CDIO工程教育模式在大學物理設計性實驗中的應用

樊　娟,張國恒,李小勇,才讓措,馬瑾瑜

(西北民族大學 a.實驗中心; b.電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124)

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CDIO工程教育模式在大學物理設計性實驗中的應用

樊娟a,張國恒b,李小勇a,才讓措b,馬瑾瑜a

(西北民族大學 a.實驗中心; b.電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124)

摘要：從CDIO工程教育理論出發，以構思、設計、實施和運行產品的生命周期為過程，以CDIO大綱和12條標準為總指導，將CDIO教育理論與大學物理綜合設計性實驗“電表的改裝與校準”相結合. 實踐結果表明：CDIO教育模式激發了學生的學習興趣，培養了學生主動學習、獲取知識的習慣，提高了學生解決問題的能力、團隊合作的能力以及創新知識的能力.

關鍵詞：工程教育模式；設計性實驗；電表;改裝；校準

資助項目：西北民族大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(No.31920150023) ；國家民委高等教育教學改革研究項目專項資金資助(No.15024)

CDIO(Conceive, design, implement, operate)工程教育模式自問世以來，備受世界各國的青睞，工程教育改革已成為世界各國共同關注的課題. 工程教育的目的是培養大學生成為一名成功的工程師習，包括專業知識、社會意識和創新精神[1]，工程教育是現行高等工科教育和創新型工程人才培養的有效途徑[2]. 自2000年開始，經過4年的探索研究后CDIO工程教育模式創立，并相繼成立了CDIO國際合作組織. 初期時合作組織已擴展到包括瑞典、丹麥、南非等國家20多所大學[1]. 自2004年以來，國際CDIO工程教育組織已發展到世界五大洲超過25個國家近百所院校成員. 2006年，CDIO工程教育模式在中國迅速傳播，教育部高教司成立了試點工作組，最初有18個學校成員，到2010年已擴大至39個成員. 2011年12月在南京工程學院舉辦的試點工作組會議參加代表超過了300人。從2012年起試點工作組采用年會的形式組織年終會議[3].

1CDIO工程教育的基本理論

CDIO以產品、過程和系統的構思、設計、實施、運行全生命周期為背景環境，以CDIO教學大綱和12條標準為指導，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習并獲取工程能力，包括個人的科學技術知識、終身學習能力、交流和團隊合作能力，以及在社會及企業環境下建造產品和系統的能力等[4]. CDIO教育模式提出了1組實現工程教育的“學習目標”；1個“愿景”和保證這個愿景能夠實現的教育方法基礎.

“學習目標”從知識、技能、態度及價值觀綜合考慮，教育學生深入地掌握技術基礎知識，領導新產品、建造與運行過程和系統，讓學生理解研究和技術發展對社會的重要性和戰略影響. “愿景”回答在CDIO模式下學生“學什么”、“怎樣學”，教師“教什么”、“怎樣教”. 實現這一愿景需要CDIO教學大綱的指導和具有可操作性的12條標準的檢驗. 教學大綱回答了“當工科學生畢業時，他們學到的全部知識、能力和態度應該有哪些？掌握的水平如何？” 12條標準作為評判和改進CDIO的依據，回答了“我們如何能更好地保證學生學習到這些知識和能力”. 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4個層面，大綱要求通過綜合的培養方式讓學生在這4個層面達到預定目標[5]. CDIO的12條標準用于評估檢驗工程教育的實施，描述滿足CDIO要求的專業培養. 12項標準中有7項是關鍵的和基本的，體現了CDIO方法論區別于其他教育改革計劃的特點；5項補充標準極大地加強了CDIO方法論并反映了工程教育中的有效實踐[6]. 愿景的實現即CDIO教育計劃的實現過程，主要實現以項目為指導，強調做中學，對課程計劃的設置、實施，教與學的成效，師資隊伍能力的提高，學習環境、實驗室環境等標準的執行情況，培養的學生能夠勝任產品的構思、設計、實施和運行，具備工程創新、工程產品的制造能力，具有專門的技術基礎知識、社會意識和創新精神.

2CDIO工程教育模式與大學物理實驗的具體結合

傳統上，大學物理課程根據大綱規定設有理論部分和實驗部分，根據專業不同，理論與實驗部分的學時比例不同，整個教學過程重理論輕實踐，實驗教學方法呈現單一化、程式化、規?；痆7]. 大學物理實驗大部分是驗證性實驗，學生上課時僅忙于驗證結論，缺乏思考；實驗內容與現實生活偏離太遠，學生的學習積極性不高，自覺性、主觀能動性得不到發揮. 為了緩解這種局面，提高學生的學習積極性，將CDIO工程理論與大學物理實驗相結合，實驗過程模擬CDIO工程教育模式中產品的構思、設計、實施及運行的4個生命周期，以項目為指導，強調做中學，注重培養學生的綜合能力.

