基于CDIO工程教育理念的《光电检测技术》教学改革

钟敏 程科 陈锋 肖朝

摘要：针对传统的《光电检测技术》课程教学模式无法有效实现培养高素质工程人才的现状，文章在该门课程的教学中引入了CDIO工程教育理念。以设计为导向，以任务为驱动，引导学生积极参与工程项目的构思、设计、执行和运作等每一环节，对培养学生的创新能力和工程实践能力，实现高质量工程技术人才的培养和社会需求有着重要的意义。

关键词：工程教育;光电检测技术;教学改革;实践能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）40-0091-03

一、引言

继《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》之后，教育部于2012年3月16日颁发了《关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）。二者均对提升人才培养水平、增强科学研究能力、服务经济社会发展、推进文化传承创新以及全面提高高等教育质量等提出了要求。该意见明确规定，本科教育要创造条件，优化学科专业和人才培养结构，创新人才培养模式，培养高素质复合型人才，实现我国高等教育的可持续发展[1]。在党的十九大报告中，习近平同志指出：创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。为此，将培养目标定位于提高应用型人才的创新能力上，为达到该目标和要求，将先进的CDIO工程教育理念[2]引入到教学工作中来，以实现培养具有高质量工程技术人才，培养满足社会多样性需求的工程应用型人才，提升国家的工业竞争力和综合实力。

本科教育在培养适量基础型人才、学术型人才的同时，着力培养多规格、多样化的工程应用型人才[3]。工程应用型人才不仅具有宽厚的基础理论知识和专业技术知识、工程创新意识[4]和实践操作能力，同时还具有个人自主学习能力和工程系统能力、人际团队沟通与协作能力。CDIO工程教育模式是培养工程应用型人才最先进的国际工程教育模式，体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的标准。该理念最早由麻省理工学院、美国工程院以及瑞典皇家工程院等4所大学经过4年的不懈努力和探索研究创立而成。其中，CDIO分别代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），包括了三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准。努力打造并建立集产品和系统的构思—设计—实现—运行（CDIO）整体过程为一体的工程教育。目前已有包括斯坦福大学、悉尼大学、阿斯顿大学、利兹大学等几十所世界著名大学加入了CDIO组织，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业的欢迎。汕头大学于2006年成为CDIO国际组织在中国的第一个会员单位，此后，北京交通大学、成都信息工程大学、清华大学、燕山大学以及安徽建筑大学也相继成了会员单位。

二、《光电检测技术》课程教学现状

我校开设的《光电检测技术》[5]课程结合了电子技术和光学技术，是一门多学科交叉综合性较强的课程，主要研究各类光电器件的组成、工作原理、特性参数及光电转换的基本电路和实际应用[6]。光电检测技术具有比传统纯电子测量技术检测精度更高、检测速度快、非接触、实时在线以及自动化程度更好的特点。因而该技术在工业、商业、农业以及军事等领域都得到了广泛的应用。《光电检测技术》的课程教学对于衔接先前的工程光学、模拟电子技术、数字电子技术以及信息光学等课程内容以及拓展知识的综合运用具有非常重要的意义。该课程是众多高等工科院校的光电信息科学与工程、光学工程以及测控技术与仪器等专业的学科基础教育课程，同时也是许多本科理工科专业的必修课程，因而《光电检测技术》的课程教学和研究越来越受到高等院校和科研机构的重视。随着信息技术的不断发展，传统的“光电检测技术”在教学过程中越来越显现出诸多弊端，主要体现在以下几个方面：

第一，课程教学重点不突出。光电检测技术是多学科的交叉，其教学内容多，知识面很广，包括光学、光谱学、光电子学、电子学、半导体技术以及计算机等学科内容，并且学习时间有限，如果在有限的学时内同时达到学科的广度和内容的深度，教学内容做到面面俱到，是具有一定的挑战和难度的。重点不突出很容易让学生感觉更加困惑，丧失学习主动性，影响教学效果。

第二，光电检测技术本身理论性偏强，涉及的知识面广，原理性内容多而零散。从光源到光电检测器件，都是从内部原理结构开始分析，然后到不同种类的区别，最后到不同场合的应用。例如半导体理论中的能带、载流子和PN结;光电检测器件中不同元器件的原理与结构，包括光电导器件、光生伏特器件、光电发射器件、热辐射探测器件、热释电器件、光耦合器件以及图像传感器等。其内容较为抽象，学生理解和记忆起来很有难度。

第三，教学中仍然采取灌输式的讲授法。《光电检测技术》课程的应用性较强，过分滥用讲授教学，容易让学生的认知结构和已有知识的储备无法与课堂上所讲授的知识进行良好衔接，知识的脱节会导致学生主体性缺失，处于被动的学习状态，限制了学生的积极性和主观能动性，不利于学生自学能力的培养和创新能力的发展，同时也不符合现代教育的目标。

三、《光电检测技术》课程教学改革

针对这一系列的问题，迫切需要探索一条符合我校光电信息科学与工程专业人才培养的新模式。基于CDIO工程教育理念，在教学过程中，让学生不断地构思和实践，以学生为主体，调动学生学习的主动性、积极性和创造性，培养学生掌握思考问题、解决问题的方法，激发学生的创新思维，使学生能牢固掌握以及充分理解其所学习的知识，提升学生的实践动手能力和学习技巧，有助于提高教学质量，更好地推动卓越工程师的培养。

