国际工程教育模式下能动类实验课程体系探索

孙宽 周永利 曾理 陈珊珊 郑玉杰

[摘 要] 当前“一带一路”倡议背景下，经济的快速发展迫切需要新工科人才的支撑。针对能动类专业的教学特点，对基于近年来在国际工程教育改革中兴起的一种工程教育模式CDIO，探讨了目前高校中实验教学存在的问题，针对开放性实验课程体系构建了“以学生为本，以学生学习为本”的基本教学思路，以培养学生创新思维能力轴心订制了一整套的实践型课程体系的教学计划，在实施过程中启迪学生科学思维和思辨意识。

[关键词] CDIO;能动类;开放性实验;教学改革

[基金项目] 2020年度重庆市研究生教学改革研究重点项目“强化能动类研究生科研创新能力的研究与实践”（yjg202003）;2020年度重庆市研究生教学改革研究重点项目“‘一带一路倡议下能源动力领域研究生培养国际化课程体系建设与改革研究”（cquyjg18202）;2020年度重庆英才计划“青年拔尖人才项目”（CQYC2020058091）

[作者简介] 孙 宽（1985—），男，四川德阳人，博士，重庆大学能源与动力工程学院副院长，研究员，主要从事新能源科学与工程方向研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）18-0128-04    [收稿日期] 2021-01-10

2018年全国教育大会上论述新的教育理论，强调在党的坚强领导下，全面贯彻党的教育方针，人才培养应遵循教育规律，坚持改革创新，以培养出德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人为目标;强调以新工科、新文科等学科建设构建特色高水平本科教育体系，加强“双一流”（一流大学，一流学科）建设。[1]当前新时代经济的快速发展迫切需要新工科研究型人才的支撑。能动类专业的相关理论和工程应用技术业已成为各国近现代科技赖以发展的基础。长期以来，一些高校对开放性实验进行过改革和探索[2]，也提出了一些实验室建设理念[3，4]，可是在一段时间内，改革的力度都不深入，实验教学体系仍然不能摆脱跟不上时代和方式方法传统的局面，很大一部分学生仍对能动类实验不感兴趣，教学改革没有真正落实到培养学生实践创新能力的实处。当前“一带一路”倡议背景下，随着当下科学技术的飞速发展和学科的交叉渗透，能动类的专业覆盖面与涉及面也越来越广，开放性实验作为能动类本科实践教学中最重要的一环，通过搭建合理的实验课程体系，使得学生主动的投身于开放性实验中，从而激发学生做实验的热情，已成为现代实训课程体系的当务之急[5]（P256）。而国际工程教育CDIO工程教育模式中的教育理念和人才培养模式注重学生的知识、能力、素质的培养，再通过理论、实践和创新相结合，能打造出社会和企业最需要的人才[6]。

一、开放性实验课程体系存在的问题及建设目标

在传统实验课程的教学中，老师作为知识载体的讲授者，一味地将实验原理、仪器使用和操作步骤等灌输给学生，实验过程中学生只是按照老师的规定完成任务，探索科学的实验已然变成了一种挣学分成绩的手段。传统的教学体系中实验教学经常被看作理论教学的附属，对实验教学及实验学时都不重视，学生对实验本身的认识不够，导致实验重视程度不足，没有真正建立起与培养创新性人才相适应的实验教学体系[7-10 ]。马克思和恩格斯指出：“思想、观念、意识的生产最初是直接与人们的物质活动，与人们的物质交往，与现实生活的语言交织在一起的。”[5] （P268）这说明获得知识的前提是实践，其主体是人，马克思辩证唯物主义认识论的核心是“实践—认识—实践”的多次往复。在我们的实践教学中尤其要遵从以人为本及唯物主义认识论的基本原则，针对开放性实验课程体系的构建尤其要“以学生为本，以学生学习为本”。根据CDIO工程教育基本原则[ 11 ]制定以提高学生学习的主观能动性为目标，建设分阶段、模块化、网络化、自主性、开放式的教学共享平台，为学生提供一套强调工程基础、构建真实世界的产品和系统的CDIO工程教育模式，并为培养学生创新思维能力订制了一整套的实践型课程体系的教学计划。

