VR+CDIO工程教育模式在地方性普通院校工科專業的應用與研究

徐東輝 凌曉輝

虛擬現實技術(簡稱VR)是一種綜合應用各種技術有效地模擬人在自然環境中的各種感知系統行為的高級人機交互技術，是當前現代教育技術中的前沿技術。將虛擬現實技術O應用于教學，使學生由知識的被動接受者變成了虛擬環境中的一名參與者，對調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養學生的技能都將起到積極作用，虛擬現實技術在高等學校教學環節中具有廣闊的應用前景。

CDIO理念是麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所國際著名工科院校創立的國際組織所提出，描述了工程教育所應遵循的培養準則，CDIO強調個人工程能力不僅應包含個人的理論知識和專業技能，而且還應包含終生學習、團隊交流、大系統掌控等一系列能力。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO代表構思 (Conceive)、設計 (Design)、實現(Imple ment)、運作 (Operat)，它以產品從研發到運行的生命周期為載體讓學生以主動的、實踐的、與課程之間有機聯系的方式學習工程，迄今已有幾十所世界著名大學加入了CDIO國際組織，并取得了良好的效果，按CDIO模式培養的學生尤其受到社會與企業的歡迎。

一、研究背景

目前地方性普通院校工科專業教學普遍存在以下缺點:

(一)重知識、輕能力;重學術、輕應用;重說理、輕實效。

(二)教學經費嚴重投入不足及產學研相脫節，特別是工業欠發達地區的地方性普通院校，在科研方面與企業嚴重缺少合作、聯系。

這就使得學生產生以下不良反映:①進入高校后依然是接受傳統的教學模式，于是對學習缺乏積極性、主動性，以致經常逃課;②由于理論教學沒有和工程實踐相結合，學生不能很好地了解本專業的應用前景，以致學生認為自己所學專業沒有前途，對所學專業沒有信心、自暴自棄，甚至退學;③畢業生未接觸任何工程技術項目，沒有掌握一技之長，擔心工作、前程，使得畢業前夕心里感到非?？斩?、焦躁等。

如何有效地解決以上缺點成為目前地方性普通院校面對的巨大課題。

二、工科專業教學改革研究現狀

經大量查閱國內參考文獻，發現目前針對工科專業教學改革的研究主要體現在以下幾個方面:

①僅針對某一門課程或實驗課程開展的教學改革研究;

②針對某一專業開展的教學改革研究;

③采用某種先進的技術或方法對某一課程或專業提出的教學改革等。

以上幾個方面的改革存在以下缺點:教學改革的輻射面不廣、不強，缺乏推廣意義;僅是在實驗條件及理論教學手段、方法上的改變，未徹底改變我國大多數高校存在重視理論學習而忽視實踐、產學研相脫節的弊端;缺乏工程項目教育理念指導及工程項目教育實現體系。

針對上述情況，提出VR+CDIO工程教育模式，即以CDIO工程項目教育理念為指導，通過虛擬現實技術(VR)建立虛擬現實實踐 (實驗)平臺，以工程項目為該平臺的實踐(實驗)項目，通過工程技術及經典工程項目案例教學，強化產學研合作教育，進一步加強相關(相近)專業聯系，提升學科群建設對學生培養的重要性;充分利用學校與企業多種不同教學環境和教學資源以及在人才培養方面的各自優勢，把以課堂傳授知識為主的學校教育與直接獲取實際經驗、實踐能力的生產、科研實踐有機結合;從根本上解決高校教育與社會需求脫節的問題，縮小高校和社會對人才培養與需求之間的差距，進而縮短企業對應屆畢業生的再培養周期，增強學生的社會競爭力，給同類高校，特別是工業欠發達的地方普通高校的教學提供借鑒經驗。

