基于OBE-CDIO工程教育模式的電路課程教學改革探析

摘要：為了培養(yǎng)高素質(zhì)工程型應(yīng)用人才，將OBE-CDIO工程教育模式引入電路課程教學改革。該模式借鑒OBE理念進行宏觀的教學模式改革，根據(jù)行業(yè)對畢業(yè)生素質(zhì)的要求反向設(shè)計，制定教學目標，構(gòu)建漸進式教學過程，設(shè)計多元化成績評價體系;采用CDIO模式設(shè)計微觀的教學過程，建立以基礎(chǔ)知識為起點、能力培養(yǎng)承上啟下、創(chuàng)新意識和工程意識樹立為最終目標的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)。教學實踐表明，該模式提升了學生的學習積極性，提高了學生的工程和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：工程教育;OBE;CDIO;電路課程

引言：

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”。[1]新工科建設(shè)的過程，是全球化背景下，人才、產(chǎn)業(yè)、社會等各方需求對專業(yè)的培養(yǎng)目標、能力指標、課程體系、教育方式等發(fā)生影響并重構(gòu)的過程。新工科教育培養(yǎng)的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)復合型人才。這就要求現(xiàn)有的培養(yǎng)模式在注重通識教育的基礎(chǔ)上，加強學生工程實踐技能培養(yǎng)，提高學生的動手能力、工程設(shè)計能力;搭建知識拓展的平臺，提高管理能力和協(xié)同創(chuàng)新能力，培養(yǎng)綜合素質(zhì)高的人才。

成果導向（OBE，Out-based Education）教育模式通過分析學習者學習后能夠達到的最大能力（學習成果），采用反向設(shè)計、正向支撐的思路，基于學習成果構(gòu)建課程體系、確定教學策略、制定評價標準。成果導向的工程教育強調(diào)培養(yǎng)目標與培養(yǎng)過程的高度統(tǒng)一，能夠有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。[2-3] CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。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、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預(yù)定目標。[4-5]可見，OBE是一種以人才需求為出發(fā)點，以學習成果為導向的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式;CDIO是一種通過對問題進行探究，從中獲得知識和技能的課堂教學組織模式。OBE是工程教育理念，CDIO是具體實施方式，將兩者相結(jié)合，有助于提高學生的動手能力和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)出社會經(jīng)濟發(fā)展所需要的應(yīng)用型技術(shù)人才。

《電路》是電力電子、通信、自控等專業(yè)極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，雖然其教學理論和教學方法已經(jīng)非常成熟，但在新工科教育改革的大背景下，《電路》課程教學仍然存在以下問題：1. 教學模式單一。大多采用“填鴨式”灌輸?shù)慕虒W方法，教師試圖將知識“復制”到學生腦中，導致學生學習興趣低下。2. 理論與實踐脫節(jié)。本課程數(shù)學公式多、教學中偏重于解題的數(shù)學技巧，學生雖然獲得了知識，但沒有將知識內(nèi)化為實踐能力。3. 實驗環(huán)節(jié)設(shè)計不合理。實驗大多為驗證性實驗，實驗平臺為實驗臺或?qū)嶒炏?。在實驗中，學生往往機械地模仿實驗手冊操作，并不能實現(xiàn)對動手能力的培養(yǎng)。4. 考核內(nèi)容單一。考核內(nèi)容為電路參數(shù)的解題技巧，但對于工科學生而言，實踐能力和工程素養(yǎng)往往比片段化的知識更為重要，但這些在傳統(tǒng)的考核中很難被量化。5. 忽視課程之間的關(guān)聯(lián)度?！峨娐贰分嘘P(guān)于含運算放大器電路部分，和《模擬電子線路》中集成運放的知識重疊，動態(tài)電路的沖激響應(yīng)、階躍響應(yīng)及信號頻域、復頻域分析部分又和《信號與系統(tǒng)》的課程知識重合。如果不能與相關(guān)課程進行整合，就破壞了知識的連貫性，讓學生“只見樹木，不見森林”。[6]

為了解決上述問題，將OBE-CDIO教學模式引入《電路》課程教學改革，對課程的教學目標、教學內(nèi)容、教學設(shè)計、實驗設(shè)計和考核方式進行全面的改革和探索，以提高課程教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進專業(yè)發(fā)展。

