面向學術人才培養(yǎng)的虛擬儀器設計課程CDIO教學探索

摘要：虛擬儀器技術是現代測量儀器研發(fā)的關鍵技術，融合了計算機軟硬件，廣泛應用于航空航天、半導體制造等工程領域。學術型人才，需具備深厚理論基礎、獨立研究能力及創(chuàng)新思維。虛擬儀器設計課程傳統教學模式面臨教學內容局限、方法陳舊等問題，不利于學術型人才培養(yǎng)。為解決此問題，引入CDIO教學模式，通過構思、設計、實現、運作的完整流程，強化學生實踐與創(chuàng)新能力。改革措施涵蓋：實施CDIO項目式整體教學設計，更新教學內容以融入最新科研成果，采用項目驅動等多元化教學方法，以及建立全面、科學的課程考核評價體系。此改革旨在構建一個以學生為中心，注重理論與實踐結合，強調創(chuàng)新與能力培養(yǎng)的虛擬儀器設計課程體系，為培養(yǎng)高素質學術型人才提供有力支持。

關鍵詞：虛擬儀器設計；CDIO教學模式；人才培養(yǎng)

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.15.079

CDIO教學是工程類學科教學領域教育模式創(chuàng)新與改革的最新成果，該模式由麻省理工學院與瑞典皇家學院等4所頂尖院校聯合研究并制定，已在全球多所高校的教學實踐中驗證其卓越效果，并得到廣泛推廣[1]。學術型人才，通常指的是那些具備深厚專業(yè)知識、獨立研究能力以及創(chuàng)新思維，能夠推動學科發(fā)展并解決復雜工程問題的高級專門人才。在CDIO理念的指導下，各高校對人才培養(yǎng)目標進行了明確，即聚焦培養(yǎng)具備實踐能力和創(chuàng)新精神的學術型人才。教學大綱和教學方式也隨之進行了一系列革新，強調通過構思、設計、實現、運作的完整項目流程，讓學生在實踐中學習，在學習中創(chuàng)新。這種教學模式不僅提升了學生的專業(yè)技能，更重要的是培養(yǎng)了他們的學術研究能力和創(chuàng)新思維，從而為企業(yè)和社會輸送了一批既懂理論又擅實踐的高水平學術型人才。2005年CDIO理念進入中國，2008年教育部成立了CDIO工程教育模式研究與實踐課題組，著手研究推廣CDIO工程教學模式并在機械類等專業(yè)試點，并以北京科技大學等多所高校作為試點單位推廣，繼續(xù)開發(fā)和完善CDIO工程教學模式。各類高校應積極推動CDIO教學模式的改革，此教學模式可以打破傳統虛擬儀器設計課程中理論與實踐脫節(jié)的弊端，讓學生全程參與到項目中，從被動學習變?yōu)橹鲃犹剿鱗2]。它能培養(yǎng)出兼具扎實理論基礎、出色設計能力、熟練操作技能和良好工程素養(yǎng)的學術型人才，使學生畢業(yè)后能夠迅速適應相關領域的工作需求，為虛擬儀器技術在科研、工業(yè)生產等多方面的廣泛應用提供有力的人才支持，有力推動虛擬儀器設計課程教學質量和效果的提升，為相關學科的教育教學改革提供有益借鑒，因此該模式具有良好的推廣價值。

1CDIO教學模式概述

CDIO教學模式不僅是教學理論的突破，而且是對傳統教學模式的創(chuàng)新與改革，將該模式運用到虛擬儀器設計課程教學方法的探索中，可以為高等工程教育注入新的活力，具有多方面積極意義。首先，CDIO教學模式能夠促進高校教學資源的整合，推動高校教學方式的創(chuàng)新與改革。實施CDIO教學模式需要對學校的實驗室設備、企業(yè)實習基地、教師專業(yè)知識進行全方位的改進與整合，該教學模式依托具體項目開展教學活動，具有較強的實踐性，對學校的教學資源以及教師的專業(yè)知識素養(yǎng)有更高要求，因此學校必須對相關的教學資源進行整合，以滿足教學需要，例如完善實驗室設備、建設教學資源平臺、教師技能培訓等。這種資源整合能夠最大化利用當前的教育教學資源，為學生提供更好的學習條件。CDIO教學模式要求教學過程的靈活性，傳統的教學方法不再滿足該模式的需求，學校會積極對教學方法和手段進行創(chuàng)新，推動了高校教學方式的改革[3]。其次對于學生而言，CDIO教學模式能夠促進學生綜合素質的提高。該教學模式依托具體工程項目展開實踐教學，需要學生參與虛擬儀器的構思、設計并最終實現虛擬儀器的功能，這一過程中學生需要對已經學習的專業(yè)知識進行綜合運用，可以深化學生對知識的理解，提高運用專業(yè)技能解決實際問題的能力。此外CDIO教學模式通常需要小組合作的方式共同完成教學項目，團隊成員需要合作完成虛擬儀器的功能分析、界面設計、程序編寫與測試等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都需要小組成員合理分工、有效溝通和協調沖突，能夠培養(yǎng)良好的團隊協作精神。CDIO模式培養(yǎng)的學生具有豐富的項目經驗，熟悉工程實際流程，能夠更快地適應企業(yè)的工作環(huán)境[4]。

2“虛擬儀器設計”課程教學現狀

2.1課程內容枯燥無趣

目前，虛擬儀器設計課程中存在課程內容乏味無趣的情況，該情況是由多種原因導致的。一方面，在教師的教學方法上，依舊采用教師進行理論講授，學生被動學習的方式，教學手段較為單一，在教學內容上更加注重理論知識的講解，忽視實踐教學的重要性，缺乏積極的課堂氛圍，此種教學方式雖然能夠讓學生學習到一定的理論知識，但是缺乏實踐操作，難以把握虛擬儀器設計的技巧。另一方面，虛擬儀器設計課程本身涉及多領域的知識內容，而且相關知識內容枯燥難以理解，教師難以用生動的教學方式進行講授，學生也不能對知識內容形成清晰的認知。因此，亟須對當前課程教學內容進行改革，增加課程趣味性。