以綜合設計性實驗“電表的改裝與校準”為例，整個實驗過程貫穿產品的構思、設計、實施和運行4個生命周期. 首先由參與教學改革的教師為學生講解CDIO教育理論，對實驗項目做簡單表述，對學生進行分組，5~8人1組，確定實驗時間；然后各組學生自主分配任務，按照構思、設計、實施、運行展開實驗. 具體實施過程如下.

2.1　構思階段

“電表的改裝與校準”實驗的總體構思階段，學生的主要任務是根據已經掌握的理論基礎知識，銜接實驗項目的內容，找到自身“最近發展區”，考慮并且分析實驗中的種種關鍵因素. 如要知道實驗室可以提供哪些電表，明確其量程、讀數及用途等. 如何擴大電流表量程，如何將電流表改裝成電壓表，以及如何將改裝表進行校準[8]等內容 . 根據觀察與訪談得知，學生在拿到題目后主動進行網絡搜索，通過網上文字資源、視頻資料等獲取知識；或通過實驗指導書掌握該項目的實驗原理及實驗過程等；或去圖書館查閱圖書資料、參考文獻，進行知識的完善與補充. 通過各種渠道了解該實驗項目的理論基礎，然后每個小組學生將搜集掌握的知識匯總整理，共同分享，討論交流. 通過知識的建構、思考，提出實驗設計思路及方案.

2.2　設計階段

學生根據實驗室環境，依托實驗室已有硬件條件，已經掌握的理論基礎知識，確定該實驗應采用哪種設備或者哪種方法進行實驗規律的驗證與探索；采用哪種方法實現微安表擴程電流表、電壓表或者歐姆表；哪種方法設計的結果誤差較小等. 我校物理實驗室有改裝電表集成箱，也有分散的電表及電阻箱、滑動變阻器、導線等，學生可根據自己的設計方案選擇實驗用具，展開對實驗結果的驗證. 在實際的實驗過程中，發現每組學生有選擇集成箱的，有選擇一步一步接分散電表的，也有2種用具都選擇的，他們根據方法的不同驗證結果，取得最佳實驗效果. 每個團隊因分工不同，一般設計1~2個方案進行驗證.

2.3　實施階段

實施階段即實驗設計方案的實現階段，學生小組根據自身設計方案選擇好實驗設備，實現硬件設備的線路搭建以及電表的改裝與校準. 根據教師觀察，小組團隊有采用替代法測算表頭內阻實現微安表改裝的(如圖1所示)，有采用中值法實現的，改裝電路原理圖如圖2所示. 將電表進行先改裝后校準，實現理論與實踐的具體結合. 依次分別將微安表改裝成電流表、電壓表及歐姆表，整個實驗過程中學生團體之間積極配合完成任務，遇到棘手問題時首先找出問題產生的原因，做出分析并討論，重新構思設計等. 這種模式培養了學生交流合作和解決問題的能力.

圖1　替代法測表頭內阻電路圖

圖2　改裝電流表原理圖

2.4　運作階段

這一階段即學生對上述設計階段搭建的硬件設備進行測試讀數，使指針偏轉由最大到最小、再由最小到最大，將標準表與改裝表進行比較，對改裝表進行校準，驗證實驗結果與理論結果的偏差，進行實驗數據處理，分析并且找出產生誤差的原因. 若實驗結果誤差比較大，小組學生會重新認識問題、重新思考，找出問題出處并分析原因，一直到解決問題. 實驗完成以后小組代表演示講解他們的設計，由教師及其他組學生給出評價. 這種方式有利于學生之間完善補充理論知識，還有利于提高學生的語言表達能力. 另外，通過各小組學生對“電表的改裝與校準”實驗的親身體驗，教師對其進行激勵，學生還可將這一理論知識進行拓展，找出生活中的實例，對其理論進行更進一步的了解，有利于知識的鞏固.

整個實驗過程按照構思、設計、實現、運作的步驟，以項目為指導，學生為主體，教師輔助，改變了以往的“填鴨式”教學，學生由被動轉變為主動，遇到問題積極尋找解決辦法，不再以坐等的姿態對待大學物理實驗，不再只聽教師講解，而是積極思考，勇于質疑與創新. 可見，CDIO工程教育理論能夠改變大學物理實驗的教學模式，能夠幫助學生提高綜合素質與能力.

