基于工程教育的实验教学模式探索

2013-09-06孟祥贵

实验技术与管理 2013年10期

王伟，孟祥贵，安寅

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410003）

在国外，CDIO工程教育模式已相对成熟，并卓有成效，如：英国贝尔法女王大学采用基于项目的学习方式，在大学不同阶段承担不同的项目，取得了较好的教学效果；瑞典林雪平大学自2002年起增设了导论性课程，从授课研讨、项目开展和交流活动3个方面实施课程，这种教学方式得到了广泛的肯定[1]。在国内，随着CDIO教育模式改革和“卓越工程师计划”的实施与推进，已有许多高校针对不同专业人才需求制定了详细的课程计划。其中，作为中国首个高校CDIO成员的汕头大学提出了基于职业化、道德化的CDIO教育模式，受到了业内的好评；清华大学的工业工程系顾学雍副教授曾在“数据结构”和“数据库技术”两门课程中采用了CDIO教学方法，取得了满意成果；还有数十所高校采用了“3＋1”的教学模式，有效提升了毕业生的就业率。由此可见，工程教育模式已在社会上得到了广泛的认可。对比国内外的工程教育模式现状，国外的工程教育多贯穿于整个大学教育，而国内的工程教育多针对特定的课程展开，同时由于教学条件等因素的限制，多数还以到企业实习的方式参与项目，在教学方面缺乏一定的连贯性。鉴于此，本文从实验教学角度出发，提出基于工程教育的实验教学模式，将工程教育贯穿于整个大学的实验教学中，充分利用资源优势使实验教学在高等工程人才培养方面发挥更大的作用。

1 基于工程教育的实验教学模式的设计构架

基于工程教育的实验教学模式整体上分为3个阶段（见图1），在不同阶段根据学生的实际情况安排实验教学内容，逐步完成“激发兴趣”、“渗透工程概念”、“模拟工程师角色”及“培养团队合作精神”这4个层面的阶段性目标，以循序渐进的方式培养学生的创新精神和工程实践能力。期间还将对教学效果进行阶段性的评估和改进，使实验教学更好地贴近学生，引导学生和培养学生。

图1 基于工程教育的实验教学模式设计构架示意图

2 实施的具体举措

在实施过程中需根据学科特点和人才需求制定相应的实验课程计划，并将实验课程分层次地安排到学生大学4年的学习中，使学生通过实验课程能够对不同阶段的理论知识融会贯通，逐步培养创新思维和工程实践能力。

2.1 通过展示工程模型激发学生兴趣

爱因斯坦曾说过“兴趣是最好的老师”。在应试教育的大背景下，许多学生仅仅为了考试而学习，对所学知识的用途与用法不甚了解，往往容易陷入迷茫[2]。要摆脱传统应试教育的束缚、发挥学生的内在潜能，首先要激发学生的学习兴趣。

基于工程教育的实验教学模式便将“激发兴趣”作为实验教学的“敲门砖”。为了更好地开启实验教学的大门，可以在学生入学时便安排其到实验室参观一些与学科领域相关的典型工程实物模型，努力向其展现本学科专业的光明前景，让学生体会大学学习所能带来的乐趣，并引导学生自己制定学习目标和发展方向[3]，使其能够逐渐形成一种自我奋发的精神状态。

通过工程模型展示激发学生学习的兴趣，是将学生带入实验课堂的第一步。

2.2 基础实验教学初步渗透工程概念

基础实验课程的开设一般安排在大学一年级到二年级，传统的基础实验教学主要以训练学生的基本操作技能为主，内容安排上更侧重于验证型实验。

在新的实验教学模式下，基础实验教学可分为2个阶段：第一阶段是对学生进行基本技能（如焊接等）的训练，可以单独设立实训课程，主要模拟企业中的生产操作环节进行训练；第二阶段进入到理论课程的实验部分，这部分实验分为验证型、综合型、设计型3个方面的实验内容，在安排实验内容时适当增加综合型、设计型实验的比重。在实验教学过程中，要将实验教学与理论课程紧密联系，帮助学生深入理解理论内容，并结合实验内容讲解工程案例及工程解决方法[4]，不断渗透工程概念，培养学生的工程意识。

