenjörsutbildningar som utgår från behovet av ingenjörer som kan planera, utveckla, tillverka, och driva komplexa tekniska system • • Programspecfik (1) och generella delar (2-4) Framtagen och validerad med hjälp av alumni, fakultet och studenter Kvantifierbar och ”komplett” • • 1 Technical Knowledge & Reasoning: 1.1 Knowledge of underlying sciences 1.2 Core engineering fundamental knowledge 1.3 Advanced engineering fundamental knowledge 2 Personal and Professional Skills 2.1 Engineering reasoning and problem solving 2.2 Experimentation and knowledge discovery 2.3 System thinking 2.4 Personal skills and attributes 2.5 Professional skills and attributes 3 Interpersonal Skills 3.1 Multi-disciplinary teamwork 3.2 Communications 3.3 Communication in a foreign language 4 CDIO of Complex Systems 4.1 External and societal context 4.2 Enterprise and business context 4.3 Conceiving and engineering systems 4.4 Designing 4.5 Implementing 4.6 Operating CDIO syllabus contains 2-3 more layers of detail Ingenjörsutbildningars utveckling Helhet Tvärteknisk Syntes 1960: Vetenskap & praktik 1995 M2000 1930: Kokbok/ praktik 1990: Vetenskap 2000: CDIO Detalj Disciplinär Analys Dagens och morgondagens ingenjörer behöver ”både-och” … helhet-detalj, syntes-analys, disciplinär-tvärvetenskaplig, teori-praktik, … Kännetecken för en CDIO-baserad utbildning Utbildningen betonar grundläggande kunskaper, men där sammanhanget ges av kedjan planering-utveckling-tillverkning-drift av verkliga produkter/system, och som har en utbildningsplan som utgår från ämneskurser men där CDIOaktiviteter är integrerade i ämneskurserna Verklighetsnära! är rik på design-build-test-projekt på ett systematiskt sätt inkluderar icke-tekniska färdigheter betonar aktiva och undersökande lärandeformer äger rum såväl i klassiska klassrum som i moderna lärmiljöer för produktframtagning ständigt förbättras med hjälp av en systematisk utvärderingsprocess Vilka inslag och vilken pedagogik kan göra att vi blir bättre på att uppfylla dessa mål? CDIO:s ”pedagogiska grundtanke” är inspirerad av Kolbs lärandemodell Concrete experiences Tutorials, Exercises, Lab classes etc. Active experimentation CDIO Abstract generalization Conventional approach Lectures: Concepts, Models, Laws, etc. Reflective observation Inslag i en CDIO-baserad utbildning Förnyade introduktionskurser – tidiga ingenjörsmässiga inslag Design-build-projekt Lärandemiljöer som stödjer produktframtagning Samverkan mellan ämneskurser Integrerat lärande av generella kompetenser i projekt och ämneskurser Aktiva och undersökande lärandeformer STANDARD 1 FOR CHALMERS MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM The ”Civilingenjör” program in Mechanical Engineering aims to develop the knowledge, skills and attitudes that are needed to be able to Lead and participate in the design and operation of industrial products, processes and systems This includes the entire lifecycle from identifying needs, creating solutions, design, manufacturing, marketing, operating, maintaining, recycling to eliminating Design-build-test-projekt – lärandet sker genom skapandet av en ”produkt” Produkten utvecklas och implementeras till funktionellt testbar status, så att det är möjligt att verifiera att den uppfyller kraven och att identifiera möjliga förbättringar Produkten kan bestå av hård- och/eller mjukvara eller vara en simulerbar digital modell DBT-projekt tränar inte bara utvecklingsmetodik men fördjupar även tekniska kunskaper och utgör en plattform för att lära ut icke-tekniska kunskaper Exempel på design-build-test-projekt Integrerad konstruktion och tillverkning M2 Industridesign M3 Formula student M4 ADVANCED DESIGN-BUILD-TEST PROJECT Chalmers EcoMarathon 2006 Motivation Self-efficacy Self-expression, ownership Involves unexpected events Concrete technical knowledge Lärandemiljöer som stödjer produktframtagning - koncept Learning Resources Concept Forum Social Network Design Center Implement Lab Storage Personal Communications Operations Center Exhibits CDIO WORKSPACE – THE PROTOTYPING LABORATORY 450 m2 facility where students can build prototypes Metal machining, woodworking, FFF, welding, electronics, … Used in courses and projects from year 1 to master thesis projects CDIO WORKSPACE – THE STUDY HALL Integrerat