基于CDIO教育模式的工科大學物理教學內容改革初探

十七大報告提出，教育是民族振興的基石，而且把教育放到以改善民生為重點的社會建設之首。目前我國的現狀是一方面大學生就業難；另一方面各大企業普遍需要的人才標準是具有較強的專業知識基礎，廣泛的知識體系，能夠較好的處理人際關系的人才。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。高校的重要職能是要服務于社會，其發展方向要適應于市場的需求，CDIO教育理念是培養符合時代特征人才的先進教育理念。大學物理作為工科院校的一門基礎必修課，在培養學生的科學素質和創新精神上承載著非常重要的責任，但基于CDIO教育模式的工科大學物理教學改革目前在國內仍是一個盲點，于是課題組嘗試著在CDIO工程教育理念下對大學物理的教學內容進行改革，以期在大學物理教學改革中提供一種新思路。

一.教學內容的整合

1.對基礎教學內容進行整合

教學內容的整合就是將原有教學體系的各章節中相關內容通過新的組合方式進行刪減、整理與合并，使相關章節能夠形成內容冗余度少、結構性好、整體協調的新型教學內容。新世紀需要的是基礎厚實、知識面寬、人文素質高、環境適應性強的復合型人才。基于以上考慮，我們以CDIO工程教育理念為藍本，通過教學內容的整合，使舊有教學內容容量擴大、內容更新、知識滲透力增強；同時也要將學科發展的新理論、新技術、新內容有機的組合在一起，形成符合時代發展的學科內容新體系。

課題組對教學內容整合的具體要求主要表現為：經典物理的重點是培養學生的數理思想，科學素質和分析、解決問題的能力。強調歸納演繹法、演示實驗法、對稱法、類比法等物理學方法的介紹；立足于傳統教學手段，配以現代多媒體教學手段。通過經典物理的學習使學生掌握專業基礎課和專業課必備的基礎知識，同時也為學生將來學習新知識、新技術打下扎實的基礎。近代物理的重點是物理知識與專業結合，注重創新意識和創新能力的培養。在教學中，教師應適當介紹大學物理與專業的聯系，或將專業中的物理問題作為實例進行分析，這樣有利于激發學生學習物理的興趣，增強應用物理知識解決問題的意識和能力；以理論教學為主要形式，以實際應用為主要內容，以研究和分析為主要教學手段，將理論知識、實際應用、研究分析集于一體，創建“構思——設計一實現——運作”的良性思維模式。現代工程技術的物理基礎專題的重點是開拓學生的視野，側重于人文教育，建立工程文化的概念。以講座、討論等方式作為學習方式，配以相關影音，影像，科技知識短片以獲得學生的感性認識，且豐富了教學手段；加強物理學史和物理學家事跡介紹，促進學生形成良好的科學品質和世界觀。

2.科研、教研與教學內容的融合

教師通過參加科研活動，不斷汲取新知識，積累科研成果，不僅有利于提高教師的專業水平，也有利于提高教師的教學水平。通過教師帶領學生開展科研工作，不僅教師可以了解科學的最新動態，可以掌握學科的最新成果，也有利于增加教學的深度，提高教學效果，更有利于學生在實際中進行CDIO所詮釋的“構思——設計——實現——運作”過程，激發學生的興趣，活躍學生的思維，提高學生分析問題、解決問題的能力，提升創新能力。誠然，學生參與的科研項目也要得當，學生參與的科研項目要充分反映教學內容與現代工程技術應用相結合的特點，以盡量賦予其現代氣息。

學生參與合適的教研項目也同樣具有能力培養的良好效果，同樣也能達到“做中學”的目的。例如，教學軟件的開發、多媒體課件的制作、教學實驗儀器的研制、MTLAB仿真的設計等。

3.設計性實驗與虛擬實驗室

設計性實驗是CDIO工程教育模式下物理教學的有力補充。它是指學生根據給定的實驗目的和實驗條件，通過查閱資料構思設計方案，選擇實驗器材與設備，自行擬定實驗程序，自行實施并對結果進行分析和處理。例如，誤差分配和實驗儀器的選擇、電位差計校準電表和測定電阻、精確測定微小電阻阻值、軟磁材料靜態特性的測定、用波爾理論測定普朗克常數、聲光控延時電路設計與組裝、組裝邁克爾遜干涉儀等實驗。

