基于CDIO-PBL的“電工電子學”課程混合式教學研究

曾 琦，雷 勇，沈曉東

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

一、背景介紹

2018年，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》指出：“利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式”［1］?；诮逃畔⒒尘埃哉n程為基礎，將線上的網絡教學與線下的課堂授課有機結合，構建混合教學模式成為當前教學改革的重點［2-3］。教育信息化下，“電工電子學”課程已于2017年率先進行了混合式教學改革，且于2017—2019年進行了混合教學模式的初步嘗試，并取得了良好的效果。通過課堂講授和線上學習相結合的方式進行了SPOC教學改革，促進了電子化學習環境下的自主學習與課堂學習環境下的合作學習相互結合和互補，一定程度上調動了學生學習的參與意識，提高了教學效果，初步積累了混合式教學經驗，探索了其實施方法。在已取得的成績的基礎上，需要根據教學對象的特點進一步深化教改過程，升華教改成果。面向非電專業授課的“電工電子學”課程，教學對象除了對電工理論有要求外，對電工理論在實際中的應用有更多需求和側重，因此在教學中需更加注重理論與實際的結合及“電工電子學”課程的工程應用性。因此，本課程引入國際工程教育專業改革的成果——CDIO工程教育理念，采用PBL教學方式，將兩者相結合，實施以知識體系化構建為基礎、以理論與實踐結合為目標的課程教學改革實踐，以期達到更好的學習效果。

二、基于CDIO-PBL的混合式教學

當今，教育信息化的意義和作用進一步得到肯定，教育信息化加速發展，信息化將不再僅僅是課程建設的應用手段，而是轉向課程內容與信息化應用手段相融合、線上教學與課程實踐相融合的全方位融合創新階段［4-7］。此外，隨著對創新型人才和復合型高級工程技術人才的需求大幅度增長，2016年教育部提出了新工科建設，培養學生解決復雜工程問題和創新能力是工科高等院校面臨的首要問題［8］。為了改變工科高等院校的教育觀念和教學模式，教育部開展了中國工程教育專業認證、CDIO特色專業建設、新工科建設、卓越工程師培養計劃等多項工程教育改革項目，重點在引導工科高等院校培養學生的知識綜合運用能力、自主研究思維能力、動手操作能力和創新思維能力。CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育專業改革的成果，是將構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）融為一體的新型工程教育模式［9-10］。這種教育模式以案例開展課堂教學，在教學過程的實施中培養學生的自學能力、分析和解決問題的能力及創新能力。問題驅動教學（Problem-based Learning，PBL）是一種以學生為中心、以實際工程問題為學習起點、以問題的解決為核心來規劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種教學方法［11］。本課程將CDIO工程教育理念采用PBL方式具體實施，兩者相結合，研究基于CDIO-PBL理念的“探究式—小班化”教學模式，依托多樣化的信息技術和手段，加強學生對知識的檢索、查閱、自學和綜合運用能力，該教學模式有助于培養學生的工程意識和創新意識，有助于提高學生的動手能力和解決問題的能力，提高新工科下學生的綜合能力。

三、教學改革具體實施

教育信息化下基于CDIO-PBL理念“電工電子學”課程“探究式—小班化”混合式教學，采用多信息工具（電腦、手機、平板等）、多信息平臺（慕課、學習通、騰訊會議、騰訊課堂）、多渠道和信息手段（QQ、微信等），打通預習、學習、復習、答疑各環節，充分促進課堂面授和線上課程、線上交流軟件的融合，實現信息化教學模式，具體實施方案如下。

（一）反向設計，采用閉環教育模式制定教學目標

在課程教改過程中，基于教學對象及行業對畢業技能與素質的要求，從知識、能力、素質三個層面確立課程的教學目標。按照反向設計原則，采用倒推式的閉環教育模式設置課程，教學目標以知識為基礎、以能力為中心、以素質為目標，兼顧三者統一及實用性，分階段對成果進行評價。該模式以學生為中心，重理論、強實踐、求創新，充分體現“知識、能力、素質”三維度的統一，探索創立學生參與、能力主導，致力于培養高素質應用型人才。