二、教学改革思路及实施办法

（一）分布式能源项目的建设思路

分布式能源项目的建设是以多能互补分布式能源及微电网系统为对象，基于此构建能动类新工科系列实验课程体系，强调新工科实践课程的交叉融合性、综合研究性、跨界开放性和学术创新性。对此我们通过以分布式能源热、电、冷三联供系统为基础，进行模块化系统搭建，产生电、热、冷等能源供给，同时辅以生物质能、太阳能、风能、蓄冷蓄热等多种节能减排手段，力图打造低碳绿色、低碳、节能的CDIO工程教育实验体系。

（二）阶段性教学思路

第1阶段：理论课与实践课对接阶段。增加丰富的实践项目并辅以工程实习，利用课堂和现代学习场所及实验室使教学具有开放的、实践的、团队的特色。该阶段主要针对初学的学生，这是最为基础也是重要的阶段，涉及理论基础课程知识点落实到实践课中，通过理论课与实践课的结合，激发学生学习的激情。通过实验课验证理论课的知识点内容，学生一方面要求熟悉实验设备的操作技能，掌握基本原理，另一方面能够对观察现象和实验数据进行简单的处理分析。

第2階段：系统综合应用阶段。该阶段主要针对有一定基础的学生，这个阶段是学生实践—认识—再实践的阶段，涉及各个理论课的相关知识点内涵和外延，以及各科间的交叉融合，加深他们对基础理论和基本规律的理解，找到一些各科间的融合点与创新点，CDIO教育模式不仅注重专业知识和实践能力的培养，它还对学生解决问题的能力、系统思维有所提高。

第3阶段：探索创新阶段。CDIO模式给学习能力较强的学生提供一个自我提升的平台，该阶段的主要针对学有余力的学生，这个阶段主要是提高学生思辨创新的能力，学生根据自己的个人兴趣，根据已有实验项目可自主选题，充分发挥学生主观能动性，进行一些探索性的研究，培养学生的创新能力。

（三）模块化实验教学

模块化教学已在我院推广多年，早在“211工程”建设期间，已实施模块化的实验教学模式，分为专业系列实验、研究实验和科研项目支持实验三大模块，经过十多年的发展，现在我院已经构建基于分布式能源的立体型实践知识教学体系，在学科的基础上对实验课的内容进行整合和优化，增设全新的跨专业实验课、毕业设计、校内工程、科研训练等实践项目，既重视专业知识的系统性，又注重学科之间和专业之间知识的相互融合交叉，使实验教学能最大限度地挖掘学生的潜能，培养学生的创新能力及创造性思维，提高其综合素质。基于分布式能源的实验教学体系构架图如图1所示。

分为四大实验体系，四个实验体系，层次分明，逐级递增。其中基于此体系实施的基本实践课程是基础，通过该课程的学习实践，可将教学实验与科研试验及工程训练有机结合，利用最新科研成果和工程应用新技术，不断融合更新能动及电气类教学实验和工程训练实践内容及教材，将前沿的科学技术及工程应用技术传授给学生，让学生熟悉现代工程技术，提升工程训练水平。同时将CDIO模式融合到实践体系中，毕业设计、校内工程、科研训练等产品项目都进行CDIO模式教学，以培养高素质复合型人才培养为目标。

