基于CDIO理念的工程思維培養(yǎng)實(shí)踐研究

班戈 賈磊

摘? 要 基于CDIO理念，提出更適合低年級(jí)學(xué)生工程思維培養(yǎng)的CDIR教學(xué)模式，實(shí)施過程采用PBL教學(xué)法為載體，鍛煉、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，特別是工科生的工程思維，為學(xué)生以后的工程實(shí)踐服務(wù)。以電路課程為例，對(duì)學(xué)生工程思維能力進(jìn)行培養(yǎng)，并對(duì)培養(yǎng)模式進(jìn)行總結(jié)，為工程思維能力構(gòu)建和培養(yǎng)及后續(xù)課程的教學(xué)提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 CDIO;CDIR;工程教育;工程思維能力;PBL教學(xué)法

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）07-0134-03

1 從CDIO到CDIR

CDIO工程教育模式是以構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（De-sign）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)行（Operate）為構(gòu)成要素的教育[1]，關(guān)注的是學(xué)生工程思維和工程能力的培養(yǎng)。以CDIO工程教育模式為藍(lán)本，延伸出CDIR（R來自Rethink，

反思）的人才培養(yǎng)模式，即“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—反思”的教學(xué)模式，適用于大一至大三年級(jí)。該培養(yǎng)模式重在提高學(xué)生工程思維的意識(shí)和能力，緊密貼合基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)，注重在教學(xué)中增加反思和自構(gòu)建元素，提高知識(shí)的綜合性運(yùn)用，具體模式如表1所示。對(duì)于CDIR教學(xué)模式培養(yǎng)工程思維的實(shí)踐最有利的載體莫過于PBL教學(xué)法。

2 PBL教學(xué)法培養(yǎng)工程思維的電路課程實(shí)踐

電路課程是電子科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)（甚至其他工科專業(yè)）的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是該專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門工科類課程，是一門理論與實(shí)踐并重的課程[2]。長期以來，在電路課程的教學(xué)實(shí)踐中往往更重視理論的完整性和系統(tǒng)性，而較少考慮它對(duì)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)工程問題的思維方法的培養(yǎng)和鍛煉，特別是如何為工程實(shí)踐服務(wù)的思維[3]。

在電路課程教學(xué)中，學(xué)生事先學(xué)習(xí)了大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)等課程，故具有相關(guān)數(shù)理根底和數(shù)理思維方式[4]。與這些思維方式不同，工程思維是價(jià)值定向的思維，其核心是解決工程問題，意味著問題的解決方案并不唯一，存在多個(gè)不同的完成該任務(wù)的設(shè)計(jì)方案[5]，

需要工程師在眾多因素中突出主要矛盾，忽略次要矛盾。

PBL教學(xué)法的特征? PBL（Problem-Based Learning，簡稱PBL）是一套設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境的教學(xué)方法，最早起源于20世紀(jì)50年代[6]。

1）PBL教學(xué)流程。PBL教學(xué)流程一般是教師提出問題，學(xué)生自主探究，在整個(gè)過程中的團(tuán)隊(duì)合作也是不可缺少的。

2）PBL的設(shè)計(jì)內(nèi)涵。上課之前，指導(dǎo)教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容提出實(shí)際或虛擬的電路工程問題或項(xiàng)目，通過課前推送課件、資料等發(fā)布在線上平臺(tái)，由班長組織學(xué)生自行分組。課上，教師提出該問題或項(xiàng)目，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行探討并論述觀點(diǎn)，不足之處由其他學(xué)生補(bǔ)充，最后由學(xué)生對(duì)問題解決方案作小結(jié)。PBL教學(xué)模式體現(xiàn)了“課堂是靈魂，學(xué)生是主體，教師是關(guān)鍵”的教學(xué)理念，教師“退出”課堂，僅僅成為知識(shí)體系構(gòu)建的推動(dòng)者[7]。

對(duì)于電路課程而言，運(yùn)用PBL教學(xué)法，學(xué)生需要綜合運(yùn)用以前學(xué)習(xí)過的知識(shí)、原理，通過各自的認(rèn)知方法和技巧，把學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)結(jié)合環(huán)境實(shí)際來解決先前沒有遇到過的問題。

教學(xué)過程? 教學(xué)過程由案例導(dǎo)入、自主討論探究、總結(jié)陳述和自發(fā)遷移學(xué)習(xí)四部分組成。

1）案例導(dǎo)入，提出問題。提出問題，引起學(xué)生注意并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。以電路課程第四章中的最大功率傳輸定理教學(xué)為例，問題：用電器要想從線路中獲得的能量最多，該怎么辦？這個(gè)問題緊扣實(shí)際應(yīng)用，能夠馬上引起學(xué)生注意，學(xué)生很快知會(huì)問題意圖，同時(shí)表現(xiàn)出解題興趣和求解動(dòng)機(jī)，引發(fā)學(xué)生思考。

