基于CDIO的實踐類課程“一體兩翼”有效教學(xué)模式探索

虞效益 胡長興

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.025

摘? 要：為提高學(xué)生的課程參與度，加強工科學(xué)生工程實踐能力的鍛煉，為社會培養(yǎng)更多“適銷對路”的應(yīng)用型本科人才，作者以有效教學(xué)理論為指導(dǎo)，設(shè)計構(gòu)建基于CDIO工程教育理念的實踐類課程“一體兩翼”有效教學(xué)模式，并以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計課程為例，進行一個學(xué)期的教學(xué)實踐應(yīng)用。課程結(jié)束后，通過對全體同學(xué)的問卷調(diào)查表明，學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識、個人綜合能力、工程系統(tǒng)能力和團隊合作能力四個層面均得到有效鍛煉，教學(xué)效果得到學(xué)生的廣泛認可。文章設(shè)計的教學(xué)模式在實踐課程的應(yīng)用中取得良好效果。

關(guān)鍵詞：有效教學(xué);CDIO;實踐課程;項目式教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）17-0100-04

Abstract： In order to improve students' participation in courses， strengthen the training of engineering students' practical engineering ability， and cultivate more "adaptable" applied undergraduate talents for the society， this paper， guided by effective teaching theory， designs and builds an effective teaching mode of "One Body and Two Wings" for practical courses based on CDIO engineering education concept.? This study takes "design of solar photovoltaic power generation system" as an example， and carries out a semester of teaching practice application. A semester of teaching practice is carried out based on the example of "design of solar photovoltaic power generation system". According to the results of the questionnaire survey to all students at the end of the course， the students' basic engineering knowledge， personal comprehensive ability， engineering system ability and teamwork ability are effectively trained， and the teaching effect is widely recognized by the students. This teaching mode has achieved good results in the implementation of the practical course.

Keywords： effective teaching; CDIO; practice courses; project-based teaching

在能源危機和環(huán)境危機的雙重形勢下，可再生能源產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展。浙大寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)為適應(yīng)能源行業(yè)的需要，培養(yǎng)全面的能源領(lǐng)域人才，借2017-2020本科專業(yè)培養(yǎng)方案修訂之機，增設(shè)了可再生能源相關(guān)理論課程，但一直缺乏配套的實踐類課程，制約了學(xué)生相關(guān)實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)與提升。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是半導(dǎo)體技術(shù)與可再生能源需求相結(jié)合產(chǎn)生的新興產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)前能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。因此，擬在條件和經(jīng)驗有限的條件下，先行先試，開設(shè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)實踐課程。

知識應(yīng)用能力的培養(yǎng)，大部分都在實驗實踐類課程中進行，而傳統(tǒng)的實驗實踐教學(xué)或多或少存在如下不足：（1）“依葫蘆畫瓢”“照方抓藥”等驗證性內(nèi)容比重大，學(xué)生未能充分參與到設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生主動尋找解決方案的過程被忽視，使得分析問題、解決問題的能力無從談起，更不要說創(chuàng)新精神的培養(yǎng);（2）片面地截取工程實踐過程的部分片段，使得學(xué)生對整個工程創(chuàng)新實踐全過程缺少體會，學(xué)生能力培養(yǎng)存在片面性，無法與實際工程項目有效接軌;（3）偏重結(jié)果而輕視過程，過于成品化的實驗實踐設(shè)備使得設(shè)計的思想、方法的選擇和故障的分析改進等環(huán)節(jié)被淡化，致使學(xué)生在面對具體工程應(yīng)用問題時出現(xiàn)無從下手的尷尬情況;（4）教學(xué)和考核方式單一，以教師為中心，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下獨立完成，教師根據(jù)學(xué)生提交的書面報告進行考核，缺乏團隊合作能力和語言表達能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)代工程領(lǐng)域是“研發(fā)-設(shè)計-制造-運行-管理維護”等環(huán)節(jié)構(gòu)成的工程鏈，需要的是創(chuàng)新能力、實踐能力、管理能力兼?zhèn)涞膹?fù)合型人才。傳統(tǒng)的實驗實踐教學(xué)使學(xué)生獲得的能力范圍十分有限，使得學(xué)生欠缺工程意識、工程實踐能力等工程師最基本、最重要的專業(yè)素質(zhì)，無法適應(yīng)當(dāng)今社會及行業(yè)發(fā)展的需要。因此，新開課程必須進行積極探索，不能走傳統(tǒng)實驗實踐課程的老路。

