医工融合背景下基于OBE-CDIO模式的"线性代数及优化理论"课程改革探索与实践

一、引言

随着新一轮科技革命和产业变革的加速，教育部提出“新工科”与“新医科”建设，强调医工交叉融合与创新人才培养[1] [2]。新工科聚焦于智能化、数字化与工程实践能力的提升，而新医科则注重医学与工程技术的深度融合，推动精准医疗、智能诊疗等领域的突破。在此背景下，医学与工科交叉领域对具备“医工结合”能力的复合型人才需求激增，要求课程体系从单一学科向多学科协同转变[3]。然而，传统的工程教育模式在培养学生实践能力和创新能力方面存在不足，难以满足现代工程领域对高素质工程人才的需求。在此背景下，OBE（Outcomes-Based Education）和 CDIO（Conceive， Design，Implement， Operate）理念应运而生。OBE 理念强调以学生的学习成果为导向，关注学生在知识、技能和态度等方面的综合发展。CDIO 工程教育模式以项目为载体，让学生在实践中学习，能够更好地培养学生的实践能力和创新意识。OBE和CDIO理念的结合，能够更好地实现以学生为中心的教学目标，促进学生知识、能力和素质的全面发展。

目前国内外很多学者针对基于 OBE-CDIO 理念教育模式改革进行了诸多探索[4] [5] [6] [7] [8]，然而他们的研究较多聚焦于新医科或者新工科单一领域，而针对医工结合领域的研究较少。因此，本研究聚焦医科院校研究生专业基础课程《线性代数及优化理论》的改革实践，探索 OBE-CDIO 融合模式医工融合背景下的应用路径。

二、OBE-CDIO 模式的理论框架

2.1OBE 的原理

OBE 教育理念全称成果导向教育，也被称为能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育，以学生最终获得的能力或成果为目标，反向设计教学内容和评价体系，其核心是 “学生中心、产出导向、持续改进”，与传统“内容驱动”教育相比，OBE 关注“学生能做什么”而非“教师教什么”。 OBE 教育理念是当前工程教育认证已将其作为“黄金标准”，在各类教育中均有着广泛的应用前景[9]。

2.2 CDIO 的原理

CDIO 是一种工程教育模式，旨在培养学生的全流程工程能力。CDIO 模式强调学生在工程实践中经历从构思到运作的全过程，从而全面提升其工程素养和实践能力。CDIO 模式包括从构思到实现的四个关键阶段及其所需能力。构思阶段，需要定义问题并构思解决方案，强调问题识别和创新思维的培养；设计阶段要求具备系统思维和方案设计能力；运作阶段关注工程实现和产品构建，需要工程实践和技术实现能力；实现阶段主要进行系统优化和效能提升，强调质量评估和持续改进能力。

2.3OBE- CDIO 模式的实施路径设计

OBE- CDIO 模式旨在通过工程实践导向和能力产出导向的双重驱动，提升人才培养质量。因此，我们结合专业培养大纲从教学目标、教学内容、教学组织以及教学评价几个方面对课程进行重构。教学目标被重构为知识、素质、能力和课程思政四个方面；教学内容分为矩阵代数、向量空间和优化理论三个模块，并创新教学组织，通过基础、进阶和综合项目的实施；评价体系涵盖形成性、终结性和能力增值评价，旨在全面评估学生的学习成果。此框架强调以学生为中心，通过模块化教学和多维度评价，促进学生知识掌握、能力提升和素质发展，实现教学目标的全面达成。

三、基于 OBE-CDIO 模式的课程改革实施细节

在人工智能技术深度融入医学教育的时代背景下，《线性代数及优化理论》不仅为研究生奠定数学建模与优化分析的核心梳理基础，更在驱动医工融合创新、强化工程实践能力、培育跨学科整合素养、赋能职业竞争力等方面发挥着关键作用。

3.1 课程目标的重构

本课程的知识目标是使学生系统掌握向量空间、矩阵分解与线性优化等基本理论与方法；在能力方面，注重培养学生运用所学知识进行程序实现与工程建模的实际应用能力；在素质层面，着力强化学生的数据思维和系统优化意识，提升综合科学素养。同时，课程坚持思政育人导向，将价值塑造融入知识传授与能力培养之中，引导学生树立家国情怀，坚定科技报国的理想信念，增强服务国家发展的使命感和责任感。

3.2 教学内容的重构

“线性代数及优化理论”是我校硕士生的专业基础课，涉及到数据表示及优化理论两大核心知识板块。融合新工科、新医科需求与 OBE-CDIO 理念，形成"理论工具-工程实践-医学应用"三位一体的知识体系。我们将教学内容分为是三个模块，分别是矩阵代数与工程系统建模；向量空间与数据表征以及优化理论与智能决策。以第一部分的矩阵运算为例，我们引入张量计算的概念，通过手术机器人位姿变换矩阵的计算，从应用的角度阐述该部分内容。

