CDIO教學(xué)模式在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

潘玉寨+郭冠軍+孫正和+楊立見

[摘 要]通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)一步提高學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用和工程實(shí)踐能力是當(dāng)前人才培養(yǎng)模式的重要議題。我們?cè)诮梃bCDIO工程教育理念的基礎(chǔ)上，從教學(xué)模式、方法及考核環(huán)節(jié)等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革和探索，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在加強(qiáng)學(xué)生理論知識(shí)和專業(yè)前沿的掌握以及提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面取得了較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]光電信息；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐能力；CDIO

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）03-0024-03

光電信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)核心創(chuàng)新技術(shù)之一。國(guó)家和社會(huì)對(duì)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)技術(shù)人才的需求日益增加。培養(yǎng)符合國(guó)家和社會(huì)需要的創(chuàng)新應(yīng)用型人才，將對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步起到巨大的推動(dòng)作用。因此，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)數(shù)物基礎(chǔ)，掌握基本理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，具備分析和解決光電信息技術(shù)問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、科研、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，使學(xué)生能在光學(xué)工程、光通信、光電子學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域從事科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、科技開發(fā)等工作。[1]

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專業(yè)能力培養(yǎng)中的作用及現(xiàn)狀分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力和培養(yǎng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著重要的作用。[2][3][4]以往的例子也證實(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果好、專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的學(xué)生，具有更好的科學(xué)素質(zhì)和實(shí)踐能力，其科研創(chuàng)新思維意識(shí)更強(qiáng)，畢業(yè)讀研或工作往往更能得到認(rèn)同。

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了要具備完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件外，還應(yīng)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及體系上，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的廣度和深度上滿足本專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。但大多數(shù)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對(duì)傳統(tǒng)，在教學(xué)方法、授課方式和考核模式上，與面向基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相同，教師和學(xué)生在主觀能動(dòng)性和積極性上均顯不足。教師是因?yàn)榻虒W(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和儀器熟悉，思維固化；而學(xué)生認(rèn)為，所有的東西實(shí)驗(yàn)講義上都有，按照講義上的步驟進(jìn)行機(jī)械化的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)就沒有問題。這導(dǎo)致學(xué)生思維呆滯，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接糜谝恍?yàn)證性和演示型的實(shí)驗(yàn)是可行的，但對(duì)于專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)來說，這種方式已經(jīng)無法滿足培養(yǎng)目標(biāo)的要求，也無法滿足國(guó)家和社會(huì)對(duì)高層次人才的需求。

二、CDIO教學(xué)理念與模式簡(jiǎn)介

近年來，在國(guó)外工程教育領(lǐng)域出現(xiàn)了一種基于CDIO教育理念的教學(xué)模式。[5]CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate）四個(gè)詞的縮寫。2000年由麻省理工學(xué)院（MIT）和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)創(chuàng)立并成立了 CDIO國(guó)際組織。2005年，CDIO理念引進(jìn)到中國(guó)。國(guó)內(nèi)許多所大學(xué)均開始學(xué)習(xí)研討CDIO教育模式并加以實(shí)施，教學(xué)效果提高顯著。[6]2008 年教育部成立了《中國(guó)CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐》課題組，對(duì)我國(guó)工程教育改革情況進(jìn)行調(diào)研并指導(dǎo)有關(guān)院校開展CDIO工程教育模式試點(diǎn)工作。目前，國(guó)內(nèi)外有超過200所著名大學(xué)參與CDIO教育教學(xué)改革實(shí)踐。CDIO理念是在模擬真實(shí)項(xiàng)目工程的情境下，向?qū)W生一邊傳授專業(yè)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，一邊通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行促進(jìn)其工程實(shí)踐能力的發(fā)展，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)。CDIO模式既包含了需要掌握的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)職業(yè)精神、團(tuán)隊(duì)意識(shí)、時(shí)間管理等多方面能力的培養(yǎng)。CDIO模式可建立通用模型，適用于各類實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)和技能。它強(qiáng)調(diào)了學(xué)生知識(shí)系統(tǒng)性、自主創(chuàng)新性、項(xiàng)目管理性和應(yīng)用社會(huì)性思維方式和能力的培養(yǎng)，可針對(duì)不同專業(yè)，指導(dǎo)我們獲得所期待的教學(xué)效果和培養(yǎng)目標(biāo)。

這種教學(xué)模式同樣適用于光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。光電信息產(chǎn)業(yè)作為典型的高科技產(chǎn)業(yè)，對(duì)工程設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型人才需求較大。近年來諾貝爾物理或化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者均涉及光電信息領(lǐng)域。在該領(lǐng)域他們既是科學(xué)家也是工程師，他們的素質(zhì)和能力正是CDIO教學(xué)模式和標(biāo)準(zhǔn)的直接體現(xiàn)，也是國(guó)家和社會(huì)廣泛需求的綜合型和創(chuàng)新型人才的基本素質(zhì)。眾多院校已在光電信息專業(yè)的基礎(chǔ)課和實(shí)驗(yàn)課程中開展了CDIO教學(xué)模式的改革和嘗試，取得了很好的教學(xué)效果。[7][8][9]

