基于CDIO理念探索電子控制技術實驗教學新模式

摘" 要" 在通用技術電子控制技術實驗教學中引入CDIO理念，從理念、體系、平臺、課程、模式、評價等六方面入手進行教學模式創新，不僅提升了學生的學習積極性和團隊合作能力，而且在工程思維素養、動手實踐能力培養上也有積極作用。

關鍵詞" CDIO工程教育；通用技術；實驗教學；工程思維；電子控制技術；仿真實驗

中圖分類號：G632" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）21-0-04

0" 引言

《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：“應注重學生學習的思維豐富性、開放性和深刻性，關注學生學科思維尤其是技術與工程思維的形成與發展。應讓學生在設計、制作、評價等技術學習的過程中，經歷多次‘實踐’與‘認識’的循環。”[1]顯然，新課標不僅表明了通用技術課程在學生思維培養中的使命，也指明了經歷真實工程情境是工程思維素養在教學中落地的途徑。

1" 背景與緣起：基于工程思維素養培養的電子控制技術實驗教學

通用技術教材特別注重對工程本身教學價值的發掘，以工程項目為核心進行模塊、章節學習內容的編排：《技術與設計1》以“走進技術世界”“技術世界中的設計”兩章作為技術與設計的基礎，繼而圍繞“野外生存體驗”和“臺燈的設計與制作”兩個大項目，按設計的一般過程編排四個章節；《技術與設計2》按技術“大概念”結構、流程、系統、控制——進行教材編排，圍繞大量符合學生生活經驗又具可操作性的項目，如“站立式辦公桌”“組合筆筒”“校園節水系統”“雨水收集利用控制系統”等，進行教學實踐活動。顯然，項目化教學已經成為培養學生工程思維素養的重要手段。

電子電路實驗由于來源于生產、貼近時代，既是通用技術課程“電子控制技術”模塊重要的工程教育內容，也是項目教學的優秀載體。但高中學生電路知識基礎薄弱，學科電路課程建設落后，學校實驗課時安排不足，同時還受限于人員、硬件、評價等多方面因素，在高中階段系統地開展電子控制技術實驗教學困難重重。因此，引入諸如CDIO先進工程教育理念探索電子控制技術（以下簡稱電控）實驗教學新模式，無疑是一種另辟蹊徑的積極嘗試。

2" 探索與實踐：CDIO工程教育理念下的電控實驗教學新模式探索

2.1" 理念更新：CDIO工程教育理念的引入

2000—2004年，美國、瑞典的多所著名高校投入大量人力、物力，合作創立了以工程項目研發到運行的生命周期為載體的CDIO（Conceive，構思；Design，設計；Implement，實施；Operate，運行）工程教育理念，不僅拓展了學生知識的深度與廣度，提升了學生的工程素養，而且實現了對學生人際交流能力、團隊合作能力、專業知識應用能力、產品與系統構建能力的培養。為了解決我國學生工程素養不足的問題，盡快培養與國際接軌的中國工程師，2005年汕頭大學工學院顧佩華教授引入CDIO工程教育理念，經過多年的探索實驗，現已取得顯著成效。

高中電子控制技術課程具有“資源少、課時少；元件多、電路多；系統性不強、連貫性不強”等特點。傳統的“理論教學為主、實踐探索為輔”的教學方式讓電路學習“浮”于表面，脫離實驗的“根”，造成學生知識的淺層化、碎片化、機械化。這與現代電子電路課程要求的“加強基本概念和基本理論理解，著重培養應用能力和實踐技能”目標是脫節的，也違背了高中生的認知規律。在電控教學中引入CDIO理念，以“構思、設計、實施、運作”全過程培養學生工程素養能有效地解決上述問題，具有較強的操作性。

2.2" 體系梳理：“基礎－應用－設計－創新”四階實驗體系設計

在高中通用技術選擇性必修1《電子控制技術》教材中，電子電路實驗作為一種體驗與活動存在，忽視了實驗作為電路學習工具和在學生素養培養中的價值。同時，教材中實驗目標指向不明，缺乏難度梯度，也未形成電控實驗體系。因此，結合CDIO工程教育“構思、設計、實施、運作”四個環節，遵循“興趣驅動、項目導向、虛實結合、分層遞進”基本思路，通過“優化教材實驗、拓展項目實踐、引入課外實驗、整合競賽活動”的方式，構建四階電控實驗體系，如表1所示。在保證實驗項目連貫性、拓展性、操作性的基礎上完成項目設置，也可根據學校的軟硬件條件增減實驗項目。

2.3" 平臺搭建：多平臺聯動創設實驗條件

受限于資金、人員、學科重視程度等原因，電子電路實驗室并未在高中階段普及。因此，開展電子控制技術實驗教學需要開動腦筋、因地制宜。

2.3.1" 虛實結合的電控實驗室建設

可以利用智慧平板或機房電腦安裝EveryCircuit等仿真電路模擬軟件，同時配上簡易的面包板套件，建成虛實結合的電控仿真實驗室，無須重新建設專用的電子電路實驗室。這樣不僅可以大大降低開展電控實驗的門檻，而且可以提高實驗效率。

