CDIO理念指導下大學物理課程教學優(yōu)化路徑

李振華

(廣東理工學院 智能制造學院, 廣東 肇慶 526100)

CDIO理念是近年來在國際工程教育領域廣泛倡導的一種教育模式,它強調工程教育的實踐性和創(chuàng)新性,將工程實踐與理論教學相結合,旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力、實踐能力和團隊協(xié)作能力的高素質工程技術人才。CDIO理念的核心內容包括4個環(huán)節(jié),即構思(conceive)、設計(design)、實施(implement)和運行(operate)[1]。其中,構思指在工程實踐中,借助實踐項目培養(yǎng)和提升學生解決實際問題的綜合能力,其對于學生創(chuàng)新思維和能力的發(fā)展具有重要作用;設計指在問題分析的基礎上,培養(yǎng)學生制訂解決方案、進行系統(tǒng)設計的能力,強調理論知識在實際工程中的應用;實施指在設計方案的基礎上,培養(yǎng)學生動手實踐、實驗驗證的能力,強調實踐教學在工程教育中的重要性;運行指在設計方案實施后,培養(yǎng)學生對工程項目進行運行、維護和管理的能力,注重培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和工程實踐能力[2]。以CDIO理念為指導,對大學物理課程進行優(yōu)化和改革,將科研、人才培養(yǎng)和社會服務進行深度融合,可突出大學物理的優(yōu)勢和特點,為工科工程類教育奠定理論和實踐基礎。

1 現(xiàn)階段大學物理課程教學存在的問題分析

大學物理涉及的知識較為廣泛,融入了許多科學技能和思維方式,能夠對學生的科學素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和工程能力等進行引導和培養(yǎng)。但現(xiàn)階段大學物理課程教學理論性較強,教學方法單一,物理實驗和理論知識脫節(jié),缺乏完善的教學評價體系,導致學生學習興趣缺失,獨立思考能力欠缺,其未來高質量就業(yè)和可持續(xù)發(fā)展面臨一定阻礙。

1.1 物理課程內容的理論性較強

物理作為一門實踐性科學,需要通過實驗和實踐來加強學生對理論知識的理解和應用能力。但現(xiàn)行的大學物理課程教學偏重理論內容傳授,忽視了實踐活動開展的重要性,導致學生實際動手能力和科學研究思維的培養(yǎng)受限[3]。首先,大學物理課程教學過于依賴理論知識的傳授,忽視了實踐應用的重要性。在此種授課模式下,學生被要求死記硬背大量公式和概念,少有機會將所學知識應用于實際,導致學生對物理學的認識停留在抽象的理論層面,對其實際意義和應用場景缺乏深入理解。其次,大學物理課程教學缺乏對實踐內容的設計和組織,導致學生解決實際問題的能力缺失。實踐操作是培養(yǎng)學生動手能力和科學研究思維的重要途徑,但大學物理課程的部分實踐操作只包含簡單的演示實驗,導致學生難以掌握實驗步驟、操作技巧和數據處理等實踐技能,無法進行有效的數據觀測和分析,進而更難培養(yǎng)學生解決實際問題的能力,使其專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)受限。

1.2 大學物理課程教學方法單一

當前部分高校大學物理課程教學方法單一,缺乏創(chuàng)新性和吸引力,導致學生學習興趣缺失,教學效果較低。首先,部分高校大學物理課程教學方法相對傳統(tǒng)。教師通過講解理論知識和推導公式的方式傳授物理知識,較少應用現(xiàn)代教育技術,缺乏創(chuàng)新性,這種枯燥的教學方式導致部分學生難以對物理學的概念和原理產生深入探索的興趣,限制了學生主動學習和探索能力的發(fā)展。其次,大學物理材料和教學資源相對欠缺。目前,部分高校大學物理課程教學材料主要包括教科書和教師講義,這些材料更新不及時,缺乏與學生實際生活和興趣相關的內容,教師較少利用現(xiàn)代科技手段和互聯(lián)網資源來豐富教學內容,學生難以對物理知識的實際應用產生興趣[4]。最后,部分高校大學物理課程的教學設計缺乏創(chuàng)新性,教學內容過于抽象和理論化,與學生實際生活的聯(lián)系缺失,導致學生缺乏深入學習和探索物理學知識的動機,主動參與課程教學的積極性降低。

1.3 物理實驗與理論內容相脫節(jié)

