VR+CDIO工程教育模式在地方性普通院校工科專業(yè)的應(yīng)用與研究

徐東輝 凌曉輝

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡(jiǎn)稱VR)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，是當(dāng)前現(xiàn)代教育技術(shù)中的前沿技術(shù)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)O應(yīng)用于教學(xué)，使學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受者變成了虛擬環(huán)境中的一名參與者，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極作用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

CDIO理念是麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所國際著名工科院校創(chuàng)立的國際組織所提出，描述了工程教育所應(yīng)遵循的培養(yǎng)準(zhǔn)則，CDIO強(qiáng)調(diào)個(gè)人工程能力不僅應(yīng)包含個(gè)人的理論知識(shí)和專業(yè)技能，而且還應(yīng)包含終生學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)交流、大系統(tǒng)掌控等一系列能力。CDIO工程教育模式是近年來國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)(Imple ment)、運(yùn)作 (Operat)，它以產(chǎn)品從研發(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、與課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，迄今已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO國際組織，并取得了良好的效果，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生尤其受到社會(huì)與企業(yè)的歡迎。

一、研究背景

目前地方性普通院校工科專業(yè)教學(xué)普遍存在以下缺點(diǎn):

(一)重知識(shí)、輕能力;重學(xué)術(shù)、輕應(yīng)用;重說理、輕實(shí)效。

(二)教學(xué)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重投入不足及產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)，特別是工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的地方性普通院校，在科研方面與企業(yè)嚴(yán)重缺少合作、聯(lián)系。

這就使得學(xué)生產(chǎn)生以下不良反映:①進(jìn)入高校后依然是接受傳統(tǒng)的教學(xué)模式，于是對(duì)學(xué)習(xí)缺乏積極性、主動(dòng)性，以致經(jīng)常逃課;②由于理論教學(xué)沒有和工程實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生不能很好地了解本專業(yè)的應(yīng)用前景，以致學(xué)生認(rèn)為自己所學(xué)專業(yè)沒有前途，對(duì)所學(xué)專業(yè)沒有信心、自暴自棄，甚至退學(xué);③畢業(yè)生未接觸任何工程技術(shù)項(xiàng)目，沒有掌握一技之長(zhǎng)，擔(dān)心工作、前程，使得畢業(yè)前夕心里感到非?？斩?、焦躁等。

如何有效地解決以上缺點(diǎn)成為目前地方性普通院校面對(duì)的巨大課題。

二、工科專業(yè)教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

經(jīng)大量查閱國內(nèi)參考文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)工科專業(yè)教學(xué)改革的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

①僅針對(duì)某一門課程或?qū)嶒?yàn)課程開展的教學(xué)改革研究;

②針對(duì)某一專業(yè)開展的教學(xué)改革研究;

③采用某種先進(jìn)的技術(shù)或方法對(duì)某一課程或?qū)I(yè)提出的教學(xué)改革等。

以上幾個(gè)方面的改革存在以下缺點(diǎn):教學(xué)改革的輻射面不廣、不強(qiáng)，缺乏推廣意義;僅是在實(shí)驗(yàn)條件及理論教學(xué)手段、方法上的改變，未徹底改變我國大多數(shù)高校存在重視理論學(xué)習(xí)而忽視實(shí)踐、產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)的弊端;缺乏工程項(xiàng)目教育理念指導(dǎo)及工程項(xiàng)目教育實(shí)現(xiàn)體系。

針對(duì)上述情況，提出VR+CDIO工程教育模式，即以CDIO工程項(xiàng)目教育理念為指導(dǎo)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)建立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐 (實(shí)驗(yàn))平臺(tái)，以工程項(xiàng)目為該平臺(tái)的實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))項(xiàng)目，通過工程技術(shù)及經(jīng)典工程項(xiàng)目案例教學(xué)，強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研合作教育，進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)(相近)專業(yè)聯(lián)系，提升學(xué)科群建設(shè)對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的重要性;充分利用學(xué)校與企業(yè)多種不同教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源以及在人才培養(yǎng)方面的各自優(yōu)勢(shì)，把以課堂傳授知識(shí)為主的學(xué)校教育與直接獲取實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、實(shí)踐能力的生產(chǎn)、科研實(shí)踐有機(jī)結(jié)合;從根本上解決高校教育與社會(huì)需求脫節(jié)的問題，縮小高校和社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)與需求之間的差距，進(jìn)而縮短企業(yè)對(duì)應(yīng)屆畢業(yè)生的再培養(yǎng)周期，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，給同類高校，特別是工業(yè)欠發(fā)達(dá)的地方普通高校的教學(xué)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

三、VR+CDIO工程教育模式在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)調(diào)整課程教學(xué)體系，突出工程技術(shù)培養(yǎng)