3.3 教学组织的创新

我们针对教学过程中的教学项目进行了组织创新，分别从掌握核心算法、解决单学科问题以及处理医工交叉难题几个目标制定基础、进阶、综合三类进阶式项目，旨在通过不同层级项目的能力锻炼，培养学生在实践中逐步提升专业技能和解决实际问题的能力。

3.4 多元化评价体系的构建

教育质量多元化评价体系通过四维融合构建全景评估生态。在评价主体上，整合学生、教师、督导、企业专家、家长及 AI 智能平台的多视角诊断，破除评价盲区；在评价内容上，涵盖知识、能力、素养、创新思维、情感态度与社会适应力，突破单一分数导向；在评价方式上，融合课堂观察、作品档案、在线数据、现场答辩、竞赛成果与用人单位跟踪，实现静态成果与动态过程互补；在评价时序上，贯通课前诊断、课中形成、课后总结及毕业追踪，形成教学闭环。

四、改革成效

为了验证该教学模式的效果，我们分别从学习成绩、解决工程能力两方面对实验班（OBE-CDIO模式）和传统班级进行了量化比较，详情如下所示：

4.1 学习成绩对比

实验班课程包含 4 个工程项目（如 SVD 医学图像压缩、QR 分解信号降噪）；传统班采用传统讲授模式，以理论考试为主。成绩结果显示，实验班高分段（ ≥80 分）占比 75% ，显著高于传统班的 37.5% ；实验班成绩标准差为 8.5，传统班为 12.3，表明 OBE-CDIO 模式更均衡地提升学生能力。

4.2 解决工程问题能力对比

在课程最初和最后分别设计 3 道开放性工程问题（如“设计基于矩阵分解的 ECG 降噪方案”）评价不同教学方式对于解决实际工程问题的能力提升。通过方案可行性（ 40% ）、数学工具应用（ 30% ）、创新性（ 30% ）作为评价指标。通过量化数据对比、学生反馈分析我们发现，从学习效果上而言，实验班高阶能力（创新、系统思维）提升率超传统班 2 倍，学生从“知识接受者”转变为“问题解决者”，契合新工科和新医科交叉复合型人才的培养目标。

五、结论与展望

本文采用 OBE-CDIO 理念对《线性代数及优化理论》课程在“新工科+新医科”背景下的课程改革进行了积极的探索，通过医工融合的课程目标、教学内容重构、项目驱动的实践设计及多元评价体系的建立，能够培养出兼具数学素养与实践能力的复合型人才，为智能医疗、精准医学等领域的发展提供人才支撑。该研究不仅是教育理念的革新，更是应对国家战略需求与产业变革的必然选择。

参考文献

1.马陆亭， 新工科、新医科、新农科、新文科——从教育理念到范式变革_马陆亭. 中国高等教育，2022（12）： p. 3.

2.吴岩， 深化“四新”建设走好人才自主培养之路. 重庆高教研究， 2022. 10（3）： p. 11.

3.王越， 微创植入，重获可见光并拓展红外视觉！复旦医工交叉成果登《科学》主刊. 复旦学报（自然科学版）， 2025. 64（3）： p. 1.

4.兰添才， 陈振武， and 黄婧， OBE 与 CDIO 融合的 Python 程序设计教学模式研究. 计算机时代，2022（3）： p. 4.

5.刘洋， 杨华， and 高娜， 基于 CDIO-OBE 理念的数据库系统原理与应用”课程教学实践. 科技风，2022（14）： p. 3.

6.陈燕， 新工科CDIO工程教育模式在地方院校计算机科学与技术专业人才培养中的应用探索. 贵阳学院学报（自然科学版）， 2022. 17（1）： p. 4.

7.闫婷， 新工科背景下基于 CDIO 工程教育模式的《软件测试技术》教学改革. 办公自动化， 2022.27（7）： p. 3.

8.张欣婷， 新工科背景下基于 OBE-CDIO 理念的实践教学改革探索. 黑龙江科学， 2022. 13（5）： p. 2.9.邓凤春；张唯琨；赵红晔， 基于 OBE 理念的系统解剖学混合式教学创新设计与实践. 高校医学教学研究（电子版）， 2022. 12（4）： p. 4.

基金项目：徐州医科大学高等教育教改研究课题（Xjy201816）; 江苏省教育教学改革课题（2023JSJG067）; 中华医学会医学教育分会教学改革课题（2023B305）; 徐州医科大学研究生教学改革课题（KT10313）