基于CDIO工程教育模式的自動化專業實驗教學改革

徐銀梅+王尚君+王國霞

摘要：本文簡要地介紹了CDIO工程教育模式及能力培養目標，分析了進行教學改革的必要性以及傳統教育模式下實驗教學的不足，從實驗教學體系建設、實驗內容設計、實驗教學方法的改進及教師CDIO能力的提高等方面進行了改革，形成了新的教學模式，加強了對學生工程實踐能力的培養。

關鍵詞：CDIO;實驗教學改革;工程實踐能力;自主學以能力;團隊寫作能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0243-02

CDIO模式是2000年由美國麻省理工學院以美國工程院院士Ed.Crawley教授為首的團隊和瑞典皇家工學院等3所大學發起，經過4年的跨國研究而創立了一種新型工程教育模式[1-3]。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），該教育模式以構思、設計、實施、運行產品、過程和系統的全生命周期為教育背景，通過有機聯系的課程體系和CDIO教學標準的制定，使學生主動地學習，從實踐過程中通過經驗學習來獲取工程能力[4]。

CDIO工程教育模式由汕頭大學于2005年率先引入國內，目前全國已有39所高校被批準成為CDIO試點高校。北京科技大學自動化學院于2013年被批準成為教育部第二批CDIO電氣類試點高校，基于此自動化專業全面展開了CDIO模式的教學探索與實踐[5]。

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。針對CDIO工程教育模式的要求，我們對課程的實驗教學內容、方法及手段進行了改革，在現有條件的基礎上做了一些有益的嘗試，使實驗教學內容更緊密結合工程實際，更注重學生工程能力及創新能力的培養，為學生就業打下了良好基礎，提高了畢業生的就業競爭力。

一、改革完善實驗教學體系結構，滿足CDIO工程教育模式的要求

通過近幾年的實驗教學體系建設，實驗中心建立了“以驗證實驗為本、綜合設計實驗為主、創新實驗為優”的“三層式”實驗教學體系。

第一層次以基礎驗證性實驗為主，主要在專業基礎課程中開設，確保學生掌握本專業的基本實驗技能，提高其實踐動手能力，如各專業基礎實驗課程。

第二層次以綜合設計性實驗為主，該類實驗融合多門專業課程或一門專業課程的多個知識點，重在培養學生系統完整的知識結構與綜合實踐技能，如自動化實訓實驗項目。我們自主研制的自動化生產線實訓平臺，以實際工業系統為原型，涵蓋完整的自動化工廠實訓系統，包括過程控制、運動控制和制造自動化等多個行業子系統。進一步強化了教學體系當中的工程實踐應用環節，提高了學生的就業競爭力，體現了實驗教學緊密聯系實際生產過程的工程特色。

第三層次以創新性實驗為主，主要在專業課程中設置，啟迪學生的專業設計與創新能力，此外還通過實驗室開放項目和科技創新實驗室鍛煉學生的實踐創新能力。學院近幾年先后建成了三個創新實驗室，創新實驗室面向全院學生全天候開放，結合學科專業特點，購置必要的研究設備和相關圖書，為大學生創新創業（SRTP）項目活動及各類學科競賽提供了一些基本的硬件條件及場地。通過完成創新項目的過程，培養了學生創新意識和創新能力，提高了其實踐動手能力，培育了其團隊協作精神。

按照三層次教學體系，我們構建了從基礎課實驗室、專業實驗室到實訓實驗室的一體化實踐教學鏈，進一步強化了教學體系當中的創新能力和工程實踐能力的培養，以滿足CDIO工程教育模式的要求。

二、實驗教學的改革

實驗教學應該是學生親歷驗證新理論、充實新知識、嘗試新方法、掌握新技術的過程，是學生專業素質培養的重要途徑。所以，實驗教學要滿足CDIO工程教育模式要求，要改變過去重知識灌輸、輕能力培養的實驗方法，要積極引導學生積極主動學習，著力培養學生的工程實踐能力和分析問題、解決問題的能力，培養學生的創新精神。

在過去的實驗教學中存在一些問題，如實驗教學內容偏重于理論驗證，與工程實際脫節;實驗過程中沒有充分重視學生的知識綜合應用能力和創新意識的培養;實驗教學方法、手段單一，實驗教學效果有待提高。針對這些問題，我們從以下三方面進行了實驗教學研究與改革。

1.調整實驗教學內容，培養學生的CDIO工程能力。針對實驗教學與工程實際相脫節的問題，除了增加自動化專業工程實訓內容外，還在專業課實驗內容中增加介紹實際應用系統的內容，如電機及運動控制實驗中增加了介紹數控機床電機控制系統的內容，教師對系統的組成、功能、工作原理給學生做詳盡地介紹，學生可以看到實際的控制板、電機，能自己動手操作，了解系統的軟硬件的構成，并就相關問題與教師直接交流。這一實驗結束后，學生反響熱烈，大大激發了學生深入學習的熱情。