基于上述背景，筆者以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計為例，在有效教學(xué)理論的指導(dǎo)下，設(shè)計了基于CDIO工程教育理念的“一體兩翼”有效教學(xué)模式，并進行了實踐應(yīng)用和教學(xué)效果分析，以期在完善本專業(yè)人才培養(yǎng)方案的同時，也能為同類實踐課程的教學(xué)改革提供思路和借鑒。

一、相關(guān)概念釋義

（一）CDIO

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），是麻省理工學(xué)院等知名高校于2000年創(chuàng)立的一種“回歸工程實踐”的工程教育模式，具有實踐可操作性、全面系統(tǒng)性及普遍適用性的特點。該模式涵蓋產(chǎn)品或系統(tǒng)從構(gòu)思研發(fā)到運行改良乃至終結(jié)、廢棄的生命周期全過程，強調(diào)綜合的創(chuàng)新能力，讓學(xué)生以主動的、實踐的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO強調(diào)理論知識一體化，知識、能力和態(tài)度的一體化，以及專業(yè)技能和人文素養(yǎng)的一體化，代表了當(dāng)前工程教育的發(fā)展趨勢和前沿進展。

二十年來，CDIO在中國高等工程教育界逐漸萌芽、扎根、開花和結(jié)果，促進了工程教育教學(xué)改革與研究的蓬勃發(fā)展：汕頭大學(xué)于2005年首先開始研究實施CDIO工程教育模式，取得了明顯的效果;此后，在教育部的積極推動下，國內(nèi)先后有39所高校在機械類、電氣類、化工類、土木類專業(yè)試點CDIO工程教育模式;2016年1月，全國“CDIO工程教育聯(lián)盟”成立，標志著CDIO在中國的發(fā)展邁入新階段。長期以來，很多學(xué)校根據(jù)各自需要，開展基于CDIO的工程教育教學(xué)改革，均取得了積極的效果。到2021年，我國已有164所高校加入“CDIO工程教育聯(lián)盟”。

（二）有效教學(xué)

有效教學(xué)（Effective Teaching）理論起源于二十世紀上半葉西方開展的教學(xué)科學(xué)化運動。當(dāng)前，學(xué)界尚未形成對于何謂有效教學(xué)統(tǒng)一的看法。綜觀國內(nèi)外相關(guān)研究成果，研究者對有效教學(xué)的界定主要是沿用經(jīng)濟學(xué)的效果、效益和效率的概念來解釋：有效果指的是學(xué)有所得、所獲，有效益指的是所學(xué)內(nèi)容有價值、有用;有效率指的是學(xué)的過程和方法科學(xué)、簡潔、省時。有效教學(xué)的核心內(nèi)容是以促進學(xué)生全面發(fā)展為目的而進行教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)后有無進步或能力的提升是判斷教學(xué)有效性的唯一指標。

如何提升教學(xué)有效性，進而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是當(dāng)前教育改革的核心追求，許多教育工作者已經(jīng)進行了積極的探索和實踐。但需要指出的是，教學(xué)是一項系統(tǒng)性的復(fù)雜活動，涵蓋教師、學(xué)生、教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)環(huán)境等多個要素，其有效性本身并沒有一個統(tǒng)一的標準。實踐中普遍認可的有效教學(xué)包括以下四個方面的基本特征：（1）應(yīng)有明確的教學(xué)目標，明確的教學(xué)目標不僅可以指導(dǎo)教師開展有效教學(xué)，還是評價教師教學(xué)效果的可靠依據(jù);（2）學(xué)生應(yīng)主動參與教學(xué)過程，有效教學(xué)以學(xué)生獲得全面發(fā)展為目標，需要通過學(xué)生主動地參與教學(xué)過程而實現(xiàn);（3）應(yīng)強化課程設(shè)計和教學(xué)活動的組織管理，體現(xiàn)教師主導(dǎo)作用與學(xué)生主體地位的辯證統(tǒng)一;（4）教學(xué)氣氛和教學(xué)環(huán)境要和諧、平衡。

