基于CDIO大綱的探究式教學在工程教育中的應(yīng)用研究

摘要：在CDIO工程教育目標的指引下，以“結(jié)構(gòu)力學”課程為例，提出了一種以項目任務(wù)為載體，以探究式學習為主要方法的教學模式。通過建立能力目標矩陣、創(chuàng)設(shè)探究情景、細化驅(qū)動問題、設(shè)計評估文件以及反思問題，對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大賽項目進行改革。用該方法進行項目類學習的改革，能有效培養(yǎng)和測評學生的CDIO工程能力，同時為工程教學改革提供了一條新的思路。

關(guān)鍵詞：CDIO；探究式；項目；結(jié)構(gòu)力學

作者簡介：喻瑩（1983-），女，山東鄒城人，汕頭大學工學院，副教授；陸小華（1962-），男，湖北公安人，汕頭大學教務(wù)處長，教授。（廣東#8194;汕頭#8194;515063）

基金項目：本文系2010年教育部人文社會科學研究“工程科技人才培養(yǎng)研究”專項課題（課題編號：10JDGC005）、2014年廣東省高等學校優(yōu)秀青年教師（項目編號：Yq2013071）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0099-02

傳統(tǒng)的學習理論和教學實踐以接受式教育為主，學生處于被動地位，日益受到人們的質(zhì)疑?！疤骄渴綄W習（Inquiry Learning）”或稱“主動式學習（Active Learning）”，從20世紀中期以來在世界范圍得到廣泛的推廣，在國際上得到廣泛提倡。[1]探究式教學是一種有效提升學生能力、知識和態(tài)度的教學方式，在中小學科學教學中應(yīng)用的較為普遍，[2]但是在高等工程教育中卻沒有引起足夠的重視。CDIO是由MIT等四所大學建立起的一種先進的基于工程教育的教學模式，它為工程教育提供了一個目標集——#8198;CDIO教學大綱，大綱以逐級分解的方式詳細規(guī)定了工程師所應(yīng)該具備的科學能力與素質(zhì)、人際團隊能力和在企業(yè)和社會環(huán)境下的工程綜合能力。[3]這個大綱的特別價值在于它的完整性和詳細程度，為學生的工程綜合能力的測評成為可能。

以細化的CDIO教學大綱為培養(yǎng)目標，采用基于項目的探究式教學方法，對傳統(tǒng)的工程教育中常用的項目設(shè)計類課程進行改革，旨在高效實現(xiàn)學生CDIO工程能力的培養(yǎng)。本文以“結(jié)構(gòu)力學”三級項目“結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”為例，研究在工科項目設(shè)計中，如何有效采用探究式教學方法實現(xiàn)CDIO工程培養(yǎng)目標。

一、三級項目內(nèi)容改革

“結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”是“結(jié)構(gòu)力學”課程教學中經(jīng)常舉辦的科技活動，旨在使學生將課堂的理論知識與實際設(shè)計工作相聯(lián)系，培養(yǎng)和鍛煉學生的動手能力、創(chuàng)新能力和勇于實踐的精神。針對目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽普遍存在的問題，本文進行以下改革：

1.明確項目的探究性

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽通常要求學生采用指定的材料或盡可能少的材料，建造承載能力最高的結(jié)構(gòu)。項目內(nèi)容往往局限于如何提高結(jié)構(gòu)荷載，內(nèi)容較為單一。學生會采用結(jié)構(gòu)力學的知識對所要搭建的模型進行分析，然后按照分析結(jié)果進行建造。[4]這一過程中學生缺乏明確的目標指引，導致學生對于材料性能、節(jié)點性能等影響結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素缺乏必要的思考和探究。

新的結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽項目比賽分為競賽準備階段和競賽階段。準備階段旨在讓學生通過系列試驗總結(jié)出桿件受力規(guī)律，由該規(guī)律可以設(shè)計并制作出給定長度給定承載能力的拉或壓結(jié)構(gòu)構(gòu)件。競賽階段則要求結(jié)構(gòu)安全承受1kg砝碼加載，而2kg砝碼加載必須破壞，并且加載前明確指定破壞模式，同時滿足上述條件且結(jié)構(gòu)質(zhì)量最低的組獲勝。這樣的設(shè)計更符合真實的結(jié)構(gòu)設(shè)計條件，使得學生主動探究所用材料的力學性能，并且設(shè)計出的結(jié)構(gòu)需要有明確的承載力。