lärande Lärandemoment i projekt eller ämneskurser som integrerar lärande av teknik med ”professionella färdigheter” (systemutveckling, experimenterande, lagarbete, kommunikation) Färdigheter är beroende av sammanhanget och bör läras och examineras i ämnessammanhanget (Bowden, Barrie, Edström) ...kommunikation som generisk färdighet... …kommunikation som kontextualiserad färdighet… Integrerad utbildningsplan (KTH Farkostteknik) Development routes (schematic) Year 1 Year 2 Introductory course Physics Mechanics I Mathematics II Numerical Methods Mechanics II Solid Mechanics Product development Thermodynamics Mathematics III Year 3 Mathematics I Control Theory Oral presentation Electrical Eng. Report writing Fluid mechanics Statistics Sound and Vibrations Signal analysis Project Teamwork management CURRICULUM DEVELOPMENT: INTEGRATED CURRICULUM (STD 3) Year 1 Intro Mathematics 7.5 ECTS Single-variable Calculus 7.5 ECTS Programming in Termodynamik M Matlab 4.5 ECTS 4,5hp Intro to Mechanical Eng 7.5 ECTS Linear Algebra 7.5 ECTS Several-variabel Calculus 7.5 ECTS Mechanics and Solid Mechanics I 7.5 ECTS Mechanics and Solid Mechanics I I 7.5 ECTS Year 2 Mechanics and Solid Mechanics I II 7.5 ECTS Materials A 7.5 ECTS Common computation labs in mathematics, programming & engineering science Communications Machine Elements 7.5 ECTS Integrated Design and Manufacturing Project 7.5 ECTS Materials B 7.5 ECTS Mechatronics 7.5 ECTS Manufacturing Tech 7.5 ECTS Industriell Production & Org 6 ECTS Industrial Economics 4 ECTS Year 3 Fluid Mechanics 7.5 ECTS Control Engineering 7.5 ECTS Bachelor Thesis Project 15 ECTS Env and Energy Eng 7.5 ECTS Elective I 7.5 ECTS Elective II 7.5 ECTS Mathematical Statistics 7.5 ECTS Teamwork Sustainability Integrative project in design & manufacturing STANDARD 8: ACTIVE AND EXPERIENTIAL LEARNING Reformed mathematics emphasizing simulations Motivate importance of mathematics and applied mechanics courses Realistic engineering problems Working method based on modelling, simulation & analysis MATLAB programming Visualization of mechanical behaviour Year 1 lab example SYSTEMATIC PROGRAM DEVELOPMENT A major effort was devoted to EXAMPLES OF PROGRAM GOALS developing and documenting the goals, intents and structure of the program in an integrated program solve by numerical methods linear and nonlinear ordinary differential description equations inclusive reformulating to a first order system, Ca 35 specific goals communicate in design English principles and Swedish (written and spoken) and be Ca 10 program able to present results using graphs, illustrations and simulations. A ”program design matrix” is used to maintain the links between the goals and the courses the lead and participate in theof development of new products, processes and systems using a holistic approach for the entire process: from program Programbeskrivning maskinteknik för civilingenjörsprogrammet i ‘ Dattum Version Beskrivning/ändring Författare e-post 2007-04-26 0.0 Under bearbetning Mikael Enelund mikael.enelund@chalmers.se 2007-08-29 0.1 Hållbar ändrad 2007-11-01 0.2 Årskurser 4 och 5 2007-11-13 0.2 Rättad utveckling stating requirements and formulating the concept, to design, manufacturing, operations and phase-out/shut-down. Programutveckling och kvalitetsarbete CDIO behöver alltid anpassas till det lokala sammanhanget • CDIO är en referensmodell, inte en preskription • Elementen behöver översättas och transformeras för att passa det lokala sammanhanget • CDIO tar inte upp rena ämneskunskaper • Många utbildningar har redan en del CDIO-element som man kan bygga vidare på • Ta vad som passar, modifiera det, ge det ett nytt namn • CDIO tillhandahåller en verktygslåda för att arbeta med den processen Sammanfattning Ingenjörsutbildningen behöver förändras för att motsvara dagens och morgondagens krav på ingenjörer CDIO är en utbildningsmodell som sätter framtagning av produkter och system i centrum för att möta dessa krav CDIO-modellen tillhandahåller en verktygslåda för programutveckling CDIO har rönt ett stort intresse från andra högskolor och nu är mer än 60 högskolor medlemmar i CDIO Initiative Arbetet med CDIO var en viktig orsak till att HSV 2008 utsåg M-programmet till ”framstående utbildningsmiljö”, en av ca 10 i landet