基于CDIO的實踐類課程“一體兩翼”有效教學模式探索

虞效益 胡長興

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.025

摘? 要：為提高學生的課程參與度，加強工科學生工程實踐能力的鍛煉，為社會培養更多“適銷對路”的應用型本科人才，作者以有效教學理論為指導，設計構建基于CDIO工程教育理念的實踐類課程“一體兩翼”有效教學模式，并以太陽能光伏發電系統設計課程為例，進行一個學期的教學實踐應用。課程結束后，通過對全體同學的問卷調查表明，學生的工程基礎知識、個人綜合能力、工程系統能力和團隊合作能力四個層面均得到有效鍛煉，教學效果得到學生的廣泛認可。文章設計的教學模式在實踐課程的應用中取得良好效果。

關鍵詞：有效教學;CDIO;實踐課程;項目式教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）17-0100-04

Abstract： In order to improve students' participation in courses， strengthen the training of engineering students' practical engineering ability， and cultivate more "adaptable" applied undergraduate talents for the society， this paper， guided by effective teaching theory， designs and builds an effective teaching mode of "One Body and Two Wings" for practical courses based on CDIO engineering education concept.? This study takes "design of solar photovoltaic power generation system" as an example， and carries out a semester of teaching practice application. A semester of teaching practice is carried out based on the example of "design of solar photovoltaic power generation system". According to the results of the questionnaire survey to all students at the end of the course， the students' basic engineering knowledge， personal comprehensive ability， engineering system ability and teamwork ability are effectively trained， and the teaching effect is widely recognized by the students. This teaching mode has achieved good results in the implementation of the practical course.

Keywords： effective teaching; CDIO; practice courses; project-based teaching

在能源危機和環境危機的雙重形勢下，可再生能源產業得到了蓬勃的發展。浙大寧波理工學院能源與環境系統工程專業為適應能源行業的需要，培養全面的能源領域人才，借2017-2020本科專業培養方案修訂之機，增設了可再生能源相關理論課程，但一直缺乏配套的實踐類課程，制約了學生相關實踐應用能力的培養與提升。太陽能光伏產業是半導體技術與可再生能源需求相結合產生的新興產業，也是當前能源發展的重要領域。因此，擬在條件和經驗有限的條件下，先行先試，開設太陽能光伏發電系統設計相關實踐課程。

知識應用能力的培養，大部分都在實驗實踐類課程中進行，而傳統的實驗實踐教學或多或少存在如下不足：（1）“依葫蘆畫瓢”“照方抓藥”等驗證性內容比重大，學生未能充分參與到設計環節，學生主動尋找解決方案的過程被忽視，使得分析問題、解決問題的能力無從談起，更不要說創新精神的培養;（2）片面地截取工程實踐過程的部分片段，使得學生對整個工程創新實踐全過程缺少體會，學生能力培養存在片面性，無法與實際工程項目有效接軌;（3）偏重結果而輕視過程，過于成品化的實驗實踐設備使得設計的思想、方法的選擇和故障的分析改進等環節被淡化，致使學生在面對具體工程應用問題時出現無從下手的尷尬情況;（4）教學和考核方式單一，以教師為中心，學生在教師的指導下獨立完成，教師根據學生提交的書面報告進行考核，缺乏團隊合作能力和語言表達能力的培養。現代工程領域是“研發-設計-制造-運行-管理維護”等環節構成的工程鏈，需要的是創新能力、實踐能力、管理能力兼備的復合型人才。傳統的實驗實踐教學使學生獲得的能力范圍十分有限，使得學生欠缺工程意識、工程實踐能力等工程師最基本、最重要的專業素質，無法適應當今社會及行業發展的需要。因此，新開課程必須進行積極探索，不能走傳統實驗實踐課程的老路。

基于上述背景，筆者以太陽能光伏發電系統設計為例，在有效教學理論的指導下，設計了基于CDIO工程教育理念的“一體兩翼”有效教學模式，并進行了實踐應用和教學效果分析，以期在完善本專業人才培養方案的同時，也能為同類實踐課程的教學改革提供思路和借鑒。

一、相關概念釋義

（一）CDIO

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），是麻省理工學院等知名高校于2000年創立的一種“回歸工程實踐”的工程教育模式，具有實踐可操作性、全面系統性及普遍適用性的特點。該模式涵蓋產品或系統從構思研發到運行改良乃至終結、廢棄的生命周期全過程，強調綜合的創新能力，讓學生以主動的、實踐的方式學習工程。CDIO強調理論知識一體化，知識、能力和態度的一體化，以及專業技能和人文素養的一體化，代表了當前工程教育的發展趨勢和前沿進展。