2.明確項目的能力培養(yǎng)目標

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的目標并不僅僅是采用趣味性的方式使學生重復和練習結(jié)構(gòu)力學的知識，而是要通過一個項目達到一定的能力培養(yǎng)目標。而目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽多缺乏賽前和賽后明確的培養(yǎng)目標指引，學生為贏而贏，因此達不到應(yīng)有的學習效果和能力培養(yǎng)目標。[5]CDIO為工程教育提供了完整而詳細的能力培養(yǎng)目標，但是對于某一具體課程來說，它并沒有也不可能給出具體的能力要求，同時也沒有明確給出CDIO能力目標的落實方法，這就需要教學設(shè)計者依據(jù)教學的需要來制訂符合相應(yīng)課程的能力培養(yǎng)目標及其貫徹方法。

本文在CDIO四個大層次中的26個微觀層次上建立了“結(jié)構(gòu)力學”整門課程的培養(yǎng)目標，目標矩陣如表1所示。由表1可知，三級項目結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽在學生具體工程能力培養(yǎng)中起著重要的作用，是課堂教學和作業(yè)練習無法取代的。

表1#8194;“結(jié)構(gòu)力學”課程的CDIO工程能力培養(yǎng)目標矩陣

CDIO相關(guān)能力程度主要環(huán)節(jié)

1.技術(shù)知識和推理1.1相關(guān)科學知識3教學、練習

1.3核心工程基礎(chǔ)知識4教學、練習、三級項目

2.個人能力、職業(yè)能力和態(tài)度2.1.1發(fā)現(xiàn)問題和系統(tǒng)表述問題4教學、練習、三級項目

2.1.2 建模4教學、練習、三級項目

2.1.3 估計與定性分析4教學、練習、三級項目

2.1.4帶有不確定性的分析4教學、練習、三級項目

2.1.5 解決方法和建議4教學、練習、三級項目

2.2.1建立假設(shè)4練習、三級項目

2.2.2查詢印刷資料和電子文獻4練習、三級項目

2.2.3實驗探索4三級項目

2.2.4假設(shè)檢驗4三級項目

2.3.1批判性思維4練習、三級項目

2.3.2系統(tǒng)思維4練習、三級項目

2.3.3創(chuàng)新性思維4三級項目

2.4.1主動性與承擔風險3三級項目

2.4.2毅力與變通3三級項目

2.4.3創(chuàng)新能力3三級項目

2.4.4抗挫折能力3練習、三級項目

2.4.6有效時間管理能力3練習、三級項目

CDIO相關(guān)能力程度主要環(huán)節(jié)

3.人際交往能力3.1 領(lǐng)導能力3三級項目

3.2.1組建有效團隊3三級項目

3.2.3團隊有效工作運行3三級項目

3.3.2具有應(yīng)用語言、書寫、圖表和電子方式進行工程表達和交流能力3三級項目

4.在企業(yè)和社會環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行系統(tǒng)4.4.1風險及不確定性評估4三級項目

4.4.2設(shè)計過程的解釋與調(diào)整4三級項目

4.4.3知識在設(shè)計過程的應(yīng)用4三級項目

本表注：以布盧姆學習目標分類法(Bloom’s Taxonomy)為基礎(chǔ)描述學生在學完本課程后應(yīng)具有的能力，目標欄內(nèi)以1，2，3，4，5，6來表示對此級能力要求達到的程度，1～6分別表示：認知、理解、應(yīng)用、分析、綜合以及評判。

