CDIO理念指导下大学物理课程教学优化路径

李振华

(广东理工学院 智能制造学院, 广东 肇庆 526100)

CDIO理念是近年来在国际工程教育领域广泛倡导的一种教育模式,它强调工程教育的实践性和创新性,将工程实践与理论教学相结合,旨在培养具备创新能力、实践能力和团队协作能力的高素质工程技术人才。CDIO理念的核心内容包括4个环节,即构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)和运行(operate)[1]。其中,构思指在工程实践中,借助实践项目培养和提升学生解决实际问题的综合能力,其对于学生创新思维和能力的发展具有重要作用;设计指在问题分析的基础上,培养学生制订解决方案、进行系统设计的能力,强调理论知识在实际工程中的应用;实施指在设计方案的基础上,培养学生动手实践、实验验证的能力,强调实践教学在工程教育中的重要性;运行指在设计方案实施后,培养学生对工程项目进行运行、维护和管理的能力,注重培养学生的团队协作能力和工程实践能力[2]。以CDIO理念为指导,对大学物理课程进行优化和改革,将科研、人才培养和社会服务进行深度融合,可突出大学物理的优势和特点,为工科工程类教育奠定理论和实践基础。

1 现阶段大学物理课程教学存在的问题分析

大学物理涉及的知识较为广泛,融入了许多科学技能和思维方式,能够对学生的科学素养、工程素养和工程能力等进行引导和培养。但现阶段大学物理课程教学理论性较强,教学方法单一,物理实验和理论知识脱节,缺乏完善的教学评价体系,导致学生学习兴趣缺失,独立思考能力欠缺,其未来高质量就业和可持续发展面临一定阻碍。

1.1 物理课程内容的理论性较强

物理作为一门实践性科学,需要通过实验和实践来加强学生对理论知识的理解和应用能力。但现行的大学物理课程教学偏重理论内容传授,忽视了实践活动开展的重要性,导致学生实际动手能力和科学研究思维的培养受限[3]。首先,大学物理课程教学过于依赖理论知识的传授,忽视了实践应用的重要性。在此种授课模式下,学生被要求死记硬背大量公式和概念,少有机会将所学知识应用于实际,导致学生对物理学的认识停留在抽象的理论层面,对其实际意义和应用场景缺乏深入理解。其次,大学物理课程教学缺乏对实践内容的设计和组织,导致学生解决实际问题的能力缺失。实践操作是培养学生动手能力和科学研究思维的重要途径,但大学物理课程的部分实践操作只包含简单的演示实验,导致学生难以掌握实验步骤、操作技巧和数据处理等实践技能,无法进行有效的数据观测和分析,进而更难培养学生解决实际问题的能力,使其专业素养的培养受限。

1.2 大学物理课程教学方法单一

当前部分高校大学物理课程教学方法单一,缺乏创新性和吸引力,导致学生学习兴趣缺失,教学效果较低。首先,部分高校大学物理课程教学方法相对传统。教师通过讲解理论知识和推导公式的方式传授物理知识,较少应用现代教育技术,缺乏创新性,这种枯燥的教学方式导致部分学生难以对物理学的概念和原理产生深入探索的兴趣,限制了学生主动学习和探索能力的发展。其次,大学物理材料和教学资源相对欠缺。目前,部分高校大学物理课程教学材料主要包括教科书和教师讲义,这些材料更新不及时,缺乏与学生实际生活和兴趣相关的内容,教师较少利用现代科技手段和互联网资源来丰富教学内容,学生难以对物理知识的实际应用产生兴趣[4]。最后,部分高校大学物理课程的教学设计缺乏创新性,教学内容过于抽象和理论化,与学生实际生活的联系缺失,导致学生缺乏深入学习和探索物理学知识的动机,主动参与课程教学的积极性降低。

