摘    要：　CDIO由构思 (Conceive) 、设计 (Design) 、实现 (Implement) 和运作 (Operate) 四部分构成, CDIO是当前国际高等工程教育中一种得到验证的成功模式, 在培养学生的创新能力、动手实践能力、团队协作能力等方面取得了显着效果.借鉴CDIO工程教育理念和标准, 文章对大学物理的教学过程、教学方法、实践过程和考核方法等方面进行了研究与探索.结合社会发展以及本校办学特色和区域经济特点, 探讨了基于CDIO模式的大学物理课程改革的具体实现方法, 以实现提高学生的学习积极性, 培养具有终身学习能力和创新能力的应用型人才的教学目标.

　　关键词：　CDIO; 大学物理; 教学实践;
 

　　Abstract：　The conception of CDIO is consist of Conceiving-Designing-Implementing-Operating. In current international higher engineering education, CDIO is a verified successful pattern. Remarkable results have been achieved in building student abilities such as innovation, practice, coordination and so on. Borrowing from the concepts and standards of the CDIO engineering education, this paper researched and explored the processes and ways of teaching, procedure of practice, methods of evaluation and assessment. Combining the educational features and regional economic characteristics, it discussed the implement of reforms in the university physics teaching based on CDIO pattern. These moves have great significance on realizing the teaching objectivities of improving students' learning enthusiasm and cultivate the applied talents with abilities of lifelong learning and innovating.

　　Keyword：　CDIO; university physics; teaching practice;

　　0、 引言

　　当代社会的飞速发展, 今天的青年明天将从事的许多工作可能现在还不存在, 过去和现在的已知经验并不能完全指示下一代的未来.在教育部发布的第一个高等教育教学质量国家标准《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》中, 明确提出了现代教育的三个原则, 即:“学生中心, 产出导向, 持续改进”, 以技术创新为经济社会发展核心驱动力的创新型国家要求培养多样化、高质量、具有创新意识与创新思维的新型人才, 同时必须具有在复杂变化的环境中生存和适应能力、不断成长的终生学习能力、团队合作与沟通能力以及工程实践能力[1].CDIO由构思 (Conceive) 、设计 (Design) 、实现 (Implement) 和运作 (Operate) 四部分构成, CDIO是近年来国际工程教育改革的最新成果.它根据工程项目从研发到运行的生命周期, 将学生的主动性和实践性与课程联系在一起, 通过学生们切身参与项目设计, 从工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面进行培养和训练[2,3,4,5,6,7,8].

　　在过去的几十年时间内, 我国的高等教育飞速发展, 在学习西方先进教学理念和经验的同时, 根据本国需要, 在与国际社会的接轨磨合中不断改进自己, 与时俱进, 逐步实现从早期的重理论轻实践, 强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养模式到创新、创业和教育三要素整合的模式的转变.与此同时, 随着社会的发展, 一代一代的年轻人越来越具有时代特征, 更加灵活, 更加自信, 也更加有主见.因此, 依托当下的天时地利人和, 基于CDIO教学模式进行大学物理的课程教学改革, 将人才培养、科学研究、社会服务紧密地结合起来, 有效发挥大学物理学的特点, 为理工科教育提供更好的知识基础和能力锻炼的平台, 培养学生探索的创新精神和善于解决问题的实践能力, 激发大学生学习兴趣和创业热情, 促进大学生个性化培养和综合素质的提高.

　　1、 专业培养目标定位

　　结合地区发展需要和本校的办学特色, 考虑到科学教育属性与工程教育属性, 为区域发展培养基础研究人才, 工程技术人才, 尤其关注创新型人才的初衷, 明确毕业生应具备的技术知识、能力、素质和道德修养, 即:能够综合应用数学、物理等学科知识, 以工程化的原则与方法为指导, 胜任高速发展的社会和科技环境下开发、测试和维护等工程技术和应用.物理学是一门既注重理论又关注实践的基础自然科学, 工科院校的大学物理作为一门通识教育类公共课, 与如材料、化学、电子学和系统工程等理工学科及专业存在着极大的相关性, 将对毕业生的要求分解到相应的课程内容中去, 基本的教学思想和出发点在于“打好基础, 培养能力, 发展智力”, 学生掌握的物理知识与创新能力有着千丝万缕的联系, 能够帮助学生建立扎实的专业基础、培养良好的工程学意识、增加动手实践能力.结合应用CDIO理念进行教学改革, 能锻炼和培养学生将扎实的专业基础知识转化为创新思维的能力, 掌握的物理知识越多, 物理思维越灵活, 其对创新意识塑造和创新能力提升的帮助就越大.同时由于众多物理现象和知识就蕴含于生活之中, 因此基于CDIO的大学物理改革具有很强的可操作性和灵活性.