（四）网络化实验教学

为了进一步加强实验的自主性和开放性，为此建立了能源与动力电气网络化实验教學平台，如图2所示。平台内可实现虚拟仿真实验及网络化教学，将实验模块对全校开放，便于相关或相近专业的学生选择实验，实现思路是把实验模块分别录入数据库，建立实验模块之间的逻辑关系，如“生物质能转换与利用实验”必须与“热工量测与热物性检测实验”“热工自动控制基础实验”以及“工程传热传质实验”等相关实验模块对应。即学生在实验中心的网页上若选择了“生物质能转换与利用实验”，那么相应的实验模块也是必须选择的，这样学生在做这种综合性实验时不会无所适从，学生在做实验的过程中会有很强的延续性，从而提升学生做实验的兴趣。同时网页上还列出了各种实验仪器、实验模块项目的说明介绍，针对有需要或自主性很强的实验项目，学生可以通过网络接受第一阶段的实验教学，为学生自主性实验打下坚实的基础，有利于启迪学生科学思维。除此以外，在平台的基础上搭建了网络教学资源库，如图3所示。资源库包含教学资源，教学设备，教学成果等资料。该资源库对课件的制作与发布、教学的组织、教学交互、学习支持及教学评价等过程进行全面的支持，构建了一个比较完整的网上教学支撑环境。

（五）CDIO模式下开放性创新实验教学

学生的自主性来自对知识的兴趣和学习的欲望，在这个阶段我们让学生根据自己所学的内容选自己感兴趣的问题进行实验研究，自己对自己提问并进行实验寻求解答，以达到对比课本知识更渗透的理解。而开放性实验教学主要针对一些学生敢想的问题在有实施价值的情况下，提供必要的实验经费及实验器材让学生进行实验探究。在CDIO模式下自主开放实验的实施过程中，学生在选题立题、文献调研、方案制定、可行性评价、自主实施、实验数据分析和处理、论文撰写、总结报告等多个环节中培养自己的创新能力，CDIO的内核是对产品的构思、设计、实现和运作，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，我们实际课程体系中的毕业设计、校内工程、科研训练等产品项目都进行CDIO模式教学，让学生以积极主动的方式学习产品开发及工程运作方式，可以充分调动学生的学习主动性和教师的主导作用。随着我国教育事业的发展，全面实施自主开放性教学是高校课程教学改革的必然趋势，它顺应了时代对高素质复合型人才培养的需求，和未来工程人才的发展方向。

三、结语

CDIO工程教育模式为我们提供了一种新的教育方法和思路，帮助我们解决目前国内工程教育中普遍存在的问题，以满足社会对工程人才的需求，目前，我院开放性实验室的建设工作仍在完善阶段，力求通过实验平台的建设提升学生实践能力。实践表明，自平台建成的2年来，除服务于正常实验教学任务外，承担国家级大学生创新训练计划30项、校级SRTP项目50余项，根据近2年的统计，学生成功申请了发明专利30余项，发表论文10余篇。平台服务于大学生工程训练、自主创新设计训练、大学生社会实践等，在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中，获得特等奖2项。学生通过能动类综合性实践与实验教学平台、不拘束于传统的实验方案，能有计划的完成实验，达到实训的目的;同时学生充分发挥自己的主观能动性，激发学生的潜能，充分发挥自己的想象力和创造力，全面地提高学生的实践综合素质。我们相信根据学校和专业的特色以及学生的不同情况将该工程模式与专业实践教学的实际情况相结合，就可以培养出真正的适应社会需求的具有构思、设计、实现和运作能力的人才。

参考文献

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Exploration on the  Experiment Curriculum System of Energy and Power Engineering under the International Engineering Education Model

SUN Kuan， ZHOU Yong-li， ZENG Li， CHEN Shan-shan， ZHENG Yu-jie

（Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， Ministry of Education， School of Energy and Power Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： Under the background of the Belt and Road Initiative， the rapid development of economy needs the support of new engineering talents. Aiming at the teaching characteristics of the energy and power engineering major， and based on an engineering education model of CDIO emerging in the reform of international engineering education in recent years， this paper discusses the existing problems of the experiment teaching in colleges and universities. The teaching idea of “student-oriented and students learning-oriented” is constructed in view of the open experiment curriculum system， and a set of teaching plan of practice curriculum system is established to cultivate students innovative thinking ability， which enlightens students scientific thinking and speculative consciousness in the implementation process of the plan.

Key words： CDIO; energy and power engineering; open experiment; teaching reform