（二）構建探究式、漸進式教學過程

構建漸進式教學過程包括三個層面。

1.課堂教學模式改革：基于CDIO-PBL理念，進行“探究式—小班化”教學。

2.實驗教學方法改革：進行線上和線下結合、驗證型和設計型實驗結合、仿真和實驗結合的“三結合”實驗教學。

3.線下學習方式改革：結合課程設計、第二課堂等，探索建立課外自主學習和創新體系。

（三）基于CDIO-PBL模式的課程教學實施

新工科教育強調培養學生的工程實踐能力和創新精神，而能力的培養不是一蹴而就的，為此，將課程分解為“知識傳授—能力培養—創新鍛煉”的三個階段，重新組織教學過程。

1.知識傳授階段。這一階段通過混合式教學完成，分為線上和線下教學，均采用PBL模式。線上教學通過在學生線上學習前設置問題來引導學習。線下教學在每個知識單元開始前，首先提出一個設計任務，以激發學生的學習興趣，引導學生在教學中主動思考哪些知識點可用于完成設計，同時根據不同專業設置不同的切入點，通過“探究式—小班化”教學實施討論。

2.能力培養階段。這一階段主要在實驗課程中完成?；谡n堂教學中獲得的知識，學生在實驗室完成驗證及設計性實驗，鍛煉動手能力。

基于CDIO-PBL思想，采用“任務驅動、情境創設、漸進培養”的教學模式，將教學過程分為五個階段：（1）案例導入，展示學習目標；（2）案例為載體，在實踐中學習知識；（3）小組合作，完成實驗；（4）展示作品，分享經驗；（5）反饋評價，梳理知識體系。在課前準備階段，提出實驗或設計要求，讓學生產生主動學習的興趣；在課堂教學過程中，通過實物展示的方式，圍繞目標的實現講解知識點，讓知識變得有趣、具體；在課后，改變傳統的單一通過做題來鞏固知識的方式，引導學生自主動手，完成實驗的設計與實現。

3.創新鍛煉階段。這一階段主要在課程設計、第二課堂中完成，可采用兩種方式：（1）對上一階段中實驗室完成的實驗或作品給予改進或拓展；（2）給出一些具有一定難度的挑戰性設計課題，將學生分成若干小組，采用組內合作、組間競爭的方法完成并進行展示。

整個教學過程采用正向實施，包括計劃（P）、實施（D）、評價（C）和改進（A）四個環節，亦稱PDCA教學。根據內容實施教學計劃，通過機制約束實施過程。教師根據學生的學情和學習效果，分析整理歸納，反饋并改進教學方式方法。由此，通過在CDIO-PBL理念下實施教學，實現知識、能力、素質的培養，達到既定目標。

（四）設計多元化成績評價體系

建立基于過程跟蹤和多元指標的成績評價體系，根據課程進度的不同階段，采用“精確評價”和“模糊評價”、“過程評價”和“結果評價”、“學習態度評價”和“學習成果評價”相結合的手段，有針對性地設計考核內容。具體考核方式如下。

1.出勤、作業和課堂表現評價：在課堂教學階段，基于學生的表現給出分數。如果學生積極參加課程設計等，還可以獲得額外的加分。

2.項目完成情況評價：在實驗和課程設計階段，采用“組間互評、組內自評”的方式，首先由項目完成團隊展示完成作品，由其他團隊打出分數，該分數為團隊總分；再進行組內自評，團隊成員根據團隊分工和表現，互相給出團隊總分分配比例。這種評價方式側重動手能力和創新意識的評價，有意識地引導學生鍛煉能力、提高素質。

3.期末考試成績評價：引導學生主動歸納、總結課程知識，同時通過非標準答案題目的設置將考核重點從知識的記憶升華為分析問題、解決問題的能力。這是一種注重結果的評價方式。

四、教學效果與問題

在課程教學中，以實際問題引出教學內容，以探究式學習逐層深入學習理論知識，在教學中注重將理論知識的應用和實際應用對應，且分別結合開課學院，如化工學院、材料學院設置太陽能電源等與開課學院（專業）相關度高的教學實例，加強了學生對知識的檢索、查閱、自學和探究能力，培養和訓練了學生的工程意識和創新意識，提高了學生的綜合解決問題的能力，達到了較好的教學效果。但是，由于課程開設面廣，學生的層次和專業水平參差不齊，存在如下問題。

由于學習本課程的大多為大一、大二的學生，相對而言，其知識的遷移和應用能力有限，動手實踐能力偏弱，完成既定設計目標受限，需要教師更多的指導和引導，增加了教師的工作時間和工作量。

由于CDIO的工程理念覆蓋了從設計到實現的全過程，除與教師、學生能力因素有關外，還受制于實現條件、市場環境等多方面因素，要打通理論應用到具體實踐實現的環節需要各方面的努力。

結語

基于CDIO-PBL理念的“電工電子學”課程混合式教學改革，針對教學對象的具體需求，突出工程應用和專業融合，依托多樣化的信息技術和手段，采用先進的教育理念和方法重構并實施電工教學，充分培養了學生的工程意識和融合創新意識，提高了新工科下學生的綜合能力。