樊　娟,张国恒,李小勇,才让措,马瑾瑜

(西北民族大学 a.实验中心; b.电气工程学院，甘肃 兰州 730124)



CDIO工程教育模式在大学物理设计性实验中的应用

樊娟a,张国恒b,李小勇a,才让措b,马瑾瑜a

(西北民族大学 a.实验中心; b.电气工程学院，甘肃 兰州 730124)

摘要：从CDIO工程教育理论出发，以构思、设计、实施和运行产品的生命周期为过程，以CDIO大纲和12条标准为总指导，将CDIO教育理论与大学物理综合设计性实验“电表的改装与校准”相结合. 实践结果表明：CDIO教育模式激发了学生的学习兴趣，培养了学生主动学习、获取知识的习惯，提高了学生解决问题的能力、团队合作的能力以及创新知识的能力.

关键词：工程教育模式；设计性实验；电表;改装；校准

资助项目：西北民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(No.31920150023) ；国家民委高等教育教学改革研究项目专项资金资助(No.15024)

CDIO(Conceive, design, implement, operate)工程教育模式自问世以来，备受世界各国的青睐，工程教育改革已成为世界各国共同关注的课题. 工程教育的目的是培养大学生成为一名成功的工程师习，包括专业知识、社会意识和创新精神[1]，工程教育是现行高等工科教育和创新型工程人才培养的有效途径[2]. 自2000年开始，经过4年的探索研究后CDIO工程教育模式创立，并相继成立了CDIO国际合作组织. 初期时合作组织已扩展到包括瑞典、丹麦、南非等国家20多所大学[1]. 自2004年以来，国际CDIO工程教育组织已发展到世界五大洲超过25个国家近百所院校成员. 2006年，CDIO工程教育模式在中国迅速传播，教育部高教司成立了试点工作组，最初有18个学校成员，到2010年已扩大至39个成员. 2011年12月在南京工程学院举办的试点工作组会议参加代表超过了300人。从2012年起试点工作组采用年会的形式组织年终会议[3].

1CDIO工程教育的基本理论

CDIO以产品、过程和系统的构思、设计、实施、运行全生命周期为背景环境，以CDIO教学大纲和12条标准为指导，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习并获取工程能力，包括个人的科学技术知识、终身学习能力、交流和团队合作能力，以及在社会及企业环境下建造产品和系统的能力等[4]. CDIO教育模式提出了1组实现工程教育的“学习目标”；1个“愿景”和保证这个愿景能够实现的教育方法基础.

“学习目标”从知识、技能、态度及价值观综合考虑，教育学生深入地掌握技术基础知识，领导新产品、建造与运行过程和系统，让学生理解研究和技术发展对社会的重要性和战略影响. “愿景”回答在CDIO模式下学生“学什么”、“怎样学”，教师“教什么”、“怎样教”. 实现这一愿景需要CDIO教学大纲的指导和具有可操作性的12条标准的检验. 教学大纲回答了“当工科学生毕业时，他们学到的全部知识、能力和态度应该有哪些？掌握的水平如何？” 12条标准作为评判和改进CDIO的依据，回答了“我们如何能更好地保证学生学习到这些知识和能力”. 大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，大纲要求通过综合的培养方式让学生在这4个层面达到预定目标[5]. CDIO的12条标准用于评估检验工程教育的实施，描述满足CDIO要求的专业培养. 12项标准中有7项是关键的和基本的，体现了CDIO方法论区别于其他教育改革计划的特点；5项补充标准极大地加强了CDIO方法论并反映了工程教育中的有效实践[6]. 愿景的实现即CDIO教育计划的实现过程，主要实现以项目为指导，强调做中学，对课程计划的设置、实施，教与学的成效，师资队伍能力的提高，学习环境、实验室环境等标准的执行情况，培养的学生能够胜任产品的构思、设计、实施和运行，具备工程创新、工程产品的制造能力，具有专门的技术基础知识、社会意识和创新精神.

2CDIO工程教育模式与大学物理实验的具体结合

传统上，大学物理课程根据大纲规定设有理论部分和实验部分，根据专业不同，理论与实验部分的学时比例不同，整个教学过程重理论轻实践，实验教学方法呈现单一化、程式化、规模化[7]. 大学物理实验大部分是验证性实验，学生上课时仅忙于验证结论，缺乏思考；实验内容与现实生活偏离太远，学生的学习积极性不高，自觉性、主观能动性得不到发挥. 为了缓解这种局面，提高学生的学习积极性，将CDIO工程理论与大学物理实验相结合，实验过程模拟CDIO工程教育模式中产品的构思、设计、实施及运行的4个生命周期，以项目为指导，强调做中学，注重培养学生的综合能力.