3CDIO模式下大學物理實驗取得的學習效果

工程教育的目的是培養學生成為合格的工程師，使學生能在現代的、團隊的工程環境中理解如何構思、設計、實現和運行復雜的、高附加值的產品、過程和系統，成為成熟、有責任心的人，其必須熟練掌握專業技術知識，具備個人和人際交往的能力、團隊合作的能力、領導新產品的能力等. 將CDIO模式與大學物理實驗的具體結合是符合以上條件的. 實驗過程以分組的形式進行，分配不同的任務，讓學生主動建構知識，然后集中討論，共同匯總，在高度統一的基礎上制定實驗方案. 整個過程以團隊的形式，通過查閱文獻資料，學生主動構思，大膽創新，發現問題及時交流溝通解決問題，培養了學生自主學習的習慣和交流溝通的能力；通過小組演示與講解的方式提高了學生的語言表達能力；團隊合作學習也有利于學生創造性思維的啟發.

4大學物理實驗中采用CDIO模式對教師的要求

CDIO的標準9和標準10提出要提高教師的CDIO能力和CDIO教學能力，教師必須為人師表，以師德、師風感化學生. 在大學物理實驗教學中采用CDIO模式時，教師不再按部就班地將教材中的知識灌輸給學生，而是要巧妙地創設物理問題情境，將物理問題與生活實際相聯系，激活學生的已有經驗，使學生在已有經驗的基礎上主動建構知識框架；同時還要引導學生自主學習. 教師自身不僅專業基礎知識扎實，技術嫻熟，學識淵博，掌握學術前沿，語言表達能力強，能夠組織并管理領導學生，而且要為人正直、誠實可信[9]. 教師工程能力的達標和提高是實施CDIO成敗的關鍵. 因此，教師要主動積累自己的工程經驗，不斷提升自己的工程能力，不僅能在教學中為學生提供恰當的工程實例，更重要的是成為學生心目中當代工程師的榜樣.

5總結與展望

CDIO工程教育模式是一種通用的教育模式，其教學大綱明確了培養學生的學習目標以及學生的學習效果；12條標準完備地衡量教師、學生及專業培養取得的成效，及時反饋于參與者，進而持續改進和發展. 大學物理實驗教學模擬CDIO工程教育模式的4個生命周期為實驗過程，強調邊做邊學，注重理論與實踐相結合，以培養知識完備的工程師為目的，注重學生能力的提高. 經過訓練的學生具備良好的溝通能力、團隊合作能力、解決問題的能力和較好的創造性思維能力，也具備終身學習的能力；另外，工程教育模式縮短了大學生的實習期，畢業后的學生盡快勝任企業的工作，為企業節約了成本. 因此，CDIO工程教育模式是值得提倡與借鑒的教育方法.

參考文獻：

[1]Crawley E F. 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,2009：1-39.

[2]劉榮佩,史慶南,陳揚建,等. CDIO工程教育模式[J]. 中國冶金教育,2011(5):9-11,13.

[3]顧佩華,包能勝,康全禮,等. CDIO工程教育改革在中國的實施與發展[C]//2012年高等教育國際論壇論文集. 北京，2012:261-269.

[4]Crawley E, Malmqvist J, ?und S, et al. Rethinking engineering education [M]. Berlin: Springer, 2007.

[5]顧佩華. CDIO大綱與標準[M]. 汕頭:汕頭大學出版社,2008.

[6]查建中. 工程教育改革戰略“CDIO”與產學合作和國際化[J]. 中國大學教學,2008(5):16-19.

[7]邢繼春,張文會,張楠,等. CDIO工程教育理念下機械設計課程教學改革與策略[J]. 教育教學論壇,2014(10):105-107.

[8]王愛紅,陶苗苗. 淺談電表改裝與校準實驗要求及注意事項[J]. 廊坊師范學院學報(自然科學版),2015,15(2):51-52.

[9]查建中. 論“做中學”戰略下的CDIO模式[J]. 高等工程教育研究,2008(3):1-6,9.

[責任編輯：任德香]

Application of CDIO engineering education model in

university physics designing experiments

FAN Juana, ZHANG Guo-hengb, LI Xiao-yonga, CAI Rang-cuob, MA Jin-yua

(a. Experiment Center; b. College of Electrical Engineering,

Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730124， China)

Abstract:Start with the CDIO engineering education theory, take the “conceive, design, implementation and operation” cycle as the process and guided by the CDIO syllabus and 12 standards, the comprehensive designing physics experiment “modification and calibration of electric meter” was combined with the CDIO educational theory. The results showed that this teaching mode could stimulate the students’ learning interests, cultivate their habit of active learning and acquiring knowledge, improve their ability of problem solving, teamwork and innovation.

Key words:engineering education model; design experiment; elctricmeter; modification; calibration

通訊作者：張國恒(1970-)，男，甘肅天祝人，西北民族大學電氣工程學院教授，碩士，主要研究方向為物理教育和物理電子學.

作者簡介：樊娟(1983-)，女，甘肅渭源人，西北民族大學實驗中心實驗師，碩士，主要從事大學物理實驗教學.

收稿日期：2015-10-09；修改日期：2015-12-07

中圖分類號：G642.423

文獻標識碼：B

文章編號：1005-4642(2016)02-0029-04