二、基于CDIO的“一體兩翼”有效教學(xué)模式設(shè)計

在有效教學(xué)理論的指導(dǎo)下，設(shè)計了基于CDIO的實踐類課程“一體兩翼”有效教學(xué)模式如圖1所示?！耙惑w”指的是學(xué)生完成課程項目遵照CDIO的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作四個階段有序推進，同時這也是整個教學(xué)過程的四個主要階段?！皟梢怼敝傅氖蔷€下課堂和線上釘釘群。線下課堂一方面方便教師集中講授一些必要的專業(yè)知識以及集中解答學(xué)生遇到的共性問題，另一方面給教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間進行面對面充分地交流討論提供固定的場所和機會。釘釘是阿里巴巴集團傾力打造的免費溝通和協(xié)同的多端平臺，有許多專注于提升辦公與協(xié)同效率的功能，對于一門項目式課程的教學(xué)同樣非常適用。線上釘釘群可以方便地實現(xiàn)課程通知發(fā)布（實時顯示已讀未讀）、課程資料分享（長久保存）等基本功能，同時使課程學(xué)習(xí)的時間和空間得到拓展和延伸，師生之間、生生之間可以隨時、隨地、隨身地進行交流討論，大大提高效率。線下課堂和線上釘釘群有機結(jié)合、互為補充，推進整個教學(xué)過程按課程計劃有序進行。該教學(xué)模式的進一步闡釋如下。

（一）課程目標

增強學(xué)生的課程參與度，并從有形和無形兩個方面提升學(xué)生的獲得感：（1）課程結(jié)束時獲得一個完整的實物作品和一份規(guī)范的設(shè)計報告;（2）工科學(xué)生四大重要能力的提升：工程師必備的工程基礎(chǔ)知識;協(xié)調(diào)溝通、創(chuàng)新思維、語言表達、文字寫作等個人綜合能力;項目組織、設(shè)計開發(fā)和項目實施的工程系統(tǒng)能力;團隊合作能力。

（二）課程任務(wù)

學(xué)生組隊設(shè)計制作一套小型可移動式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，驅(qū)動一個小功率負載，如燈泡、小風(fēng)扇等，各小組可自由選擇，同時為裝置設(shè)想一個應(yīng)用場景。光伏發(fā)電系統(tǒng)需具備光伏板角度可調(diào)節(jié)以及電能存儲的功能。課程任務(wù)為半開放式，除了滿足規(guī)定的基本要求外，鼓勵學(xué)生自由發(fā)揮，增加新功能（作為加分項）。

（三）教學(xué)過程

整個教學(xué)過程主要分成如下四個階段。

構(gòu)思階段（C）：各小組查找資料了解太陽能光伏發(fā)電技術(shù)（要求提交參考文獻清單）。然后，根據(jù)所學(xué)知識對項目進行分析，考慮實現(xiàn)的工藝、策略和方法等，討論發(fā)展出初步的技術(shù)方案（要求提交小組線下討論的照片、線上討論截圖、設(shè)計草稿）。

設(shè)計階段（D）：各小組根據(jù)前期調(diào)研給出詳細的設(shè)計方案，包括系統(tǒng)圖、計算過程及結(jié)果、成本預(yù)算等，對方案進行可行性和可靠性論證（要求提交詳細的設(shè)計文稿）。此階段設(shè)置設(shè)計方案匯報答辯環(huán)節(jié)，通過后方可獲得經(jīng)費進入下一階段。

實現(xiàn)階段（I）：各小組采購所需材料和零部件（通過淘寶采購，要求提交與賣家的聊天記錄截圖），將設(shè)計成品化并進行調(diào)試，直到滿足設(shè)計要求的指標（要求提交制作和調(diào)試過程的短視頻）。

運作階段（O）：各小組對項目進行總結(jié)，一是撰寫項目設(shè)計報告，包括背景知識、設(shè)計方案、結(jié)果與分析等內(nèi)容;二是進行匯報答辯，展示設(shè)計成果，如以短視頻的形式演示完整的操作及實物作品運行情況。

