CDIO教育模式在物理实验教学中的实践

吴泉英，王 帆，徐宗宁，朱爱敏，姚庆香，樊丽娜

（苏州科技学院，江苏 苏州 215009）

物理实验课程是大学生进入大学后接触到的第一门实验课程，物理实验教学重在培养学生动手能力，在实验教学中充分调动学生主动学习的兴趣，通过物理实验课程真正培养学生创新实践能力。如何通过物理实验教学真正培养学生的创新实践能力是我们一直关注的问题，近年来，通过积极地探索和改革传统的实验教学模式，引入新的理念，探索新的模式，将CDIO的工程教育模式和我们的培养方案结合起来，构建工程教育的环境和模式。CDIO工程教育模式［1］是近年来国际工程教育改革的最新成果。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体 ，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标［2］。更重要的是它提出了系统的能力培养、全面的实施指导以及实施过程和结果检验的12条标准，具有可操作性，为工程教学改革提供了模板［3］。CDIO是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现［4－5］。在物理实验教学中实施“做中学”CDIO模式，是进一步深化实验教学改革，充分培养学生“做事”和“做成事”的能力。

1 物理实验教学中如何实施“做中学”CDIO模式

CDIO方法鼓励学生进行主动学习和综合学习，开展学术研讨活动，推动学生学习产品、生产流程和系统构建技能，学习与人交流合作技巧。在此过程中，指导教师将适应各种主动学习和综合学习方法，讲座型、工程型课程或体验式学习，如基于项目的学习、模拟和案例研究等［6－7］。通过省级示范中心建设和物理实验教学改革，物理实验教学内容已从原来的验证性实验为主改革为以综合设计性实验为主，形成了大学物理演示实验、验证性实验、综合设计性实验、课题性实验四个层次的教学体系。在此基础上，建立CDIO“基于项目的学习”物理实验教学模式，使学生在“做中学”的过程中，系统地得到构思、设计、实现、运作的整体训练。

将工程师职场环境作为物理实验教学的环境。工程师职场环境是以需要为本，提供市场完整的产品和服务，持续创新和改进，问题的解决，与人共事，有效沟通，在现有资源和条件下把事做成［8］。在物理实验教学中，按照工程教育环境构建的要求，培养学生“做事”和“做成事”的能力。在综合和设计性实验中，培养学生预先自学的习惯，学会查阅资料，并将知识运用到实验项目中，主动积极地解决实验中遇到的问题。在设计性实验项目中，学生以项目组的形式开展实验，注重培养团队合作意识。在问题解决和与人共事的过程中，不断交流与沟通，在“做中学”并在“做中学会发现”，发现新的知识点、新的实验方法，培养创新实践能力。

1.1 CDIO教学在理工科专业物理实验中的实践

针对学校培养工科应用型人才的目标定位，在土木工程、交通工程等工科物理实验课程中设置设计性实验，设计性实验以项目组形式实施，学期初实验中心给出设计性实验的要求，学生组成项目组，先构思设计性实验的思路，通过讨论确定实验题目与方案，然后着手进行实验设计，在实验室开放环境中，实施设计实验，包括实验器件的采购等，有必要时请教企业或实习基地的工程师，完成设计实验的全过程。“做中学”的实验模式，将课堂还给学生，学生完成整个设计性实验，将课堂从实验室延伸至图书馆、企业、实习基地等。

1.2 CDIO教学在应用物理学专业物理实验中的实践

在培养方案的物理实验大纲中，实施CDIO教育，通过精心规划的构思，设计，实施，运作（CDIO）项目，培养学生工程设计的理念。以应用物理学专业为例，开设《普通物理实验》、《普通物理实验设计》和公选课类物理实验，通过项目设计，将物理实验课程体系和系统有机地结合起来，通过在《普通物理实验》课程项目实施中构思，设计，实施，运作（CDIO）的理念，引导学生对物理实验的兴趣，培养学生从工程训练的角度去实践物理实验项目。《普通物理设计实验》是在学生接受《普通物理实验》工程训练基础上，学生具备基本的工程项目理念和“做中学”的工程思维，进一步贯彻CDIO理念。在《普通物理设计实验》中全面实施项目制，学生以项目组的形式进行。项目课题的来源是在学生所学过的知识的基础上，结合所在地区企业的工程技术需求问题，或者结合老师的科研课题。另外也鼓励学生自己通过资料的搜集后自己制定项目课题。每个课题均由学生负责，并有教师指导。课题确定后，项目组学生根据所学知识，通过查阅资料、小组讨论，制定出解决课题的思路和方案，并与指导教师讨论可行性。方案通过后，借助实验室仪器或购买相关的仪器，在实验室完成项目，通过实验平台的搭建、实验仪器的调试，得到实验结果，解决具体工程问题。课题的成果参加各类学科比赛、与企业联系进行技术转让、发表文章或申请专利。

项目中从实验方案的构建至实验的全过程，都由学生“做”。通过项目的训练，学生利用所学知识，完整地展开构思、设计、实现、完成项目设计的全过程。设计实验在选题时，学生需从解决问题出发，探索工程问题，激发他们对工程问题的兴趣和掌握解决问题的途径等方面选择一个合适的项目。设计与实现过程中应用工程科学知识设计与制作完成实验作品，并将实验作品作为成果参加各类学科竞赛。

