基于CDIO模式的光電子技術(shù)原理課程教學(xué)改革與探索

余石金 韋鶯

摘 要 針對當(dāng)前光電子技術(shù)原理課程教學(xué)存在的授課方式單一、內(nèi)容枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，基于CDIO工程教育理念，從“構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行”四個階段，通過課程體系模塊化、課題項目化、教育環(huán)境工程化、評價體系多樣化等方式，對該課程進(jìn)行教學(xué)改革，有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、學(xué)習(xí)能力與綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞 CDIO；光電子技術(shù)原理；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）23-0098-04

Abstract There were some problems in the curriculum Principles of Optoelectronic Technology， such as simple teaching methods， boring contents and low motivation to learn. This article is based on the con-cept of CDIO Engineering Education， from Conceive-Design-Imple-ment-Operate four stages， through modularization of the curriculum system， project-oriented the tasks， engineered the education environ-ment， diversified the evaluation system， the course was reformed. The students enthusiasm for learning， learning ability and overall quality has been improved effectively.

Key words CDIO； principles of optoelectronic technology； teaching reform； experimental teaching

1 引言

光電子技術(shù)原理是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士研究生的核心課程。該課程圍繞光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展涉及的各種光電子元器件的特性進(jìn)行學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握光電子技術(shù)領(lǐng)域的理論和應(yīng)用技術(shù)，為今后的科研與工作打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。為提高教學(xué)質(zhì)量，經(jīng)過一系列教學(xué)研究，將課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，通過驗(yàn)證性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)來鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，取得一定的效果。但學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的主觀能動性不足，往往對光電器件特性的物理本質(zhì)理解不透徹，更談不上自主構(gòu)建光電子技術(shù)原理課程的知識結(jié)構(gòu)體系，嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)效果，以及運(yùn)用該課程知識的能力。

CDIO教育模式是近年來由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)研究出的最新的國際工程教育改革成果[1]。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個英文單詞的縮寫，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、知識點(diǎn)之間進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，同時要求學(xué)生在完成一個個具體的工程項目的過程中學(xué)習(xí)專業(yè)或課程的主要知識，其核心是從“做中學(xué)”的教學(xué)理念和“以項目為導(dǎo)向”的教學(xué)方法。CDIO模式很好地繼承與發(fā)展了歐美等發(fā)達(dá)國家多年的工程教育改革經(jīng)驗(yàn)，清晰地提出能力培養(yǎng)目標(biāo)、過程中的實(shí)施措施和結(jié)果檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

隨著我國工程教育專業(yè)認(rèn)證的實(shí)施，結(jié)合汕頭大學(xué)、浙江大學(xué)等高校的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)眾多高校已經(jīng)認(rèn)識到CDIO教育模式的科學(xué)性與可行性，并使其成為教學(xué)改革的研究熱點(diǎn)[3-4]。本文將基于CDIO教育理念，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，以項目專題討論為手段，以探索式教學(xué)為方法，將學(xué)生的課程學(xué)習(xí)滲透到工程項目的開發(fā)中，讓學(xué)生在工程環(huán)境中通過不同的項目來學(xué)習(xí)光電子器件的制造水平、產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用技巧等，實(shí)現(xiàn)探索式教學(xué)與“做中學(xué)”的全面融合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)他們綜合應(yīng)用知識的能力、創(chuàng)新能力、工程意識、工程能力和團(tuán)隊溝通協(xié)作能力。

2 基于CDIO模式的課程知識體系構(gòu)建

光電子技術(shù)原理課程主要包括六個模塊：光學(xué)基礎(chǔ)知識、激光器技術(shù)、LED技術(shù)、光輻射探測技術(shù)、光電顯示技術(shù)和光調(diào)制技術(shù)。在傳統(tǒng)的教學(xué)活動中，所有知識模塊是環(huán)形串聯(lián)的，很少有知識點(diǎn)的交叉并聯(lián)，學(xué)生往往只學(xué)到單個相對孤立的知識模塊，相關(guān)知識模塊之間缺少橫向比較與打通。如學(xué)習(xí)激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理，沒有厘清激光器的發(fā)光機(jī)理與LED發(fā)光機(jī)理的區(qū)別與聯(lián)系，就無法理解激光器和光調(diào)制技術(shù)與器件之間的銜接關(guān)系等，使教學(xué)效果大打折扣，也影響了對學(xué)生創(chuàng)新能力、工程意識與工程能力的培養(yǎng)。