（四）課程考核

課程考核注重過程性以及學(xué)生的參與，學(xué)生個人的最終成績由個人表現(xiàn)和小組表現(xiàn)綜合得到。小組表現(xiàn)包括小組平時成績（各階段要求提交的材料）、兩次匯報答辯得分和設(shè)計報告得分。個人表現(xiàn)包括考勤和小組內(nèi)部成員之間的互評得分。設(shè)置組內(nèi)成員互評的目的是為了充分考慮每個學(xué)生在整個過程中的貢獻度，從而調(diào)動學(xué)生參與項目的積極性。設(shè)計報告的成績由教師根據(jù)評分標準進行打分，見表1，兩次匯報答辯的成績則由教師和其他各個小組按照評分標準的打分綜合計算得到，見表2。

三、教學(xué)模式應(yīng)用與有效性分析

2020-2021學(xué)年秋冬學(xué)期，本文設(shè)計的教學(xué)模式對浙大寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)大四學(xué)生進行了實踐應(yīng)用，共有58名學(xué)生參與，分成10個小組。整個教學(xué)周期共16周，每周四節(jié)課，每節(jié)課45分鐘，各周教學(xué)內(nèi)容安排見表3。最后，所有小組都較為順利地完成了學(xué)習(xí)，經(jīng)過構(gòu)思，設(shè)計，實現(xiàn)和運作，制作出了符合要求的實物裝置，如圖2（a）所示;有的小組則迎難而上、刻苦鉆研，為裝置增加了自動追蹤光源位置變化的功能，如圖2（b）所示;還有的小組更是大膽設(shè)想、另辟蹊徑，將環(huán)保理念進行到底，利用廢舊材料設(shè)計制作了可折疊的文件夾式光伏包，如圖2（c）所示。

在課程結(jié)束之后，對全班同學(xué)就課程預(yù)期目標的達成情況開展了問卷調(diào)查。共發(fā)出問卷58份，回收有效問卷56份，有效率為96.6%。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，86.1%的學(xué)生認為自己主動和全程參與了整個教學(xué)過程，師生之間、生生之間的討論交流充分而深入，課程參與度很高;91.7%的學(xué)生認為由學(xué)生自己去查閱資料，邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊做，相比以教師為主來講授專業(yè)的工程基礎(chǔ)知識，對知識的理解和掌握更加深刻、效果更好;整個教學(xué)過程對學(xué)生能力的培養(yǎng)和鍛煉作用也得到了學(xué)生的認可，表4給出了學(xué)生對各項能力鍛煉程度的評分結(jié)果（平均值±標準差，各項滿分均為5分）;而課程的有形產(chǎn)出——設(shè)計報告和實物作品，也讓學(xué)生覺得非常有成就感和獲得感，分別得到了83.3%和91.7%的學(xué)生的肯定;對于課程的整體評價，94.4%的學(xué)生認可這種以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)的基于項目的教學(xué)模式。綜上可見，本文提出的基于CDIO的“一體兩翼”有效教學(xué)模式在實踐類課程的教學(xué)應(yīng)用中得到了學(xué)生的廣泛認可。

四、結(jié)束語

為了提高學(xué)生的課程參與度和獲得感，培養(yǎng)符合社會需求的應(yīng)用型本科人才，本文以有效教學(xué)理論為指導(dǎo)，設(shè)計構(gòu)建了基于CDIO的“一體兩翼”有效教學(xué)模式，并以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計項目為依托，進行了教學(xué)實踐應(yīng)用，通過問卷調(diào)查對該模式應(yīng)用后的教學(xué)效果有效性進行了分析。結(jié)果表明，在該教學(xué)模式下，工科學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識、個人綜合能力、工程系統(tǒng)能力和團隊合作能力四個層面均得到了有效的鍛煉，教學(xué)效果得到學(xué)生的廣泛認可。該教學(xué)模式在實踐類課程的實施中初步取得了良好的效果，本研究的后續(xù)工作將進一步完善基于CDIO的“一體兩翼”有效教學(xué)模式，并推動該模式在更多同類課程教學(xué)中的應(yīng)用。

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基金項目：寧波市教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于CDIO理念的可再生能源實踐類課程設(shè)計與應(yīng)用”（2020YGH026）

作者簡介：虞效益（1984-），男，漢族，浙江寧波人，博士，副教授，研究方向為能源動力。