例如，太阳能电池特性研究与应用综合研究，这个项目是针对近年来太阳能应用需求这个热门课题而设计的，要求学生在实验室完成太阳能电池的基本特性测试，太阳能如何存储和应用，涉及多种应用电路，如升压电路、应急电路、光通信电路等的设计。学生需从解决问题出发，探索工程问题，通过学生构思，利用学过的知识，结合需解决的问题，选择合适的方案。在解决太阳能存储和如何实现有效升压这个问题时，学生通过反复地查阅资料并与教师交流，最终确定了用法拉电容完成升压电路的设计，并在实验室用碘钨灯作为太阳模拟光，搭建实际光路和电路，在项目小组中各成员分工合作，积极完成仪器元件的采购、调试，初步的模拟并完成调试，很好地解决升压的具体的工程问题。此课题的顺利完成后，请企业的工程师与项目组一起讨论项目仪器的制作，通过学校与企业的合作，完成仪器的制作，相应仪器参加省级物理实验作品竞赛并获奖。又如，学生通过学校与传感器测控技术有限公司联合成立的工程技术研究中心开展设计性实验。利用这个合作平台，开展传感器制作及传感器测控技术科研与实验教学研究，项目的全过程均由企业工程师参与指导，学生深入企业学习相关知识，完成的作品“压力传感器与水位控制”获江苏省高校大学生物理及实验科技创新作品竞赛特等奖。理论结合实践的物理实验教学模式，使学生尽早接受工程教育，有利于培养“零适应期”的本科生，从时间和空间上缩短学校与企业的差距。

2 CDIO在物理实验教学中应用中应注意的问题

通过在物理实验教学中的实践，CDIO工程教育模式的确可以为我们解决传统实践教学方面的弊端提供了一个很好的途径。但在物理实验教学中具体的应用该模式时，须注意或需解决一些问题。

2.1 师资队伍的现状及建议

目前，学校大部分教师是在知识传授教学模式（如讲授）下培养起来的，在工业环境中的工程实践经验却非常有限［9］。教师队伍中长期以来缺乏有工程背景的人才的加入，大部分教师没有参加企业解决具体的工程问题的经验。在组织教学的时候，实践性的教学内容与具体工程问题的结合少。这导致我们的实验开设时，创新设计性实验不能与具体工程问题相联系，学生毕业后面临具体工程问题还是无从下手。

要加强学校与企业的合作，让博士、硕士毕业进校的青年教师有组织有计划地到有关的工程第一线去锻炼，及时了解行业、企业的新技术、新设备、新工艺，参与工程实践活动，如企业的产品开发、设计以及技术改造，甚至工矿企业的运行、营销和管理，了解企业的需求，提高教师自身的工程素质和工程教育能力［10］。学校还可聘请企业工程师参加实验项目的讨论和制订。

教师应以积极的热情面对人生的挑战，增强竞争意识，以接受和欢迎的态度迎接千变万化的网络信息，以学习的态度对待一切新生事物，树立终身学习的观念，不落后于时代，成为合格的现代教师［10］。

2.2 积极构建工程教育环境

创新实验平台是学生研究性实验、创新性实验、毕业设计、学科竞赛等的教学基地，也是实施创新教育、培养创新精神、实践创新能力的重要场所［11］。积极构建开放的创新实验平台，为学生提供工程教育的环境。一方面充分开发和利用实验室资源供学生利用，加大实验室开放的程度。另外利用到企业参观、利用校企合作的实习基地等，从多个方面为学生提供理论联系实践的机会。

3 结 论

CDIO教育模式是构思－设计－实现－运作的有机结合，以培养高级工程专业人才为目标的高等工程教育新模式。CDIO教育模式通过在物理实验教学中的实施，为培养具有工程思维和实际工程能力的应用型人才提供了工程教育的教学方法论。此模式的有效地实施，需要我们在教师队伍、激励机制上进行改革，加大开放实验室建设、校企联合实践基地建设，积极创建CDIO环境。在CDIO教育模式实施过程中，需要不断地加强学生工程素质的培养，在培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的工程师具备优秀的职业道德、正直、富有责任感，较强的项目开发、设计和创新的能力和团队精神。

［1］ 熊和平，岳爱臣.CDIO工程教育模式：误解的澄明与风险的规避［J］.高等工程教育研究，2009（5）：48－50.

［2］ 查建中，何永汕.中国工程教育改革三大战略［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.

［3］ 王张辉.CDIO教育理念下计算机实验教学模式［J］.实验室研究与探索，2011，30（9）：110－113.

［4］ 查建中.论“做中学”战略下的CDIO 模式［J］.高等工程教育研究，2008（3）：1－6，9.

［5］ 陈文杰，任立军.新加坡理工学院基于CDIO模式的项目教学改革［J］.职业技术教育，2009（35）：91－93.

［6］ 高雪梅，孙子文，纪志成.CDIO方法与我国高等工程教育改革［J］.江苏高教，2008（5）：69－71.

［7］ 聂凌鸿.CDIO模式下高等工程教育的师资队伍建设［J］.SCIENCE ＆ TECHNOLOGY INFORMATION，2011（11）：23－25.

［8］ 魏克湘，刘迎春，董丽君，等.工程应用型人才培养实践教学体系的研究与实践［J］.中国大学教学，2011（1）：74－76.

［9］ 刘财勇，苗淑杰，张荣沂，等.CDIO教育模式下“双师型”教师队伍建设［J］.科技教育创新，2012（10）：218.

［10］ 聂凌鸿.CDIO模式下高等工程教育的师资队伍建设［J］.科技信息，2011（11）：439.

［11］ 吴卫.构建工程实践教育平台［J］.实验室研究与探索，2007，26（6）：104－106.