基于CDIO教育理念，以光載波源——激光器的原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計、光波調(diào)制的原理與各種調(diào)制器件、光電輻射探測技術(shù)與探測器件、液晶等離子光電顯示技術(shù)、LED技術(shù)與應(yīng)用五個具體工程項目實(shí)施為載體，從構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作四個步驟來培養(yǎng)學(xué)生的工程意識與工程能力，編制光電子技術(shù)原理CDIO教學(xué)大綱。首先，教師根據(jù)教學(xué)大綱“構(gòu)思”光電輻射探測器的制備與應(yīng)用項目內(nèi)容；其次，學(xué)生通過查閱資料、多方咨詢等自學(xué)的方式來“擬定”器件的設(shè)計與制備方案；接著，師生在課堂上討論光電輻射探測器的“實(shí)現(xiàn)”過程（制作與應(yīng)用）；最后是總結(jié)學(xué)習(xí)，“運(yùn)作”知識點(diǎn)構(gòu)建合理的知識點(diǎn)體系。通過多階段、多角度的質(zhì)量評價，完成CDIO教學(xué)大綱的編寫和項目構(gòu)思標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建。具體的教學(xué)流程如圖1所示。

3 課程教學(xué)改革措施

教學(xué)項目的選題 如何構(gòu)思（Conceive）工程項目內(nèi)容（選題），是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵[2]。選題不僅要符合CDIO工程教育的理念，而且要符合教學(xué)目標(biāo)所要求的專業(yè)性、綜合性與可行性，還要具有一定的實(shí)用性與新穎性。首先，教師在構(gòu)思項目前，需進(jìn)行有針對性的行業(yè)調(diào)查，結(jié)合教學(xué)大綱的要求，構(gòu)思選用工程項目的標(biāo)準(zhǔn)，包括其涉及知識點(diǎn)數(shù)量、難易程度、是否符合當(dāng)前行業(yè)發(fā)展趨勢等。其次，教師選擇的項目應(yīng)帶有一定的普適性，讓學(xué)生有更強(qiáng)的直觀感受，體現(xiàn)光電子課程的適用性。然后，教師通過分析電子產(chǎn)品的工作原理與功能模塊，讓學(xué)生系統(tǒng)地審視各個模塊與知識點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。

如以激光筆（器）的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計為題，要求學(xué)生自行查閱資料，完成激光器的種類、激光筆的工作原理、激光筆的組成及各組成部分的功能和大功率工業(yè)切割用激光器結(jié)構(gòu)四個知識塊的學(xué)習(xí)，然后提出工業(yè)切割用激光器的設(shè)計方案。該學(xué)習(xí)與設(shè)計過程基本涵蓋了激光器模塊所有的知識點(diǎn)，學(xué)生在完成設(shè)計方案的過程中必須自行理解和消化相應(yīng)的理論知識，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用前的知識轉(zhuǎn)化，以完成“擬定”（Design）環(huán)節(jié)的需求。

此外，如何確定學(xué)生的分組以及小組成員的數(shù)量是另一個關(guān)鍵因素。分組既要確保學(xué)生有足夠的工作量，又要求他們能夠按時完成任務(wù)。分組時還要考慮學(xué)生的知識背景、專業(yè)能力和性格愛好等具體情況，取長補(bǔ)短，提高學(xué)習(xí)效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。

團(tuán)隊協(xié)作式的課堂教學(xué)組織 光電子技術(shù)原理課程通常采用小班授課，課堂組織形式為小組團(tuán)隊協(xié)作的模式，基本過程可簡單歸納為前期準(zhǔn)備階段、分工協(xié)作階段、產(chǎn)品虛擬階段、總結(jié)評價階段，各階段的主要內(nèi)容如表1所示。

