樊　娟,張國(guó)恒,李小勇,才讓措,馬瑾瑜

(西北民族大學(xué) a.實(shí)驗(yàn)中心; b.電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124)

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CDIO工程教育模式在大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

樊娟a,張國(guó)恒b,李小勇a,才讓措b,馬瑾瑜a

(西北民族大學(xué) a.實(shí)驗(yàn)中心; b.電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124)

摘要：從CDIO工程教育理論出發(fā)，以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行產(chǎn)品的生命周期為過(guò)程，以CDIO大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)為總指導(dǎo)，將CDIO教育理論與大學(xué)物理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“電表的改裝與校準(zhǔn)”相結(jié)合. 實(shí)踐結(jié)果表明：CDIO教育模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獲取知識(shí)的習(xí)慣，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力以及創(chuàng)新知識(shí)的能力.

關(guān)鍵詞：工程教育模式；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；電表;改裝；校準(zhǔn)

資助項(xiàng)目：西北民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(No.31920150023) ；國(guó)家民委高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目專項(xiàng)資金資助(No.15024)

CDIO(Conceive, design, implement, operate)工程教育模式自問(wèn)世以來(lái)，備受世界各國(guó)的青睞，工程教育改革已成為世界各國(guó)共同關(guān)注的課題. 工程教育的目的是培養(yǎng)大學(xué)生成為一名成功的工程師習(xí)，包括專業(yè)知識(shí)、社會(huì)意識(shí)和創(chuàng)新精神[1]，工程教育是現(xiàn)行高等工科教育和創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的有效途徑[2]. 自2000年開(kāi)始，經(jīng)過(guò)4年的探索研究后CDIO工程教育模式創(chuàng)立，并相繼成立了CDIO國(guó)際合作組織. 初期時(shí)合作組織已擴(kuò)展到包括瑞典、丹麥、南非等國(guó)家20多所大學(xué)[1]. 自2004年以來(lái)，國(guó)際CDIO工程教育組織已發(fā)展到世界五大洲超過(guò)25個(gè)國(guó)家近百所院校成員. 2006年，CDIO工程教育模式在中國(guó)迅速傳播，教育部高教司成立了試點(diǎn)工作組，最初有18個(gè)學(xué)校成員，到2010年已擴(kuò)大至39個(gè)成員. 2011年12月在南京工程學(xué)院舉辦的試點(diǎn)工作組會(huì)議參加代表超過(guò)了300人。從2012年起試點(diǎn)工作組采用年會(huì)的形式組織年終會(huì)議[3].

1CDIO工程教育的基本理論

CDIO以產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行全生命周期為背景環(huán)境，以CDIO教學(xué)大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，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)并獲取工程能力，包括個(gè)人的科學(xué)技術(shù)知識(shí)、終身學(xué)習(xí)能力、交流和團(tuán)隊(duì)合作能力，以及在社會(huì)及企業(yè)環(huán)境下建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力等[4]. CDIO教育模式提出了1組實(shí)現(xiàn)工程教育的“學(xué)習(xí)目標(biāo)”；1個(gè)“愿景”和保證這個(gè)愿景能夠?qū)崿F(xiàn)的教育方法基礎(chǔ).