二、基于項目的探究式學習

基于項目的學習（Project-Based Learning，PBL）使學生通過應(yīng)用知識、完成項目的方式來學習知識。PBL是一種基于建構(gòu)主義理論的情境化學習方式，認為學生通過實際操作及思想的實踐，能夠加深對學習材料的理解。探究式學習是以科學家和工程師從事科研的方式，學習專業(yè)技術(shù)中的核心概念、原理或者方法；即使學生經(jīng)提出問題、自主分析、直至實證、表達的全過程，最終內(nèi)化為內(nèi)在的理性認知與能力。基于項目的探究式學習是以項目為載體，通過提出問題、相關(guān)資料查詢與分析、推測和假設(shè)、設(shè)計實驗、尋求證實、信息和數(shù)據(jù)處理以及結(jié)論與表達七個步驟，達到CDIO能力培養(yǎng)目標。

1.營造探究環(huán)境

研究表明，在真正情境中發(fā)生的學習最有效。教學設(shè)計者營造的情景越真實，使學生能夠設(shè)計和回答一個對自己和社會都有意義的問題時，他們才能意識到科學在解決重要問題時的方式和意義。針對結(jié)構(gòu)力學的核心內(nèi)容（掌握桿件結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、受力性能、計算原理和計算方法），課程設(shè)置以下探究目標：結(jié)構(gòu)計算模型與實際結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，對假設(shè)和誤差的評估；結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計性；內(nèi)力計算及其在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用；工程科學規(guī)律的實驗探索。

2.驅(qū)動問題的設(shè)置

項目設(shè)計者應(yīng)該幫助學生了解驅(qū)動問題的重要性。驅(qū)動問題能夠幫助學生認識到項目的定位和目標。結(jié)構(gòu)大賽的驅(qū)動問題不能僅僅是建造承載力最高的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動問題用來組織并推動項目的活動，提供一種情景以便學生可以探究學習的目的和進行科學實踐，使得整個項目活動一致連貫。基于CDIO培養(yǎng)目標，基于項目的探究式學習在準備階段和競賽階段設(shè)置了明確而細化的驅(qū)動問題，見表2。

表2#8194;結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中的驅(qū)動問題清單

階段點問題CDIO培養(yǎng)目標

準備

階段問題1：本階段的目標是什么？列出已知條件、困難、關(guān)鍵問題2.3.

問題2：拉壓破壞的主要區(qū)別是什么？影響承壓能力的主要因素是可控因素還是不可控因素？2.3.1， 2.3.2

問題3：如何在實驗中體現(xiàn)這些因素？2.2.1， 2.2.2， 2.2.3

問題4：如何在結(jié)果中體現(xiàn)這些因素？2.3.1， 2.3.2

問題5：因素的影響確定嗎？如果不確定，如何消除

（減?。┎淮_定因素對實驗結(jié)果的影響？2.1.3

競賽

階段問題1：你們所面臨的問題是什么？解決的思路是怎樣的？2.1.1

問題2：設(shè)計中是如何確定結(jié)構(gòu)的體系和形式？有沒有不同方案的對比？2.1.2， 4.1.1

問題3：是否考慮了結(jié)構(gòu)的整體和局部優(yōu)化？2.3

問題4：團隊中每個人的職責是否明確？如何保證合作能夠順利進行？具體計劃是什么？如果合作過程中出現(xiàn)了問題，怎么解決？2.4.6， 3.1， 3.2

問題5：團隊采用什么樣的方式交流？交流的效果如何？如何記錄你們的交流情況？2.4.6， 3.3.2

三、學習效果評估

知識的評估可以通過競賽的結(jié)果獲得，能力的評估卻不可以和競賽結(jié)果直接掛鉤。學生的能力評估一直是教學改革的難點。由于前期采用了細化的、可測評的CDIO四級大綱加水準作為預期的結(jié)果，為學生能力評估提供了標準，加上項目設(shè)計中對評估文件進行了專門的設(shè)計，使準確測評學生能力成為可能。學生在大賽前需要提交準備階段報告，在競賽后需要提交競賽階段報告。對準備階段和競賽階段的報告設(shè)置相應(yīng)的要求（見表3），用以評估學生的能力狀況。