　　2、 基于CDIO理念的教学改革

　　CDIO对于现代工程教育明确而系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的标准, CDIO模式要求以综合的培养方式使工程毕业生的能力在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面达到预定目标.主张课程教学应该从具体实际出发, 注重实践和动手能力的培养, 从实践中还原理论并得到提升, 再反过来作用到实际操作, 从而刺激创新和进步[9,10,11,12,13].为此, 我们对大学物理教学体系的教学内容和教学方法进行了重新设计, 围绕“为什么教”、“如何教”、“教什么”和“教得如何”进行教学模式的全新改革与尝试.

　　2.1、 课程内容

　　CDIO教育模式, 在本质上依然强调未来人才必须具备扎实的基础知识, 因此不能因为需要实践性人才就忽略基础知识的教授.理论知识依然是指导实践的必备工具, 具备扎实的理论基础才不会使学生们在实践操作中面对问题时或者无从下手或者后继无力, 与课程内容彼此呼应的实践安排与项目设计才能有效展开并达到预期的教学效果.物理学本身就具有知识面广、思维灵活、应用广泛的特点.根据本学校的专业设置以及区域经济特色, 通过深入剖析不同专业和教学各环节的教学目标、教学设计以及各环节相互之间的承接关系, 对不同专业需求有针对性的设计课堂教学内容, 采用不同的教育模式与教学方法, 增加对应的实践和项目设计环节, 提前让学生接触实际问题, 使学生在校期间就培育起牢固的实践观念以及工程意识.

　　2.2、 实践安排与项目设计

　　大学物理课程中包括了实验部分, 根据不同专业的教学目标, 设计为验证性、设计性和综合性等不同层次的实验课程.从科学性出发, 突出物理学的基础理论、基本知识, 在技术性方面强化前沿发展, 实践内容按物理学的树形结构扩展, 既能层层递进, 又能环环相扣, 具有系统性和完整性.延伸到课堂外, 开展物理实验创新设计以及实验仪器维护与改进升级等实践活动, 指导学生构思新型实验, 进行器材拆装, 检测、调试与维修, 绘制装配图, 编写操作说明手册, 在形成书面材料的基础上, 实践操作进行验证, 并形成最终报告.给予学生更多的主动权, 注意引导与启发, 让学生们以小组为工作单位, 对物理实验提出改进方案.从经典力学规律出发, 结合电磁学、热学、光学以及近代物理的知识, 涵盖数学、计算机、电子、材料、机械等诸多方面, 答案灵活多样, 注重探究性.

　　例如, 汽车的ABS防抱死制动系统的工作原理中包含了刚体与电磁感应的应用.刚体作为力学部分的重要内容, 其涉及的典型实验:杠杆式回转仪展示了刚体的定向转动、进动、章动现象;直升飞机演示了角动量守恒;麦克斯韦滚摆展示了刚体运动中势能和动能相互转化中的机械能守恒;刚体转动实验仪测量刚体的转动惯量, 验证刚体的转动定理与平行轴定理.实验基于前期力学知识和实践基础, 学生们通过自己在实践中摸索分析具体问题, 促成物理的感悟与顿悟.电磁感应是电学部分的重要内容, 电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用, 其演示实验同样具有传统实验的特点.而我们在实践中加入对ABS系统的工作原理的讨论, 这极大地激发了学生们的兴趣.学生们为了能形象的说明问题, 有的提出设计3D模拟展示, 丰富实验室内容;有的对具体的力学原理和数据做分析;有的专注于电磁感应的技术应用部分.这些实验室外的实践内容可以使物理知识变得鲜活起来, 增加对知识理解的深度和广度, 在夯实基础的同时, 发展了学生的能力.而作为实验室建设的参与者, 学生们也会更加有主人翁精神.

　　本校具有良好的校企合作历史, 学生们具有足够的企业实习时间, 大学物理课程增加应用以及科技创新部分, 同样是针对不同的专业需求, 以能力培养为中心, 培养学生全球化意识.根据当前社会以及企业不同专业需求与层次需要, 从应用性前沿问题出发, 以技术升级或科技创新项目为生命周期, 设计融入不同教学计划并与不同专业教学培养目标相对接的代表性课题.学生可以自主选择这些老师设计好的课题进行工作展开, 也可以自主寻找相关课题进行研究.具体操作内容包括:进行充分的背景调研;提出自己的项目设计或改革创新;自由分组协作完成, 锻炼团队能力、领导能力和沟通能力.通过切实解决实际的技术需要, 将所学学科知识、专业技能与工程实践有效结合, 综合运用相关物理知识完成一个完整的设计, 充分理解和应用专业基础理论, 锻炼项目开发、设计和建造的综合能力.

　　在以上过程中, 重点关注学生“学”的结果, 老师只是充当协调者和参谋的角色.实践表明, 学生们在分组合作中能逐步培育主人翁精神, 培养自主学习和探索能力, 组员之间的分工协作与沟通都极大的促进了互学互助等协作精神的提升.

