面向?qū)W術(shù)人才培養(yǎng)的虛擬儀器設(shè)計(jì)課程CDIO教學(xué)探索

摘要：虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)軟硬件，廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體制造等工程領(lǐng)域。學(xué)術(shù)型人才，需具備深厚理論基礎(chǔ)、獨(dú)立研究能力及創(chuàng)新思維。虛擬儀器設(shè)計(jì)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式面臨教學(xué)內(nèi)容局限、方法陳舊等問題，不利于學(xué)術(shù)型人才培養(yǎng)。為解決此問題，引入CDIO教學(xué)模式，通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的完整流程，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力。改革措施涵蓋：實(shí)施CDIO項(xiàng)目式整體教學(xué)設(shè)計(jì)，更新教學(xué)內(nèi)容以融入最新科研成果，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等多元化教學(xué)方法，以及建立全面、科學(xué)的課程考核評(píng)價(jià)體系。此改革旨在構(gòu)建一個(gè)以學(xué)生為中心，注重理論與實(shí)踐結(jié)合，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新與能力培養(yǎng)的虛擬儀器設(shè)計(jì)課程體系，為培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)術(shù)型人才提供有力支持。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器設(shè)計(jì)；CDIO教學(xué)模式；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.15.079

CDIO教學(xué)是工程類學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域教育模式創(chuàng)新與改革的最新成果，該模式由麻省理工學(xué)院與瑞典皇家學(xué)院等4所頂尖院校聯(lián)合研究并制定，已在全球多所高校的教學(xué)實(shí)踐中驗(yàn)證其卓越效果，并得到廣泛推廣[1]。學(xué)術(shù)型人才，通常指的是那些具備深厚專業(yè)知識(shí)、獨(dú)立研究能力以及創(chuàng)新思維，能夠推動(dòng)學(xué)科發(fā)展并解決復(fù)雜工程問題的高級(jí)專門人才。在CDIO理念的指導(dǎo)下，各高校對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行了明確，即聚焦培養(yǎng)具備實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的學(xué)術(shù)型人才。教學(xué)大綱和教學(xué)方式也隨之進(jìn)行了一系列革新，強(qiáng)調(diào)通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的完整項(xiàng)目流程，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中創(chuàng)新。這種教學(xué)模式不僅提升了學(xué)生的專業(yè)技能，更重要的是培養(yǎng)了他們的學(xué)術(shù)研究能力和創(chuàng)新思維，從而為企業(yè)和社會(huì)輸送了一批既懂理論又擅實(shí)踐的高水平學(xué)術(shù)型人才。2005年CDIO理念進(jìn)入中國(guó)，2008年教育部成立了CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組，著手研究推廣CDIO工程教學(xué)模式并在機(jī)械類等專業(yè)試點(diǎn)，并以北京科技大學(xué)等多所高校作為試點(diǎn)單位推廣，繼續(xù)開發(fā)和完善CDIO工程教學(xué)模式。各類高校應(yīng)積極推動(dòng)CDIO教學(xué)模式的改革，此教學(xué)模式可以打破傳統(tǒng)虛擬儀器設(shè)計(jì)課程中理論與實(shí)踐脫節(jié)的弊端，讓學(xué)生全程參與到項(xiàng)目中，從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索[2]。它能培養(yǎng)出兼具扎實(shí)理論基礎(chǔ)、出色設(shè)計(jì)能力、熟練操作技能和良好工程素養(yǎng)的學(xué)術(shù)型人才，使學(xué)生畢業(yè)后能夠迅速適應(yīng)相關(guān)領(lǐng)域的工作需求，為虛擬儀器技術(shù)在科研、工業(yè)生產(chǎn)等多方面的廣泛應(yīng)用提供有力的人才支持，有力推動(dòng)虛擬儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)質(zhì)量和效果的提升，為相關(guān)學(xué)科的教育教學(xué)改革提供有益借鑒，因此該模式具有良好的推廣價(jià)值。