“學(xué)習(xí)目標(biāo)”從知識(shí)、技能、態(tài)度及價(jià)值觀綜合考慮，教育學(xué)生深入地掌握技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品、建造與運(yùn)行過(guò)程和系統(tǒng)，讓學(xué)生理解研究和技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要性和戰(zhàn)略影響. “愿景”回答在CDIO模式下學(xué)生“學(xué)什么”、“怎樣學(xué)”，教師“教什么”、“怎樣教”. 實(shí)現(xiàn)這一愿景需要CDIO教學(xué)大綱的指導(dǎo)和具有可操作性的12條標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn). 教學(xué)大綱回答了“當(dāng)工科學(xué)生畢業(yè)時(shí)，他們學(xué)到的全部知識(shí)、能力和態(tài)度應(yīng)該有哪些？掌握的水平如何？” 12條標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)判和改進(jìn)CDIO的依據(jù)，回答了“我們?nèi)绾文芨玫乇ＷC學(xué)生學(xué)習(xí)到這些知識(shí)和能力”. 大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，大綱要求通過(guò)綜合的培養(yǎng)方式讓學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[5]. CDIO的12條標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)估檢驗(yàn)工程教育的實(shí)施，描述滿足CDIO要求的專業(yè)培養(yǎng). 12項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中有7項(xiàng)是關(guān)鍵的和基本的，體現(xiàn)了CDIO方法論區(qū)別于其他教育改革計(jì)劃的特點(diǎn)；5項(xiàng)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)極大地加強(qiáng)了CDIO方法論并反映了工程教育中的有效實(shí)踐[6]. 愿景的實(shí)現(xiàn)即CDIO教育計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，主要實(shí)現(xiàn)以項(xiàng)目為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)做中學(xué)，對(duì)課程計(jì)劃的設(shè)置、實(shí)施，教與學(xué)的成效，師資隊(duì)伍能力的提高，學(xué)習(xí)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況，培養(yǎng)的學(xué)生能夠勝任產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行，具備工程創(chuàng)新、工程產(chǎn)品的制造能力，具有專門的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、社會(huì)意識(shí)和創(chuàng)新精神.

2CDIO工程教育模式與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)合

傳統(tǒng)上，大學(xué)物理課程根據(jù)大綱規(guī)定設(shè)有理論部分和實(shí)驗(yàn)部分，根據(jù)專業(yè)不同，理論與實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)時(shí)比例不同，整個(gè)教學(xué)過(guò)程重理論輕實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法呈現(xiàn)單一化、程式化、規(guī)模化[7]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生上課時(shí)僅忙于驗(yàn)證結(jié)論，缺乏思考；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活偏離太遠(yuǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，自覺(jué)性、主觀能動(dòng)性得不到發(fā)揮. 為了緩解這種局面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將CDIO工程理論與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)過(guò)程模擬CDIO工程教育模式中產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施及運(yùn)行的4個(gè)生命周期，以項(xiàng)目為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)做中學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力.

以綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“電表的改裝與校準(zhǔn)”為例，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程貫穿產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行4個(gè)生命周期. 首先由參與教學(xué)改革的教師為學(xué)生講解CDIO教育理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做簡(jiǎn)單表述，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，5~8人1組，確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間；然后各組學(xué)生自主分配任務(wù)，按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行展開(kāi)實(shí)驗(yàn). 具體實(shí)施過(guò)程如下.

2.1　構(gòu)思階段

“電表的改裝與校準(zhǔn)”實(shí)驗(yàn)的總體構(gòu)思階段，學(xué)生的主要任務(wù)是根據(jù)已經(jīng)掌握的理論基礎(chǔ)知識(shí)，銜接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容，找到自身“最近發(fā)展區(qū)”，考慮并且分析實(shí)驗(yàn)中的種種關(guān)鍵因素. 如要知道實(shí)驗(yàn)室可以提供哪些電表，明確其量程、讀數(shù)及用途等. 如何擴(kuò)大電流表量程，如何將電流表改裝成電壓表，以及如何將改裝表進(jìn)行校準(zhǔn)[8]等內(nèi)容 . 根據(jù)觀察與訪談得知，學(xué)生在拿到題目后主動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，通過(guò)網(wǎng)上文字資源、視頻資料等獲取知識(shí)；或通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)掌握該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程等；或去圖書(shū)館查閱圖書(shū)資料、參考文獻(xiàn)，進(jìn)行知識(shí)的完善與補(bǔ)充. 通過(guò)各種渠道了解該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)，然后每個(gè)小組學(xué)生將搜集掌握的知識(shí)匯總整理，共同分享，討論交流. 通過(guò)知識(shí)的建構(gòu)、思考，提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及方案.