2.2理論與實踐脫節(jié)

當前虛擬儀器課程內容以傳統儀器編程理論知識為主，缺乏對虛擬儀器設計領域先進理論與應用的講解。雖然部分學校開展了儀器設計實踐活動，但是實踐活動較為基礎，欠缺相關知識技能的延伸與拓展，導致教學與實踐匹配度不高，教學效果不佳。虛擬儀器的設計與開發(fā)離不開先進的計算機系統，目前用于練習與實踐的計算機設備數量有限，教師只能通過演示的方法展示儀器設計的步驟，學生無法在練習中增強虛擬儀器設計的操作能力。此外，隨著技術的飛速發(fā)展，教材中部分知識點已經不再適用于當前的行業(yè)需要，但是教師依舊以課本上的教學案例進行知識教學，只關注學生理論知識的掌握情況，忽視學生實踐能力的培養(yǎng)，導致教學理論與應用實踐的脫節(jié)，不利于學生思維方式與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3考核機制不完善

當前虛擬儀器設計課程教學中缺乏完善的考核評價體系，對學生學習與成長情況的評價主要依賴考試成績與課堂考勤情況，這種考核機制側重于對學生知識概念、技術原理等理論內容掌握情況的考查，無法了解學生應用知識解決專業(yè)相關問題的能力，這種單一化教育評價方式嚴重限制學生的成長與發(fā)展，這種評價方式讓學生和教師形成了重視考試結果，輕視學習過程的思想，只通過考試進行考核評價，使學生只在考前用突擊補習的方式應付考試，不會對知識內容進行深刻的思考與理解，失去學習的內在驅動力，教師也失去了進行教學改革與創(chuàng)新的動力，使教學過程逐漸僵化。因此高校需建立完善的學生考核機制，從多元化的角度出發(fā)，全面衡量學生的學習狀況和對知識的實踐運用能力。

3虛擬儀器設計CDIO教學模式培養(yǎng)學術型人才的途徑

3.1引入CDIO教學設計理念

學校基于目前學術型人才的培養(yǎng)需求，在虛擬儀器設計課程中引入CDIO教學理念，并確立CDIO教學模式的具體實施方案，如圖1所示。改變傳統的教學方式，將虛擬儀器設計項目融入教學過程，教師在此基礎上展開教學設計，將教學過程劃分為CDIO模式的4大環(huán)節(jié)，即構思、設計、實現、運行[5]。教師圍繞這4大步驟展開教學，在構思環(huán)節(jié)，教師提出虛擬儀器項目需求，引導學生對該項目進行初步了解和探索；在設計環(huán)節(jié)，發(fā)揮學生的主動性，指導學生根據設計需求查找相關資料并以小組協作的形式編寫應用程序，最后由教師分析程序中出現的問題；在實現環(huán)節(jié)，指導學生對程序功能進行調整和修改；在運行環(huán)節(jié)學生對編寫的儀器程序進行最終測試，并將項目完成情況寫進報告。

3.2利用多元化的教學方式增強CDIO教學效果

在CDIO教學模式落實過程中應注重教學方式的多元化，在CDIO教學項目中教師應當充分發(fā)揮信息技術與網絡平臺的作用，在學生進行項目實踐之前，教師利用媒體視頻、模擬動畫等方式對虛擬儀器設計的知識點進行演示，用生動形象的方式對難以理解的知識點進行講解，加深學生對相關知識的理解，提高其學術素養(yǎng)。此外還要在教學過程中融入虛擬儀器技術的最新理論與研究成果，并對傳統教學方式進行創(chuàng)新，將最新的虛擬示波器、多功能頻譜分析儀、多通道數據采集系統引入教學過程，培養(yǎng)學生學術素養(yǎng)。

3.3建立規(guī)范化虛擬儀器設計課程考核方式

規(guī)范化的考核機制能幫助教師了解學生學習狀態(tài)與發(fā)展情況，評估CDIO教學模式的實施情況。因此要完善虛擬儀器設計課程中的考核評價機制，將學生在CDIO教學項目各個環(huán)節(jié)的表現納入評價體系，并且在教師評價的基礎上增加學生互評與自我評價的環(huán)節(jié)，擴展評價的維度[6]?？己藘热莘矫?，從項目參與的積極性、參與度、團隊合作效果等角度對學生進行綜合評判，提高學生參與課堂的主動性。另外要在課程考核的機制的基礎上建立改進機制，項目完成后，教師應指導小組進行總結與反思，分析項目開展過程中的各種問題并給出改進方法，也可以邀請表現優(yōu)秀的小組分享經驗。

4結語

目前虛擬儀器設計行業(yè)對學術型人才的需求不斷增多，當前虛擬儀器設計課程存在著教學方法單一、內容乏味，缺乏對學生實踐技能的培養(yǎng)等多方面的問題，不能滿足當前的人才培養(yǎng)需要，在這種情況下，CDIO教育模式為虛擬儀器設計教學提供了新的路徑。該教育模式將項目實踐與知識教學融為一體，利用實踐與教學雙重渠道展開教學，實現了教學方法與教學手段的改革創(chuàng)新，激發(fā)了學生參與學習的興趣與主動性，提高了學生對學術知識的掌握程度，培養(yǎng)了其實踐應用能力與思維創(chuàng)新能力，為該領域學術型人才的培養(yǎng)提供了保障。

參考文獻

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