一、基于OBE-CDIO模式的教學改革總體思路

《電路》教學改革的總體思路為：

（一）運用OBE理念構(gòu)建課程體系

采用反向設(shè)計、正向支撐的思路，對課程的教學目標、教學內(nèi)容、教學設(shè)計、實驗設(shè)計和考核方式進行全面的改革和探索。

（二） 運用CDIO模式進行教學設(shè)計

在具體課程教學設(shè)計中，采用以學生為主體、以電路設(shè)計案例為學習起點，以問題為核心的思路來規(guī)劃學習內(nèi)容、設(shè)計教學過程，讓學生圍繞問題尋求解決方案，讓學生真正成為學習過程的主導者。

詳細教改思路如圖1所示。

（二） 基于OBE理念的課程體系構(gòu)建

（一） 反向設(shè)計，制定教學目標

在課程教改過程中，通過對畢業(yè)生的調(diào)研和用人單位的走訪，基于學習者特性及行業(yè)對畢業(yè)生技能與素質(zhì)的要求，從知識、能力、素質(zhì)三個層面確立《電路》課程的教學目標。表1給出了課程教學目標及其具體實現(xiàn)方法。

（二）構(gòu)建漸進式教學過程

對《電路》傳統(tǒng)教學模式進行改革，包括三個層面：

1：課堂教學模式改革：基于CDIO理念，探索創(chuàng)新教學模式;2：實驗教學方法改革：淘汰實驗箱式實驗?zāi)Ｊ?，探索?chuàng)新性、團隊合作性實驗課程的設(shè)計;3. 線下學習方式改革：結(jié)合第二課堂、電子設(shè)計競賽訓練，探索建立貫徹大學四年的課外自主學習和創(chuàng)新實驗體系。

新工科教育強調(diào)培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新精神，而能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的。為此，采用“知識傳授—能力培養(yǎng)—創(chuàng)新鍛煉”的漸進式結(jié)構(gòu)，重新組織教學過程，如圖2所示。

1. 知識傳授階段：這一階段主要在課堂教學時完成，在每個知識單元開始前，首先提出一個設(shè)計任務(wù)，以激發(fā)學生的學習興趣。學生會在教學中主動思考哪些知識點可用以實現(xiàn)電路的設(shè)計。

2. 能力培養(yǎng)階段：這一階段主要在實驗課程中完成?；谡n堂教學中獲得的知識，學生在實驗室設(shè)計和制作小型簡單電路，鍛煉動手能力。

3. 創(chuàng)新鍛煉階段：這一階段主要在課程設(shè)計、第二課堂中完成。在實驗課小型簡單電路的基礎(chǔ)上，給出一些具有一定難度的挑戰(zhàn)性設(shè)計課題，將學生分成若干小組，采用組內(nèi)合作、組間競爭的方法，完成電路的設(shè)計、制作和檢測，撰寫設(shè)計報告并進行展示。

（三）設(shè)計多元化成績評價體系

建立基于過程跟蹤和多元指標的成績評價體系，根據(jù)課程進度的不同階段，采用“精確評價”和“模糊評價”、“過程評價”和“結(jié)果評價”、“學習態(tài)度評價”和“學習成果評價”相結(jié)合的手段，針對性的設(shè)計考核內(nèi)容。具體考核方式為：

1. 出勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)評價：這是一種注重學習態(tài)度的過程性評價指標，在課堂教學階段，基于學生的表現(xiàn)給出分數(shù)。如果學生積極參加第二課堂，還可以獲得額外的加分。

2. 項目完成情況評價：在實驗和課程設(shè)計階段，主要考察學生對工程項目和創(chuàng)新實驗的完成程度，采用“組間互評、組內(nèi)自評”的方式。首先由項目完成團隊展示完成作品，由其他團隊打出分數(shù)，該分數(shù)為團隊總分;再進行組內(nèi)自評，團隊成員根據(jù)團隊分工和表現(xiàn)，互相給出團隊總分分配比例。這種評價方式側(cè)重動手能力和創(chuàng)新意識的評價，有意識地引導學生鍛煉能力、提高素質(zhì)。

3. 期末考試成績評價：這是一種注重結(jié)果的評價方式，但不同于傳統(tǒng)的閉卷考試，允許學生帶一張A4紙的資料。因此引導學生主動歸納、總結(jié)課程知識，同時也將考核重點從知識的記憶升華為分析問題、解決問題的能力。

上述三種考核方式，方式1和2采用模糊評價，根據(jù)學生表現(xiàn)在全班的排名給出等級，占總成績的50%;方式3采用精確評價，占比50%。另外，課程設(shè)計還有單獨的2個學分。課程的考核成績還將成為遴選進入電子設(shè)計競賽團隊的標準。

