基于CDIO理念的工程思维培养实践研究

班戈 贾磊

摘  要 基于CDIO理念，提出更适合低年级学生工程思维培养的CDIR教学模式，实施过程采用PBL教学法为载体，锻炼、培养学生的工程思维，特别是工科生的工程思维，为学生以后的工程实践服务。以电路课程为例，对学生工程思维能力进行培养，并对培养模式进行总结，为工程思维能力构建和培养及后续课程的教学提供一定的参考和借鉴。

关键词 CDIO;CDIR;工程教育;工程思维能力;PBL教学法

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）07-0134-03

1 从CDIO到CDIR

CDIO工程教育模式是以构思（Conceive）、设计（De-sign）、实现（Implement）、运行（Operate）为构成要素的教育[1]，关注的是学生工程思维和工程能力的培养。以CDIO工程教育模式为蓝本，延伸出CDIR（R来自Rethink，

反思）的人才培养模式，即“构思—设计—实现—反思”的教学模式，适用于大一至大三年级。该培养模式重在提高学生工程思维的意识和能力，紧密贴合基础学科教学，注重在教学中增加反思和自构建元素，提高知识的综合性运用，具体模式如表1所示。对于CDIR教学模式培养工程思维的实践最有利的载体莫过于PBL教学法。

2 PBL教学法培养工程思维的电路课程实践

电路课程是电子科学与技术、生物医学工程等专业（甚至其他工科专业）的一门重要的专业基础课，是该专业学生学习的第一门工科类课程，是一门理论与实践并重的课程[2]。长期以来，在电路课程的教学实践中往往更重视理论的完整性和系统性，而较少考虑它对学生解决现实工程问题的思维方法的培养和锻炼，特别是如何为工程实践服务的思维[3]。

在电路课程教学中，学生事先学习了大学物理、高等数学、复变函数、线性代数等课程，故具有相关数理根底和数理思维方式[4]。与这些思维方式不同，工程思维是价值定向的思维，其核心是解决工程问题，意味着问题的解决方案并不唯一，存在多个不同的完成该任务的设计方案[5]，

需要工程师在众多因素中突出主要矛盾，忽略次要矛盾。

PBL教学法的特征  PBL（Problem-Based Learning，简称PBL）是一套设计学习情境的教学方法，最早起源于20世纪50年代[6]。

1）PBL教学流程。PBL教学流程一般是教师提出问题，学生自主探究，在整个过程中的团队合作也是不可缺少的。

2）PBL的设计内涵。上课之前，指导教师结合教学内容提出实际或虚拟的电路工程问题或项目，通过课前推送课件、资料等发布在线上平台，由班长组织学生自行分组。课上，教师提出该问题或项目，学生以小组为单位进行探讨并论述观点，不足之处由其他学生补充，最后由学生对问题解决方案作小结。PBL教学模式体现了“课堂是灵魂，学生是主体，教师是关键”的教学理念，教师“退出”课堂，仅仅成为知识体系构建的推动者[7]。

对于电路课程而言，运用PBL教学法，学生需要综合运用以前学习过的知识、原理，通过各自的认知方法和技巧，把学科领域内的知识、经验结合环境实际来解决先前没有遇到过的问题。

教学过程  教学过程由案例导入、自主讨论探究、总结陈述和自发迁移学习四部分组成。

1）案例导入，提出问题。提出问题，引起学生注意并激发学习兴趣。以电路课程第四章中的最大功率传输定理教学为例，问题：用电器要想从线路中获得的能量最多，该怎么办？这个问题紧扣实际应用，能够马上引起学生注意，学生很快知会问题意图，同时表现出解题兴趣和求解动机，引发学生思考。

2）主体讨论，自主探究。根据问题，各组分头讨论。学生会自觉回顾已有知识，从中排查、筛选相关知识、概念、原理，提取有效知识或经验，重构知识，且比较同组其他学生问题解决方法的异同，找出优点、缺点，将问题分解成几个小问题或小目标，选择相对应的原理、推论解决各个小目标，分别评价问题解决的恰当性。各组方案分别陈述，经过比较讨论后，学生自然得出典型的切合实际的方法或方案，最终根据方案步骤，按部实施，归纳问题解决方法、措施、实施路径并总结效率效果信息。如根据问题，学生会自动搜索已有储备知识，包括基尔霍夫电压、电流定律，戴维宁定理，实际电压源和电流源的等效变换等知识，提出解决问题的典型思维即搭建电路，但是为了简化电路，需要应用戴维宁定理。于是问题被分成若干子目标：①选择可变电阻充当负载;②利用戴维宁定理简化电路;③利用数学极值问题计算最大功率。最终确定问题解决的方案，如图1所示。