1.3 物理实验与理论内容相脱节

目前,部分高校大学物理实验只涉及基础技能的操作,较少涉及创新思维、设计能力和工程实践能力的培养,存在实验内容与理论内容脱节的问题,与CDIO理念相背离。首先,部分高校大学物理实验涉及内容较为表面,教师往往只是指导学生进行一些固定的实验操作和现象观察,缺乏培养学生创新思维和问题解决能力的相关实验内容,限制了学生对物理原理的深入理解及其应用能力的提升。其次,实验内容与理论内容之间的联系较弱。部分高校大学物理课程的理论知识通常通过书本和课堂讲解进行传授,实验活动则在实验室开展,理实分离的教学方式导致了实际应用与理论知识之间的脱节,学生难以将所学的理论知识与实际实验相结合,无法体会物理知识的实际应用[5]。最后,部分高校大学物理实验缺乏灵活性和自主性。教师负责实验设计,学生只需要按照预定的步骤进行操作,并得出结论即可,此种缺乏自主性的实验活动限制了对学生创新能力和独立思考能力的培养,无法满足CDIO理念对学生工程能力的要求。

1.4 大学物理课程评价体系缺失

CDIO理念对学生的创新能力、设计能力、实施能力和操作能力等提出了具体要求,但当前大学物理课程教学评价体系更多地偏向于对学生记忆和理解层面的考核,缺乏对学生实践能力和创新能力等的全面评价[6]。首先,传统的评价体系没有采取多样化和综合性的评价方法,以考试成绩为唯一评价标准,过分注重学生对具体理论知识的记忆和理解程度,忽略了学生在工程实践中创新能力和问题解决能力的发展,使得学生专注于短期记忆和考试成绩提升,忽视了长期能力培养。其次,部分高校大学物理课程评价体系缺乏对学生实践能力和创新能力的全面评估。传统的教学评价往往注重对学生实验操作正确性和结果准确性的评判,忽略了对学生在设计实验、解决实际问题的过程中创造性思维发展情况的评价,导致学生在实践环节缺乏积极性和创造性,只追求答案的正确与否,忽视探索、分析和创新的重要性。

2 CDIO理念指导下大学物理课程教学改革的必要性

大学物理作为高校理工科专业的必修课程,其在CDIO理念的指导下推进课程教学改革,能够培养学生的自主学习意识和能力,提升大学物理课程教学质量,适应时代对学生综合素质和能力的要求。

2.1 培养学生自主学习的意识与能力

作为国际工程教育领域广泛倡导的教育模式,CDIO理念强调学生的实践操作,注重培养学生解决问题的能力。在CDIO理念的指导下,优化大学物理课程教学,有助于引导学生养成良好的学习习惯,学会自主学习、独立思考。首先,在CDIO理念下优化大学物理课程教学,可以激发学生的学习兴趣和潜能。传统的大学物理课程以理论知识讲授为主,学生容易产生厌倦感,缺乏深入理解和掌握物理概念的动力。而在CDIO理念下,学生将直接参与工程实践,亲身体验物理定律和原理的应用,学习过程更加生动有趣,学生的学习热情得到激发,进而主动参与知识的学习和研究[7]。其次,在CDIO理念下优化大学物理课程教学,能够培养学生的创新思维和解决问题的能力。CDIO理念要求学生全程参与课程的构思、设计、实施和运行,通过实践提高学生解决问题的能力。这种实践性的学习方式能够激励学生养成独立学习、独立自考的习惯,培养学生主动学习的意识和能力。最后,在CDIO理念下优化大学物理课程教学,有助于培养学生的团队合作精神和沟通能力。在CDIO理念下的大学物理课程要求学生与团队成员合作解决问题,学生可以在学习知识与技能的过程中,与他人进行有效的分工合作和良好的沟通,分享自主学习和思考的成果。

2.2 有效提升大学物理课程教学质量

在CDIO理念下优化大学物理课程教学,强调实践教学与理论教学的有机结合,旨在培养学生主动参与和实践的能力、跨学科合作和综合能力,以及创新的能力,从而提升大学物理教学质量,为学生未来的工程实践和科研奠定坚实的基础。首先,CDIO理念强调理论和实践的密切联系。以CDIO理念为指导优化大学物理课程教学,能够将理论与实践内容进行有效衔接,其中理论教学可以帮助学生掌握基本的物理知识和理论,而实践教学可以帮助学生应用理论知识解决实际问题,增强学生对物理知识的理解和应用的能力,进而有效提升大学物理教学质量。其次,CDIO理念强调跨学科合作和综合能力的培养[8]。大学物理综合性较强,需要与其他学科进行深入的交叉融合。在CDIO理念指导下的大学物理课程可以与工程、计算机科学、数学等学科进行合作,打破学科界限,促进学科交叉融合,增加物理课程的实用性和应用性,培养学生的跨学科思维和合作能力,使其具备解决复杂问题的综合能力。