三、基于CDIO模式的課程教學過程設(shè)計

（一）基于CDIO模型進行項目式教學

基于CDIO思想，采用“任務(wù)驅(qū)動、情境創(chuàng)設(shè)、漸進培養(yǎng)”教學模式，將教學過程分為五個階段：1. 案例導入，展示學習目標;2. 案例為載體，在課堂教學中學習知識，進行構(gòu)思;3. 小組合作，完成電路設(shè)計;4. 展示作品，分享設(shè)計經(jīng)驗;

5. 反饋評價，梳理知識體系。

在課前準備階段，提出設(shè)計要求，讓學生產(chǎn)生主動學習的興趣;在課堂教學過程中，通過實物展示的方式，圍繞項目的實現(xiàn)講解知識點，讓知識變得有趣、具體;在課后，改變傳統(tǒng)的單一通過做題來鞏固知識的方式，引導學生自主動手，完成項目的設(shè)計與實現(xiàn)。

打破傳統(tǒng)的以知識為本位，以教學過程為主線，以教師為中心，以教材內(nèi)容為主題的教學過程設(shè)計思路，根據(jù)工程化教育理念，構(gòu)建以能力為本位，以職業(yè)活動為主線，以學習者為中心，以工程項目為主題的模塊化課程內(nèi)容設(shè)計框架。建立以基礎(chǔ)知識為起點、能力培養(yǎng)承上啟下、創(chuàng)新意識和工程意識樹立為最終目標的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)，圖3給出了第一單元教學內(nèi)容組織圖。

目前，將課程知識點重構(gòu)在11個項目和4個創(chuàng)新實驗中，如表2所示。

四、結(jié)論

新工科背景下的專業(yè)教育是“與未來合作”的工程教育，是高等教育“質(zhì)量革命”的先驅(qū)性、引領(lǐng)性和支撐性力量，是加快推進教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強國、辦好人民滿意的教育的戰(zhàn)略支點?！峨娐贰方虒W改革的實施，獲得了以下的成果：

（一）學生地位主體化

通過在每個知識單元提出設(shè)計任務(wù)的方式，改變了老師講，學生聽的被動學習狀態(tài)，讓學生帶著設(shè)計任務(wù)來學習，在探索中主動求知，成為教學過程的主導者。部分設(shè)計任務(wù)還需要《模擬電子線路》、《數(shù)字電子線路》課程知識支撐，這樣就將整個電子工程相關(guān)的專業(yè)課程融會貫通，解決了知識碎片化的問題。

（二）抽象概念具體化

設(shè)計了大量實驗，將抽象的概念轉(zhuǎn)換為實驗現(xiàn)象，以幫助學生更好地理解和掌握各種電路原理和設(shè)計技巧。這些實驗大部分來自實際電氣工程，也能培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。

（四）課堂實驗一體化

通過“知識傳授、能力鍛煉、創(chuàng)新培養(yǎng)”三階段漸進式的培養(yǎng)模式，打通課堂教學、實驗教學和課程設(shè)計，將知識傳授、能力培養(yǎng)和創(chuàng)新意識的鍛煉成為一個整體。同時也改變了傳統(tǒng)實驗教學中學生缺乏動手機會的問題，實驗全部是創(chuàng)新型、設(shè)計型實驗，讓學生既鍛煉了動手能力，也能將理論知識轉(zhuǎn)化為工程意識。

參考文獻：

[1]黃英，李保國，雷菁，等. 新工科的專業(yè)核心能力探索及課程體系構(gòu)建[J]. 大學教育，2020，5：20-22

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[3]葛浩，林其斌，倪受春，等. OBE-CDIO 工程教育模式下的單片機課程教學改革與實踐[J]. 滁州學院學報，2019，21（5）：114-119.

[4]Maidan， Halim A ， Safitri R ， et al. Impact of Problem-based Learning （CDIO） model through Science Technology Society （STS） approach on students’ interest[J]. Journal of Physics Conference Series， 2020， 1460：012145.

[5]劉萌，鄭煊. OBE 模式結(jié)合CDIO教學法實現(xiàn)地方高校教育范式轉(zhuǎn)變的研究[J]. 齊魯師范學院學報，2019，34（3）：31-61.

[6]陳小玲.新工科背景下《電路理論》課程教學改革與創(chuàng)新[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（14）：194-195.

基金項目：2019年度湖南省普通高校教學改革研究項目“工程認證背景下基于OBE理念的《電路》課程教學模式研究與實踐”（20191056）

作者簡介：

孫元（1980-），男，漢族，甘肅武威，博士，湖南第一師范學院信息科學與工程學院，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。