為實(shí)現(xiàn)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作精神培養(yǎng)這一目標(biāo)，以自動(dòng)化專業(yè)為例，對(duì)課程進(jìn)行詳細(xì)的分析，緊扣CDIO工程教育理念，按照構(gòu)思 (功能分析)、(總體框架)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行步驟，把課程教學(xué)體系分為課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)三部分，工程實(shí)踐環(huán)節(jié)分為:加強(qiáng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)能力節(jié)的有序銜接。其中綜合設(shè)計(jì)主要是體現(xiàn)在電子、通信、機(jī)械一體化、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等專業(yè)組成的學(xué)科群對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必要性上，同時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)工程項(xiàng)目開發(fā)過程及開發(fā)經(jīng)驗(yàn)掌握，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

而在教學(xué)過程中，嚴(yán)格按照CDIO大綱的組織結(jié)構(gòu)(見圖1)，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線，課堂講解以項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程促進(jìn)學(xué)生理解各理論基礎(chǔ)知識(shí)，輔以各知識(shí)點(diǎn)精彩工程案例，利用三級(jí)工程案例來鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，并加入課外項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有效地提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在實(shí)踐中提高動(dòng)手能力，在工作中建立團(tuán)隊(duì)意識(shí)，在實(shí)踐中參與工程項(xiàng)目的實(shí)際操作環(huán)節(jié)。有效地培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識(shí)。

(二)利用CDIO工程教育理念和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)

圖1 以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的CDIO大綱

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，以CDIO工程項(xiàng)目案例庫作為該實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為了達(dá)到CDIO能力大綱的要求，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和綜合工程素質(zhì)，把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按規(guī)模和范圍劃分為三級(jí):一級(jí)為包含本專業(yè)主要核心知識(shí)和能力要求的創(chuàng)新型工程案例實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;二級(jí)為包含一組相關(guān)課程核心知識(shí)、能力要求的綜合訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;三級(jí)為增強(qiáng)單門課程能力與理解而設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以一級(jí)創(chuàng)新型工程案例實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主線，二級(jí)綜合訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為支撐，三級(jí)圍繞鞏固課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，將各項(xiàng)能力的培養(yǎng)分解到課程設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)中，整合設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)內(nèi)容，并使各門課程知識(shí)內(nèi)容有機(jī)地貫穿于整個(gè)專業(yè)教學(xué)過程之中。通過工程項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)體系在縱向和橫向的相互滲透和有機(jī)地結(jié)合，使學(xué)生專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能得到有計(jì)劃、有層次、分階段的培養(yǎng)和提高。為了保證全過程工程項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)效果，在實(shí)施過程中采取“導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)”指導(dǎo)學(xué)生的全過程工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方式。在“導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)”的帶領(lǐng)下，實(shí)施以工程項(xiàng)目實(shí)踐為導(dǎo)向、以培養(yǎng)實(shí)踐能力、系統(tǒng)能力和創(chuàng)新能力為主要目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)。并根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，提出以實(shí)踐性和探索性的綜合工程實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)為載體，在教學(xué)方式上試行主動(dòng)式自我學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)式群體學(xué)習(xí)圈。

這樣可以有效地培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)對(duì)象的真實(shí)感受，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，增強(qiáng)學(xué)生的增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。解決工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、型號(hào)落后、難以及時(shí)更新?lián)Q代的困難;節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)的安全性;學(xué)生可以在寢室、家里等實(shí)驗(yàn)室以外的任何場(chǎng)所開展實(shí)驗(yàn)研究，徹底打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與空間的局限性。

(三)采取多樣化的考核方式，培養(yǎng)工程技術(shù)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神

基于工程項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在項(xiàng)目實(shí)施及評(píng)審方面，我們分為三組，即專家評(píng)審組、導(dǎo)師指導(dǎo)組、項(xiàng)目實(shí)施組。導(dǎo)師指導(dǎo)組負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施組的指導(dǎo)工作，專家評(píng)審組負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施組的評(píng)審工作;導(dǎo)師指導(dǎo)組教師不能參與專家評(píng)審組的評(píng)審工作，導(dǎo)師指導(dǎo)組的專家必須由具有較強(qiáng)專業(yè)知識(shí)且精通相關(guān)專業(yè)的老師擔(dān)任。每個(gè)項(xiàng)目實(shí)施組都必須邀請(qǐng)電子、通信、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生參與，項(xiàng)目可以由學(xué)生、導(dǎo)師或?qū)W生和導(dǎo)師共同協(xié)商提出，而考核則基于項(xiàng)目學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括增加項(xiàng)目報(bào)告、設(shè)計(jì)評(píng)估等。通過報(bào)告、自評(píng)、專家評(píng)審等形式，參考學(xué)生在項(xiàng)目中的作用，分享知識(shí)的能力，負(fù)責(zé)部分項(xiàng)目的完成質(zhì)量等情況合理科學(xué)地制定評(píng)價(jià)方式，以保護(hù)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，提高人才質(zhì)量。以基于單片機(jī)的智能交通信號(hào)燈為例(二級(jí)工程項(xiàng)目)，在最后的成績(jī)中，學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)占15% ，包括項(xiàng)目的創(chuàng)新、合作、溝通和分享知識(shí)的能力等;項(xiàng)目評(píng)審驗(yàn)收、報(bào)告占70% ，包括項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)、完成的質(zhì)量、分工、能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能等，在該項(xiàng)目中創(chuàng)新點(diǎn)主要是指該系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)檢查各方向的車子流量，并及時(shí)調(diào)整紅綠燈的控制時(shí)間，以方便交通運(yùn)行;期末考試占15%，考試內(nèi)容也是緊緊圍繞基本概念和基本原理的應(yīng)用，出靈活的、綜合性的題目，理論緊密聯(lián)系工程實(shí)際問題，注意培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程項(xiàng)目實(shí)際問題的能力，如在單片機(jī)課程考試中，引腳在在工程應(yīng)用中為什么要接上拉電阻等問題。