1）前期準(zhǔn)備階段。要完成好課程學(xué)習(xí)，師生要對課堂教學(xué)內(nèi)容有充分的前期準(zhǔn)備。教師首先構(gòu)思好項目選題，提出相應(yīng)的問題清單，并對其中部分難點(diǎn)問題進(jìn)行課堂講授。學(xué)生對教師給出的題目需要事先查閱相關(guān)資料，掌握其背景知識，確定需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和方向。

2）分工協(xié)作階段。這一階段的主體是學(xué)生，分為若干個小組，組內(nèi)成員進(jìn)行分工協(xié)作，共同完成項目的內(nèi)容。教師監(jiān)管各小組的學(xué)習(xí)情況，給予適當(dāng)?shù)膯l(fā)與引導(dǎo)，不斷激發(fā)學(xué)生解決問題的熱情和潛力，讓學(xué)生保持積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，形成一種師生互動、組內(nèi)互動、組間互動的良好局面。

3）產(chǎn)品虛擬階段。因時間與設(shè)備條件的限制，所有設(shè)計并不能真正投入制作過程，產(chǎn)品設(shè)計虛擬實(shí)驗(yàn)就應(yīng)用于檢驗(yàn)設(shè)計質(zhì)量。學(xué)生提供預(yù)測結(jié)果，并與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。教師根據(jù)其結(jié)果分析設(shè)計中所存在的問題，并與學(xué)生探析產(chǎn)生問題的根源。

4）總結(jié)評價階段。當(dāng)一個團(tuán)隊協(xié)作式教學(xué)活動結(jié)束后，師生必須認(rèn)真進(jìn)行教學(xué)的總結(jié)評價，評價內(nèi)容與評價方法應(yīng)該體現(xiàn)多元化。學(xué)生總結(jié)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)與應(yīng)用，同時完成所有知識體系的構(gòu)建。

構(gòu)建工程教育環(huán)境 構(gòu)建工程教育環(huán)境是讓學(xué)生深切體會產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境與使用環(huán)境，是整個課程計劃得以順利實(shí)施的硬件條件。這里的工程教育環(huán)境是以構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施以及應(yīng)用為主線構(gòu)建的一個完整的教育環(huán)境，為前期準(zhǔn)備階段、分工協(xié)作階段、產(chǎn)品虛擬階段和總結(jié)階段四個不同階段提供不同的空間環(huán)境來支持學(xué)生學(xué)習(xí)。

建立課外創(chuàng)新團(tuán)隊 課程學(xué)時有限，無法讓每個學(xué)生均能將所設(shè)計的產(chǎn)品制備出來，更談不上進(jìn)行相應(yīng)的性能升級。因此，對于那些學(xué)有余力的學(xué)生可以通過建立課外創(chuàng)新團(tuán)隊的方式，由教師結(jié)合自己的研究方向安排一些小而精的子課題，由學(xué)生獨(dú)立完成，教師在整個過程中給予一定的技術(shù)指導(dǎo)。學(xué)校也會為創(chuàng)新團(tuán)隊提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)場地并給予相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)支持。

建立科學(xué)的教學(xué)評價體系 教學(xué)評價體系的建立是確保教學(xué)有效運(yùn)行和教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升的重要措施[4]。從課程教學(xué)的參與雙方（教師、學(xué)生）以及第三方（教學(xué)管理者、兄弟院校、家長群體、用人單位）多角度來建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價體系，如圖2所示。

1）課程考核方法改革。基于CDIO的課程教學(xué)過程，教師對學(xué)生參與課程情況、討論會回答問題情況以及課程報告的質(zhì)量等多個方面進(jìn)行綜合打分。具體的考核指標(biāo)如下：

①平時成績（20%），包括自學(xué)能力、出勤、設(shè)計能力、分析復(fù)雜問題時綜合運(yùn)用知識的能力、完成任務(wù)情況等；

②課程報告質(zhì)量（30%），包括報告內(nèi)容完整程度與格式準(zhǔn)確性、圖表質(zhì)量與數(shù)據(jù)處理水平、對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與偏差的分析等；

