基于CDIO工程教育理念的《光電檢測技術》教學改革

鐘敏 程科 陳鋒 肖朝

摘要：針對傳統(tǒng)的《光電檢測技術》課程教學模式無法有效實現(xiàn)培養(yǎng)高素質工程人才的現(xiàn)狀，文章在該門課程的教學中引入了CDIO工程教育理念。以設計為導向，以任務為驅動，引導學生積極參與工程項目的構思、設計、執(zhí)行和運作等每一環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，實現(xiàn)高質量工程技術人才的培養(yǎng)和社會需求有著重要的意義。

關鍵詞：工程教育;光電檢測技術;教學改革;實踐能力

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0091-03

一、引言

繼《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》之后，教育部于2012年3月16日頒發(fā)了《關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號）。二者均對提升人才培養(yǎng)水平、增強科學研究能力、服務經(jīng)濟社會發(fā)展、推進文化傳承創(chuàng)新以及全面提高高等教育質量等提出了要求。該意見明確規(guī)定，本科教育要創(chuàng)造條件，優(yōu)化學科專業(yè)和人才培養(yǎng)結構，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)高素質復合型人才，實現(xiàn)我國高等教育的可持續(xù)發(fā)展[1]。在黨的十九大報告中，習近平同志指出：創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，是建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的戰(zhàn)略支撐。為此，將培養(yǎng)目標定位于提高應用型人才的創(chuàng)新能力上，為達到該目標和要求，將先進的CDIO工程教育理念[2]引入到教學工作中來，以實現(xiàn)培養(yǎng)具有高質量工程技術人才，培養(yǎng)滿足社會多樣性需求的工程應用型人才，提升國家的工業(yè)競爭力和綜合實力。

本科教育在培養(yǎng)適量基礎型人才、學術型人才的同時，著力培養(yǎng)多規(guī)格、多樣化的工程應用型人才[3]。工程應用型人才不僅具有寬厚的基礎理論知識和專業(yè)技術知識、工程創(chuàng)新意識[4]和實踐操作能力，同時還具有個人自主學習能力和工程系統(tǒng)能力、人際團隊溝通與協(xié)作能力。CDIO工程教育模式是培養(yǎng)工程應用型人才最先進的國際工程教育模式，體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學性和先進性的統(tǒng)一，代表了當代工程教育的發(fā)展趨勢。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的標準。該理念最早由麻省理工學院、美國工程院以及瑞典皇家工程院等4所大學經(jīng)過4年的不懈努力和探索研究創(chuàng)立而成。其中，CDIO分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），包括了三個核心文件：1個愿景、1個大綱和12條標準。努力打造并建立集產(chǎn)品和系統(tǒng)的構思—設計—實現(xiàn)—運行（CDIO）整體過程為一體的工程教育。目前已有包括斯坦福大學、悉尼大學、阿斯頓大學、利茲大學等幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，按CDIO模式培養(yǎng)的學生深受社會與企業(yè)的歡迎。汕頭大學于2006年成為CDIO國際組織在中國的第一個會員單位，此后，北京交通大學、成都信息工程大學、清華大學、燕山大學以及安徽建筑大學也相繼成了會員單位。

二、《光電檢測技術》課程教學現(xiàn)狀

我校開設的《光電檢測技術》[5]課程結合了電子技術和光學技術，是一門多學科交叉綜合性較強的課程，主要研究各類光電器件的組成、工作原理、特性參數(shù)及光電轉換的基本電路和實際應用[6]。光電檢測技術具有比傳統(tǒng)純電子測量技術檢測精度更高、檢測速度快、非接觸、實時在線以及自動化程度更好的特點。因而該技術在工業(yè)、商業(yè)、農業(yè)以及軍事等領域都得到了廣泛的應用?！豆怆姍z測技術》的課程教學對于銜接先前的工程光學、模擬電子技術、數(shù)字電子技術以及信息光學等課程內容以及拓展知識的綜合運用具有非常重要的意義。該課程是眾多高等工科院校的光電信息科學與工程、光學工程以及測控技術與儀器等專業(yè)的學科基礎教育課程，同時也是許多本科理工科專業(yè)的必修課程，因而《光電檢測技術》的課程教學和研究越來越受到高等院校和科研機構的重視。隨著信息技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的“光電檢測技術”在教學過程中越來越顯現(xiàn)出諸多弊端，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，課程教學重點不突出。光電檢測技術是多學科的交叉，其教學內容多，知識面很廣，包括光學、光譜學、光電子學、電子學、半導體技術以及計算機等學科內容，并且學習時間有限，如果在有限的學時內同時達到學科的廣度和內容的深度，教學內容做到面面俱到，是具有一定的挑戰(zhàn)和難度的。重點不突出很容易讓學生感覺更加困惑，喪失學習主動性，影響教學效果。