负载RL得到的功率为函数：

对P求导得：

得到当RL=Req时，负载获得功率最大为：

3）总结陈述。由学生代表阐述问题的特征，根据问题解决的效率和效果方面的信息，总结有效的问题解决方法或方案，加深学生对问题、方法、知识、原理的认识。通过总结陈述，部分学生发现用电器要想从线路中获得的能量最多，这个问题只适用于一端口电路给定，负载电阻可调的情况。于是学生就把最大功率传输定理的适用范围总结出来，而且发现应用戴维宁定理或诺顿定理计算最大功率问题是最方便的。

4）自發迁移学习。通过总结陈述，学生肯定了自己提出的解决方法或方案，但会自然地联想到当负载获得功率最大时，是不是意味着电路的传输效率为50%？在实验室搭建线路进行验证，证实由于一端口等效电阻消耗的功率通常并不等于端口内部消耗的功率，因此，当线路中的负载获取功率最大时，整个电路的传输效率并不一定是50%。通过迁移学习，学生对戴维宁定理和诺顿定理的应用及应用范围有了更深刻的理解，在这个过程中工程思维也得到有效的锻炼和提高。

通过上述教学过程，学生的思维能力得到提高，特别是工程思辨思维得到锻炼，学生在PBL教学过程中的工程思维发生发展过程以及在此过程中的CDIR教学模式的体现总结如表2所示。

教学效果分析  基于CDIO理念的CDIR教育模式在培养工程思维的实践过程中，通过PBL教学法的运用，特别是在学生学习的第一门工科类课程电路中的应用，能够极大地调动和活跃学生的思维，跳出传统灌输式知识学习模式，使学生多角度思索问题、解决问题，充分应用各种学科知识完成问题的处理。在上述例子中，通过问题的提出引起学生自发思考，学生提出解决问题的方案不止一个，但对比各个方案，会自己讨论并总结哪一个方案更符合和适合实际问题的解决。通过总结陈述，学生总结了此类问题的解决方法或方案，通过自发迁移学习，发现定理的适用范围以及与现实工程实际的关系。在这个过程中，CDIR教学模式不断在贯穿学生的思维，特别是工程思维得到充分锤炼和进步。同时，采用PBL教学法能够营造紧张活泼的学习氛围，在探讨和交流过程中，学生对知识的理解和内化在潜移默化地加深，从而继续引发对运用工程处理方案解决实际问题的思考，不断发现和解决新的问题。同时，学生的口头表达能力、终身学习能力等都得到锤炼和提高，为今后尽早成为合格的工程师做好准备。

3 结语

本文基于CDIO理念提出更适合医学工程类低年级学生工程思维培养的CDIR教学模式，以PBL教学法为载体，发掘、锻炼、培养学生的工程思维特别是工科生的工程思维，为学生以后的工程实践服务。以电路课程为例，将教学过程分为案例导入、主体讨论、总结陈述、自发迁移学习四个模块，以问题为驱动，通过学生自主研讨，提出典型的切合实际的方法或方案并按部实施，归纳问题解决效率效果方面的信息，从而加深学生对问题、方法、知识、原理的认识。本文总结了学生在PBL教学过程中工程思维的发生发展过程，以及CDIR教学模式的贯穿体现，为后续相关课程教学提供了一定的参考和借鉴。■

参考文献

[1]孟丽军，赵静，张岩俊.基于CDIO的回归工程教育理念的研究与实践[J].石家庄铁道大学学报（社会科学版），

2014（2）：87-90.

[2]于歆杰，朱桂萍，陆文娟.“電路原理”课程教学改革的理念与实践[J].电气电子教学学报，2012（1）：1-8.

[3]龚绍文，郑君里，于歆杰.电路课程的历史、现状和前景[J].电气电子教学学报，2011（6）：5-12，40.

[4]王志军，毛新宇.电子电路分析设计中的工程思维[J].电气电子教学学报，2018（2）：76-78，143.

[5]李伯聪.工程与工程思维[J].科学，2014（6）：13-16，4.

[6]陈亚丽，谭琳，杨芳.PBL教学模式在高等数学教学中的应用研究[J].智库时代，2019（36）：198-199.

[7]陶小军，杨静娴，徐志立，等.药理学课程PBL教学模式探索[J].基础医学教育，2014（1）：13-15.