目前,部分高校大學物理實驗只涉及基礎技能的操作,較少涉及創(chuàng)新思維、設計能力和工程實踐能力的培養(yǎng),存在實驗內容與理論內容脫節(jié)的問題,與CDIO理念相背離。首先,部分高校大學物理實驗涉及內容較為表面,教師往往只是指導學生進行一些固定的實驗操作和現(xiàn)象觀察,缺乏培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和問題解決能力的相關實驗內容,限制了學生對物理原理的深入理解及其應用能力的提升。其次,實驗內容與理論內容之間的聯(lián)系較弱。部分高校大學物理課程的理論知識通常通過書本和課堂講解進行傳授,實驗活動則在實驗室開展,理實分離的教學方式導致了實際應用與理論知識之間的脫節(jié),學生難以將所學的理論知識與實際實驗相結合,無法體會物理知識的實際應用[5]。最后,部分高校大學物理實驗缺乏靈活性和自主性。教師負責實驗設計,學生只需要按照預定的步驟進行操作,并得出結論即可,此種缺乏自主性的實驗活動限制了對學生創(chuàng)新能力和獨立思考能力的培養(yǎng),無法滿足CDIO理念對學生工程能力的要求。

1.4 大學物理課程評價體系缺失

CDIO理念對學生的創(chuàng)新能力、設計能力、實施能力和操作能力等提出了具體要求,但當前大學物理課程教學評價體系更多地偏向于對學生記憶和理解層面的考核,缺乏對學生實踐能力和創(chuàng)新能力等的全面評價[6]。首先,傳統(tǒng)的評價體系沒有采取多樣化和綜合性的評價方法,以考試成績?yōu)槲ㄒ辉u價標準,過分注重學生對具體理論知識的記憶和理解程度,忽略了學生在工程實踐中創(chuàng)新能力和問題解決能力的發(fā)展,使得學生專注于短期記憶和考試成績提升,忽視了長期能力培養(yǎng)。其次,部分高校大學物理課程評價體系缺乏對學生實踐能力和創(chuàng)新能力的全面評估。傳統(tǒng)的教學評價往往注重對學生實驗操作正確性和結果準確性的評判,忽略了對學生在設計實驗、解決實際問題的過程中創(chuàng)造性思維發(fā)展情況的評價,導致學生在實踐環(huán)節(jié)缺乏積極性和創(chuàng)造性,只追求答案的正確與否,忽視探索、分析和創(chuàng)新的重要性。

2 CDIO理念指導下大學物理課程教學改革的必要性

大學物理作為高校理工科專業(yè)的必修課程,其在CDIO理念的指導下推進課程教學改革,能夠培養(yǎng)學生的自主學習意識和能力,提升大學物理課程教學質量,適應時代對學生綜合素質和能力的要求。

2.1 培養(yǎng)學生自主學習的意識與能力

作為國際工程教育領域廣泛倡導的教育模式,CDIO理念強調學生的實踐操作,注重培養(yǎng)學生解決問題的能力。在CDIO理念的指導下,優(yōu)化大學物理課程教學,有助于引導學生養(yǎng)成良好的學習習慣,學會自主學習、獨立思考。首先,在CDIO理念下優(yōu)化大學物理課程教學,可以激發(fā)學生的學習興趣和潛能。傳統(tǒng)的大學物理課程以理論知識講授為主,學生容易產生厭倦感,缺乏深入理解和掌握物理概念的動力。而在CDIO理念下,學生將直接參與工程實踐,親身體驗物理定律和原理的應用,學習過程更加生動有趣,學生的學習熱情得到激發(fā),進而主動參與知識的學習和研究[7]。其次,在CDIO理念下優(yōu)化大學物理課程教學,能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。CDIO理念要求學生全程參與課程的構思、設計、實施和運行,通過實踐提高學生解決問題的能力。這種實踐性的學習方式能夠激勵學生養(yǎng)成獨立學習、獨立自考的習慣,培養(yǎng)學生主動學習的意識和能力。最后,在CDIO理念下優(yōu)化大學物理課程教學,有助于培養(yǎng)學生的團隊合作精神和溝通能力。在CDIO理念下的大學物理課程要求學生與團隊成員合作解決問題,學生可以在學習知識與技能的過程中,與他人進行有效的分工合作和良好的溝通,分享自主學習和思考的成果。

2.2 有效提升大學物理課程教學質量

在CDIO理念下優(yōu)化大學物理課程教學,強調實踐教學與理論教學的有機結合,旨在培養(yǎng)學生主動參與和實踐的能力、跨學科合作和綜合能力,以及創(chuàng)新的能力,從而提升大學物理教學質量,為學生未來的工程實踐和科研奠定堅實的基礎。首先,CDIO理念強調理論和實踐的密切聯(lián)系。以CDIO理念為指導優(yōu)化大學物理課程教學,能夠將理論與實踐內容進行有效銜接,其中理論教學可以幫助學生掌握基本的物理知識和理論,而實踐教學可以幫助學生應用理論知識解決實際問題,增強學生對物理知識的理解和應用的能力,進而有效提升大學物理教學質量。其次,CDIO理念強調跨學科合作和綜合能力的培養(yǎng)[8]。大學物理綜合性較強,需要與其他學科進行深入的交叉融合。在CDIO理念指導下的大學物理課程可以與工程、計算機科學、數學等學科進行合作,打破學科界限,促進學科交叉融合,增加物理課程的實用性和應用性,培養(yǎng)學生的跨學科思維和合作能力,使其具備解決復雜問題的綜合能力。

