CDIO教育模式在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

吳泉英，王 帆，徐宗寧，朱愛(ài)敏，姚慶香，樊麗娜

（蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

物理實(shí)驗(yàn)課程是大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸到的第一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)課程真正培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。如何通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力是我們一直關(guān)注的問(wèn)題，近年來(lái)，通過(guò)積極地探索和改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，引入新的理念，探索新的模式，將CDIO的工程教育模式和我們的培養(yǎng)方案結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建工程教育的環(huán)境和模式。CDIO工程教育模式［1］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），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(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培養(yǎng)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)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)［2］。更重要的是它提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實(shí)施指導(dǎo)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，為工程教學(xué)改革提供了模板［3］。CDIO是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)［4－5］。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施“做中學(xué)”CDIO模式，是進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，充分培養(yǎng)學(xué)生“做事”和“做成事”的能力。

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何實(shí)施“做中學(xué)”CDIO模式

CDIO方法鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)和綜合學(xué)習(xí)，開(kāi)展學(xué)術(shù)研討活動(dòng)，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)構(gòu)建技能，學(xué)習(xí)與人交流合作技巧。在此過(guò)程中，指導(dǎo)教師將適應(yīng)各種主動(dòng)學(xué)習(xí)和綜合學(xué)習(xí)方法，講座型、工程型課程或體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，如基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、模擬和案例研究等［6－7］。通過(guò)省級(jí)示范中心建設(shè)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容已從原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主改革為以綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，形成了大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、課題性實(shí)驗(yàn)四個(gè)層次的教學(xué)體系。在此基礎(chǔ)上，建立CDIO“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生在“做中學(xué)”的過(guò)程中，系統(tǒng)地得到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的整體訓(xùn)練。

將工程師職場(chǎng)環(huán)境作為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境。工程師職場(chǎng)環(huán)境是以需要為本，提供市場(chǎng)完整的產(chǎn)品和服務(wù)，持續(xù)創(chuàng)新和改進(jìn)，問(wèn)題的解決，與人共事，有效溝通，在現(xiàn)有資源和條件下把事做成［8］。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，按照工程教育環(huán)境構(gòu)建的要求，培養(yǎng)學(xué)生“做事”和“做成事”的能力。在綜合和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生預(yù)先自學(xué)的習(xí)慣，學(xué)會(huì)查閱資料，并將知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，主動(dòng)積極地解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生以項(xiàng)目組的形式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，注重培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在問(wèn)題解決和與人共事的過(guò)程中，不斷交流與溝通，在“做中學(xué)”并在“做中學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)”，發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)點(diǎn)、新的實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1.1 CDIO教學(xué)在理工科專(zhuān)業(yè)物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐

針對(duì)學(xué)校培養(yǎng)工科應(yīng)用型人才的目標(biāo)定位，在土木工程、交通工程等工科物理實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)置設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以項(xiàng)目組形式實(shí)施，學(xué)期初實(shí)驗(yàn)中心給出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求，學(xué)生組成項(xiàng)目組，先構(gòu)思設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的思路，通過(guò)討論確定實(shí)驗(yàn)題目與方案，然后著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放環(huán)境中，實(shí)施設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)器件的采購(gòu)等，有必要時(shí)請(qǐng)教企業(yè)或?qū)嵙?xí)基地的工程師，完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。“做中學(xué)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，將課堂還給學(xué)生，學(xué)生完成整個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，將課堂從實(shí)驗(yàn)室延伸至圖書(shū)館、企業(yè)、實(shí)習(xí)基地等。

