基于CDIO模式的材料物理專業實踐教學體系構建

朱科　肖奎　謝忠祥　王海鑌　肖發新

[摘 要]在材料物理專業中引入CDIO理念進行實踐教學改革與探索，從項目實踐體系、實踐教學方式、實踐教學考核形式、實踐教學平臺等幾方面構建材料物理專業工程實踐教學體系，以培養學生CDIO工程實踐能力，提高學生的創新能力。

[關鍵詞]CDIO；材料物理；實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）06-0006-03

CDIO工程教育由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學于2000年發起并經過4年的探索研究而創立，作為一套先進的教育體系。其在國內外高校中產生了很大影響。[1][2]2005年，顧佩華教授首次將CDIO教學理念引入中國。[3]2011年，中國共有57 所高校開展 CDIO 工程教育模式試點工作，并且取得較好的成果。[4]作為一所新建應用型本科院校，湖南工學院致力于培養“重基礎、重技術、重能力、高素質”的“三重一高”應用型人才。根據信息、新能源與光電行業的發展需求，我校2015年新申請設置了材料物理專業，并將其作為CDIO工程教育試點專業，計劃從培養方案的設計制定到具體實施，將CDIO工程教育思想貫穿始終，開展以項目為主線的CDIO培養模式研究與實踐設計，使學生在有限的教學時間里，既能掌握課程的基本內容，又具備一定的材料科學工程實踐能力與創新能力，將材料物理專業辦成高水準的專業?？紤]到實踐教學在專業教學中占據越來越重要的地位，是培養學生工程技術能力與素質的必要途徑，我們基于CDIO教育模式構建了材料物理專業實踐教學體系。

一、CDIO工程教育理念簡介

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate） ，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式進行工程學習實踐。[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4個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這4個層面達到預定目標，同時系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的12條標準。[6]其中標準1明確了工程實踐的工程背景環境；標準3要求構建一體化課程體系；標準5提出在一體化課程中至少要有兩個工程教育項目，一個初級，一個高級，通過兩個工程項目的綜合訓練，使學生在一體化教學過程中獲得工程知識和產品、過程與系統建造的能力；標準6提出要有滿足實踐要求的工程工作平臺；標準7指出通過前后關聯的項目教學使學生獲得一體化學習經驗；標準8要求調動學生的積極性，以學生為主體，在教師指導下開展主動學習；標準9與10要求提高教師的工程實踐能力與教學能力；標準11與標準12要求做好學生CDIO能力考核與項目評估。[7]這些思想對構建專業實踐教學體系具有很強的指導價值。

二、基于CDIO工程教育模式的材料物理專業實踐教學體系構建

結合材料科學與技術的發展，緊密圍繞材料物理專業應用型本科人才培養的目標，通過吸收CDIO工程教育思想與借鑒相關高校的CDIO實踐經驗，我們從項目實踐體系、實踐教學方式方法、實踐考核形式等方面合理構建材料物理專業應用本科實踐教學體系，為實現提升專業實踐教學質量，提高學生實踐操作能力與創新能力奠定基礎。

（一）多層次項目實踐體系的構建

通過與學校及企業專家共同研討，我們按照如圖1“基礎性→綜合性→創新性”的遞進路線來訓練學生從運用基本操作能力，按照某一擬定流程驗證某一理論或解決一個已知的問題，到引導學生自己設計技術路線與實踐方案來探索解決未知的新問題，從而提升學生的工程實踐能力。

具體操作層面，按照CDIO模式，我們構建了三級項目實踐教學體系，如圖2所示。1.工程基礎能力培養對應于三級項目的實施，該級項目是具體的課程項目，是二級項目的子項目。它目的是深化學生對該門課程教學內容的理解與應用，培養和鍛煉學生某一方面的知識與能力，如器件電路設計、功能材料制備工藝設計等。這主要是通過課程實驗，如電子電工實驗、材料合成與制備實驗等來實現。2.工程綜合能力的培養對應于二級項目的實施，該級項目是將一級項目訓練分解成幾個模塊化的子項目，同時這也是在三級項目課程訓練基礎上的綜合學習與訓練項目。它以材料物理專業課程群為基礎，培養學生綜合運用相關知識來解決問題的綜合能力，如功能材料制備與性能表征、光電器件結構與性能設計、光伏系統設計等。它主要通過一系列課程群的課程設計，如薄膜科學與技術、太陽能電池原理、光伏發電系統與實踐等來實現。3.工程創新能力的培養對應于一級項目的實施。該級項目是宏觀的項目課題，貫穿于整個大學階段，目的是讓學生在構思、設計、實現、運行等4個方面進行系統訓練。材料物理專業的一級項目有功能材料設計與制備、光電器件設計與制備、光伏系統設計與應用，其主要通過畢業設計、科技競賽、創新創業大賽、大學生科技立項項目等形式來實現。經過三層級項目實踐，學生將具備對一個功能器件產品或某個工藝進行系統構思、設計、實現與運行的能力，同時具有一定的職業能力與創新能力，能進入相關工程領域從事技術應用及研究開發工作。