表3#8194;結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中的評估文件要求清單

階段點具體要求CDIO培養(yǎng)目標

準備

階段

報告內(nèi)容要求1：實驗?zāi)康?.1.1

內(nèi)容要求2：實驗設(shè)計2.3

內(nèi)容要求3：實驗設(shè)計2.1.3

內(nèi)容要求4：實驗過程2.2.1， 2.2.2， 2.2.3

內(nèi)容要求5：數(shù)據(jù)采集2.1.3

內(nèi)容要求6：數(shù)據(jù)整理2.2.4

內(nèi)容要求7：數(shù)據(jù)誤差與可靠性分析2.2.4

內(nèi)容要求8：實驗結(jié)果表達2.2， 2.3.3， 3.2，

競賽

階段

報告內(nèi)容要求1：要達到什么目標？基本要求是什么？追求的目標是什么？2.1.1

內(nèi)容要求2：提出了幾種不同的結(jié)構(gòu)形式？4.1.1

內(nèi)容要求3：如何決定最終設(shè)計方案？2.4， 3.1， 3.2

內(nèi)容要求4：結(jié)構(gòu)的計算模型、計算過程和計算結(jié)果1.3， 2.1.2

內(nèi)容要求5：結(jié)構(gòu)計算模型與真實結(jié)構(gòu)的區(qū)別在哪里？這樣的差異會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響（數(shù)量級估計）？怎樣保證達到競賽基本要求?2.1.3， 2.1.4

內(nèi)容要求6：設(shè)計破壞荷載是多少？破壞模式是什么？實際結(jié)果與預測結(jié)果分析2.1.5

四、反思

反思是使學生更易于進入真實事件的一個重要部分，特別是基于項目的教學方法，需要預先計劃、實時監(jiān)控、過程評價，并且要根據(jù)活動的成果來重新制訂計劃。支持學生反思的最大困難是幫助他們理解反思的必要性。當學生經(jīng)驗局限于結(jié)構(gòu)化的任務(wù)時，他們就沒有機會參與元認知監(jiān)控和元認知計劃。在項目設(shè)計中，通過對學生自評報告中反思問題的設(shè)計，讓學生主動進行反思。學生的反思問題清單見表4。對于教師來說，教師對項目效果進行反思，根據(jù)學生需求與反應(yīng)調(diào)整項目內(nèi)容、項目實施策略，為下一周期的項目教學做好準備。

表4#8194;學生的反思問題清單

階段點問題CDIO培養(yǎng)目標

準備

階段問題1：如何應(yīng)對試驗中的挫折？2.4.1，2.4.2， 2.4.4

問題2：如何組建團隊？3.2.1

問題3：有沒有體驗到努力發(fā)現(xiàn)答案的激動心情？2.3.3

問題4：準備階段的重要性是什么？4.4

競賽

階段問題1：競賽結(jié)構(gòu)是否在預料之中？ 2.1.3

問題2：成功或失敗的原因是什么？2.3.1， 2.3.2

問題3：如果可以，將對結(jié)構(gòu)做哪些改進？2.1.5

問題4：你的設(shè)計有何創(chuàng)新之處？2.4.3

問題4：通過項目學到了什么，如何將這些知識概括應(yīng)用到其他項目中？4.4.3

五、結(jié)論

基于CDIO工程培養(yǎng)目標，通過建立能力目標矩陣、創(chuàng)設(shè)探究情景、細化驅(qū)動問題、設(shè)計評估文件以及反思問題，改革了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽?；陧椖康奶骄渴綄W習活動改變了過去項目設(shè)計中學生盲目參賽的狀況，形成了學生在CDIO培養(yǎng)目標指引下主動探究的方式，調(diào)動了學生的積極性，提升學生的自我學習能力。學生依據(jù)項目的要求查找自己所需的各類資料，自我主導實施過程，變被動學習為主動學習，有效地激發(fā)學生的主觀能動性。此外在項目的實施過程中，學生鍛煉了項目管理能力、溝通能力與交流能力，為今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。

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注：喻瑩為本文通訊作者。

（責任編輯：王意琴）