基于CDIO工程教育模式的自动化专业实验教学改革

徐银梅+王尚君+王国霞

摘要：本文简要地介绍了CDIO工程教育模式及能力培养目标，分析了进行教学改革的必要性以及传统教育模式下实验教学的不足，从实验教学体系建设、实验内容设计、实验教学方法的改进及教师CDIO能力的提高等方面进行了改革，形成了新的教学模式，加强了对学生工程实践能力的培养。

关键词：CDIO;实验教学改革;工程实践能力;自主学以能力;团队写作能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）20-0243-02

CDIO模式是2000年由美国麻省理工学院以美国工程院院士Ed.Crawley教授为首的团队和瑞典皇家工学院等3所大学发起，经过4年的跨国研究而创立了一种新型工程教育模式[1-3]。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），该教育模式以构思、设计、实施、运行产品、过程和系统的全生命周期为教育背景，通过有机联系的课程体系和CDIO教学标准的制定，使学生主动地学习，从实践过程中通过经验学习来获取工程能力[4]。

CDIO工程教育模式由汕头大学于2005年率先引入国内，目前全国已有39所高校被批准成为CDIO试点高校。北京科技大学自动化学院于2013年被批准成为教育部第二批CDIO电气类试点高校，基于此自动化专业全面展开了CDIO模式的教学探索与实践[5]。

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。针对CDIO工程教育模式的要求，我们对课程的实验教学内容、方法及手段进行了改革，在现有条件的基础上做了一些有益的尝试，使实验教学内容更紧密结合工程实际，更注重学生工程能力及创新能力的培养，为学生就业打下了良好基础，提高了毕业生的就业竞争力。

一、改革完善实验教学体系结构，满足CDIO工程教育模式的要求

通过近几年的实验教学体系建设，实验中心建立了“以验证实验为本、综合设计实验为主、创新实验为优”的“三层式”实验教学体系。

第一层次以基础验证性实验为主，主要在专业基础课程中开设，确保学生掌握本专业的基本实验技能，提高其实践动手能力，如各专业基础实验课程。

第二层次以综合设计性实验为主，该类实验融合多门专业课程或一门专业课程的多个知识点，重在培养学生系统完整的知识结构与综合实践技能，如自动化实训实验项目。我们自主研制的自动化生产线实训平台，以实际工业系统为原型，涵盖完整的自动化工厂实训系统，包括过程控制、运动控制和制造自动化等多个行业子系统。进一步强化了教学体系当中的工程实践应用环节，提高了学生的就业竞争力，体现了实验教学紧密联系实际生产过程的工程特色。

第三层次以创新性实验为主，主要在专业课程中设置，启迪学生的专业设计与创新能力，此外还通过实验室开放项目和科技创新实验室锻炼学生的实践创新能力。学院近几年先后建成了三个创新实验室，创新实验室面向全院学生全天候开放，结合学科专业特点，购置必要的研究设备和相关图书，为大学生创新创业（SRTP）项目活动及各类学科竞赛提供了一些基本的硬件条件及场地。通过完成创新项目的过程，培养了学生创新意识和创新能力，提高了其实践动手能力，培育了其团队协作精神。

按照三层次教学体系，我们构建了从基础课实验室、专业实验室到实训实验室的一体化实践教学链，进一步强化了教学体系当中的创新能力和工程实践能力的培养，以满足CDIO工程教育模式的要求。

二、实验教学的改革

实验教学应该是学生亲历验证新理论、充实新知识、尝试新方法、掌握新技术的过程，是学生专业素质培养的重要途径。所以，实验教学要满足CDIO工程教育模式要求，要改变过去重知识灌输、轻能力培养的实验方法，要积极引导学生积极主动学习，着力培养学生的工程实践能力和分析问题、解决问题的能力，培养学生的创新精神。

在过去的实验教学中存在一些问题，如实验教学内容偏重于理论验证，与工程实际脱节;实验过程中没有充分重视学生的知识综合应用能力和创新意识的培养;实验教学方法、手段单一，实验教学效果有待提高。针对这些问题，我们从以下三方面进行了实验教学研究与改革。

1.调整实验教学内容，培养学生的CDIO工程能力。针对实验教学与工程实际相脱节的问题，除了增加自动化专业工程实训内容外，还在专业课实验内容中增加介绍实际应用系统的内容，如电机及运动控制实验中增加了介绍数控机床电机控制系统的内容，教师对系统的组成、功能、工作原理给学生做详尽地介绍，学生可以看到实际的控制板、电机，能自己动手操作，了解系统的软硬件的构成，并就相关问题与教师直接交流。这一实验结束后，学生反响热烈，大大激发了学生深入学习的热情。