2.3 适应时代对高校学生能力的要求

基于CDIO理念优化大学物理课程教学,可以使高校学生获取更多物理学知识与技能,为他们在未来应对各行各业的挑战做好充分准备。首先,基于CDIO理念优化大学物理课程教学,能够培养学生的创新能力。随着时代的发展,创新已成为推动社会进步的重要驱动力。物理学涉及材料科学、能源科学等众多领域。基于CDIO理念优化大学物理课程教学,可以引入实践性的教学方法,激发学生的创新思维和实践能力,培养他们的观察力、问题解决能力,从而提高创新能力。其次,基于CDIO理念优化大学物理课程教学,能够提升学生的工程实践能力[9]。在现代社会,各行各业对人才的工程实践能力要求越来越高。在CDIO理念指导下优化大学物理课程教学,可以通过案例分析、实验设计等实践教学方法,使学生在实际操作中应用物理知识,了解实际工程项目需求,提高工程实践能力,符合时代对人才提出的新要求。最后,基于CDIO理念优化大学物理课程教学,能够培养学生的团队合作精神。在现实社会中,团队合作已成为一种不可或缺的工作方式。以CDIO理念为指导优化大学物理课程教学,可以设置小组项目,让学生在团队中合作完成物理项目,培养学生的团队合作精神和沟通能力,帮助学生更好地适应未来工作中的团队合作环境。

3 基于CDIO理念优化大学物理课程教学的路径

CDIO理念强调学科与产业的融合,注重培养学生的实践创新能力,对学生未来实现高质量就业具有重要意义。CDIO理念中的设计和构思与学生思维培养存在密切联系,运行和实施与学生实践能力联系密切。因此,CDIO理念指导下优化大学物理课程教学体系,需要明确课程教学目标,以项目式教学为驱动,整合大学物理实验内容,完善教学评估体系,将基础知识传授、技能锻炼和实践应用联系起来,将学生培养成为符合时代需求的高质量人才。

3.1 明确大学物理课程教学目标

明确大学物理课程教学目标是落实CDIO理念的首要任务,具体涵盖教育内容和学术要求的规划和制订[10]。首先,教师在制订教学目标前需要深入了解学生需求。例如,通过调研、问卷调查、与学生交流等方式,收集和整理学生的学科背景、兴趣爱好、学习风格和未来职业发展方向等信息,更好地理解学生需求,为他们提供既有挑战性又能满足学习需求的物理课程。其次,将学科素养列入教学目标。大学物理课程教学旨在培养学生的科学思维能力、实验操作能力、批判性思维和创新能力等学科素养,帮助学生更深层次地掌握物理学的基本原理和应用技能。再次,大学物理课程教学目标需要与职业需求和社会发展相适应。随着科技的快速发展,物理学在工程、生命科学、信息技术等领域扮演着重要的角色。因此,教师应根据当前职业市场的需求和社会的变化,为大学物理课程制订能够为学生就业和未来发展奠定坚实基础的教学目标。最后,大学物理课程教学目标需要包含跨学科及实践能力要求。物理学与其他学科密切相关,如数学、化学、生物学等,通过设置跨学科教学目标,可以培养学生的综合能力和跨学科思维,为他们解决实际问题奠定坚实基础。