（二）以學生為中心的實踐教學方式構建

CDIO工程教育模式以項目為載體，強調“做中學”和“學中做”，使學生以探究方式獲取知識和應用能力，從而培養學生的工程實踐能力與創新能力。據此，我們構建了以學生為中心的實踐教學方式，具體如圖3所示。1.首先由學生組合成項目團隊，配備相應的指導教師，由指導教師擬定項目能力指標與預期目標，規劃或引導學生通過查閱文獻自己規劃實踐項目。2.第二階段，項目指導教師組織、監控學生主動實踐，在此階段主要由學生通過查找資料討論、構思實踐方案（C），選配、搭建儀器設備（D），操作儀器、完成項目（I），總結、展示實踐結果（O），項目指導教師可以給予適當地指導，但主要過程要求學生通過團隊協作的方式完成。3.第三階段是項目指導教師運用全過程、多元化評價方式，對學生團隊實踐方案、個人實踐過程、團隊實踐結果及個性化報告給出評估，提出意見與建議。通過這樣三個階段一流程的項目教學實踐，最終實現CDIO能力培養目標。

（三）創新實踐教學考核形式

項目式實踐教學模式以項目為導向和載體，以任務為驅動，學生通過項目的實施來獲得必需的知識與技能，以提高創新能力。這決定了其考核模式不同于傳統實踐環節的考核方式。為此，我們采取全過程、多元化的考核模式，從學生團隊項目構思與方案設計到項目實踐過程，對學生的實踐態度、思維能力、操作技能與職業素質等給予監督、追蹤、多節點評估記錄。在項目實踐完成時，根據目標實現情況、實踐效果、產品展示與PPT報告進行項目評估、驗收，同時考查學生撰寫報告的能力，并作出成績評定。對于完成較好的項目，學生可獲得創新學分或免修相關課程。

三、基于CDIO工程教育模式的材料物理專業實踐平臺構建

實踐教學平臺是實踐教學的硬件。為保證高質量實踐教學的開展，有效培養學生工程實踐能力，學校需要與企業聯合，建立良好的協同機制，整合資源，一起建設多元化的實踐教學平臺。為此，我們從實驗平臺、校內工程實踐平臺和企業工程實踐平臺三方面構建材料物理專業實踐教學平臺，具體如圖4所示。

1.實驗平臺包括基礎實驗平臺與專業實驗平臺。基礎實驗平臺主要是大學物理實驗室、大學物理演示實驗室和電子電工實驗室，用于學生工程基礎實踐能力的培養，基礎實驗平臺目前已投入400萬元，基本建設完善。專業實驗平臺包含材料制備與合成實驗室、材料結構表征與性能測試實驗室，用于學生工程基礎能力、綜合能力與創新能力的培養。專業實驗平臺目前投入220萬，購置磁控濺射儀、X射線衍射儀、紫外可見分光光度計、橢偏儀等材料制備與結構性能測試儀器，實驗室正在建設。后期將擴大專業實驗平臺建設，增加多種先進材料制備與性能測試儀器，擴建材料性能處理實驗室。

2.校內工程實踐平臺包括工程訓練中心和創新工作室，主要用于學生工程綜合能力與創新能力的培養。其中工程訓練中心主要進行太陽能光伏發電技術系統實訓及半導體照明技術系統實訓。創新工作室由學?；蛐Ｆ蠛献鞴步ǎ蓪W校提供場地與部分資金，企業部分出資或提供部分材料設備，用于學生進行太陽能光伏、半導體照明及其他功能器件方面的創意設計與制作以及各類科技競賽。

3.企業工程實踐平臺包括企業實習基地與創新工作站。企業實習基地為學生工程實踐提供背景環境，使學生熟悉企業文化與實際生產流程，培養學生的職業素質，這是提高學生工程實踐能力的重要途徑。同時，在企業內部設立創新工作站，主要用于專業教師在企業掛職工作鍛煉以及與企業開展橫向科研合作，以提升教師的工程實踐技能。目前，我們與衡陽共創光伏集團、湖南小明新能源公司等光電企業簽訂合作協議或達成合作意向，共同建設實習基地與創新工作站。

四、總結

近年來，CDIO工程教育在國內多所高校試點、推行，取得了很大的成功。我們依據CDIO工程教育模式，借鑒國內高校CDIO工程教育的寶貴經驗，從項目實踐體系、實踐教學方式、實踐教學考核形式、實踐教學平臺等幾方面構建材料物理專業工程實踐教學體系，讓學生在CDIO工程教育模式下通過主動學習與實踐，掌握基本實驗技能與專業實踐技能，增強創新能力、團隊協作能力、溝通表達能力和綜合職業素養，達到CDIO能力大綱要求，為學生成長為高技術、高素質、創新型工程技術人才奠定基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 高雪梅，孫子文，紀志成.CDIO方法與我國高等教育改革[J].江蘇高教，2008（5）：69-71.

[2] 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育，2012（3）：24-40.

[3] 賀辛亥，劉江南，王俊勃.基于5 + X產學研合作CDIO模式培養創新型人才的探索[J].西安工程大學學報，2014（1）：111-115.

[4] 張力瑋.中國共57 所高校開展 CDIO 工程教育模式試點工作[J].世界教育信息，2011（6）：53.

[5] 李國鋒，劉煜，謝邵輝.CDIO教育模式下的實踐教學體系探析[J].長沙大學學報，2016（2）：140-148.

[6] 羅高涌，張瑾.基于CDIO模式的校企合作辦學的工程應用型人才培養模式研究[J].高教探索，2011（5）：71-75.

[7] 盧艷軍.項目式專業實踐教學模式改革初探[J].計算機教育，2016（1）：67-70.

[責任編輯：陳 明]