在考核上采用階段評(píng)價(jià)、目標(biāo)評(píng)價(jià)、過程評(píng)價(jià)、理論與工程項(xiàng)目實(shí)踐一體化評(píng)價(jià)、校企共同評(píng)價(jià)、專家項(xiàng)目驗(yàn)收等多種模式。關(guān)注評(píng)價(jià)的多元性，過程化考核+終結(jié)性評(píng)價(jià)的考核方式對(duì)學(xué)生綜合評(píng)價(jià)。

(四)培養(yǎng)“雙師型”教師隊(duì)伍，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的需求

教師隊(duì)伍的建設(shè)能保證成人高等教育特色和質(zhì)量，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的要求。因此，教師必須改革現(xiàn)有的教學(xué)方法，采用結(jié)合工程實(shí)際，實(shí)行工程技術(shù)啟發(fā)式教學(xué)、工程項(xiàng)目案例教學(xué)、講座形式及學(xué)生主動(dòng)提議講課內(nèi)容、形式等多種方式。這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。還可以與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系，積極組織學(xué)員參與科技咨詢、科技開發(fā)、科技成果推廣等工作，把人才培養(yǎng)與技術(shù)創(chuàng)新、實(shí)用技術(shù)的推廣結(jié)合起來，促進(jìn)科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新意識(shí)及技術(shù)創(chuàng)新的能力。這就要求我們的教師既要具有廣博的知識(shí)、豐富的工程技術(shù)實(shí)踐能力，還要有良好的職業(yè)道德和細(xì)致耐心、教書育人的良好素質(zhì)，又能解決生產(chǎn)中的工程實(shí)際問題，是在生產(chǎn)中具有一定指導(dǎo)作用的工程師素質(zhì)的“雙師型”教師。

為加強(qiáng)“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)，學(xué)校應(yīng)選派年輕老師到企業(yè)實(shí)踐，參加企業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉或企業(yè)一線掛職鍛煉。以青年教師導(dǎo)師制、企業(yè)實(shí)踐、掛職鍛煉、教師科研團(tuán)隊(duì)等多種形式，培養(yǎng)出一批“雙師型”教師隊(duì)伍。積極培養(yǎng)在省內(nèi)、國內(nèi)企業(yè)中有廣泛影響、能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理進(jìn)行咨詢指導(dǎo)的專家級(jí)人才。同時(shí)，外聘一批企業(yè)高級(jí)工程師、企業(yè)老總、企業(yè)一線技術(shù)人員到校兼職任教、開展講座等。積極聘請(qǐng)社會(huì)知名的退休技術(shù)專家和管理專家到校任教，以帶動(dòng)校內(nèi)教師實(shí)踐能力的提高，努力建設(shè)一支高水平的“雙師型”教師隊(duì)伍，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的需求。

四、VR+CDIO工程教育模式的創(chuàng)新點(diǎn)

(1)從根本上解決高校電子類專業(yè)教育與社會(huì)需求脫節(jié)問題，縮小高校和社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)與需求之間的差距，同時(shí)縮短企業(yè)對(duì)應(yīng)屆畢業(yè)生的再培養(yǎng)周期;

(2)解決高等院校電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、型號(hào)落后、難以及時(shí)更新?lián)Q代的困難;節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)的安全性;打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與空間的局限性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)對(duì)象的真實(shí)感受;

(3)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步提高高校電子類專業(yè)的就業(yè)率，減少應(yīng)屆畢業(yè)生的自殺率;

(4)提出一種易于實(shí)現(xiàn)、推廣、適應(yīng)性強(qiáng)(特別是適應(yīng)工業(yè)欠發(fā)達(dá)的地方普通高校的需求)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式;

(5)可將工程項(xiàng)目案例實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成果應(yīng)用于教師科研工作，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高，并將成果向高校相關(guān)專業(yè)推廣;

(6)建立新產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，反哺周邊地區(qū)相關(guān)企業(yè)。

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