2.3.2" 智慧平臺+電控實驗新探索

探索“智慧平臺+電控實驗”的教與學新方式，延伸通用技術實驗教學邊際，進一步提升實驗在學生工程思維素養培養上的作用。

1）“云”實驗教學。學生可以在家通過直播軟件進行“云”學習，同時利用“智能手機+仿真軟件”的形式開展“云”實驗，突破實驗教學在空間與時間上的限制。

2）創新作業設計。對于電控教學而言，脫離實驗的紙面作業必然導致學生對電路缺乏直觀感知，理解深度和廣度上有所欠缺。可通過引入實踐作業進行作業形式創新：學生利用面包板套件進行小組合作探究，并通過智慧平臺上傳作品進行分享。在實際應用中可以大幅提高學生的學習積極性，促進學生間的交流互動。

3）電控真題仿真解析。利用仿真軟件形成真題的動態解析，通過微課的錄制與推送，向學生呈現更為直觀的電路運行動畫、數據，幫助學生加深知識理解。同時，學生可以在仿真實驗室或家用電腦、手機、平板上進行自主探究。

2.3.3" 電控實踐與活動平臺創設

CDIO理念認為對學生工程素養的培養需要以工程項目研發到運行的生命周期為載體，通過跨學科的知識運用與團隊交流協作進行。因此，紹興市陽明中學在電控實驗教學中嘗試突破學科邊界，充分聯系學生的生活和學習，以項目形式開發多樣化的校本課程、課程群，形成有梯度的學科課程體系（圖1）。同時，將學生社團與競賽活動課程化也是學校在學科建設方面的積極嘗試。其中，基于“基本控制電路的設計”開設的校園創新電路設計比賽、科技創新社團等都深受學生歡迎。

2.4" 課程配套：相關電控課程資源開發

高中通用技術選擇性必修1《電子控制技術》教材未配有統一的學生實驗手冊，許多學校面臨“有實驗室但不曉得干什么”的尷尬處境。因此，要開展電控實驗教學必須進行相關校本課程資源的開發。

結合學校的軟硬件條件與學生能力層次，在梳理實驗項目、建立階梯形電控實驗體系的基礎上，進一步完成校本課程或實驗手冊的開發，不僅能清晰電控實驗教學的目標、內容、方法，也可以促進通用技術學科的建設和教師的成長。

2.5" 模式提煉：建立CDIO電控實驗教學模式

CDIO是一種“回歸工程實踐”的工程教育模式。利用虛實結合的實驗方式，將CDIO工程教育模式與電控教學40分鐘課堂相結合（圖2），主要過程分成如下四個階段。

2.5.1" 構思階段（C）（5分鐘）

各小組查找資料了解本節課的任務，根據所學知識對項目進行分析，考慮實現的材料、策略和方法等，討論確定初步的技術方案。

2.5.2" 設計階段（D）（10分鐘）

各小組根據前期分析，利用所學的知識在EveryCircuit軟件上進行相應電路的設計并優化。

2.5.3" 實現階段（I）（15分鐘）

各小組組內合作，根據設計的電路利用“面包板+基本元器件”進行實體電路的搭建，將設計成品化并進行調試，直到達到設計要求的指標。

2.5.4" 運作階段（O）（10分鐘）

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、投屏等形式演示完整的操作及實物作品運行情況[2]。

2.6" 評價優化：注重過程評價、引入拓展項目、合理量化成果

CDIO工程教育強調學生在“做中學”，關注學生多方面能力培養。因此，評價方式需要多樣性，如形成性評價與成果性評價相結合、書面考試和實踐應用并重等，如表2所示。

3" 體會與展望：CDIO工程教育模式的實踐體悟和后續研究方向

高中階段開展工程思維素養導向的電控實驗教學，不僅受到學校軟硬件條件的限制，也受到師生觀念、教師能力、課程資源等方面的重要影響。紹興市陽明中學教研組通過多年實踐，從理念、體系、平臺、課程、模式、評價”六方面入手，嘗試探索CDIO工程教育理念下的電控實驗教學新模式，突出成績如下。

1）學生主體性得到更好的發揮。在CDIO工程教育模式中，更多的學生能在項目中發揮自己的智慧與才能，積極性高、參與度高、成就感高，教師往往只需扮演安全提醒、工具傳遞、作品評價的角色。

2）學生工程思維素養得到更好的培養。工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維，學生以設計者的角度進行合作探究，經歷電路從無到有的過程，工程思維等核心素養得到全面提升。

3）教師綜合素質得到更好的提升。學校通用技術教師在幾年的實踐探索中，個人課程開發能力得到顯著提升，也形成了獨特的教學模式，無論是教科研成果還是課堂教學比賽都取得較為優異的成績。

但在實踐過程中，筆者發現對于學生素養水平的評價較為困難，社會、學校、家長、師生依然將考試成績作為首要乃至唯一的評價標準，參與多樣化評價的積極性不高，對過程性評價并不在意，學生在互評和自評環節也表現得較為隨意。因此，筆者希望在后續的研究中進一步優化評價方式，同時探索CDIO工程教育模式在其他技術模塊中的運用，并以全面育人目標開發相關融合課程，編撰成體系的實踐作業手冊。

4" 參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）[J].北京：人民教育出版社，2020：70.

[2] 虞效益，胡長興.基于CDIO的實踐類課程“一體兩翼”有效教學模式探索：以太陽能光伏發電系統設計課程為例[J].高教學刊，2022，8（17）：100-103.

*項目來源：2023年紹興市教育科學規劃“依托EveryCircuit軟件開展電控虛擬實驗教學”（編號：SJG2023318）。

作者簡介：向勇，高級教師，紹興市陽明中學教科室主任。