高 微 江 楠 張建秋 趙海龍

大慶石油學(xué)院 黑龍江大慶 163318

基于CDIO工程理論的立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究

高 微 江 楠 張建秋 趙海龍

大慶石油學(xué)院 黑龍江大慶 163318

針對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況自行設(shè)計(jì)了一種基于CDIO工程理論的全方位立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念和方法，健全開(kāi)放實(shí)驗(yàn)制度，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，增加學(xué)生科研訓(xùn)練等方面詳細(xì)論述了該體系的內(nèi)容，在實(shí)踐應(yīng)用中取得了較好的教學(xué)效果，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及創(chuàng)新實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；CDIO工程理論；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；科研訓(xùn)練

電工電子實(shí)驗(yàn)是電工電子類(lèi)理論教學(xué)的重要組成部分。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電工電子課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容總是重復(fù)幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然對(duì)理論知識(shí)有了進(jìn)一步理解，但學(xué)生缺乏運(yùn)用新學(xué)知識(shí)的能力，理論不能聯(lián)系實(shí)際。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，必須在實(shí)驗(yàn)教材、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等各個(gè)方面，乃至整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上加以改革。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)由學(xué)校按照學(xué)科相關(guān)、內(nèi)在聯(lián)系緊密、資源共享為原則進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，集中管理，提高實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的利用率。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容必須體現(xiàn)出重應(yīng)用、重開(kāi)發(fā)、重技能、重素質(zhì)教育。電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革一直以來(lái)備受高等工科院校關(guān)注，而應(yīng)用CDIO工程理論建立一個(gè)適應(yīng)新形勢(shì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展尤為重要，按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作的理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生是實(shí)驗(yàn)主體的作用，使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中得到獨(dú)立提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題等能力的提高。為此，我們從教學(xué)觀念和方法、實(shí)驗(yàn)開(kāi)放制度、虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)和提高學(xué)生科研能力幾方面入手，提出電工電子實(shí)驗(yàn)中心改革的具體措施，旨在建立一個(gè)全方位立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在做好基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)充分發(fā)揮和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

一、CDIO工程理論

CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構(gòu)思(Conceive),設(shè)計(jì)(Design),實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate),它是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品從構(gòu)思研發(fā)到運(yùn)行改良乃至終結(jié)廢棄的生命全過(guò)程。CDIO工程教育的設(shè)計(jì)靈感源于工程產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上將教育過(guò)程放到工程領(lǐng)域的具體情境中，通過(guò)貫穿整個(gè)人才培養(yǎng)過(guò)程的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、職業(yè)道德高尚的新一代高水平工程師。

CDIO工程教育理念就是要以此全過(guò)程為載體培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，此能力不僅包括個(gè)人的學(xué)術(shù)知識(shí)，而且包括學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流能力和大系統(tǒng)掌控能力。它以工程項(xiàng)目(包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng))從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來(lái)的工程教育大改革的理念，更重要的是還提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實(shí)施指導(dǎo)(包括培養(yǎng)計(jì)劃、教學(xué)方法、師資、學(xué)生考核、學(xué)習(xí)環(huán)境)以及實(shí)施過(guò)程和結(jié)果檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn)，具有可操作性。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，一個(gè)全方位立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)需要考慮復(fù)雜多樣的情況，綜合各方面因素，設(shè)計(jì)出圖1所示教學(xué)體系總體結(jié)構(gòu)框圖。下面具體說(shuō)明體系中各模塊具體內(nèi)容。

圖1 立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)框圖

1.轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念與教學(xué)方法

(1)轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念

首先，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須從課程—教材—課堂—操作這種傳統(tǒng)教育方法向知識(shí)—能力—素質(zhì)—人才的現(xiàn)代化教育模式轉(zhuǎn)變。教師要具有“知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高”三方面協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念和以能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)觀念。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師應(yīng)當(dāng)好導(dǎo)師，從輔導(dǎo)的角色變?yōu)橐龑?dǎo)的角色，實(shí)施以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的自主學(xué)習(xí)模式，積極引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師要注意進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立觀察、思考、分析和解決問(wèn)題。

(2)完善實(shí)驗(yàn)教材

①理論知識(shí)與工藝實(shí)踐的結(jié)合。傳統(tǒng)的電工電子實(shí)驗(yàn)教材主要用于驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)，很少注意基本技能的培養(yǎng)和工藝知識(shí)的教育，為了擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，對(duì)基本技能和工藝知識(shí)的教育應(yīng)在實(shí)驗(yàn)教材中加以體現(xiàn)。

