基于CDIO理念的研究生实践教学体系的构建

乔建华　李素月　张雄　文新宇　上官宏

［摘 要］针对新工科背景下研究生实践教学体系不完善问题，课题组构建了基于CDIO理念的研究生实践教学体系框架，包括以学生为主导的实验教学体系，“双向奔赴”的产教融合实践教学体系，以竞赛和项目驱动的实战教学体系，以实验队伍、管理队伍和协同育人机制组成的质量保障体系，以及由教师、学生、企业共同评价形成的全方位评价体系，以期利用学校和企业等多方资源，培养学生的创新实践能力和解决工程实际问题能力，为社会提供卓越的新工科人才。

［关键词］新工科；CDIO；研究生；实践教学体系；实践基地；课程实验

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）15-0075-03

2017年教育部发布《新工科研究与实践项目指南》，它不仅要求学生熟练地掌握基础的理论知识，而且要求其具有较强的动手能力和实践能力[1]。目前，由于高校招生规模不断扩大，研究生培养体系与社会需求有所脱节，导致部分研究生解决工程实际问题能力较差、创新实践能力不足等问题比较突出。部分高校侧重理论教学，忽视实践教学，实践课时有限，内容单一；缺少实践基地和有效指导；研究生实践环节评价机制不完善，实践教学离新工科建设的目标要求还有较大差距。而电子信息领域的工程问题一般都具有交叉融合技术的特点，对研究生解决工程实际问题能力和技术创新能力的要求更高。因此，构建研究生实践教学体系、提升研究生的实践能力成为研究生教育中亟须解决的问题。

当前，学界从实驗开发平台的设计[2]、实践基地的创建[3]、实践队伍的建设[4]、培养模式[5-6]等方面进行了探索和实践。在新工科背景下，本文提出基于CDIO理念的研究生实践教学体系，以期培养全面发展的新工科人才。CDIO是国际工程教育改革的最新成果，其包含了构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate）[7]，目前已广泛地应用于全球高校的工程教育领域。构思是指确定系统目标和要求，定义系统功能和结构，以及进行系统建模；设计是通过跨学科、综合利用所学知识分期设计系统各功能模块；实施是将设计的软硬件具体制造完成并进行测试或验证；运行是指产品进入运营，以及进一步的优化或改进，同时进行运行管理。CDIO理念以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程知识。基于CDIO理念的培养大纲将工程专业毕业生的能力以逐级细化的方式表达出来，使工程教育改革具有明确的方向性、系统性。

新工科背景下基于CDIO理念的研究生实践教学体系的构建与改革是一项复杂的系统工程，也是当前新工科研究生教育改革的主要方向，符合当前社会对人才培养和科学研究的要求，因而具有重要的现实意义。

一、研究生实践教学体系框架

研究生实践教学体系的完整框架包括教学平台、内容体系、保障体系和评价体系，如图1所示。教学平台包含相关的实验设备和场地，主要以实验室、工程训练中心和实践基地为依托，是实践教学的基础平台。教学内容包括课内课外、校内校外的各类实践活动。保障体系和评价体系使实践教学体系形成良性发展态势。

二、构建基于CDIO理念的研究生实践教学体系

研究生实践教学内容体系包括实践课程和课外实践。实践课程是培养方案确定的课程内容，包括课程实验、综合实验和专业实践。课程实验和综合实验在校内实验室平台完成，专业实践通常在校外实践基地完成。课外实践主要是指学生参加竞赛，及申报或参与项目。课题组针对不同的实践内容采用不同的教学模式。

（一）以学生为主导的实验教学体系构建

由于学生已经具备一定的理论基础，校内的实验环节即课程实验和综合实验，主要由学生来主导完成。基于CDIO理念的实验教学与传统教学有所区别。

1.基于CDIO理念的课程实验教学

大多数的专业课程都有相应的课程实验，从教师提出实验目的和实验要求开始，接下来的任务都要由学生来构思、设计、实施、运行。现以研究生课程物联网技术中的“基于CC2530的无线点灯实验”为例进行讲解。

这是一个设计类实验，实验过程可分为四步。第一步，学生根据实验要求进行分析和构思，明确系统功能要求，确定实现每项功能需要的模块结构，并绘制出系统的总体结构图。第二步，开始设计，根据各功能模块选择器件或芯片，绘制电路原理图和程序流程图。第三步，动手实施，完成硬件制作和程序编制，并调试通过。第四步，运行和完善，进一步优化系统，并进行操作演示，完成答辩。课程实验的整体过程如图2所示。

2.基于CDIO理念的综合实验教学

综合实验是综合多门课程知识完成的实验，系统培养学生实验设计、实验操作、实验分析的能力，以及综合应用知识的能力，为以后进行独立的科学研究奠定基础。综合实验通常包含数个实验，在一个学期内完成，覆盖对应专业领域的基本过程、基本原理和方法。有了课程实验的基础，综合实验环节也可由学生主导完成，单个实验可根据课程实验的流程来做。例如信息与通信工程学科的研究生综合实验，执行过程如图3所示。

（二）“双向奔赴”的产教融合实践教学体系构建

研究生课程体系中的专业实践是与企业联合创建各类实践基地，并由企业技术人员指导开展实践活动，主要培养学生在生产实践中解决实际工程问题的能力和对理论知识的转化、应用能力。通过联合共建实践基地，学校与企业加强了联系和合作，更加了解社会对学生能力的要求，也就更容易培养出适应社会需求的新工科人才。产教融合专业实践主要包括以下三个方面：一是企业联合创建各类实践基地；二是通过企业专家的技术指导，培养学生在生产实践中解决实际问题的能力；三是让学生参与完成根据企业需求拟定的项目。