此外，我們在網絡實驗平臺資源庫中還給學生提供了一些典型的運動控制系統的案例，如變頻空調控制系統、軋鋼過程中的張力控制系統等，從而分析系統工作原理及軟硬件的實現。學生在課下通過學習了解實際生產過程中電機是如何控制的、控制系統是什么樣子的，彌補了實驗設備與工程實際相脫節的問題，也開闊了學生的眼界。

2.實驗教學方法改革與創新。傳統的注入式教育方式，重知識灌輸、輕能力培養，學生難以積極主動地參與教學活動，不利于培養學生的自主學習能力和創新能力[6]，不能滿足CDIO工程教育模式的能力培養要求。所以我們要改變傳統的教學方式，進行教學改革實踐，將主動式教學理念、任務設定教學法教學等應用到實驗教學過程中。

任務設定教學法是在學生實驗前根據運動控制系統的運行情況設定問題[7]，在實驗前學生通過所學知識自己尋找解決方案，教師對學生的方案進行審核把關，確保實驗過程的安全性。在實驗過程中學生驗證解決方案的正確性，并要對實驗的現象和結果進行分析。這種方式改變了過去按照實驗指導書按部就班的情況，學生變為實驗的主導者，著重在學生分析和解決問題能力以及工程設計思想和知識綜合應用能力的培養上，符合CDIO教學模式工程能力的培養要求。

團隊協作能力是CDIO培養大綱中要求工程畢業生所具有的四個層面能力之一，是學生未來走向社會必須具備的能力。而分組教學法可以培養學生分工合作、交流協調、共同研討等團隊合作精神與能力。實訓平臺借鑒了企業員工的培訓方式，以項目組的形式開展項目研究，項目組包括負責人和組員，按照各自身份參與項目實施，輪換項目負責人和組員身份，保證每個學生都參與過負責人的角色，注重學生個人能力和團隊協作能力的培養。采用分組教學法，既培養了學生的團隊合作能力，也使得實驗考核更加規范客觀[8]。

三、加強教師自身的CDIO能力培養

現在很多教師是從學生到教師的轉變，缺少實際工程應用背景，教師本身工程基礎知識和能力的欠缺也會造成理論與工程實際的脫節，直接影響實踐教學的效果。所以，用CDIO的教學模式展開教學活動，要求教師必須有較強的工程知識和能力[9]。針對教師理論與實踐脫節的問題，學院組織教師參加一些應用技術的短期培訓班，學習一些先進的工程應用技術;和學生一起去企業參加生產實習，去生產一線進行工程實踐;同時，通過實踐經驗豐富的老教師的指導及通過其他途徑進修，以勝任CDIO人才培養模式下的實驗教學工作，提高實驗教學的水平。

四、結語

基于CDIO模式的自動化專業實驗教學改革與實踐，解決了原有實驗教學模式中存在的實驗內容與工程實際脫節、沒有充分重視學生的知識綜合應用能力和創新意識的培養以及實驗教學方法、手段單一的問題，注重了CDIO工程教育模式所要求的工程基礎知識、自主學習能力、團隊協作能力及工程系統能力四個層面的能力培養，為培養高素質的自動化專業工程應用型人才打下了良好的基礎[10]。

參考文獻：

[1]Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，etc.Rethinking Engineering Education：The CDIO Approach[M].Berlin：Springer，2007.

[2]陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創新的啟示[J].中國高教研究，2006，（11）：81-83.

[3]康全禮，陸小華，熊光晶.CDIO大綱與工程創新型人才培養[J].高等教育研究學報，2008，31（4）：15-18.

[4]顧佩華，沈民奮，李丹平.從CDIO到EIP-CDIO.汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）：12-20.

[5]董冀媛，李曉理，董潔，等.CDIO模式下電力電子技術課程教學改革的思考[J].實驗室研究與探索，2008，27（8）：239-242.

[6]張雪，李瑋，李慧.我國高等工程教育人才培養[J].河北聯合大學學報（社會科學版），2013，13（1）：89-92.

[7]董冀媛，孫昌國，王尚君.用于電梯控制模型設計的可編程控制器的教與學[J].中國電力教育，2011，（35）：97-98.

[8]李保銀.運動控制系統實驗單獨設課考核辦法的研究[J].科技資訊SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION，2011，（5）：78.

[9]崔瑞雪，陳剛，畢亞軍.基于CDIO的《電子技術課程設計》教學模式研究與實踐[J].北華航天工業學院學報，2012，22（6）：51-53.

[10]孔繁鎳，李燕，馬伏花.自動化專業CDIO培養模式研究[J].課程教育研究，2014，（2）：232.