另外，虛擬實驗室也將是CDIO工程教育模式下物理教學的有力補充。它是指用仿真技術、數字建模技術和多媒體應用技術等在微機上調制的可輔助或代替傳統實驗操作環境。大學物理虛擬實驗室的實驗不再局限于實驗室中，這大大挖掘了高校潛能，擴大了學校的承載能力。通過進行虛擬實驗，學生可以在不浪費任何硬件教學資源的前提下，進行各種實驗嘗試，大大提高了學生的邏輯思維能力，整體設計能力，實現設計運作能力，以及創新能力，這也恰恰符合CDIO工程教育理念。

二.教學內容的模塊化與教學大綱的制定

隨著我國的教育從“應試教育”向“素質教育”的轉變，對教學模式的靈活性、針對性、現實性和經濟性特點的要求也越來越高，而CDIO作為一種新的教學模式的應用和推廣，必然要涉及到教學內容的規劃和建設，基于大學物理基礎知識的特點和CDIO教育理念，我們將大學物理的基礎知識進行了模塊化分類。從知識的結構上進行模塊化分類為：力學、熱學、波動、電磁、光學、近代物理和現代工程技術的物理基礎專題共計七個模塊，這種模塊化的分類有利于CDIO工程教育模式的展開。

經過對大學物理教學內容的整合與模塊化處理后，基于CDIO教育理念要對教學大綱進行了重新編寫，使得大學物理課程的教學目標既涵蓋教育部非物理類專業物理基礎課程教學指導分委員會制定的《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》(以下簡稱《基本要求》)對技術基礎知識和推理教學內容的要求，又符合CDIO強調能力提升的要求。在技術基礎知識方面，按照《基本要求》對知識進行三個層次的要求：掌握、理解和了解，以保證大學物理知識體系的連貫性和系統性；同時注意到每個能力培養項目自身的特點，適當調整知識內容和結構，以確保項目順利實施所需要的知識儲備；在能力培養方面，基于學生主體性的考慮，我們也要充分貫徹“以生為本”和“因材施教”的教學理念，根據學生基礎知識和基本技能的差異，學習方法、習慣、能力上的差異，學習目的和態度上的差異，可以分層次進行能力培養項目的實踐，可以選擇性地參與科研、教研、實驗設計等。

三.教學內容的設計

以“摩擦緩沖器的設計與制作”這個具體的能力培養項目為例來說明如何進行教學內容的設計。要求學生在學習力學基本知識的基礎上，完成項目的構思、設計、實現與運作(或展示)。具體過程為：(1)通過文獻查閱、產品比較和理論分析等掌握緩沖器的工作原理并對其進行建模，然后將整個緩沖器進行分解為幾個部分，說明各部分功能及預期達到的指標，提出設計要求和注意事項。(2)通過第一步的構思過程將指標細化，規定相應的參數，如彈簧的勁度系數、大小、尺寸、材質、初始壓縮量、最大壓縮量，墊板的尺寸、材質、規格等，通過參數選擇與計算得到反映該緩沖器好壞的整體參數——吸收率；之后，將緩沖器整體與各部分通過制圖體現出其各個參數和規格，提出實施方案。(3)按照實施方案進行材料選購，此過程需對比材料的性能、價格以及應用在緩沖器制作中的優缺點；對選購的材料進行實際處理，按照實施方案進行制作，以期達到設計要求；成品之后對緩沖器進行試驗，記錄各項指標完成情況。(4)通過實際指標完成情況的分析，找出影響性能的因素以及改善性能的方式，最后以報告或論文形式進行總結；同時準備對項目進行答辯。教師與其他非參與項目的小組組長作為項目答辯評委，答辯之后，按照CDIO教學大綱所提出的四個層面進行科學、合理地評價。

在項目實施的整個過程中，經常會出現一些難題，解決這些難題可以激發學生戰勝困難的激情和勇氣。整個項目的完成不僅可以達到基礎知識的教學要求，更能夠讓學生在實踐學習中鍛煉文獻檢索能力、邏輯思維能力、計算機應用與制圖能力、實際操作能力、團隊協作與溝通能力、語言和文字表達能力等，并且可以擴展學生的知識面，培養學生的創新意識，激發學生創作的激情。

總之，由于工科各專業對大學物理教學要求的側重點有所不同，加上近年來高校擴招導致學生水平參差不齊，基于CDIO工程教育模式的大學物理教學改革存在著一定的風險和難度。因此我們將在現有的條件下結合我校的實際情況，遵循因材施教，以生為本的理念，循序漸進地進行改革。同時將認真總結改革過程中的經驗和不足，期望能夠在工科學生的知識、能力和素質培養上形成獨具特色、切實可行的基于CDIO教育模式的工科大學物理教學新思路，切實發揮高校為社會服務的職能。