③討論會成績（40%），包括過程中小組討論與最后的班級討論，主要考查學(xué)生靈活運(yùn)用知識回復(fù)問題以及團(tuán)隊合作能力；

④創(chuàng)新能力評價（10%），評價學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中創(chuàng)新性地使用新方法、新工藝、新分析的情況。

課程考核方法改革，將學(xué)生的自學(xué)能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和溝通能力納入考核指標(biāo)中，使課程的評定更加科學(xué)、合理，也更準(zhǔn)確地反映了教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況。

2）教學(xué)效果評價。教學(xué)效果評價采用訪談法（電話、網(wǎng)絡(luò)、面談）與問卷調(diào)查法進(jìn)行，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的合理性、學(xué)習(xí)方式的科學(xué)性和學(xué)習(xí)效果三個方面的評價，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

3）第三方評價，包括學(xué)校教務(wù)處督導(dǎo)聽課后的教學(xué)效果評價、用人單位對學(xué)生實(shí)踐能力的評價以及其他群體（兄弟院校、學(xué)生家長和行業(yè)企業(yè)等）對課程教學(xué)質(zhì)量的社會評價。

4 結(jié)語

通過對光電子技術(shù)原理課程的教學(xué)改革，改變了原來滿堂灌的教學(xué)方式，以項目開發(fā)為導(dǎo)向，將學(xué)習(xí)內(nèi)容融合在“構(gòu)思項目—設(shè)計方案—產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)—總結(jié)評價”的過程中，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生從聽教師講課的被動式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)下的小組協(xié)同完成項目過程中的主動探索式學(xué)習(xí)。基于CDIO模式的教學(xué)改革，學(xué)生更好地掌握了課程內(nèi)容，并結(jié)合項目應(yīng)用成功地構(gòu)建課程的知識點(diǎn)體系。通過整個從“做中學(xué)”的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生查閱資料、提出方案、論證應(yīng)用，每一步進(jìn)展都能激發(fā)出學(xué)生極大的成就感，提升分析問題、探究問題、解決問題的能力。

此外，整個課程學(xué)習(xí)根據(jù)行業(yè)的實(shí)際需求來展開，整個學(xué)習(xí)過程需要完成模擬實(shí)際光電子產(chǎn)品工程的過程。學(xué)生在解決問題的同時，還要將成本、工藝、市場等工程因素納入學(xué)習(xí)范疇，更好地實(shí)現(xiàn)在學(xué)校環(huán)境下培養(yǎng)實(shí)際工程意識與工程能力。另外，在一個個項目的學(xué)習(xí)與實(shí)現(xiàn)過程中，培養(yǎng)了學(xué)生項目開發(fā)、設(shè)計、創(chuàng)新的能力，以及團(tuán)隊精神、領(lǐng)導(dǎo)能力、溝通能力。實(shí)踐表明，基于CDIO工程教育理念對光電子技術(shù)原理課程改革，學(xué)生的工程意識、工程能力、專業(yè)實(shí)踐能力得到提升，交流合作、團(tuán)隊協(xié)作和自主學(xué)習(xí)能力也得到一定的提高，是培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、實(shí)踐技能強(qiáng)、滿足企業(yè)需要的應(yīng)用型創(chuàng)新人才的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]Crawley E F， Malmqvist， J， Ostlund S， et al. The CDIO Approach[M].New York： Springer，2007：36.

[2]Bankel J， Berggren K F， Blom K， et al. The CDIO Syllabus： A comparative study of expected student pro-ficiency[J].European Journal of Engineering Educa-tion，2003（3）：28.

[3]顧佩華，胡文龍，陸小華，等.從CDIO在中國到中國的CDIO：發(fā)展路徑、產(chǎn)生的影響及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

[4]顧學(xué)雍.聯(lián)結(jié)理論與實(shí)踐的CDIO：清華大學(xué)創(chuàng)新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009（1）：11-23.