2.3 適應時代對高校學生能力的要求

基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學,可以使高校學生獲取更多物理學知識與技能,為他們在未來應對各行各業(yè)的挑戰(zhàn)做好充分準備。首先,基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學,能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。隨著時代的發(fā)展,創(chuàng)新已成為推動社會進步的重要驅動力。物理學涉及材料科學、能源科學等眾多領域。基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學,可以引入實踐性的教學方法,激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力,培養(yǎng)他們的觀察力、問題解決能力,從而提高創(chuàng)新能力。其次,基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學,能夠提升學生的工程實踐能力[9]。在現(xiàn)代社會,各行各業(yè)對人才的工程實踐能力要求越來越高。在CDIO理念指導下優(yōu)化大學物理課程教學,可以通過案例分析、實驗設計等實踐教學方法,使學生在實際操作中應用物理知識,了解實際工程項目需求,提高工程實踐能力,符合時代對人才提出的新要求。最后,基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學,能夠培養(yǎng)學生的團隊合作精神。在現(xiàn)實社會中,團隊合作已成為一種不可或缺的工作方式。以CDIO理念為指導優(yōu)化大學物理課程教學,可以設置小組項目,讓學生在團隊中合作完成物理項目,培養(yǎng)學生的團隊合作精神和溝通能力,幫助學生更好地適應未來工作中的團隊合作環(huán)境。

3 基于CDIO理念優(yōu)化大學物理課程教學的路徑

CDIO理念強調學科與產業(yè)的融合,注重培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力,對學生未來實現(xiàn)高質量就業(yè)具有重要意義。CDIO理念中的設計和構思與學生思維培養(yǎng)存在密切聯(lián)系,運行和實施與學生實踐能力聯(lián)系密切。因此,CDIO理念指導下優(yōu)化大學物理課程教學體系,需要明確課程教學目標,以項目式教學為驅動,整合大學物理實驗內容,完善教學評估體系,將基礎知識傳授、技能鍛煉和實踐應用聯(lián)系起來,將學生培養(yǎng)成為符合時代需求的高質量人才。

3.1 明確大學物理課程教學目標

明確大學物理課程教學目標是落實CDIO理念的首要任務,具體涵蓋教育內容和學術要求的規(guī)劃和制訂[10]。首先,教師在制訂教學目標前需要深入了解學生需求。例如,通過調研、問卷調查、與學生交流等方式,收集和整理學生的學科背景、興趣愛好、學習風格和未來職業(yè)發(fā)展方向等信息,更好地理解學生需求,為他們提供既有挑戰(zhàn)性又能滿足學習需求的物理課程。其次,將學科素養(yǎng)列入教學目標。大學物理課程教學旨在培養(yǎng)學生的科學思維能力、實驗操作能力、批判性思維和創(chuàng)新能力等學科素養(yǎng),幫助學生更深層次地掌握物理學的基本原理和應用技能。再次,大學物理課程教學目標需要與職業(yè)需求和社會發(fā)展相適應。隨著科技的快速發(fā)展,物理學在工程、生命科學、信息技術等領域扮演著重要的角色。因此,教師應根據當前職業(yè)市場的需求和社會的變化,為大學物理課程制訂能夠為學生就業(yè)和未來發(fā)展奠定堅實基礎的教學目標。最后,大學物理課程教學目標需要包含跨學科及實踐能力要求。物理學與其他學科密切相關,如數學、化學、生物學等,通過設置跨學科教學目標,可以培養(yǎng)學生的綜合能力和跨學科思維,為他們解決實際問題奠定堅實基礎。