第二，光電檢測技術本身理論性偏強，涉及的知識面廣，原理性內容多而零散。從光源到光電檢測器件，都是從內部原理結構開始分析，然后到不同種類的區(qū)別，最后到不同場合的應用。例如半導體理論中的能帶、載流子和PN結;光電檢測器件中不同元器件的原理與結構，包括光電導器件、光生伏特器件、光電發(fā)射器件、熱輻射探測器件、熱釋電器件、光耦合器件以及圖像傳感器等。其內容較為抽象，學生理解和記憶起來很有難度。

第三，教學中仍然采取灌輸式的講授法。《光電檢測技術》課程的應用性較強，過分濫用講授教學，容易讓學生的認知結構和已有知識的儲備無法與課堂上所講授的知識進行良好銜接，知識的脫節(jié)會導致學生主體性缺失，處于被動的學習狀態(tài)，限制了學生的積極性和主觀能動性，不利于學生自學能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的發(fā)展，同時也不符合現(xiàn)代教育的目標。

三、《光電檢測技術》課程教學改革

針對這一系列的問題，迫切需要探索一條符合我校光電信息科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)的新模式。基于CDIO工程教育理念，在教學過程中，讓學生不斷地構思和實踐，以學生為主體，調動學生學習的主動性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生掌握思考問題、解決問題的方法，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，使學生能牢固掌握以及充分理解其所學習的知識，提升學生的實踐動手能力和學習技巧，有助于提高教學質量，更好地推動卓越工程師的培養(yǎng)。

第一，理論教學內容。首先，優(yōu)化課程內容體系，注重因材施教。在課程的定位與優(yōu)化方面，注意理論、應用和設計的平衡。對教材合理取舍并有所側重，對教材中的經(jīng)典理論和原理進行保留，并突出重要內容，精講重點知識，泛講拓展內容;其次，因教材落后于光電檢測技術的快速發(fā)展，課本上的知識比較陳舊，與時代發(fā)展脫節(jié)，為使學生了解最新的、前沿的光電檢測技術，應在授課內容中及時補充一些新理論、新技術、新應用和新成果;最后，對于教學內容的講授，應該抓住主線，逐步展開。注意章節(jié)與章節(jié)之間的內在聯(lián)系，在教學內容的安排上，采用先整體介紹，再部分詳細介紹，最后回到整體應用分析的方式。

第二，課含實驗。本著“強化動手、突出創(chuàng)新”的原則，課含實驗與教學內容可同步進行，這對消化課堂理論知識、加深基本概念的理解、打開學生思路以及強化基本能力的訓練有良好的促進作用。課含實驗的教學將采用獨立的研究形式，重在培養(yǎng)學生的研究能力和創(chuàng)新意識。實驗過程有助于培養(yǎng)學生查閱資料、思考以及創(chuàng)新的能力，有助于熟悉科學研究的思路和方法?！豆怆姍z測技術》課程的教學中采用CDIO工程理念，以“設疑—設計—探索—分析”為教學方法，如圖1所示。以高錳酸鉀溶液的濃度檢測設計為題，讓學生分組進行調研學習，思考檢測方法并給出設計方案;教師對每組設計方案逐一評價并指出方案中存在的不足以及考慮不周之處，學生根據(jù)老師的引導完善方案，給出最終設計框圖;在教師的引導下，學生嘗試實驗系統(tǒng)的搭建，根據(jù)檢測結果的反饋，不斷進行反思和改進;將檢測結果和數(shù)據(jù)形成實驗報告，各小組依次演示實驗結果，講述主要的實驗思路與實驗方法，在老師指導下進行數(shù)據(jù)處理和結果分析。在整個實驗過程中，各小組之間不同解決問題的思路和方法將會拓展學生的思維，碰撞出新的想法，打開新的思路。在整個實驗的過程中，以學生為活動主體，教師只是活動的組織者和引導者，并適當給予啟發(fā)式指導。這樣學生的動手能力和獨立解決問題的能力才能得到實質性的提高。