以综合设计性实验“电表的改装与校准”为例，整个实验过程贯穿产品的构思、设计、实施和运行4个生命周期. 首先由参与教学改革的教师为学生讲解CDIO教育理论，对实验项目做简单表述，对学生进行分组，5~8人1组，确定实验时间；然后各组学生自主分配任务，按照构思、设计、实施、运行展开实验. 具体实施过程如下.

2.1　构思阶段

“电表的改装与校准”实验的总体构思阶段，学生的主要任务是根据已经掌握的理论基础知识，衔接实验项目的内容，找到自身“最近发展区”，考虑并且分析实验中的种种关键因素. 如要知道实验室可以提供哪些电表，明确其量程、读数及用途等. 如何扩大电流表量程，如何将电流表改装成电压表，以及如何将改装表进行校准[8]等内容 . 根据观察与访谈得知，学生在拿到题目后主动进行网络搜索，通过网上文字资源、视频资料等获取知识；或通过实验指导书掌握该项目的实验原理及实验过程等；或去图书馆查阅图书资料、参考文献，进行知识的完善与补充. 通过各种渠道了解该实验项目的理论基础，然后每个小组学生将搜集掌握的知识汇总整理，共同分享，讨论交流. 通过知识的建构、思考，提出实验设计思路及方案.

2.2　设计阶段

学生根据实验室环境，依托实验室已有硬件条件，已经掌握的理论基础知识，确定该实验应采用哪种设备或者哪种方法进行实验规律的验证与探索；采用哪种方法实现微安表扩程电流表、电压表或者欧姆表；哪种方法设计的结果误差较小等. 我校物理实验室有改装电表集成箱，也有分散的电表及电阻箱、滑动变阻器、导线等，学生可根据自己的设计方案选择实验用具，展开对实验结果的验证. 在实际的实验过程中，发现每组学生有选择集成箱的，有选择一步一步接分散电表的，也有2种用具都选择的，他们根据方法的不同验证结果，取得最佳实验效果. 每个团队因分工不同，一般设计1~2个方案进行验证.

2.3　实施阶段

实施阶段即实验设计方案的实现阶段，学生小组根据自身设计方案选择好实验设备，实现硬件设备的线路搭建以及电表的改装与校准. 根据教师观察，小组团队有采用替代法测算表头内阻实现微安表改装的(如图1所示)，有采用中值法实现的，改装电路原理图如图2所示. 将电表进行先改装后校准，实现理论与实践的具体结合. 依次分别将微安表改装成电流表、电压表及欧姆表，整个实验过程中学生团体之间积极配合完成任务，遇到棘手问题时首先找出问题产生的原因，做出分析并讨论，重新构思设计等. 这种模式培养了学生交流合作和解决问题的能力.

图1　替代法测表头内阻电路图

图2　改装电流表原理图

2.4　运作阶段

这一阶段即学生对上述设计阶段搭建的硬件设备进行测试读数，使指针偏转由最大到最小、再由最小到最大，将标准表与改装表进行比较，对改装表进行校准，验证实验结果与理论结果的偏差，进行实验数据处理，分析并且找出产生误差的原因. 若实验结果误差比较大，小组学生会重新认识问题、重新思考，找出问题出处并分析原因，一直到解决问题. 实验完成以后小组代表演示讲解他们的设计，由教师及其他组学生给出评价. 这种方式有利于学生之间完善补充理论知识，还有利于提高学生的语言表达能力. 另外，通过各小组学生对“电表的改装与校准”实验的亲身体验，教师对其进行激励，学生还可将这一理论知识进行拓展，找出生活中的实例，对其理论进行更进一步的了解，有利于知识的巩固.

整个实验过程按照构思、设计、实现、运作的步骤，以项目为指导，学生为主体，教师辅助，改变了以往的“填鸭式”教学，学生由被动转变为主动，遇到问题积极寻找解决办法，不再以坐等的姿态对待大学物理实验，不再只听教师讲解，而是积极思考，勇于质疑与创新. 可见，CDIO工程教育理论能够改变大学物理实验的教学模式，能够帮助学生提高综合素质与能力.

3CDIO模式下大学物理实验取得的学习效果

工程教育的目的是培养学生成为合格的工程师，使学生能在现代的、团队的工程环境中理解如何构思、设计、实现和运行复杂的、高附加值的产品、过程和系统，成为成熟、有责任心的人，其必须熟练掌握专业技术知识，具备个人和人际交往的能力、团队合作的能力、领导新产品的能力等. 将CDIO模式与大学物理实验的具体结合是符合以上条件的. 实验过程以分组的形式进行，分配不同的任务，让学生主动建构知识，然后集中讨论，共同汇总，在高度统一的基础上制定实验方案. 整个过程以团队的形式，通过查阅文献资料，学生主动构思，大胆创新，发现问题及时交流沟通解决问题，培养了学生自主学习的习惯和交流沟通的能力；通过小组演示与讲解的方式提高了学生的语言表达能力；团队合作学习也有利于学生创造性思维的启发.