3.2 設計項目驅動大學物理課程教學模式

CDIO理念指導下的項目驅動大學物理課程教學模式,應在教學過程中選擇合適的主題,將其設計成具有探究性和趣味性和研究項目,引導學生參與實踐,并在完成項目的過程中不斷深化學科知識,掌握知識的應用技巧,將其內化為自身解決實際問題的能力,培養(yǎng)學生的自主學習和創(chuàng)新思維,以提高學生的學習效果和綜合素質[11]。以能源為主題,設計項目驅動教學的流程如下。首先,項目選擇與設計。以能源利用為主題的物理項目驅動式教學模式,需要選擇與設計合適的項目,教師可以選擇一些簡單而有趣的項目,如太陽能電池板的制作和應用、風能發(fā)電機的制作、水能發(fā)電機的制作等,幫助學生直觀地了解能源的轉化和利用過程。其次,學生參與實踐。教學過程中,教師應當引導學生積極參與項目的實踐,指導他們親自動手制作能源利用設備,并進行實驗和測試,便于其更好地理解能源的原理和應用,培養(yǎng)他們的動手能力和實踐能力。最后,深化學習與知識應用。項目實踐結束后,學生應該進一步深化學習和知識應用,如通過撰寫實驗報告、參加小組討論、展示項目成果等形式,來總結和分享他們的學習經驗和成果。同時,教師也可以引導學生將所學知識應用到實際生活中,如設計能源利用方案,提出節(jié)能減排的建議等,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。此外,項目設計中,可以引入其他學科的知識,如數學、化學等,與物理知識進行融合,注重跨學科知識的綜合應用。例如,可以設計一個關于光的傳播和衍射的項目,讓學生通過數學模型和化學實驗,深入理解光的特性和現(xiàn)象,同時培養(yǎng)學生的跨學科思維能力。

3.3 優(yōu)化大學物理實驗教學內容

在CDIO理念指導下優(yōu)化大學物理課程,要進一步優(yōu)化實驗教學內容,提高學生的學習效果和實踐能力。首先,大學物理實驗需要引入更多與工程實踐相關的案例,讓學生通過參與真實的工程項目掌握物理理論知識,了解物理實驗的應用場景和解決問題的方法[12]。例如,可以設計一個與光學相關的實驗,讓學生通過實際操作來研究光的折射、反射等現(xiàn)象,并將此類物理原理應用于實際工程。其次,大學物理實驗需要在傳統(tǒng)實驗的基礎上引入一些創(chuàng)新性內容,以激發(fā)學生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新潛力,培養(yǎng)學生的綜合素質和科學精神。以常見的物理實驗“金屬絲楊氏彈性模量測量實驗”為例,在教學中可以有以下創(chuàng)新的點:通過介紹金屬絲在建筑、航天等領域的應用,來增強學生的興趣和實際應用意識;要求學生參與實驗設計,如選擇不同材料的金屬絲、不同直徑的金屬絲等開展實驗,從而培養(yǎng)學生的實驗設計能力和創(chuàng)新意識;可以教授學生如何通過實驗數據計算彈性模量,并引導學生運用數學知識進行數據分析和統(tǒng)計處理,提高學生的數學應用能力;可以介紹相關的測量儀器和技術,如應變儀、激光測距儀等,讓學生了解現(xiàn)代技術在實驗中的應用,提高學生的科技素養(yǎng)。最后,大學物理實驗設計需要以專業(yè)人才培養(yǎng)目標為依據,對知識和實驗內容進行有效延伸。例如,電子學和系統(tǒng)工程等工程類專業(yè)學生學習大學物理中電磁感應和剛體相關內容時,教師可以將杠桿實驗、麥克斯韋滾擺實驗、剛體轉動實驗等納入實驗教學內容,并引出汽車ABS防抱死制動系統(tǒng),引導學生基于所學知識分析系統(tǒng)運行原理,使學生對上述實驗及原理產生更深刻的認知。

3.4 完善物理課程教學評估體系

CDIO理念下優(yōu)化大學物理課程教學,不僅需要深入理解教學大綱、明確教學目標、創(chuàng)新教學方法,而且需要構建完善的教學評估體系。首先,采取多元評估方法。結合大學物理課程的特點和學習目標,采用多種評估方法,如將項目展示、項目完成情況等納入評估體系,并根據專業(yè)人才培養(yǎng)目標制訂合理的評估標準,以評估學生的知識掌握、實驗能力、問題解決能力、創(chuàng)新思維等綜合能力[13]。其次,權衡不同評估方法的權重和相對重要性。根據學習目標和教學內容的不同,適當調整各個評估方法的比例和考察要點,確保評估體系能全面反映學生在不同方面所取得的學習成果。最后,建立評估反饋機制,為學生提供個性化的反饋和指導。教師可通過批注作業(yè)、討論回顧、個別輔導等方式,指導學生發(fā)現(xiàn)和改正錯誤、提升學習效果。此外,教師自身也應對教學評估結果進行階段性反思和總結,通過教學日志、同行評課、教學觀摩等方式,借鑒其他教師的經驗,不斷改進教學策略和方法,提高自身的教學能力。

4 結語

CDIO理念是一種以培養(yǎng)工程人才為目標的教學方法論,它強調將理論知識與實踐技能相結合,注重學生的綜合能力培養(yǎng)。CDIO理念下大學物理課程教學優(yōu)化是一個漫長的過程,需要不斷總結實踐經驗,進一步明確大學物理教學目標,創(chuàng)新教學思路,優(yōu)化教學方法和內容,完善教學評估體系,不斷激發(fā)學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的工程實踐能力,使其更好地適應現(xiàn)代市場需求。