第一，理论教学内容。首先，优化课程内容体系，注重因材施教。在课程的定位与优化方面，注意理论、应用和设计的平衡。对教材合理取舍并有所侧重，对教材中的经典理论和原理进行保留，并突出重要内容，精讲重点知识，泛讲拓展内容;其次，因教材落后于光电检测技术的快速发展，课本上的知识比较陈旧，与时代发展脱节，为使学生了解最新的、前沿的光电检测技术，应在授课内容中及时补充一些新理论、新技术、新应用和新成果;最后，对于教学内容的讲授，应该抓住主线，逐步展开。注意章节与章节之間的内在联系，在教学内容的安排上，采用先整体介绍，再部分详细介绍，最后回到整体应用分析的方式。

第二，课含实验。本着“强化动手、突出创新”的原则，课含实验与教学内容可同步进行，这对消化课堂理论知识、加深基本概念的理解、打开学生思路以及强化基本能力的训练有良好的促进作用。课含实验的教学将采用独立的研究形式，重在培养学生的研究能力和创新意识。实验过程有助于培养学生查阅资料、思考以及创新的能力，有助于熟悉科学研究的思路和方法。《光电检测技术》课程的教学中采用CDIO工程理念，以“设疑—设计—探索—分析”为教学方法，如图1所示。以高锰酸钾溶液的浓度检测设计为题，让学生分组进行调研学习，思考检测方法并给出设计方案;教师对每组设计方案逐一评价并指出方案中存在的不足以及考虑不周之处，学生根据老师的引导完善方案，给出最终设计框图;在教师的引导下，学生尝试实验系统的搭建，根据检测结果的反馈，不断进行反思和改进;将检测结果和数据形成实验报告，各小组依次演示实验结果，讲述主要的实验思路与实验方法，在老师指导下进行数据处理和结果分析。在整个实验过程中，各小组之间不同解决问题的思路和方法将会拓展学生的思维，碰撞出新的想法，打开新的思路。在整个实验的过程中，以学生为活动主体，教师只是活动的组织者和引导者，并适当给予启发式指导。这样学生的动手能力和独立解决问题的能力才能得到实质性的提高。

第三，教学方式。基于CDIO工程教育理念，结合教学平台及创新实验教学思想，建立了一个教育模式，如图2所示：

首先，在课堂上采用启发式教学，调动学生学习思考的主动性和积极性，结合学生的理解水平和兴趣点讲解重难点内容，抛出问题，充分发挥学生学习的自觉性、积极性和创造性。根据学生的理解和吸收的知识点加以区分、拓展和延伸，启发学生进行思考和讨论，培养学生的构思（Conceive）和设计（Design）能力。除利用课堂上多媒体进行教学之外，我校还建立了教学资源网站，充分完善了现代教学手段，总结每章节的重难点，收集光电检测技术中难点知识的相关仿真和演示视频，并将这些资料上传到教学平台，供学生下载学习，如此让抽象的知识变为了形象的动画，能够提高学生的学习兴趣，便于学生进行理解记忆。同时，针对不易理解的知识点，要单独提出，补充文本解释，并配套相关例题分析，更深层次地加深学生对重难点的理解。其次，配套实验项目，给学生提供充分的自主发挥与自主锻炼的空间，有效地提高了学生的个人自主学习能力和工程系统能力，同时还加强了学生的工程创新意识和实践操作、人际团队沟通与协作能力，落实了学生的实现（Implement）和运作（Operate）能力。最后，参照CDIO理念标准，建立更为科学和全面的评价体系，不仅考核学生课堂表现情况与课后作业完成的质量，同时还兼顾实验项目中对专业知识的掌握、创新思维以及团队沟通与协作情况等综合表现。该评价体系还有效地促进了教师进行教学改进，完善了教学方法，提高了教学质量。

四、《光电检测技术》课程教学改革成效

《光电检测技术》课程是我校光电信息科学与工程专业和电子科学与技术专业的专业课，该课程的教学改革提高了学生的动手能力和工程素质，同时也促进了理论教学。教学中选取了高锰酸钾溶液的浓度作为课程中的实验项目之一，结合本课程课堂已有的知识，以先修课程《模拟电子技术》、《脉冲与数字电路》为基础，以小组为单位进行设计和实验操作，最终完美地设计了电路板方案如图3所示，建立了实验系统如图4所示，完成了高锰酸钾溶液的浓度的测量。

五、结束语

基于CDIO工程教育理念对《光电检测技术》课程中存在的问题进行了分析，同时针对问题有的放矢，将教学内容进行优化、调整和补充，同时改变传统理论教学和实验教学的方式，改变了以往重理论、轻实践，重专业知识、轻创新能力，重个人能力、轻团队协作能力的培养模式。成功地将《光电检测技术》这门课程进行了工程教育改革，其实践结果也取得了良好的效果，加深了学生对课程理论的理解和掌握，提升了学生的工程实践和创新能力，加强了学生的动手能力、团队协作和沟通能力，提高了学生的综合应用能力。

參考文献：

[1]唐飞燕.中国高等教育可持续发展研究综述[J].高等建筑教育，2017，26（5）：1-5.

[2]胡兴志，丁飞己.工程系统、工程教育与CDIO课程改革[J].现代教育科学，2015，（3）：77-83.

[3]鞠银燕，宋杰光，徐明晗，王瑞花.工程应用型人才创新能力培养的探索与实践[J].教育现代化，2017，（2）：1-2.

[4]邓艳娟.中国高等教育中创新人才培养研究[J].现代经济信息，2016，（2）：394-395.

[5]徐熙平，张宁.光电检测技术及应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2016.

[6]温宏愿，窦如凤.应用型本科光电检测课程教学改革的探讨[J].大学教育，2018，（7）：36-38.