三、基于CDIO理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與措施

通過深入解讀CDIO教育理念和教學(xué)大綱，結(jié)合CDIO在其他院校和專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的主要改革措施，同時(shí)結(jié)合本校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，我們提出了一些具體可行的改革方案和建設(shè)內(nèi)容，明確了CDIO教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建一體化課程設(shè)計(jì)和執(zhí)行計(jì)劃，其中主要包括以下幾方面的內(nèi)容。

（一）建立與CDIO教學(xué)大綱相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的本科生培養(yǎng)目標(biāo)，即理工融合，培養(yǎng)扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)，掌握光電信息相關(guān)知識(shí)和技能，具備在物理、光學(xué)、光電及相關(guān)領(lǐng)域從事科學(xué)研究和工程開發(fā)的基本能力，我們明確了CDIO模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)采取項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)。在教學(xué)模式中，我們采取由設(shè)立項(xiàng)目引出問題，小組討論分析問題，協(xié)作實(shí)驗(yàn)解決問題，聯(lián)系工程開展實(shí)踐的運(yùn)行模式。同時(shí)以來源于光電信息應(yīng)用工程項(xiàng)目為實(shí)踐案例，以學(xué)生為中心和運(yùn)行主體，實(shí)驗(yàn)教師只起到組織和引導(dǎo)的作用，不再有“灌輸式”的知識(shí)講授過程，而輔以運(yùn)用啟發(fā)、舉例等多種方法引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

（二）CDIO模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

CDIO教學(xué)模式依托學(xué)生的基本知識(shí)，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，因此CDIO教學(xué)體系應(yīng)與理論教學(xué)體系聯(lián)系得更加緊密，銜接得更加合理。實(shí)驗(yàn)體系也要像課程學(xué)習(xí)一樣循序漸進(jìn)，發(fā)揮CDIO教學(xué)模式的團(tuán)隊(duì)合作方式，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作及交流能力。為此，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源，我們開展了分層次、分階段、分組式的教學(xué)體系設(shè)計(jì)。分層次主要體現(xiàn)在讓實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)相配合，循序漸進(jìn)，從基礎(chǔ)知識(shí)到專業(yè)前沿知識(shí)的分層次學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生遞進(jìn)式地接受實(shí)踐鍛煉和項(xiàng)目訓(xùn)練。分階段主要體現(xiàn)在依據(jù)課程安排，將專業(yè)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)、驗(yàn)證和創(chuàng)新研究三個(gè)階段。分組別是依據(jù)儀器臺(tái)套數(shù)，采用小組教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的方法，發(fā)揮項(xiàng)目組的優(yōu)勢(shì)，時(shí)間上靈活控制，培養(yǎng)學(xué)生分工合作的意識(shí)，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流能力。

（三）設(shè)計(jì)構(gòu)建微項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐任務(wù)

根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)水平和興趣，設(shè)定適合的項(xiàng)目主題和內(nèi)容。在整個(gè)教學(xué)過程中，以項(xiàng)目開展的遞進(jìn)性和層次關(guān)系來引導(dǎo)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生不斷思考、探索和解決問題，以此帶動(dòng)實(shí)踐任務(wù)的完成。

而項(xiàng)目?jī)?nèi)容和任務(wù)的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書或講義可能更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理和分析思考。其實(shí)踐性和工程性思維不足，與應(yīng)用聯(lián)系不強(qiáng)。因此，微項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容除強(qiáng)調(diào)指導(dǎo)思想和項(xiàng)目任務(wù)外，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)工程性問題，緊密聯(lián)系實(shí)踐。項(xiàng)目?jī)?nèi)容和任務(wù)設(shè)計(jì)應(yīng)有一定的廣度和深度，應(yīng)始終以學(xué)生為中心。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的溝通和協(xié)作能力，教師應(yīng)對(duì)偏離學(xué)生知識(shí)能力范圍之外的問題給予提示和建議，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣。

（四）建立符合CDIO教學(xué)大綱的考核體系和標(biāo)準(zhǔn)