②基本知識(shí)與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合。電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳授的都是成熟的知識(shí)，而電工電子技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，學(xué)生所學(xué)知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展。為了縮小知識(shí)與現(xiàn)狀的差距，應(yīng)在電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教材中加以補(bǔ)充，讓學(xué)生能緊跟飛速發(fā)展的新技術(shù)。

③驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。我校電工電子實(shí)驗(yàn)中心不僅承擔(dān)電氣專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)，還承擔(dān)非電專(zhuān)業(yè)的教學(xué)活動(dòng)，為了讓非電專(zhuān)業(yè)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)在其專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)找到適當(dāng)應(yīng)用，電工電子實(shí)驗(yàn)教材應(yīng)逐步將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合性實(shí)驗(yàn)過(guò)渡。

④雙基訓(xùn)練與課題研究的結(jié)合。教師可以采取布置大作業(yè)、引導(dǎo)學(xué)生自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、組織學(xué)生裝調(diào)測(cè)試等方法加以解決。建設(shè)教材中要求教師有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生從事一些課題的研究，積極組織第二課堂的活動(dòng)。

(3)改進(jìn)教學(xué)方法

①改變單一的教學(xué)模式，采用多層次、開(kāi)放式教學(xué)，統(tǒng)籌安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)，合理分配課時(shí)，留給學(xué)生思考的時(shí)間。

②實(shí)驗(yàn)時(shí)1人1組，有利于學(xué)生能力的提高，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作、解決問(wèn)題、總結(jié)報(bào)告等方面都能獨(dú)立完成。

③推行選題模式實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自己根據(jù)興趣確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)備器材，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教師提供給學(xué)生的不是完備的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，而是進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的思路、應(yīng)得出的或要驗(yàn)證的問(wèn)題，讓學(xué)生自己思考、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以提高學(xué)生的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造能力。

④開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過(guò)預(yù)約能選做實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)的任何實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師要多鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開(kāi)發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)。

⑤結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自身建設(shè)開(kāi)展電子技術(shù)類(lèi)的課外活動(dòng)，可以組織學(xué)生對(duì)新購(gòu)置的儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)收，維修實(shí)驗(yàn)室的故障儀器，開(kāi)發(fā)穩(wěn)壓電源過(guò)流保護(hù)電路等，以增強(qiáng)學(xué)生的基本技能訓(xùn)練。

2.健全開(kāi)放實(shí)驗(yàn)制度

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生的個(gè)性發(fā)展?fàn)I造一個(gè)良好的環(huán)境和機(jī)會(huì)，使學(xué)生能在課余時(shí)間補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)課中未能完成的實(shí)驗(yàn)，做自己設(shè)計(jì)的帶有一定綜合性的實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，完成自己的小發(fā)明、小制作等。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和特長(zhǎng)獨(dú)立擬定實(shí)驗(yàn)方案，組成合作團(tuán)隊(duì)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行任何干預(yù)，只有在學(xué)生遇到問(wèn)題向教師提問(wèn)時(shí)，才給予必要的啟發(fā)和指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行審查和評(píng)估。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室以提高學(xué)生動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、知識(shí)綜合運(yùn)用能力及創(chuàng)新能力為主要目的。

(1)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

①時(shí)間開(kāi)放型

學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案到實(shí)驗(yàn)室自主選擇時(shí)間，在自己可控的時(shí)間內(nèi)想做多久就做多久，或有了新思路在開(kāi)放時(shí)間內(nèi)隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐。

②內(nèi)容開(kāi)放型

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生提供了獨(dú)立活動(dòng)的空間，學(xué)生可以針對(duì)自己薄弱的項(xiàng)目進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)，也可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

③儀器開(kāi)放型

實(shí)驗(yàn)室可用的儀器設(shè)備資源共享，供學(xué)生選用。

(2)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的主要內(nèi)容

①教師指導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如收音機(jī)、電動(dòng)車(chē)、信號(hào)源等項(xiàng)目，學(xué)生進(jìn)行選題，在課外時(shí)間完成方案設(shè)計(jì)，安裝與調(diào)試，并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

②學(xué)生科研性實(shí)驗(yàn)：教師開(kāi)展的科研活動(dòng)吸引學(xué)生積極參與。教師根據(jù)科研情況，提出實(shí)驗(yàn)要求，指導(dǎo)學(xué)生搜集資料展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，讓學(xué)生較早地接觸到科研實(shí)際，親身體驗(yàn)科研工作的樂(lè)趣。