二十年來，CDIO在中國高等工程教育界逐漸萌芽、扎根、開花和結果，促進了工程教育教學改革與研究的蓬勃發展：汕頭大學于2005年首先開始研究實施CDIO工程教育模式，取得了明顯的效果;此后，在教育部的積極推動下，國內先后有39所高校在機械類、電氣類、化工類、土木類專業試點CDIO工程教育模式;2016年1月，全國“CDIO工程教育聯盟”成立，標志著CDIO在中國的發展邁入新階段。長期以來，很多學校根據各自需要，開展基于CDIO的工程教育教學改革，均取得了積極的效果。到2021年，我國已有164所高校加入“CDIO工程教育聯盟”。

（二）有效教學

有效教學（Effective Teaching）理論起源于二十世紀上半葉西方開展的教學科學化運動。當前，學界尚未形成對于何謂有效教學統一的看法。綜觀國內外相關研究成果，研究者對有效教學的界定主要是沿用經濟學的效果、效益和效率的概念來解釋：有效果指的是學有所得、所獲，有效益指的是所學內容有價值、有用;有效率指的是學的過程和方法科學、簡潔、省時。有效教學的核心內容是以促進學生全面發展為目的而進行教學，學生在學習后有無進步或能力的提升是判斷教學有效性的唯一指標。

如何提升教學有效性，進而提高人才培養質量是當前教育改革的核心追求，許多教育工作者已經進行了積極的探索和實踐。但需要指出的是，教學是一項系統性的復雜活動，涵蓋教師、學生、教學目標、教學內容、教學方法和教學環境等多個要素，其有效性本身并沒有一個統一的標準。實踐中普遍認可的有效教學包括以下四個方面的基本特征：（1）應有明確的教學目標，明確的教學目標不僅可以指導教師開展有效教學，還是評價教師教學效果的可靠依據;（2）學生應主動參與教學過程，有效教學以學生獲得全面發展為目標，需要通過學生主動地參與教學過程而實現;（3）應強化課程設計和教學活動的組織管理，體現教師主導作用與學生主體地位的辯證統一;（4）教學氣氛和教學環境要和諧、平衡。

二、基于CDIO的“一體兩翼”有效教學模式設計

在有效教學理論的指導下，設計了基于CDIO的實踐類課程“一體兩翼”有效教學模式如圖1所示。“一體”指的是學生完成課程項目遵照CDIO的構思、設計、實現和運作四個階段有序推進，同時這也是整個教學過程的四個主要階段。“兩翼”指的是線下課堂和線上釘釘群。線下課堂一方面方便教師集中講授一些必要的專業知識以及集中解答學生遇到的共性問題，另一方面給教師與學生、學生與學生之間進行面對面充分地交流討論提供固定的場所和機會。釘釘是阿里巴巴集團傾力打造的免費溝通和協同的多端平臺，有許多專注于提升辦公與協同效率的功能，對于一門項目式課程的教學同樣非常適用。線上釘釘群可以方便地實現課程通知發布（實時顯示已讀未讀）、課程資料分享（長久保存）等基本功能，同時使課程學習的時間和空間得到拓展和延伸，師生之間、生生之間可以隨時、隨地、隨身地進行交流討論，大大提高效率。線下課堂和線上釘釘群有機結合、互為補充，推進整個教學過程按課程計劃有序進行。該教學模式的進一步闡釋如下。

（一）課程目標

增強學生的課程參與度，并從有形和無形兩個方面提升學生的獲得感：（1）課程結束時獲得一個完整的實物作品和一份規范的設計報告;（2）工科學生四大重要能力的提升：工程師必備的工程基礎知識;協調溝通、創新思維、語言表達、文字寫作等個人綜合能力;項目組織、設計開發和項目實施的工程系統能力;團隊合作能力。

（二）課程任務

學生組隊設計制作一套小型可移動式太陽能光伏發電系統，驅動一個小功率負載，如燈泡、小風扇等，各小組可自由選擇，同時為裝置設想一個應用場景。光伏發電系統需具備光伏板角度可調節以及電能存儲的功能。課程任務為半開放式，除了滿足規定的基本要求外，鼓勵學生自由發揮，增加新功能（作為加分項）。