2.2　設(shè)計(jì)階段

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，依托實(shí)驗(yàn)室已有硬件條件，已經(jīng)掌握的理論基礎(chǔ)知識(shí)，確定該實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用哪種設(shè)備或者哪種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)律的驗(yàn)證與探索；采用哪種方法實(shí)現(xiàn)微安表擴(kuò)程電流表、電壓表或者歐姆表；哪種方法設(shè)計(jì)的結(jié)果誤差較小等. 我校物理實(shí)驗(yàn)室有改裝電表集成箱，也有分散的電表及電阻箱、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等，學(xué)生可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案選擇實(shí)驗(yàn)用具，展開(kāi)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證. 在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)每組學(xué)生有選擇集成箱的，有選擇一步一步接分散電表的，也有2種用具都選擇的，他們根據(jù)方法的不同驗(yàn)證結(jié)果，取得最佳實(shí)驗(yàn)效果. 每個(gè)團(tuán)隊(duì)因分工不同，一般設(shè)計(jì)1~2個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證.

2.3　實(shí)施階段

實(shí)施階段即實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)階段，學(xué)生小組根據(jù)自身設(shè)計(jì)方案選擇好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的線路搭建以及電表的改裝與校準(zhǔn). 根據(jù)教師觀察，小組團(tuán)隊(duì)有采用替代法測(cè)算表頭內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)微安表改裝的(如圖1所示)，有采用中值法實(shí)現(xiàn)的，改裝電路原理圖如圖2所示. 將電表進(jìn)行先改裝后校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的具體結(jié)合. 依次分別將微安表改裝成電流表、電壓表及歐姆表，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生團(tuán)體之間積極配合完成任務(wù)，遇到棘手問(wèn)題時(shí)首先找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，做出分析并討論，重新構(gòu)思設(shè)計(jì)等. 這種模式培養(yǎng)了學(xué)生交流合作和解決問(wèn)題的能力.

圖1　替代法測(cè)表頭內(nèi)阻電路圖

圖2　改裝電流表原理圖

2.4　運(yùn)作階段

這一階段即學(xué)生對(duì)上述設(shè)計(jì)階段搭建的硬件設(shè)備進(jìn)行測(cè)試讀數(shù)，使指針偏轉(zhuǎn)由最大到最小、再由最小到最大，將標(biāo)準(zhǔn)表與改裝表進(jìn)行比較，對(duì)改裝表進(jìn)行校準(zhǔn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的偏差，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析并且找出產(chǎn)生誤差的原因. 若實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差比較大，小組學(xué)生會(huì)重新認(rèn)識(shí)問(wèn)題、重新思考，找出問(wèn)題出處并分析原因，一直到解決問(wèn)題. 實(shí)驗(yàn)完成以后小組代表演示講解他們的設(shè)計(jì)，由教師及其他組學(xué)生給出評(píng)價(jià). 這種方式有利于學(xué)生之間完善補(bǔ)充理論知識(shí)，還有利于提高學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力. 另外，通過(guò)各小組學(xué)生對(duì)“電表的改裝與校準(zhǔn)”實(shí)驗(yàn)的親身體驗(yàn)，教師對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，學(xué)生還可將這一理論知識(shí)進(jìn)行拓展，找出生活中的實(shí)例，對(duì)其理論進(jìn)行更進(jìn)一步的了解，有利于知識(shí)的鞏固.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的步驟，以項(xiàng)目為指導(dǎo)，學(xué)生為主體，教師輔助，改變了以往的“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生由被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)，遇到問(wèn)題積極尋找解決辦法，不再以坐等的姿態(tài)對(duì)待大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，不再只聽(tīng)教師講解，而是積極思考，勇于質(zhì)疑與創(chuàng)新. 可見(jiàn)，CDIO工程教育理論能夠改變大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，能夠幫助學(xué)生提高綜合素質(zhì)與能力.