2）主體討論，自主探究。根據(jù)問題，各組分頭討論。學(xué)生會(huì)自覺回顧已有知識(shí)，從中排查、篩選相關(guān)知識(shí)、概念、原理，提取有效知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)，重構(gòu)知識(shí)，且比較同組其他學(xué)生問題解決方法的異同，找出優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，將問題分解成幾個(gè)小問題或小目標(biāo)，選擇相對(duì)應(yīng)的原理、推論解決各個(gè)小目標(biāo)，分別評(píng)價(jià)問題解決的恰當(dāng)性。各組方案分別陳述，經(jīng)過比較討論后，學(xué)生自然得出典型的切合實(shí)際的方法或方案，最終根據(jù)方案步驟，按部實(shí)施，歸納問題解決方法、措施、實(shí)施路徑并總結(jié)效率效果信息。如根據(jù)問題，學(xué)生會(huì)自動(dòng)搜索已有儲(chǔ)備知識(shí)，包括基爾霍夫電壓、電流定律，戴維寧定理，實(shí)際電壓源和電流源的等效變換等知識(shí)，提出解決問題的典型思維即搭建電路，但是為了簡化電路，需要應(yīng)用戴維寧定理。于是問題被分成若干子目標(biāo)：①選擇可變電阻充當(dāng)負(fù)載;②利用戴維寧定理簡化電路;③利用數(shù)學(xué)極值問題計(jì)算最大功率。最終確定問題解決的方案，如圖1所示。

負(fù)載RL得到的功率為函數(shù)：

對(duì)P求導(dǎo)得：

得到當(dāng)RL=Req時(shí)，負(fù)載獲得功率最大為：

3）總結(jié)陳述。由學(xué)生代表闡述問題的特征，根據(jù)問題解決的效率和效果方面的信息，總結(jié)有效的問題解決方法或方案，加深學(xué)生對(duì)問題、方法、知識(shí)、原理的認(rèn)識(shí)。通過總結(jié)陳述，部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)用電器要想從線路中獲得的能量最多，這個(gè)問題只適用于一端口電路給定，負(fù)載電阻可調(diào)的情況。于是學(xué)生就把最大功率傳輸定理的適用范圍總結(jié)出來，而且發(fā)現(xiàn)應(yīng)用戴維寧定理或諾頓定理計(jì)算最大功率問題是最方便的。

4）自發(fā)遷移學(xué)習(xí)。通過總結(jié)陳述，學(xué)生肯定了自己提出的解決方法或方案，但會(huì)自然地聯(lián)想到當(dāng)負(fù)載獲得功率最大時(shí)，是不是意味著電路的傳輸效率為50%？在實(shí)驗(yàn)室搭建線路進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)由于一端口等效電阻消耗的功率通常并不等于端口內(nèi)部消耗的功率，因此，當(dāng)線路中的負(fù)載獲取功率最大時(shí)，整個(gè)電路的傳輸效率并不一定是50%。通過遷移學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)戴維寧定理和諾頓定理的應(yīng)用及應(yīng)用范圍有了更深刻的理解，在這個(gè)過程中工程思維也得到有效的鍛煉和提高。

通過上述教學(xué)過程，學(xué)生的思維能力得到提高，特別是工程思辨思維得到鍛煉，學(xué)生在PBL教學(xué)過程中的工程思維發(fā)生發(fā)展過程以及在此過程中的CDIR教學(xué)模式的體現(xiàn)總結(jié)如表2所示。

教學(xué)效果分析? 基于CDIO理念的CDIR教育模式在培養(yǎng)工程思維的實(shí)踐過程中，通過PBL教學(xué)法的運(yùn)用，特別是在學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門工科類課程電路中的應(yīng)用，能夠極大地調(diào)動(dòng)和活躍學(xué)生的思維，跳出傳統(tǒng)灌輸式知識(shí)學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生多角度思索問題、解決問題，充分應(yīng)用各種學(xué)科知識(shí)完成問題的處理。在上述例子中，通過問題的提出引起學(xué)生自發(fā)思考，學(xué)生提出解決問題的方案不止一個(gè)，但對(duì)比各個(gè)方案，會(huì)自己討論并總結(jié)哪一個(gè)方案更符合和適合實(shí)際問題的解決。通過總結(jié)陳述，學(xué)生總結(jié)了此類問題的解決方法或方案，通過自發(fā)遷移學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)定理的適用范圍以及與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)際的關(guān)系。在這個(gè)過程中，CDIR教學(xué)模式不斷在貫穿學(xué)生的思維，特別是工程思維得到充分錘煉和進(jìn)步。同時(shí)，采用PBL教學(xué)法能夠營造緊張活潑的學(xué)習(xí)氛圍，在探討和交流過程中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和內(nèi)化在潛移默化地加深，從而繼續(xù)引發(fā)對(duì)運(yùn)用工程處理方案解決實(shí)際問題的思考，不斷發(fā)現(xiàn)和解決新的問題。同時(shí)，學(xué)生的口頭表達(dá)能力、終身學(xué)習(xí)能力等都得到錘煉和提高，為今后盡早成為合格的工程師做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

本文基于CDIO理念提出更適合醫(yī)學(xué)工程類低年級(jí)學(xué)生工程思維培養(yǎng)的CDIR教學(xué)模式，以PBL教學(xué)法為載體，發(fā)掘、鍛煉、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維特別是工科生的工程思維，為學(xué)生以后的工程實(shí)踐服務(wù)。以電路課程為例，將教學(xué)過程分為案例導(dǎo)入、主體討論、總結(jié)陳述、自發(fā)遷移學(xué)習(xí)四個(gè)模塊，以問題為驅(qū)動(dòng)，通過學(xué)生自主研討，提出典型的切合實(shí)際的方法或方案并按部實(shí)施，歸納問題解決效率效果方面的信息，從而加深學(xué)生對(duì)問題、方法、知識(shí)、原理的認(rèn)識(shí)。本文總結(jié)了學(xué)生在PBL教學(xué)過程中工程思維的發(fā)生發(fā)展過程，以及CDIR教學(xué)模式的貫穿體現(xiàn)，為后續(xù)相關(guān)課程教學(xué)提供了一定的參考和借鑒?！?/p>

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