基于工程教育的實驗教學模式探索

王 偉，孟祥貴，安 寅

（國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410003）

在國外，CDIO工程教育模式已相對成熟，并卓有成效，如：英國貝爾法女王大學采用基于項目的學習方式，在大學不同階段承擔不同的項目，取得了較好的教學效果；瑞典林雪平大學自2002年起增設了導論性課程，從授課研討、項目開展和交流活動3個方面實施課程，這種教學方式得到了廣泛的肯定[1]。在國內，隨著CDIO教育模式改革和“卓越工程師計劃”的實施與推進，已有許多高校針對不同專業人才需求制定了詳細的課程計劃。其中，作為中國首個高校CDIO成員的汕頭大學提出了基于職業化、道德化的CDIO教育模式，受到了業內的好評；清華大學的工業工程系顧學雍副教授曾在“數據結構”和“數據庫技術”兩門課程中采用了CDIO教學方法，取得了滿意成果；還有數十所高校采用了“3＋1”的教學模式，有效提升了畢業生的就業率。由此可見，工程教育模式已在社會上得到了廣泛的認可。對比國內外的工程教育模式現狀，國外的工程教育多貫穿于整個大學教育，而國內的工程教育多針對特定的課程展開，同時由于教學條件等因素的限制，多數還以到企業實習的方式參與項目，在教學方面缺乏一定的連貫性。鑒于此，本文從實驗教學角度出發，提出基于工程教育的實驗教學模式，將工程教育貫穿于整個大學的實驗教學中，充分利用資源優勢使實驗教學在高等工程人才培養方面發揮更大的作用。

1 基于工程教育的實驗教學模式的設計構架

基于工程教育的實驗教學模式整體上分為3個階段（見圖1），在不同階段根據學生的實際情況安排實驗教學內容，逐步完成“激發興趣”、“滲透工程概念”、“模擬工程師角色”及“培養團隊合作精神”這4個層面的階段性目標，以循序漸進的方式培養學生的創新精神和工程實踐能力。期間還將對教學效果進行階段性的評估和改進，使實驗教學更好地貼近學生，引導學生和培養學生。

圖1 基于工程教育的實驗教學模式設計構架示意圖

2 實施的具體舉措

在實施過程中需根據學科特點和人才需求制定相應的實驗課程計劃，并將實驗課程分層次地安排到學生大學4年的學習中，使學生通過實驗課程能夠對不同階段的理論知識融會貫通，逐步培養創新思維和工程實踐能力。

2.1 通過展示工程模型激發學生興趣

愛因斯坦曾說過“興趣是最好的老師”。在應試教育的大背景下，許多學生僅僅為了考試而學習，對所學知識的用途與用法不甚了解，往往容易陷入迷茫[2]。要擺脫傳統應試教育的束縛、發揮學生的內在潛能，首先要激發學生的學習興趣。

基于工程教育的實驗教學模式便將“激發興趣”作為實驗教學的“敲門磚”。為了更好地開啟實驗教學的大門，可以在學生入學時便安排其到實驗室參觀一些與學科領域相關的典型工程實物模型，努力向其展現本學科專業的光明前景，讓學生體會大學學習所能帶來的樂趣，并引導學生自己制定學習目標和發展方向[3]，使其能夠逐漸形成一種自我奮發的精神狀態。

通過工程模型展示激發學生學習的興趣，是將學生帶入實驗課堂的第一步。

2.2 基礎實驗教學初步滲透工程概念

基礎實驗課程的開設一般安排在大學一年級到二年級，傳統的基礎實驗教學主要以訓練學生的基本操作技能為主，內容安排上更側重于驗證型實驗。

在新的實驗教學模式下，基礎實驗教學可分為2個階段：第一階段是對學生進行基本技能（如焊接等）的訓練，可以單獨設立實訓課程，主要模擬企業中的生產操作環節進行訓練；第二階段進入到理論課程的實驗部分，這部分實驗分為驗證型、綜合型、設計型3個方面的實驗內容，在安排實驗內容時適當增加綜合型、設計型實驗的比重。在實驗教學過程中，要將實驗教學與理論課程緊密聯系，幫助學生深入理解理論內容，并結合實驗內容講解工程案例及工程解決方法[4]，不斷滲透工程概念，培養學生的工程意識。

基礎實驗具有一定的通用性，學生通過基礎實驗課程理解相應的理論內容，掌握基本的操作技能，并初步形成工程意識，可為后續的專業實驗和工程實踐打好基礎。

2.3 專業實驗教學中模擬工程師角色

專業實驗課程一般從大學二年級就開始陸續開設，直至大學四年級，分為專業基礎實驗和專業綜合實驗2個部分[5]。專業基礎實驗主要是針對專業課程所學內容做一些驗證工作，專業綜合實驗主要是進行相關的課程設計，傳統的專業實驗的授課方式仍然以教師“講授”為主[6]，學生被動地接受。