基础实验具有一定的通用性，学生通过基础实验课程理解相应的理论内容，掌握基本的操作技能，并初步形成工程意识，可为后续的专业实验和工程实践打好基础。

2.3 专业实验教学中模拟工程师角色

专业实验课程一般从大学二年级就开始陆续开设，直至大学四年级，分为专业基础实验和专业综合实验2个部分[5]。专业基础实验主要是针对专业课程所学内容做一些验证工作，专业综合实验主要是进行相关的课程设计，传统的专业实验的授课方式仍然以教师“讲授”为主[6]，学生被动地接受。

在基于工程教育的实验教学模式下，专业实验教学应充分体现“以学生为主体，以教师为主导”的原则[7]。专业基础实验在内容设置上仍然以夯实课堂所学知识为主，但在教学方法上需要改变传统的“教”与“学”的方式，由教师综合理论课堂知识提出验证某些理论的实验要求，学生根据要求在规定的课堂学时内设计实验方案，并利用已有器材进行实际操作，完成实验；专业综合实验仍延续传统的课程设计的方式，但在实验内容上应将多学科知识交叉融合，给出具有相当弹性的设计题目，学生将根据题目自行查阅资料，进行原理设计，然后利用已有器件实现，以验证设计是否达标，最后须对自己的设计及验证结果进行深入思考与分析，并形成报告。工程教育背景下的专业实验教学更注重对学生自主实验能力的培养，通过设置开放性的实验题目给予学生更多自由发挥的空间。

在专业实验中，须充分发挥学生的主动性，给予学生更大的空间，让学生模拟工程师角色，从设计到验证全程体验，初步领略工程实践的魅力。

2.4 创新实践活动中培养团队合作精神

现如今许多高校都有举办各种类型的创新实践竞赛，学生一般从大学三年级开始参与。这种创新实践竞赛规模虽大，但学生的参与率并不高，许多学生在整个大学生涯中都没有机会体验这种活动。

在基于工程教育的实验教学模式下，创新实践活动不再以纯竞赛的方式举行，而是作为一门实践课程开设，使所有学生均能参与其中。实验室可与相关领域企业联合，以企业赞助的方式进行[8]。企业为学生提供相关专业领域特定的产品作为开发工具，学生利用指定产品进行一些创新开发，而实验室将为学生提供全开放的自主实验环境。在实验课程中，学生自由组合成若干小组，每个小组4人左右，模拟产品开发流程[9]，分工合作。教师为学生提供必要的开发环境和参考资料。实践活动可在1～2个学年内完成。待到产品开发完成后，由实验室举办小型产品模拟推介会，给予学生展示自己产品的机会。

创新实践活动为学生提供了一个近似的工程实践环境，学生在这个过程中既熟悉了产品开发流程，又培养了团队合作精神，为成为合格的工程师做好准备。

2.5 实验教学效果评估

传统的实验教学效果评估主要采用“实验结果＋实验报告”的考核方式[10]，完全按照“标准答案”的固定模式来评价，学生总处于被动的地位。

基于工程教育的实验教学模式是个循序渐进的过程，要在不同阶段针对学生不同的能力培养进行评价，并在最后阶段进行整体效果评估。

阶段性的实验教学效果评估可以采用“操作考评＋报告审核＋综合测试”的方式进行，操作考评和报告审核伴随着每次实验教学而进行，综合测试可以在该实验课程结束后由实验教师根据实验内容提供一份综合性试卷，学生根据实验操作的实际情况在规定时间内作答[11]。整体效果评估主要是针对创新实践活动而言，由于这个过程中涉及到团队成员之间的相互配合，可以采用“产品模拟推介＋学生互评＋自我评价”相结合的方式进行。通过模拟推介和学生互评，考查学生的人际交流与自我展示能力，而自我评价则是考查学生的自我总结和分析能力。

实验教学效果评估的结果是实验教学改进的主要依据[12]，完善的实验教学效果评估体系是实验教学不可或缺的组成部分。