3CDIO模式下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)取得的學(xué)習(xí)效果

工程教育的目的是培養(yǎng)學(xué)生成為合格的工程師，使學(xué)生能在現(xiàn)代的、團(tuán)隊(duì)的工程環(huán)境中理解如何構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行復(fù)雜的、高附加值的產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)，成為成熟、有責(zé)任心的人，其必須熟練掌握專業(yè)技術(shù)知識(shí)，具備個(gè)人和人際交往的能力、團(tuán)隊(duì)合作的能力、領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品的能力等. 將CDIO模式與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)合是符合以上條件的. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程以分組的形式進(jìn)行，分配不同的任務(wù)，讓學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，然后集中討論，共同匯總，在高度統(tǒng)一的基礎(chǔ)上制定實(shí)驗(yàn)方案. 整個(gè)過(guò)程以團(tuán)隊(duì)的形式，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，學(xué)生主動(dòng)構(gòu)思，大膽創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)交流溝通解決問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和交流溝通的能力；通過(guò)小組演示與講解的方式提高了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力；團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)也有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的啟發(fā).

4大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中采用CDIO模式對(duì)教師的要求

CDIO的標(biāo)準(zhǔn)9和標(biāo)準(zhǔn)10提出要提高教師的CDIO能力和CDIO教學(xué)能力，教師必須為人師表，以師德、師風(fēng)感化學(xué)生. 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用CDIO模式時(shí)，教師不再按部就班地將教材中的知識(shí)灌輸給學(xué)生，而是要巧妙地創(chuàng)設(shè)物理問(wèn)題情境，將物理問(wèn)題與生活實(shí)際相聯(lián)系，激活學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)框架；同時(shí)還要引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí). 教師自身不僅專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，技術(shù)嫻熟，學(xué)識(shí)淵博，掌握學(xué)術(shù)前沿，語(yǔ)言表達(dá)能力強(qiáng)，能夠組織并管理領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生，而且要為人正直、誠(chéng)實(shí)可信[9]. 教師工程能力的達(dá)標(biāo)和提高是實(shí)施CDIO成敗的關(guān)鍵. 因此，教師要主動(dòng)積累自己的工程經(jīng)驗(yàn)，不斷提升自己的工程能力，不僅能在教學(xué)中為學(xué)生提供恰當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)例，更重要的是成為學(xué)生心目中當(dāng)代工程師的榜樣.

5總結(jié)與展望

CDIO工程教育模式是一種通用的教育模式，其教學(xué)大綱明確了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)以及學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；12條標(biāo)準(zhǔn)完備地衡量教師、學(xué)生及專業(yè)培養(yǎng)取得的成效，及時(shí)反饋于參與者，進(jìn)而持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬CDIO工程教育模式的4個(gè)生命周期為實(shí)驗(yàn)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)邊做邊學(xué)，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，以培養(yǎng)知識(shí)完備的工程師為目的，注重學(xué)生能力的提高. 經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的學(xué)生具備良好的溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、解決問(wèn)題的能力和較好的創(chuàng)造性思維能力，也具備終身學(xué)習(xí)的能力；另外，工程教育模式縮短了大學(xué)生的實(shí)習(xí)期，畢業(yè)后的學(xué)生盡快勝任企業(yè)的工作，為企業(yè)節(jié)約了成本. 因此，CDIO工程教育模式是值得提倡與借鑒的教育方法.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Application of CDIO engineering education model in

university physics designing experiments

FAN Juana, ZHANG Guo-hengb, LI Xiao-yonga, CAI Rang-cuob, MA Jin-yua

(a. Experiment Center; b. College of Electrical Engineering,

Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730124， China)

Abstract:Start with the CDIO engineering education theory, take the “conceive, design, implementation and operation” cycle as the process and guided by the CDIO syllabus and 12 standards, the comprehensive designing physics experiment “modification and calibration of electric meter” was combined with the CDIO educational theory. The results showed that this teaching mode could stimulate the students’ learning interests, cultivate their habit of active learning and acquiring knowledge, improve their ability of problem solving, teamwork and innovation.

Key words:engineering education model; design experiment; elctricmeter; modification; calibration

通訊作者：張國(guó)恒(1970-)，男，甘肅天祝人，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向?yàn)槲锢斫逃臀锢黼娮訉W(xué).

作者簡(jiǎn)介：樊娟(1983-)，女，甘肅渭源人，西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

收稿日期：2015-10-09；修改日期：2015-12-07

中圖分類號(hào)：G642.423

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1005-4642(2016)02-0029-04