　　2.3、 质量标准与评估

　　一项教学改革, 不仅需要有全面严谨的对教学理念到大纲的深入理解, 创造性的教学实践情境创造与设计, 还需要与之搭配的合理有效的成果质量标准与评价机制[14,15].一套行之有效, 结构合理, 简约易行的质量标准与评价机制, 是提升学生学习动力的基础和原动力, 在维护教师工作的积极性的同时保证了教改的可行性与可持续发展, 这种可行性与可持续发展不仅仅是科学技术上的, 还包含了人文和社会心理等方面.在学习借鉴他人先进的教学教改理念和实践经验的基础上, 与本校自身特点和教师实践相结合, 我们进行了一些探索.

　　在考核过程中, 既要使教师明确学生的培养目标与学习成果, 也要使学生们明确自己需要做什么, 怎样做, 需要做到什么程度.我们并没有抛弃考试这种传统的考核模式, 因为基本理论、基本知识, 是学生分析问题、解决问题以及实践完成项目的前提和基础.实践和项目的完成过程和结果, 成为考核的重要内容, 其中我们尤其关注过程.依然以汽车的ABS防抱死制动系统的引入学习为例, 一个有趣又现代的实例的引入, 使学生们马上联想到学期任务, 从而活跃起来.围绕ABS系统这个大方向, 学生们提出自己的想法和课题, 老师们的关注点在于:项目是如何提出的;项目设计的合理性、规范性与可行性;项目与理论结合的整体效果.而在项目的具体执行中, 学生们是怎样分析问题, 调研问题, 展开工作的, 以及在这一过程中的情绪和心理体验, 都通过不同阶段的调查问卷和组会报告的形式实时追踪, 既便于老师了解学生现状, 也便于发现问题及时调整.对项目的最终结果, 不设定硬性指标, 尽量减少条条框框, 使学生和老师都具有更多的发挥空间.而对项目总结报告的内容与格式, 答辩的语言表述与综合表现等, 则给出具体要求和意见, 培养和检查学生的综合实践能力.

　　3、 教学改革实践中的思考

　　首先, 必须强调学生中心.教师要摒弃亲力亲为的保姆式教学习惯, 要学会相信自己的学生, 权力下放, 让学生们自己面对困难, 解决困难, 只在必要的时候给予点拨和建议, 这样才能培养出具有独立精神的人才.自由的学术氛围也能释放想象力, 更多地促进革新力与创新力的训练.

　　其次, 强调产出导向.本校地处经济技术开发区, 周边有大量的企业工厂, 提供了充足的实习实践机会.针对不同的专业特点和需要, 站在时代发展的前沿, 设计和安排内容, 承担部分企业技术改进以及创新活动.真实的社会实践, 真刀真枪的参与, 才具有现实意义, 才有可能引导与启发学生的创新思维, 真正跟上时代的步伐.对于能够进行技术创新的小组给予奖励, 对于经历挫折的小组, 一起分析原因, 务必保证学生的积极性不会因为失败受到打击, 切实推动建立在真实世界的产品和系统的构思-设计-实现-运行这一CDIO过程.

　　第三, 要强调持续改进.以实行自由分组、独立学习、实践和应用全社会作为大课堂实现教学气氛的改变, 让学生选择他要学的东西和接受的训练, 这是一种潜在的力量, 比只是出台新的政策命令或者设计新的教学内容更有长远的意义.在不断的教学时间周期中, 时刻关注学生们的状态, 及时做出反馈和调整, 才能更好的达到教学改革的目的.同时, 学生们在这一过程中也能更加认识自己的能力和需要, 从而为将来的就业和人生规划提供参考.

　　最后, 必须要强调职业道德.将职业道德教育与教学结合在一起, 让学生在学习基础知识和专业技能的同时, 培养责任感和事业心, 让学生们主动的在实践中锻炼自己的能力, 促进知行合一, 让学生们懂得先学会做人才能做事, 一个具有良好职业道德的人才能为企业和社会所接受.培养过程中注重人文精神的熏陶, 培养学生正直、勤勉的优秀品质.

　　4、 结语

　　美籍华裔物理学家, 诺贝尔物理学奖获得者李政道谈到:青年人才是个必要的条件, 创新型人才不能只依赖课堂教育, “高科技能够很迅速的传递信息, 但是信息并不等于理解.理解有一个过程, 这个过程就是怎么样培养, 培养能够创新的科技人才, 一定需要很好的一个老师, 还有一段很密切的师生共同研究的过程.”它是人与人之间的互动, 随着时间积累起来的.信息并不是理解, 高科技是需要的, 课堂教育也是需要的, 但是并不能代替理解以及真正的培养.我们不但要创新, 而且要划时代的创新.因此, 借鉴和吸收国际先进的CDIO工程教育理念和标准, 利用物理学科自身的特点和优势, 结合我校大学物理课程建设的实际和人才培养定位, 构建CDIO模式下的实践教学体系, 能较好地激发学生学习热情和学习兴趣, 显着提高学生的工程实践能力和团队协作能力

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