1.2 CDIO教學(xué)在應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐

在培養(yǎng)方案的物理實(shí)驗(yàn)大綱中，實(shí)施CDIO教育，通過(guò)精心規(guī)劃的構(gòu)思，設(shè)計(jì)，實(shí)施，運(yùn)作（CDIO）項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)的理念。以應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)為例，開(kāi)設(shè)《普通物理實(shí)驗(yàn)》、《普通物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)》和公選課類(lèi)物理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將物理實(shí)驗(yàn)課程體系和系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)在《普通物理實(shí)驗(yàn)》課程項(xiàng)目實(shí)施中構(gòu)思，設(shè)計(jì)，實(shí)施，運(yùn)作（CDIO）的理念，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生從工程訓(xùn)練的角度去實(shí)踐物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?！镀胀ㄎ锢碓O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》是在學(xué)生接受《普通物理實(shí)驗(yàn)》工程訓(xùn)練基礎(chǔ)上，學(xué)生具備基本的工程項(xiàng)目理念和“做中學(xué)”的工程思維，進(jìn)一步貫徹CDIO理念。在《普通物理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》中全面實(shí)施項(xiàng)目制，學(xué)生以項(xiàng)目組的形式進(jìn)行。項(xiàng)目課題的來(lái)源是在學(xué)生所學(xué)過(guò)的知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合所在地區(qū)企業(yè)的工程技術(shù)需求問(wèn)題，或者結(jié)合老師的科研課題。另外也鼓勵(lì)學(xué)生自己通過(guò)資料的搜集后自己制定項(xiàng)目課題。每個(gè)課題均由學(xué)生負(fù)責(zé)，并有教師指導(dǎo)。課題確定后，項(xiàng)目組學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，通過(guò)查閱資料、小組討論，制定出解決課題的思路和方案，并與指導(dǎo)教師討論可行性。方案通過(guò)后，借助實(shí)驗(yàn)室儀器或購(gòu)買(mǎi)相關(guān)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室完成項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)試，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決具體工程問(wèn)題。課題的成果參加各類(lèi)學(xué)科比賽、與企業(yè)聯(lián)系進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓、發(fā)表文章或申請(qǐng)專(zhuān)利。

項(xiàng)目中從實(shí)驗(yàn)方案的構(gòu)建至實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，都由學(xué)生“做”。通過(guò)項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，完整地展開(kāi)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過(guò)程。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在選題時(shí)，學(xué)生需從解決問(wèn)題出發(fā)，探索工程問(wèn)題，激發(fā)他們對(duì)工程問(wèn)題的興趣和掌握解決問(wèn)題的途徑等方面選擇一個(gè)合適的項(xiàng)目。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)用工程科學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)與制作完成實(shí)驗(yàn)作品，并將實(shí)驗(yàn)作品作為成果參加各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽。

例如，太陽(yáng)能電池特性研究與應(yīng)用綜合研究，這個(gè)項(xiàng)目是針對(duì)近年來(lái)太陽(yáng)能應(yīng)用需求這個(gè)熱門(mén)課題而設(shè)計(jì)的，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成太陽(yáng)能電池的基本特性測(cè)試，太陽(yáng)能如何存儲(chǔ)和應(yīng)用，涉及多種應(yīng)用電路，如升壓電路、應(yīng)急電路、光通信電路等的設(shè)計(jì)。學(xué)生需從解決問(wèn)題出發(fā)，探索工程問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生構(gòu)思，利用學(xué)過(guò)的知識(shí)，結(jié)合需解決的問(wèn)題，選擇合適的方案。在解決太陽(yáng)能存儲(chǔ)和如何實(shí)現(xiàn)有效升壓這個(gè)問(wèn)題時(shí)，學(xué)生通過(guò)反復(fù)地查閱資料并與教師交流，最終確定了用法拉電容完成升壓電路的設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室用碘鎢燈作為太陽(yáng)模擬光，搭建實(shí)際光路和電路，在項(xiàng)目小組中各成員分工合作，積極完成儀器元件的采購(gòu)、調(diào)試，初步的模擬并完成調(diào)試，很好地解決升壓的具體的工程問(wèn)題。此課題的順利完成后，請(qǐng)企業(yè)的工程師與項(xiàng)目組一起討論項(xiàng)目?jī)x器的制作，通過(guò)學(xué)校與企業(yè)的合作，完成儀器的制作，相應(yīng)儀器參加省級(jí)物理實(shí)驗(yàn)作品競(jìng)賽并獲獎(jiǎng)。又如，學(xué)生通過(guò)學(xué)校與傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司聯(lián)合成立的工程技術(shù)研究中心開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。利用這個(gè)合作平臺(tái)，開(kāi)展傳感器制作及傳感器測(cè)控技術(shù)科研與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，項(xiàng)目的全過(guò)程均由企業(yè)工程師參與指導(dǎo)，學(xué)生深入企業(yè)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，完成的作品“壓力傳感器與水位控制”獲江蘇省高校大學(xué)生物理及實(shí)驗(yàn)科技創(chuàng)新作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。理論結(jié)合實(shí)踐的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生盡早接受工程教育，有利于培養(yǎng)“零適應(yīng)期”的本科生，從時(shí)間和空間上縮短學(xué)校與企業(yè)的差距。