3.2 设计项目驱动大学物理课程教学模式

CDIO理念指导下的项目驱动大学物理课程教学模式,应在教学过程中选择合适的主题,将其设计成具有探究性和趣味性和研究项目,引导学生参与实践,并在完成项目的过程中不断深化学科知识,掌握知识的应用技巧,将其内化为自身解决实际问题的能力,培养学生的自主学习和创新思维,以提高学生的学习效果和综合素质[11]。以能源为主题,设计项目驱动教学的流程如下。首先,项目选择与设计。以能源利用为主题的物理项目驱动式教学模式,需要选择与设计合适的项目,教师可以选择一些简单而有趣的项目,如太阳能电池板的制作和应用、风能发电机的制作、水能发电机的制作等,帮助学生直观地了解能源的转化和利用过程。其次,学生参与实践。教学过程中,教师应当引导学生积极参与项目的实践,指导他们亲自动手制作能源利用设备,并进行实验和测试,便于其更好地理解能源的原理和应用,培养他们的动手能力和实践能力。最后,深化学习与知识应用。项目实践结束后,学生应该进一步深化学习和知识应用,如通过撰写实验报告、参加小组讨论、展示项目成果等形式,来总结和分享他们的学习经验和成果。同时,教师也可以引导学生将所学知识应用到实际生活中,如设计能源利用方案,提出节能减排的建议等,培养学生的创新能力和实践能力。此外,项目设计中,可以引入其他学科的知识,如数学、化学等,与物理知识进行融合,注重跨学科知识的综合应用。例如,可以设计一个关于光的传播和衍射的项目,让学生通过数学模型和化学实验,深入理解光的特性和现象,同时培养学生的跨学科思维能力。

3.3 优化大学物理实验教学内容

在CDIO理念指导下优化大学物理课程,要进一步优化实验教学内容,提高学生的学习效果和实践能力。首先,大学物理实验需要引入更多与工程实践相关的案例,让学生通过参与真实的工程项目掌握物理理论知识,了解物理实验的应用场景和解决问题的方法[12]。例如,可以设计一个与光学相关的实验,让学生通过实际操作来研究光的折射、反射等现象,并将此类物理原理应用于实际工程。其次,大学物理实验需要在传统实验的基础上引入一些创新性内容,以激发学生的创造力和创新潜力,培养学生的综合素质和科学精神。以常见的物理实验“金属丝杨氏弹性模量测量实验”为例,在教学中可以有以下创新的点:通过介绍金属丝在建筑、航天等领域的应用,来增强学生的兴趣和实际应用意识;要求学生参与实验设计,如选择不同材料的金属丝、不同直径的金属丝等开展实验,从而培养学生的实验设计能力和创新意识;可以教授学生如何通过实验数据计算弹性模量,并引导学生运用数学知识进行数据分析和统计处理,提高学生的数学应用能力;可以介绍相关的测量仪器和技术,如应变仪、激光测距仪等,让学生了解现代技术在实验中的应用,提高学生的科技素养。最后,大学物理实验设计需要以专业人才培养目标为依据,对知识和实验内容进行有效延伸。例如,电子学和系统工程等工程类专业学生学习大学物理中电磁感应和刚体相关内容时,教师可以将杠杆实验、麦克斯韦滚摆实验、刚体转动实验等纳入实验教学内容,并引出汽车ABS防抱死制动系统,引导学生基于所学知识分析系统运行原理,使学生对上述实验及原理产生更深刻的认知。

3.4 完善物理课程教学评估体系

CDIO理念下优化大学物理课程教学,不仅需要深入理解教学大纲、明确教学目标、创新教学方法,而且需要构建完善的教学评估体系。首先,采取多元评估方法。结合大学物理课程的特点和学习目标,采用多种评估方法,如将项目展示、项目完成情况等纳入评估体系,并根据专业人才培养目标制订合理的评估标准,以评估学生的知识掌握、实验能力、问题解决能力、创新思维等综合能力[13]。其次,权衡不同评估方法的权重和相对重要性。根据学习目标和教学内容的不同,适当调整各个评估方法的比例和考察要点,确保评估体系能全面反映学生在不同方面所取得的学习成果。最后,建立评估反馈机制,为学生提供个性化的反馈和指导。教师可通过批注作业、讨论回顾、个别辅导等方式,指导学生发现和改正错误、提升学习效果。此外,教师自身也应对教学评估结果进行阶段性反思和总结,通过教学日志、同行评课、教学观摩等方式,借鉴其他教师的经验,不断改进教学策略和方法,提高自身的教学能力。

4 结语

CDIO理念是一种以培养工程人才为目标的教学方法论,它强调将理论知识与实践技能相结合,注重学生的综合能力培养。CDIO理念下大学物理课程教学优化是一个漫长的过程,需要不断总结实践经验,进一步明确大学物理教学目标,创新教学思路,优化教学方法和内容,完善教学评估体系,不断激发学生的学习热情,培养学生的工程实践能力,使其更好地适应现代市场需求。