（三）以竞赛和项目驱动的实战教学体系构建

构建以竞赛和项目驱动的实战教学体系，培养并鼓励学生参加各类科技竞赛、学术活动，申报或参与科研项目，提升学生的知识应用能力、理论创新能力和工程实践能力。

基于CDIO理念的竞赛或项目执行可以参照综合实验的流程，引导学生设计更加可行的解决方案与操作步骤，指导学生分阶段分配任务，厘清各个环节的目标和要点，以便分工合作和检查错误，而竞赛的成绩也能让学生看出自己存在的问题和差距，从而激励学生进步。

（四）实践教学保障体系构建

实践教学的良好发展必须依靠实践教学保障体系，包括实验教师队伍、管理督导队伍及协同育人保障机制。

1.实验教师队伍保障机制

实验教师应定期维护实验设备，熟悉实验流程，熟练使用实验仪器，要在实验中指导学生，帮助学生解决问题，并根据实际情况开发设计满足实验要求的实验平台。

2.管理督导队伍保障机制

管理督导队伍制定实践教学保障条例，包括实验操作规则、实验室安全行为规则、督导职责、实践活动人员的协调职责等，维护并保障实践环节的顺利进行。

3.协同育人保障机制

实施协同育人机制，与企业方签订协同育人合作协议，邀请企业方参与指导学生的实践、研究生研究课题的开展，规定期限与职责，保障协同育人项目顺利完成。

（五）全方位评价体系构建

评价机制对教学和学习过程起到重要的引导作用，因此其必须具有合理性、前瞻性及多元化，不能与科研前沿和社会需求脱节。

评价方式包括教师评价、学生评价（自评和互评）、合作单位评价和用人单位评价。例如，课程实验是学生接触的第一类实践环节，主要由教师进行评价，让学生了解评价的角度和标准。综合实验可由教师和学生共同评价，可设置教师评价占40%、学生自评占30%、学生互评占30%，从而发挥学生的积极性和能动性，提升学生的观察能力、思考能力和表达能力。专业实践主要由合作单位或用人单位来评价，学校也可借此了解企业的需求，从而更好地改革教学内容和教学模式。

评价来源包括实验环节、实践环节、竞赛、参与项目等，允许用竞赛成绩替代实验成绩，从而使学生能够专注于问题的研究，而不是局限于拼凑重复的得分。这样能鼓励学生参与各类科技活动，充分利用社会各方面的有效资源，使学生能适应社会的不同需求、挖掘自身的潜力、找到自己的定位。

三、基于CDIO理念的研究生实践教学体系教学成效

基于CDIO理念的研究生实践教学体系经过多年的建设和实施，取得了良好的教学成效。学生通过在课程实验和综合实验中的操作与展示，既锻炼了动手能力，又锻炼了逻辑思维和语言表达能力。学生通过实践基地的培育，对专业领域的复杂工程问题有了具体的认识，了解了企业的生产状况，提升了理论知识的转化、应用能力。同时，企业也能给学校和学生提出新的课题，促进了产学研的进一步发展。学生通过参与竞赛和项目，激发了研究兴趣，产生了不断向上攀登的信心和动力。

通过研究生实践教学，太原科技大学电子信息工程专业在教学研究和科学研究中都有了长足发展，在专业建设、实验室建设、项目申请、教材建设、课程建设等方面都取得了一系列成果。该专业被评为山西省一流专业。学生接连在“全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛”等赛事中获得国家级一、二、三等奖，横向和纵向项目的申请也不断取得突破。同时，实践教学的成效反过来也对理论研究等其他方面产生了激励和促进作用。

四、結语

本文在新工科背景下基于CDIO理念构建了研究生实践教学体系，在实验室和实践基地平台上，确立了研究生实践教学的内容体系、保障体系和评价体系，从而使研究生实践教学体系更健全、内容更全面，保障和评价更可靠，使研究生可以获取尽可能多的社会资源，接受学校和企业的共同培养，真正将理论知识和工程实际相结合，锻炼观察能力和语言表达能力，全面提升发现问题、解决工程实际问题的能力，从而为社会培养具有专业化的、创新实践能力的新工科人才。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 刘坤，代玉，张志金，等.首批新工科研究与实践项目指南达成度评价及未来发展研判[J].高等工程教育研究，2021（1）：31-38.

[2］ 黄武煌，叶芃，邱渡裕，等.电子信息类研究生综合实践平台开发与教学设计[J].实验室研究与探索，2020，39（1）：178-181.

[3］ 朱广富，吴发红，蔡中兵.“三全育人”视域下土木类专业学位研究生协同育人共同体构建探索[J].高教学刊，2023，9（5）：80-83.

[4］ 王志国，栾小丽，赵忠盖，等.控制工程专业学位硕士研究生实践教学改革模式探索[J/OL].中国教育技术装备：1-4.[2023-02-26]. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/ 11.4754.T.20221202.1034. 001. html.

[5］ 谭延亮，唐建锋，莫贻香.“双一流”背景下地方院校全日制工程硕士研究生实践创新能力培养体系建设探讨[J].高教学刊，2022，8（22）：38-41.

[6］ 刘宝，陈鸿龙.面向新工科的研究生创新能力培养体系构建[J].实验室研究与探索，2021，40（3）：199-202.

[7］ 白琳，潘晓英，王燕.面向研究生创新实践能力培养的TP+CDIO教学模式：以计算机视觉课程为例[J].软件导刊，2022，21（11）：221-225.

［责任编辑：钟 岚］