1CDIO教學(xué)模式概述

CDIO教學(xué)模式不僅是教學(xué)理論的突破，而且是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的創(chuàng)新與改革，將該模式運(yùn)用到虛擬儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法的探索中，可以為高等工程教育注入新的活力，具有多方面積極意義。首先，CDIO教學(xué)模式能夠促進(jìn)高校教學(xué)資源的整合，推動(dòng)高校教學(xué)方式的創(chuàng)新與改革。實(shí)施CDIO教學(xué)模式需要對(duì)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、企業(yè)實(shí)習(xí)基地、教師專業(yè)知識(shí)進(jìn)行全方位的改進(jìn)與整合，該教學(xué)模式依托具體項(xiàng)目開展教學(xué)活動(dòng)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，對(duì)學(xué)校的教學(xué)資源以及教師的專業(yè)知識(shí)素養(yǎng)有更高要求，因此學(xué)校必須對(duì)相關(guān)的教學(xué)資源進(jìn)行整合，以滿足教學(xué)需要，例如完善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、建設(shè)教學(xué)資源平臺(tái)、教師技能培訓(xùn)等。這種資源整合能夠最大化利用當(dāng)前的教育教學(xué)資源，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)條件。CDIO教學(xué)模式要求教學(xué)過程的靈活性，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不再滿足該模式的需求，學(xué)校會(huì)積極對(duì)教學(xué)方法和手段進(jìn)行創(chuàng)新，推動(dòng)了高校教學(xué)方式的改革[3]。其次對(duì)于學(xué)生而言，CDIO教學(xué)模式能夠促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。該教學(xué)模式依托具體工程項(xiàng)目展開實(shí)踐教學(xué)，需要學(xué)生參與虛擬儀器的構(gòu)思、設(shè)計(jì)并最終實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能，這一過程中學(xué)生需要對(duì)已經(jīng)學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，可以深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高運(yùn)用專業(yè)技能解決實(shí)際問題的能力。此外CDIO教學(xué)模式通常需要小組合作的方式共同完成教學(xué)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)成員需要合作完成虛擬儀器的功能分析、界面設(shè)計(jì)、程序編寫與測(cè)試等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要小組成員合理分工、有效溝通和協(xié)調(diào)沖突，能夠培養(yǎng)良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生具有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，熟悉工程實(shí)際流程，能夠更快地適應(yīng)企業(yè)的工作環(huán)境[4]。

2“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1課程內(nèi)容枯燥無趣

目前，虛擬儀器設(shè)計(jì)課程中存在課程內(nèi)容乏味無趣的情況，該情況是由多種原因?qū)е碌?。一方面，在教師的教學(xué)方法上，依舊采用教師進(jìn)行理論講授，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的方式，教學(xué)手段較為單一，在教學(xué)內(nèi)容上更加注重理論知識(shí)的講解，忽視實(shí)踐教學(xué)的重要性，缺乏積極的課堂氛圍，此種教學(xué)方式雖然能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)到一定的理論知識(shí)，但是缺乏實(shí)踐操作，難以把握虛擬儀器設(shè)計(jì)的技巧。另一方面，虛擬儀器設(shè)計(jì)課程本身涉及多領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容，而且相關(guān)知識(shí)內(nèi)容枯燥難以理解，教師難以用生動(dòng)的教學(xué)方式進(jìn)行講授，學(xué)生也不能對(duì)知識(shí)內(nèi)容形成清晰的認(rèn)知。因此，亟須對(duì)當(dāng)前課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，增加課程趣味性。

2.2理論與實(shí)踐脫節(jié)

當(dāng)前虛擬儀器課程內(nèi)容以傳統(tǒng)儀器編程理論知識(shí)為主，缺乏對(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域先進(jìn)理論與應(yīng)用的講解。雖然部分學(xué)校開展了儀器設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，但是實(shí)踐活動(dòng)較為基礎(chǔ)，欠缺相關(guān)知識(shí)技能的延伸與拓展，導(dǎo)致教學(xué)與實(shí)踐匹配度不高，教學(xué)效果不佳。虛擬儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)離不開先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前用于練習(xí)與實(shí)踐的計(jì)算機(jī)設(shè)備數(shù)量有限，教師只能通過演示的方法展示儀器設(shè)計(jì)的步驟，學(xué)生無法在練習(xí)中增強(qiáng)虛擬儀器設(shè)計(jì)的操作能力。此外，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，教材中部分知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)不再適用于當(dāng)前的行業(yè)需要，但是教師依舊以課本上的教學(xué)案例進(jìn)行知識(shí)教學(xué)，只關(guān)注學(xué)生理論知識(shí)的掌握情況，忽視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致教學(xué)理論與應(yīng)用實(shí)踐的脫節(jié)，不利于學(xué)生思維方式與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3考核機(jī)制不完善

當(dāng)前虛擬儀器設(shè)計(jì)課程教學(xué)中缺乏完善的考核評(píng)價(jià)體系，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)情況的評(píng)價(jià)主要依賴考試成績(jī)與課堂考勤情況，這種考核機(jī)制側(cè)重于對(duì)學(xué)生知識(shí)概念、技術(shù)原理等理論內(nèi)容掌握情況的考查，無法了解學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決專業(yè)相關(guān)問題的能力，這種單一化教育評(píng)價(jià)方式嚴(yán)重限制學(xué)生的成長(zhǎng)與發(fā)展，這種評(píng)價(jià)方式讓學(xué)生和教師形成了重視考試結(jié)果，輕視學(xué)習(xí)過程的思想，只通過考試進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，使學(xué)生只在考前用突擊補(bǔ)習(xí)的方式應(yīng)付考試，不會(huì)對(duì)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行深刻的思考與理解，失去學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，教師也失去了進(jìn)行教學(xué)改革與創(chuàng)新的動(dòng)力，使教學(xué)過程逐漸僵化。因此高校需建立完善的學(xué)生考核機(jī)制，從多元化的角度出發(fā)，全面衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和對(duì)知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用能力。