考核體系和標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和要求，并且體現(xiàn)CDIO教學(xué)模式的特點(diǎn)。因此，應(yīng)針對(duì)專業(yè)情況，制定合理可行的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核更多地側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析和思考題的解答，無法體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的具體收獲、綜合素質(zhì)的提高和實(shí)驗(yàn)效果。因此，應(yīng)借鑒先進(jìn)的CDIO評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將考核方式設(shè)計(jì)得更加靈活，應(yīng)增加多元化的考核過程，將考核細(xì)化。如項(xiàng)目開始時(shí)的文獻(xiàn)調(diào)研情況、預(yù)習(xí)效果、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況等，還可以在用項(xiàng)目開展前增加答辯環(huán)節(jié)，讓學(xué)生個(gè)人講解，并相互交流，進(jìn)而評(píng)價(jià)學(xué)生的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備情況。在報(bào)告完成階段，同樣進(jìn)行答辯形式的討論，交流項(xiàng)目完成過程和結(jié)果，增加學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和客觀互評(píng)，介紹心得體會(huì)。最后是教師對(duì)整個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行過程情況的總結(jié)和對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的反饋和改進(jìn)。

四、CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用實(shí)踐

激光基本特性及其測(cè)量是光電信息領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，掌握激光參數(shù)測(cè)量技術(shù)和方法對(duì)光電工程應(yīng)用實(shí)踐能力的提高十分重要。為此，我們?cè)诠怆娦畔⒖茖W(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用了上述的CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和體系，設(shè)計(jì)了分層次、分階段和分組式的教學(xué)模式。在最后的創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)階段，基于CDIO理念，我們?cè)O(shè)計(jì)了多個(gè)不同工程實(shí)踐應(yīng)用的微項(xiàng)目，這鍛煉了學(xué)生的自主研究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程實(shí)踐能力。例如，我們?cè)O(shè)計(jì)了題目為“激光發(fā)散角的意義及測(cè)量方法”的微項(xiàng)目。由于學(xué)生已經(jīng)在課堂上學(xué)習(xí)了激光的相關(guān)知識(shí)，具備了一定的知識(shí)基礎(chǔ)，因此本項(xiàng)目就屬于運(yùn)用理論知識(shí)解決工程技術(shù)問題的綜合研究性實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)項(xiàng)目基于CDIO理念的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及方案如表1所示。整個(gè)教學(xué)方案包含了CDIO模式的基本框架和過程，以及項(xiàng)目過程及完成后細(xì)化的考核評(píng)價(jià)。學(xué)生拿到該項(xiàng)目時(shí)，首先要聯(lián)系自己學(xué)過的課本知識(shí)，其次要調(diào)研相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，提出針對(duì)的項(xiàng)目方案。學(xué)生可以依據(jù)自己的興趣點(diǎn)，結(jié)合不同工程應(yīng)用領(lǐng)域，形成不同的方案設(shè)計(jì)。例如有的小組側(cè)重于激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)和意義，有的小組側(cè)重于激光發(fā)散角的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，有的小組側(cè)重于激光發(fā)散角與模式的關(guān)系及其控制等。通過小組討論和成員協(xié)作，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生確定項(xiàng)目實(shí)施方案，開展項(xiàng)目研究，再進(jìn)行具體運(yùn)作，最后完成項(xiàng)目。最后的環(huán)節(jié)是學(xué)生一起分析和分享項(xiàng)目過程的收獲與和心得體會(huì)，迎接項(xiàng)目答辯和考核過程。最后，教師應(yīng)對(duì)項(xiàng)目的整個(gè)過程進(jìn)行分析，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入地思考。在項(xiàng)目結(jié)束后，教師應(yīng)針對(duì)項(xiàng)目開展過程中的問題提出一些意見和想法，反饋的結(jié)果有助于進(jìn)一步改進(jìn)和完善CDIO教學(xué)模式和體系。

經(jīng)過上述CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生普遍反映剛開始時(shí)較為吃力，進(jìn)展慢，但在教師的指導(dǎo)下，逐漸找到了自己的節(jié)奏，并且感覺這個(gè)項(xiàng)目不是由教師指定的，而是自己的東西，有一種迫切想完成它的思想動(dòng)力，于是開始有了積極性和主動(dòng)性，大家的熱情被調(diào)動(dòng)起來。后期的項(xiàng)目實(shí)施和最終評(píng)價(jià)，教師們都對(duì)學(xué)生的工作給予了很大的肯定。學(xué)生在交流體會(huì)時(shí)，也提到這種教學(xué)模式使得書本里面的知識(shí)變成了活的，印在了腦子里。學(xué)生們也普遍提到，這個(gè)過程雖然艱難，但受益頗多。這種基于CDIO理念的教學(xué)模式取得了較好的教學(xué)效果。

五、結(jié)語

筆者所介紹的加強(qiáng)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索，取得了較好的教學(xué)效果。這種教學(xué)模式和體系的設(shè)計(jì)符合多數(shù)院校相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，為實(shí)現(xiàn)光電信息專業(yè)的人才培養(yǎng)理念和目標(biāo)提供了很好的助力。這對(duì)培養(yǎng)具有寬厚知識(shí)、優(yōu)良科學(xué)素質(zhì)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的理工科專業(yè)學(xué)生具有一定的借鑒意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：陳 明]