③創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才，開(kāi)展了個(gè)性化培養(yǎng)模式，對(duì)拔尖學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)、電子賽事培訓(xùn)及學(xué)生業(yè)余科技活動(dòng)制作。

3.建立虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用網(wǎng)絡(luò)信息化這一現(xiàn)代化教學(xué)手段，打破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制,可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、自由討論、創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為此,我們將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,大力推廣和使用多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件,建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)、成績(jī)查詢、成績(jī)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室基本信息管理等。我們可以在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上向?qū)W生提供教學(xué)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)課件、電子教案、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)、電子書(shū)籍、電子手冊(cè)、應(yīng)用資料等電子教學(xué)資源。

對(duì)于一些比較抽象,學(xué)生不好理解的內(nèi)容,可借助于計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行教學(xué)。我們把相關(guān)程序裝入計(jì)算機(jī),讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，然后再考慮實(shí)際動(dòng)手做真實(shí)實(shí)驗(yàn)。如：電路和數(shù)字電子實(shí)驗(yàn),我們可以運(yùn)用常用的Protel和EWB實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng),進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)和制作,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行虛擬仿真。

4.增加學(xué)生科研訓(xùn)練

為培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和才能，我們制定了一些科研訓(xùn)練策略，挑選一些喜歡電工電子而且操作水平較高的學(xué)生進(jìn)行科研訓(xùn)練。在條件允許情況下吸收高年級(jí)的優(yōu)秀學(xué)生參與教師的科研工作，對(duì)少數(shù)突出的學(xué)生，鼓勵(lì)其直接參與立項(xiàng)研究，學(xué)院給予一定的資金支持。我們成立競(jìng)賽小組或科技小組，配合電子設(shè)計(jì)大賽開(kāi)展創(chuàng)新培養(yǎng)。如：幫助教師改進(jìn)制作一些儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教具，參加教師的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和軟件編制等。這樣的訓(xùn)練能夠激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使其自覺(jué)學(xué)習(xí)；開(kāi)闊學(xué)生思路，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的技能，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生良好的心理素質(zhì)，發(fā)掘?qū)W生潛在的能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)良好的推動(dòng)。

三、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列改革和實(shí)踐，我校電工類(lèi)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣明顯增強(qiáng)，動(dòng)手能力也有所提高，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成較好。電工電子實(shí)驗(yàn)室作為“全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽”的訓(xùn)練和培養(yǎng)基地，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中配備了比較先進(jìn)的設(shè)備和微機(jī)，方便學(xué)生到這里做實(shí)驗(yàn)或課題，在“全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽”中我們?nèi)〉昧瞬诲e(cuò)的成績(jī)，學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力都得到了鍛煉。在學(xué)校組織的挑戰(zhàn)杯上學(xué)生拿到很多獎(jiǎng)項(xiàng)，這樣的成績(jī)對(duì)我們是一種極大的肯定和鼓勵(lì)。

此外，我們對(duì)電氣、自動(dòng)化、通信3個(gè)專(zhuān)業(yè)的2008、2009兩屆畢業(yè)生的工作表現(xiàn)情況做了跟蹤調(diào)查，調(diào)查方式采取問(wèn)卷、電話、傳真、電子郵件等形式；調(diào)查結(jié)果表明，通過(guò)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)的學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性強(qiáng)，得到用人單位的一致好評(píng)。

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，電工電子技術(shù)的發(fā)展更是生機(jī)勃勃，只有不斷地改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，才能適應(yīng)新形勢(shì)發(fā)展的需要。同時(shí)，我們也清醒地意識(shí)到，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，我們要積極投入教學(xué)改革中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)拓思路、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，努力開(kāi)發(fā)新的項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的養(yǎng)成、科學(xué)方法的掌握和創(chuàng)造能力的締造，不斷為社會(huì)輸送高技能型人才。

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Research on three-dimensional experimental teaching system based on CDIO engineering theory

Gao Wei, Jiang Nan, Zhang Jianqiu, Zhao Hailong
Daqing petroleum institute, Daqing, 163318, China

The paper established a three-dimensional experimental teaching system based on CDIO engineering theory for the actual situation of electrical and electronic experiment. It discussed in detail the content of this system from experimental changes in concepts and methods of teaching, a sound system of an open experiment, establishment of virtual laboratories and increase in student research training. It had made good teaching results in practice application, and greatly enhanced the students' learning enthusiasm and innovative practice capacity.

experimental teaching system; CDIO engineering theory; open experiment; virtual experiment; research training

2010-06-03

高微，本科，副教授。江楠，碩士，助教，實(shí)驗(yàn)員。張建秋，本科，講師。趙海龍，博士，講師。