（三）教學過程

整個教學過程主要分成如下四個階段。

構思階段（C）：各小組查找資料了解太陽能光伏發電技術（要求提交參考文獻清單）。然后，根據所學知識對項目進行分析，考慮實現的工藝、策略和方法等，討論發展出初步的技術方案（要求提交小組線下討論的照片、線上討論截圖、設計草稿）。

設計階段（D）：各小組根據前期調研給出詳細的設計方案，包括系統圖、計算過程及結果、成本預算等，對方案進行可行性和可靠性論證（要求提交詳細的設計文稿）。此階段設置設計方案匯報答辯環節，通過后方可獲得經費進入下一階段。

實現階段（I）：各小組采購所需材料和零部件（通過淘寶采購，要求提交與賣家的聊天記錄截圖），將設計成品化并進行調試，直到滿足設計要求的指標（要求提交制作和調試過程的短視頻）。

運作階段（O）：各小組對項目進行總結，一是撰寫項目設計報告，包括背景知識、設計方案、結果與分析等內容;二是進行匯報答辯，展示設計成果，如以短視頻的形式演示完整的操作及實物作品運行情況。

（四）課程考核

課程考核注重過程性以及學生的參與，學生個人的最終成績由個人表現和小組表現綜合得到。小組表現包括小組平時成績（各階段要求提交的材料）、兩次匯報答辯得分和設計報告得分。個人表現包括考勤和小組內部成員之間的互評得分。設置組內成員互評的目的是為了充分考慮每個學生在整個過程中的貢獻度，從而調動學生參與項目的積極性。設計報告的成績由教師根據評分標準進行打分，見表1，兩次匯報答辯的成績則由教師和其他各個小組按照評分標準的打分綜合計算得到，見表2。

三、教學模式應用與有效性分析

2020-2021學年秋冬學期，本文設計的教學模式對浙大寧波理工學院能源與環境系統工程專業大四學生進行了實踐應用，共有58名學生參與，分成10個小組。整個教學周期共16周，每周四節課，每節課45分鐘，各周教學內容安排見表3。最后，所有小組都較為順利地完成了學習，經過構思，設計，實現和運作，制作出了符合要求的實物裝置，如圖2（a）所示;有的小組則迎難而上、刻苦鉆研，為裝置增加了自動追蹤光源位置變化的功能，如圖2（b）所示;還有的小組更是大膽設想、另辟蹊徑，將環保理念進行到底，利用廢舊材料設計制作了可折疊的文件夾式光伏包，如圖2（c）所示。

在課程結束之后，對全班同學就課程預期目標的達成情況開展了問卷調查。共發出問卷58份，回收有效問卷56份，有效率為96.6%。問卷調查結果顯示，86.1%的學生認為自己主動和全程參與了整個教學過程，師生之間、生生之間的討論交流充分而深入，課程參與度很高;91.7%的學生認為由學生自己去查閱資料，邊做邊學、邊學邊做，相比以教師為主來講授專業的工程基礎知識，對知識的理解和掌握更加深刻、效果更好;整個教學過程對學生能力的培養和鍛煉作用也得到了學生的認可，表4給出了學生對各項能力鍛煉程度的評分結果（平均值±標準差，各項滿分均為5分）;而課程的有形產出——設計報告和實物作品，也讓學生覺得非常有成就感和獲得感，分別得到了83.3%和91.7%的學生的肯定;對于課程的整體評價，94.4%的學生認可這種以學生為中心、以教師為主導的基于項目的教學模式。綜上可見，本文提出的基于CDIO的“一體兩翼”有效教學模式在實踐類課程的教學應用中得到了學生的廣泛認可。

四、結束語

為了提高學生的課程參與度和獲得感，培養符合社會需求的應用型本科人才，本文以有效教學理論為指導，設計構建了基于CDIO的“一體兩翼”有效教學模式，并以太陽能光伏發電系統設計項目為依托，進行了教學實踐應用，通過問卷調查對該模式應用后的教學效果有效性進行了分析。結果表明，在該教學模式下，工科學生的工程基礎知識、個人綜合能力、工程系統能力和團隊合作能力四個層面均得到了有效的鍛煉，教學效果得到學生的廣泛認可。該教學模式在實踐類課程的實施中初步取得了良好的效果，本研究的后續工作將進一步完善基于CDIO的“一體兩翼”有效教學模式，并推動該模式在更多同類課程教學中的應用。

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基金項目：寧波市教育科學規劃課題“基于CDIO理念的可再生能源實踐類課程設計與應用”（2020YGH026）

作者簡介：虞效益（1984-），男，漢族，浙江寧波人，博士，副教授，研究方向為能源動力。