2 CDIO在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

通過(guò)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐，CDIO工程教育模式的確可以為我們解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方面的弊端提供了一個(gè)很好的途徑。但在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具體的應(yīng)用該模式時(shí)，須注意或需解決一些問(wèn)題。

2.1 師資隊(duì)伍的現(xiàn)狀及建議

目前，學(xué)校大部分教師是在知識(shí)傳授教學(xué)模式（如講授）下培養(yǎng)起來(lái)的，在工業(yè)環(huán)境中的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)卻非常有限［9］。教師隊(duì)伍中長(zhǎng)期以來(lái)缺乏有工程背景的人才的加入，大部分教師沒(méi)有參加企業(yè)解決具體的工程問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)。在組織教學(xué)的時(shí)候，實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容與具體工程問(wèn)題的結(jié)合少。這導(dǎo)致我們的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)時(shí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不能與具體工程問(wèn)題相聯(lián)系，學(xué)生畢業(yè)后面臨具體工程問(wèn)題還是無(wú)從下手。

要加強(qiáng)學(xué)校與企業(yè)的合作，讓博士、碩士畢業(yè)進(jìn)校的青年教師有組織有計(jì)劃地到有關(guān)的工程第一線去鍛煉，及時(shí)了解行業(yè)、企業(yè)的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝，參與工程實(shí)踐活動(dòng)，如企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)以及技術(shù)改造，甚至工礦企業(yè)的運(yùn)行、營(yíng)銷(xiāo)和管理，了解企業(yè)的需求，提高教師自身的工程素質(zhì)和工程教育能力［10］。學(xué)校還可聘請(qǐng)企業(yè)工程師參加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的討論和制訂。

教師應(yīng)以積極的熱情面對(duì)人生的挑戰(zhàn)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，以接受和歡迎的態(tài)度迎接千變?nèi)f化的網(wǎng)絡(luò)信息，以學(xué)習(xí)的態(tài)度對(duì)待一切新生事物，樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的觀念，不落后于時(shí)代，成為合格的現(xiàn)代教師［10］。

2.2 積極構(gòu)建工程教育環(huán)境

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是學(xué)生研究性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等的教學(xué)基地，也是實(shí)施創(chuàng)新教育、培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要場(chǎng)所［11］。積極構(gòu)建開(kāi)放的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生提供工程教育的環(huán)境。一方面充分開(kāi)發(fā)和利用實(shí)驗(yàn)室資源供學(xué)生利用，加大實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的程度。另外利用到企業(yè)參觀、利用校企合作的實(shí)習(xí)基地等，從多個(gè)方面為學(xué)生提供理論聯(lián)系實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

3 結(jié) 論

CDIO教育模式是構(gòu)思－設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)－運(yùn)作的有機(jī)結(jié)合，以培養(yǎng)高級(jí)工程專(zhuān)業(yè)人才為目標(biāo)的高等工程教育新模式。CDIO教育模式通過(guò)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施，為培養(yǎng)具有工程思維和實(shí)際工程能力的應(yīng)用型人才提供了工程教育的教學(xué)方法論。此模式的有效地實(shí)施，需要我們?cè)诮處熽?duì)伍、激勵(lì)機(jī)制上進(jìn)行改革，加大開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、校企聯(lián)合實(shí)踐基地建設(shè)，積極創(chuàng)建CDIO環(huán)境。在CDIO教育模式實(shí)施過(guò)程中，需要不斷地加強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中注重人文精神的熏陶，從而使培養(yǎng)出的工程師具備優(yōu)秀的職業(yè)道德、正直、富有責(zé)任感，較強(qiáng)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的能力和團(tuán)隊(duì)精神。

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