三、VR+CDIO工程教育模式在教學中的應用

(一)調整課程教學體系，突出工程技術培養

為實現工程實踐能力、創新能力、團隊合作精神培養這一目標，以自動化專業為例，對課程進行詳細的分析，緊扣CDIO工程教育理念，按照構思 (功能分析)、(總體框架)設計、實現、運行步驟，把課程教學體系分為課堂教學、實驗教學與工程項目實踐教學三部分，工程實踐環節分為:加強課內實驗、課程設計、綜合設計等實踐環能力節的有序銜接。其中綜合設計主要是體現在電子、通信、機械一體化、機械電子、計算機和自動化等專業組成的學科群對學生創新能力培養的必要性上，同時進一步促進學生對工程項目開發過程及開發經驗掌握，提升學生的創新能力。

而在教學過程中，嚴格按照CDIO大綱的組織結構(見圖1)，以項目設計為主線，課堂講解以項目設計過程促進學生理解各理論基礎知識，輔以各知識點精彩工程案例，利用三級工程案例來鞏固基礎知識，并加入課外項目設計環節，有效地提高學生的主觀能動性，讓學生在實踐中提高動手能力，在工作中建立團隊意識，在實踐中參與工程項目的實際操作環節。有效地培養學生工程技術能力及相關經驗，提升學生創新能力及創新意識。

(二)利用CDIO工程教育理念和虛擬現實技術，構建虛擬現實平臺

圖1 以能力培養為目標的CDIO大綱

利用虛擬現實技術搭建虛擬現實實驗室，以CDIO工程項目案例庫作為該實驗室的實驗項目。為了達到CDIO能力大綱的要求，提高學生工程實踐能力和綜合工程素質，把實驗項目按規模和范圍劃分為三級:一級為包含本專業主要核心知識和能力要求的創新型工程案例實驗項目;二級為包含一組相關課程核心知識、能力要求的綜合訓練的實驗項目;三級為增強單門課程能力與理解而設的基礎實驗項目。以一級創新型工程案例實驗項目為主線，二級綜合訓練的實驗項目為支撐，三級圍繞鞏固課程的實驗項目為基礎，將各項能力的培養分解到課程設計的每個環節中，整合設計、實驗、實習內容，并使各門課程知識內容有機地貫穿于整個專業教學過程之中。通過工程項目實踐教學體系在縱向和橫向的相互滲透和有機地結合，使學生專業知識和專業技能得到有計劃、有層次、分階段的培養和提高。為了保證全過程工程項目實踐教學效果，在實施過程中采取“導師團隊”指導學生的全過程工程項目設計的方式。在“導師團隊”的帶領下，實施以工程項目實踐為導向、以培養實踐能力、系統能力和創新能力為主要目標的實踐教學。并根據自動化專業的學科特點，提出以實踐性和探索性的綜合工程實踐項目設計為載體，在教學方式上試行主動式自我學習和團隊式群體學習圈。

這樣可以有效地培養學生工程技術能力及相關經驗，提升學生創新能力及創新意識，增強學習對象的真實感受，調動學生學習積極性、主動性，培養學生的團隊合作精神，增強學生的增強學生社會競爭力。解決工科專業實驗設備不足、型號落后、難以及時更新換代的困難;節省實驗成本，提高實驗的安全性;學生可以在寢室、家里等實驗室以外的任何場所開展實驗研究，徹底打破傳統實驗的時間與空間的局限性。