3虛擬儀器設(shè)計(jì)CDIO教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)術(shù)型人才的途徑

3.1引入CDIO教學(xué)設(shè)計(jì)理念

學(xué)?；谀壳皩W(xué)術(shù)型人才的培養(yǎng)需求，在虛擬儀器設(shè)計(jì)課程中引入CDIO教學(xué)理念，并確立CDIO教學(xué)模式的具體實(shí)施方案，如圖1所示。改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，將虛擬儀器設(shè)計(jì)項(xiàng)目融入教學(xué)過程，教師在此基礎(chǔ)上展開教學(xué)設(shè)計(jì)，將教學(xué)過程劃分為CDIO模式的4大環(huán)節(jié)，即構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行[5]。教師圍繞這4大步驟展開教學(xué)，在構(gòu)思環(huán)節(jié)，教師提出虛擬儀器項(xiàng)目需求，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行初步了解和探索；在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)需求查找相關(guān)資料并以小組協(xié)作的形式編寫應(yīng)用程序，最后由教師分析程序中出現(xiàn)的問題；在實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)程序功能進(jìn)行調(diào)整和修改；在運(yùn)行環(huán)節(jié)學(xué)生對(duì)編寫的儀器程序進(jìn)行最終測(cè)試，并將項(xiàng)目完成情況寫進(jìn)報(bào)告。

3.2利用多元化的教學(xué)方式增強(qiáng)CDIO教學(xué)效果

在CDIO教學(xué)模式落實(shí)過程中應(yīng)注重教學(xué)方式的多元化，在CDIO教學(xué)項(xiàng)目中教師應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的作用，在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐之前，教師利用媒體視頻、模擬動(dòng)畫等方式對(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行演示，用生動(dòng)形象的方式對(duì)難以理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，提高其學(xué)術(shù)素養(yǎng)。此外還要在教學(xué)過程中融入虛擬儀器技術(shù)的最新理論與研究成果，并對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行創(chuàng)新，將最新的虛擬示波器、多功能頻譜分析儀、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)引入教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)術(shù)素養(yǎng)。

3.3建立規(guī)范化虛擬儀器設(shè)計(jì)課程考核方式

規(guī)范化的考核機(jī)制能幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)與發(fā)展情況，評(píng)估CDIO教學(xué)模式的實(shí)施情況。因此要完善虛擬儀器設(shè)計(jì)課程中的考核評(píng)價(jià)機(jī)制，將學(xué)生在CDIO教學(xué)項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)納入評(píng)價(jià)體系，并且在教師評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上增加學(xué)生互評(píng)與自我評(píng)價(jià)的環(huán)節(jié)，擴(kuò)展評(píng)價(jià)的維度[6]。考核內(nèi)容方面，從項(xiàng)目參與的積極性、參與度、團(tuán)隊(duì)合作效果等角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)判，提高學(xué)生參與課堂的主動(dòng)性。另外要在課程考核的機(jī)制的基礎(chǔ)上建立改進(jìn)機(jī)制，項(xiàng)目完成后，教師應(yīng)指導(dǎo)小組進(jìn)行總結(jié)與反思，分析項(xiàng)目開展過程中的各種問題并給出改進(jìn)方法，也可以邀請(qǐng)表現(xiàn)優(yōu)秀的小組分享經(jīng)驗(yàn)。

4結(jié)語

目前虛擬儀器設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)學(xué)術(shù)型人才的需求不斷增多，當(dāng)前虛擬儀器設(shè)計(jì)課程存在著教學(xué)方法單一、內(nèi)容乏味，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)等多方面的問題，不能滿足當(dāng)前的人才培養(yǎng)需要，在這種情況下，CDIO教育模式為虛擬儀器設(shè)計(jì)教學(xué)提供了新的路徑。該教育模式將項(xiàng)目實(shí)踐與知識(shí)教學(xué)融為一體，利用實(shí)踐與教學(xué)雙重渠道展開教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革創(chuàng)新，激發(fā)了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的興趣與主動(dòng)性，提高了學(xué)生對(duì)學(xué)術(shù)知識(shí)的掌握程度，培養(yǎng)了其實(shí)踐應(yīng)用能力與思維創(chuàng)新能力，為該領(lǐng)域?qū)W術(shù)型人才的培養(yǎng)提供了保障。

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