4大学物理实验中采用CDIO模式对教师的要求

CDIO的标准9和标准10提出要提高教师的CDIO能力和CDIO教学能力，教师必须为人师表，以师德、师风感化学生. 在大学物理实验教学中采用CDIO模式时，教师不再按部就班地将教材中的知识灌输给学生，而是要巧妙地创设物理问题情境，将物理问题与生活实际相联系，激活学生的已有经验，使学生在已有经验的基础上主动建构知识框架；同时还要引导学生自主学习. 教师自身不仅专业基础知识扎实，技术娴熟，学识渊博，掌握学术前沿，语言表达能力强，能够组织并管理领导学生，而且要为人正直、诚实可信[9]. 教师工程能力的达标和提高是实施CDIO成败的关键. 因此，教师要主动积累自己的工程经验，不断提升自己的工程能力，不仅能在教学中为学生提供恰当的工程实例，更重要的是成为学生心目中当代工程师的榜样.

5总结与展望

CDIO工程教育模式是一种通用的教育模式，其教学大纲明确了培养学生的学习目标以及学生的学习效果；12条标准完备地衡量教师、学生及专业培养取得的成效，及时反馈于参与者，进而持续改进和发展. 大学物理实验教学模拟CDIO工程教育模式的4个生命周期为实验过程，强调边做边学，注重理论与实践相结合，以培养知识完备的工程师为目的，注重学生能力的提高. 经过训练的学生具备良好的沟通能力、团队合作能力、解决问题的能力和较好的创造性思维能力，也具备终身学习的能力；另外，工程教育模式缩短了大学生的实习期，毕业后的学生尽快胜任企业的工作，为企业节约了成本. 因此，CDIO工程教育模式是值得提倡与借鉴的教育方法.

参考文献：

[1]Crawley E F. 重新认识工程教育:国际CDIO培养模式与方法[M]. 顾佩华,沈民奋,陆小华，译. 北京:高等教育出版社,2009：1-39.

[2]刘荣佩,史庆南,陈扬建,等. CDIO工程教育模式[J]. 中国冶金教育,2011(5):9-11,13.

[3]顾佩华,包能胜,康全礼,等. CDIO工程教育改革在中国的实施与发展[C]//2012年高等教育国际论坛论文集. 北京，2012:261-269.

[4]Crawley E, Malmqvist J, Öund S, et al. Rethinking engineering education [M]. Berlin: Springer, 2007.

[5]顾佩华. CDIO大纲与标准[M]. 汕头:汕头大学出版社,2008.

[6]查建中. 工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J]. 中国大学教学,2008(5):16-19.

[7]邢继春,张文会,张楠,等. CDIO工程教育理念下机械设计课程教学改革与策略[J]. 教育教学论坛,2014(10):105-107.

[8]王爱红,陶苗苗. 浅谈电表改装与校准实验要求及注意事项[J]. 廊坊师范学院学报(自然科学版),2015,15(2):51-52.

[9]查建中. 论“做中学”战略下的CDIO模式[J]. 高等工程教育研究,2008(3):1-6,9.

[责任编辑：任德香]

Application of CDIO engineering education model in

university physics designing experiments

FAN Juana, ZHANG Guo-hengb, LI Xiao-yonga, CAI Rang-cuob, MA Jin-yua

(a. Experiment Center; b. College of Electrical Engineering,

Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730124， China)

Abstract:Start with the CDIO engineering education theory, take the “conceive, design, implementation and operation” cycle as the process and guided by the CDIO syllabus and 12 standards, the comprehensive designing physics experiment “modification and calibration of electric meter” was combined with the CDIO educational theory. The results showed that this teaching mode could stimulate the students’ learning interests, cultivate their habit of active learning and acquiring knowledge, improve their ability of problem solving, teamwork and innovation.

Key words:engineering education model; design experiment; elctricmeter; modification; calibration

通讯作者：张国恒(1970-)，男，甘肃天祝人，西北民族大学电气工程学院教授，硕士，主要研究方向为物理教育和物理电子学.

作者简介：樊娟(1983-)，女，甘肃渭源人，西北民族大学实验中心实验师，硕士，主要从事大学物理实验教学.

收稿日期：2015-10-09；修改日期：2015-12-07

中图分类号：G642.423

文献标识码：B

文章编号：1005-4642(2016)02-0029-04