(三)采取多樣化的考核方式，培養工程技術能力和團隊合作精神

基于工程項目學習的教學目標是培養學生的工程技術實踐能力和創新能力。在項目實施及評審方面，我們分為三組，即專家評審組、導師指導組、項目實施組。導師指導組負責項目實施組的指導工作，專家評審組負責項目實施組的評審工作;導師指導組教師不能參與專家評審組的評審工作，導師指導組的專家必須由具有較強專業知識且精通相關專業的老師擔任。每個項目實施組都必須邀請電子、通信、機械電子、計算機等相關專業的學生參與，項目可以由學生、導師或學生和導師共同協商提出，而考核則基于項目學生對學習效果的評價標準，包括增加項目報告、設計評估等。通過報告、自評、專家評審等形式，參考學生在項目中的作用，分享知識的能力，負責部分項目的完成質量等情況合理科學地制定評價方式，以保護學生主動學習的熱情，提高人才質量。以基于單片機的智能交通信號燈為例(二級工程項目)，在最后的成績中，學生平時表現占15% ，包括項目的創新、合作、溝通和分享知識的能力等;項目評審驗收、報告占70% ，包括項目的創新點、完成的質量、分工、能否實現預定功能等，在該項目中創新點主要是指該系統能否實時檢查各方向的車子流量，并及時調整紅綠燈的控制時間，以方便交通運行;期末考試占15%，考試內容也是緊緊圍繞基本概念和基本原理的應用，出靈活的、綜合性的題目，理論緊密聯系工程實際問題，注意培養學生分析和解決工程項目實際問題的能力，如在單片機課程考試中，引腳在在工程應用中為什么要接上拉電阻等問題。

在考核上采用階段評價、目標評價、過程評價、理論與工程項目實踐一體化評價、校企共同評價、專家項目驗收等多種模式。關注評價的多元性，過程化考核+終結性評價的考核方式對學生綜合評價。

(四)培養“雙師型”教師隊伍，適應VR+CDIO工程模式的需求

教師隊伍的建設能保證成人高等教育特色和質量，適應VR+CDIO工程模式的要求。因此，教師必須改革現有的教學方法，采用結合工程實際，實行工程技術啟發式教學、工程項目案例教學、講座形式及學生主動提議講課內容、形式等多種方式。這樣才能激發學生的學習興趣，增強教學效果。還可以與相關企業聯系，積極組織學員參與科技咨詢、科技開發、科技成果推廣等工作，把人才培養與技術創新、實用技術的推廣結合起來，促進科技成果向現實生產力轉化，培養學員創新意識及技術創新的能力。這就要求我們的教師既要具有廣博的知識、豐富的工程技術實踐能力，還要有良好的職業道德和細致耐心、教書育人的良好素質，又能解決生產中的工程實際問題，是在生產中具有一定指導作用的工程師素質的“雙師型”教師。

為加強“雙師型”教師隊伍建設，學校應選派年輕老師到企業實踐，參加企業工程項目實踐鍛煉或企業一線掛職鍛煉。以青年教師導師制、企業實踐、掛職鍛煉、教師科研團隊等多種形式，培養出一批“雙師型”教師隊伍。積極培養在省內、國內企業中有廣泛影響、能夠為企業生產技術和管理進行咨詢指導的專家級人才。同時，外聘一批企業高級工程師、企業老總、企業一線技術人員到校兼職任教、開展講座等。積極聘請社會知名的退休技術專家和管理專家到校任教，以帶動校內教師實踐能力的提高，努力建設一支高水平的“雙師型”教師隊伍，適應VR+CDIO工程模式的需求。

四、VR+CDIO工程教育模式的創新點

(1)從根本上解決高校電子類專業教育與社會需求脫節問題，縮小高校和社會對人才培養與需求之間的差距，同時縮短企業對應屆畢業生的再培養周期;

(2)解決高等院校電子類專業實驗設備不足、型號落后、難以及時更新換代的困難;節省實驗成本，提高實驗的安全性;打破傳統實驗的時間與空間的局限性，增強學習對象的真實感受;

(3)調動學生學習積極性、主動性，培養學生的團隊合作精神，增強學生的創新意識、創新能力，增強學生社會競爭力，進一步提高高校電子類專業的就業率，減少應屆畢業生的自殺率;

(4)提出一種易于實現、推廣、適應性強(特別是適應工業欠發達的地方普通高校的需求)的創新人才培養模式;

(5)可將工程項目案例實驗平臺建設成果應用于教師科研工作，促進教學質量提高，并將成果向高校相關專業推廣;

(6)建立新產品開發平臺，反哺周邊地區相關企業。

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