在基于工程教育的實驗教學模式下，專業實驗教學應充分體現“以學生為主體，以教師為主導”的原則[7]。專業基礎實驗在內容設置上仍然以夯實課堂所學知識為主，但在教學方法上需要改變傳統的“教”與“學”的方式，由教師綜合理論課堂知識提出驗證某些理論的實驗要求，學生根據要求在規定的課堂學時內設計實驗方案，并利用已有器材進行實際操作，完成實驗；專業綜合實驗仍延續傳統的課程設計的方式，但在實驗內容上應將多學科知識交叉融合，給出具有相當彈性的設計題目，學生將根據題目自行查閱資料，進行原理設計，然后利用已有器件實現，以驗證設計是否達標，最后須對自己的設計及驗證結果進行深入思考與分析，并形成報告。工程教育背景下的專業實驗教學更注重對學生自主實驗能力的培養，通過設置開放性的實驗題目給予學生更多自由發揮的空間。

在專業實驗中，須充分發揮學生的主動性，給予學生更大的空間，讓學生模擬工程師角色，從設計到驗證全程體驗，初步領略工程實踐的魅力。

2.4 創新實踐活動中培養團隊合作精神

現如今許多高校都有舉辦各種類型的創新實踐競賽，學生一般從大學三年級開始參與。這種創新實踐競賽規模雖大，但學生的參與率并不高，許多學生在整個大學生涯中都沒有機會體驗這種活動。

在基于工程教育的實驗教學模式下，創新實踐活動不再以純競賽的方式舉行，而是作為一門實踐課程開設，使所有學生均能參與其中。實驗室可與相關領域企業聯合，以企業贊助的方式進行[8]。企業為學生提供相關專業領域特定的產品作為開發工具，學生利用指定產品進行一些創新開發，而實驗室將為學生提供全開放的自主實驗環境。在實驗課程中，學生自由組合成若干小組，每個小組4人左右，模擬產品開發流程[9]，分工合作。教師為學生提供必要的開發環境和參考資料。實踐活動可在1～2個學年內完成。待到產品開發完成后，由實驗室舉辦小型產品模擬推介會，給予學生展示自己產品的機會。

創新實踐活動為學生提供了一個近似的工程實踐環境，學生在這個過程中既熟悉了產品開發流程，又培養了團隊合作精神，為成為合格的工程師做好準備。

2.5 實驗教學效果評估

傳統的實驗教學效果評估主要采用“實驗結果＋實驗報告”的考核方式[10]，完全按照“標準答案”的固定模式來評價，學生總處于被動的地位。

基于工程教育的實驗教學模式是個循序漸進的過程，要在不同階段針對學生不同的能力培養進行評價，并在最后階段進行整體效果評估。

階段性的實驗教學效果評估可以采用“操作考評＋報告審核＋綜合測試”的方式進行，操作考評和報告審核伴隨著每次實驗教學而進行，綜合測試可以在該實驗課程結束后由實驗教師根據實驗內容提供一份綜合性試卷，學生根據實驗操作的實際情況在規定時間內作答[11]。整體效果評估主要是針對創新實踐活動而言，由于這個過程中涉及到團隊成員之間的相互配合，可以采用“產品模擬推介＋學生互評＋自我評價”相結合的方式進行。通過模擬推介和學生互評，考查學生的人際交流與自我展示能力，而自我評價則是考查學生的自我總結和分析能力。

實驗教學效果評估的結果是實驗教學改進的主要依據[12]，完善的實驗教學效果評估體系是實驗教學不可或缺的組成部分。

3 結束語

在當今許多高校都將工程教育開展得如火如荼的背景下，本文提出的實驗教學模式為實驗教學提供了一種新思路。該模式將基本技能、理論學習、創新思維和工程實踐融為一體，為學生量身定制了全程實驗課程及指導，努力培養出創新實踐型的優秀工程人才。

（References）

[1]克勞雷.重新認識工程教育：國際CDIO培養模式與方法[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009：91，197.

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[4]廖孟柯，張曉芳.工科課程案例教學模式探索與實踐[J].黑龍江教育，2011（5）：79-80.

[5]師玉寶，張志福，王淑欽，等.自動化專業綜合設計型實驗課程教學模式探索與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（4）：120-121，135.

[6]李俊瑞，江菊元，田禾，等.“一體化”實驗教學綜合改革的研究[J].實驗室研究與探索，2006，25（11）：1405-1408.

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[12]歐陽玉柱，歐陽卉，肖竹平，等.基于產學研一體化的綜合化學實驗教學研究與實踐[J].實驗技術與管理，2011，28（12）：15-17.