第三，教學方式?；贑DIO工程教育理念，結合教學平臺及創(chuàng)新實驗教學思想，建立了一個教育模式，如圖2所示：

首先，在課堂上采用啟發(fā)式教學，調動學生學習思考的主動性和積極性，結合學生的理解水平和興趣點講解重難點內容，拋出問題，充分發(fā)揮學生學習的自覺性、積極性和創(chuàng)造性。根據(jù)學生的理解和吸收的知識點加以區(qū)分、拓展和延伸，啟發(fā)學生進行思考和討論，培養(yǎng)學生的構思（Conceive）和設計（Design）能力。除利用課堂上多媒體進行教學之外，我校還建立了教學資源網(wǎng)站，充分完善了現(xiàn)代教學手段，總結每章節(jié)的重難點，收集光電檢測技術中難點知識的相關仿真和演示視頻，并將這些資料上傳到教學平臺，供學生下載學習，如此讓抽象的知識變?yōu)榱诵蜗蟮膭赢?，能夠提高學生的學習興趣，便于學生進行理解記憶。同時，針對不易理解的知識點，要單獨提出，補充文本解釋，并配套相關例題分析，更深層次地加深學生對重難點的理解。其次，配套實驗項目，給學生提供充分的自主發(fā)揮與自主鍛煉的空間，有效地提高了學生的個人自主學習能力和工程系統(tǒng)能力，同時還加強了學生的工程創(chuàng)新意識和實踐操作、人際團隊溝通與協(xié)作能力，落實了學生的實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）能力。最后，參照CDIO理念標準，建立更為科學和全面的評價體系，不僅考核學生課堂表現(xiàn)情況與課后作業(yè)完成的質量，同時還兼顧實驗項目中對專業(yè)知識的掌握、創(chuàng)新思維以及團隊溝通與協(xié)作情況等綜合表現(xiàn)。該評價體系還有效地促進了教師進行教學改進，完善了教學方法，提高了教學質量。

四、《光電檢測技術》課程教學改革成效

《光電檢測技術》課程是我校光電信息科學與工程專業(yè)和電子科學與技術專業(yè)的專業(yè)課，該課程的教學改革提高了學生的動手能力和工程素質，同時也促進了理論教學。教學中選取了高錳酸鉀溶液的濃度作為課程中的實驗項目之一，結合本課程課堂已有的知識，以先修課程《模擬電子技術》、《脈沖與數(shù)字電路》為基礎，以小組為單位進行設計和實驗操作，最終完美地設計了電路板方案如圖3所示，建立了實驗系統(tǒng)如圖4所示，完成了高錳酸鉀溶液的濃度的測量。

五、結束語

基于CDIO工程教育理念對《光電檢測技術》課程中存在的問題進行了分析，同時針對問題有的放矢，將教學內容進行優(yōu)化、調整和補充，同時改變傳統(tǒng)理論教學和實驗教學的方式，改變了以往重理論、輕實踐，重專業(yè)知識、輕創(chuàng)新能力，重個人能力、輕團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)模式。成功地將《光電檢測技術》這門課程進行了工程教育改革，其實踐結果也取得了良好的效果，加深了學生對課程理論的理解和掌握，提升了學生的工程實踐和創(chuàng)新能力，加強了學生的動手能力、團隊協(xié)作和溝通能力，提高了學生的綜合應用能力。

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