此外，我们在网络实验平台资源库中还给学生提供了一些典型的运动控制系统的案例，如变频空调控制系统、轧钢过程中的张力控制系统等，从而分析系统工作原理及软硬件的实现。学生在课下通过学习了解实际生产过程中电机是如何控制的、控制系统是什么样子的，弥补了实验设备与工程实际相脱节的问题，也开阔了学生的眼界。

2.实验教学方法改革与创新。传统的注入式教育方式，重知识灌输、轻能力培养，学生难以积极主动地参与教学活动，不利于培养学生的自主学习能力和创新能力[6]，不能满足CDIO工程教育模式的能力培养要求。所以我们要改变传统的教学方式，进行教学改革实践，将主动式教学理念、任务设定教学法教学等应用到实验教学过程中。

任务设定教学法是在学生实验前根据运动控制系统的运行情况设定问题[7]，在实验前学生通过所学知识自己寻找解决方案，教师对学生的方案进行审核把关，确保实验过程的安全性。在实验过程中学生验证解决方案的正确性，并要对实验的现象和结果进行分析。这种方式改变了过去按照实验指导书按部就班的情况，学生变为实验的主导者，着重在学生分析和解决问题能力以及工程设计思想和知识综合应用能力的培养上，符合CDIO教学模式工程能力的培养要求。

团队协作能力是CDIO培养大纲中要求工程毕业生所具有的四个层面能力之一，是学生未来走向社会必须具备的能力。而分组教学法可以培养学生分工合作、交流协调、共同研讨等团队合作精神与能力。实训平台借鉴了企业员工的培训方式，以项目组的形式开展项目研究，项目组包括负责人和组员，按照各自身份参与项目实施，轮换项目负责人和组员身份，保证每个学生都参与过负责人的角色，注重学生个人能力和团队协作能力的培养。采用分组教学法，既培养了学生的团队合作能力，也使得实验考核更加规范客观[8]。

三、加强教师自身的CDIO能力培养

现在很多教师是从学生到教师的转变，缺少实际工程应用背景，教师本身工程基础知识和能力的欠缺也会造成理论与工程实际的脱节，直接影响实践教学的效果。所以，用CDIO的教学模式展开教学活动，要求教师必须有较强的工程知识和能力[9]。针对教师理论与实践脱节的问题，学院组织教师参加一些应用技术的短期培训班，学习一些先进的工程应用技术;和学生一起去企业参加生产实习，去生产一线进行工程实践;同时，通过实践经验丰富的老教师的指导及通过其他途径进修，以胜任CDIO人才培养模式下的实验教学工作，提高实验教学的水平。

四、结语

基于CDIO模式的自动化专业实验教学改革与实践，解决了原有实验教学模式中存在的实验内容与工程实际脱节、没有充分重视学生的知识综合应用能力和创新意识的培养以及实验教学方法、手段单一的问题，注重了CDIO工程教育模式所要求的工程基础知识、自主学习能力、团队协作能力及工程系统能力四个层面的能力培养，为培养高素质的自动化专业工程应用型人才打下了良好的基础[10]。

参考文献：

[1]Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，etc.Rethinking Engineering Education：The CDIO Approach[M].Berlin：Springer，2007.

[2]陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006，（11）：81-83.

[3]康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报，2008，31（4）：15-18.

[4]顾佩华，沈民奋，李丹平.从CDIO到EIP-CDIO.汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）：12-20.

[5]董冀媛，李晓理，董洁，等.CDIO模式下电力电子技术课程教学改革的思考[J].实验室研究与探索，2008，27（8）：239-242.

[6]张雪，李玮，李慧.我国高等工程教育人才培养[J].河北联合大学学报（社会科学版），2013，13（1）：89-92.

[7]董冀媛，孙昌国，王尚君.用于电梯控制模型设计的可编程控制器的教与学[J].中国电力教育，2011，（35）：97-98.

[8]李保银.运动控制系统实验单独设课考核办法的研究[J].科技资讯SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION，2011，（5）：78.

[9]崔瑞雪，陈刚，毕亚军.基于CDIO的《电子技术课程设计》教学模式研究与实践[J].北华航天工业学院学报，2012，22（6）：51-53.

[10]孔繁镍，李燕，马伏花.自动化专业CDIO培养模式研究[J].课程教育研究，2014，（2）：232.