基于CDIO大纲的探究式教学在工程教育中的应用研究

摘要：在CDIO工程教育目标的指引下，以“结构力学”课程为例，提出了一种以项目任务为载体，以探究式学习为主要方法的教学模式。通过建立能力目标矩阵、创设探究情景、细化驱动问题、设计评估文件以及反思问题，对传统的结构大赛项目进行改革。用该方法进行项目类学习的改革，能有效培养和测评学生的CDIO工程能力，同时为工程教学改革提供了一条新的思路。

关键词：CDIO；探究式；项目；结构力学

作者简介：喻莹（1983-），女，山东邹城人，汕头大学工学院，副教授；陆小华（1962-），男，湖北公安人，汕头大学教务处长，教授。（广东 汕头 515063）

基金项目：本文系2010年教育部人文社会科学研究“工程科技人才培养研究”专项课题（课题编号：10JDGC005）、2014年广东省高等学校优秀青年教师（项目编号：Yq2013071）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2014）14-0099-02

传统的学习理论和教学实践以接受式教育为主，学生处于被动地位，日益受到人们的质疑。“探究式学习（Inquiry Learning）”或称“主动式学习（Active Learning）”，从20世纪中期以来在世界范围得到广泛的推广，在国际上得到广泛提倡。[1]探究式教学是一种有效提升学生能力、知识和态度的教学方式，在中小学科学教学中应用的较为普遍，[2]但是在高等工程教育中却没有引起足够的重视。CDIO是由MIT等四所大学建立起的一种先进的基于工程教育的教学模式，它为工程教育提供了一个目标集―― cdio教学大纲，大纲以逐级分解的方式详细规定了工程师所应该具备的科学能力与素质、人际团队能力和在企业和社会环境下的工程综合能力。[3]这个大纲的特别价值在于它的完整性和详细程度，为学生的工程综合能力的测评成为可能。

以细化的CDIO教学大纲为培养目标，采用基于项目的探究式教学方法，对传统的工程教育中常用的项目设计类课程进行改革，旨在高效实现学生CDIO工程能力的培养。本文以“结构力学”三级项目“结构设计大赛”为例，研究在工科项目设计中，如何有效采用探究式教学方法实现CDIO工程培养目标。

一、三级项目内容改革

“结构设计大赛”是“结构力学”课程教学中经常举办的科技活动，旨在使学生将课堂的理论知识与实际设计工作相联系，培养和锻炼学生的动手能力、创新能力和勇于实践的精神。针对目前的结构设计大赛普遍存在的问题，本文进行以下改革：

1.明确项目的探究性

结构设计大赛通常要求学生采用指定的材料或尽可能少的材料，建造承载能力最高的结构。项目内容往往局限于如何提高结构荷载，内容较为单一。学生会采用结构力学的知识对所要搭建的模型进行分析，然后按照分析结果进行建造。[4]这一过程中学生缺乏明确的目标指引，导致学生对于材料性能、节点性能等影响结构性能的关键因素缺乏必要的思考和探究。

新的结构设计大赛项目比赛分为竞赛准备阶段和竞赛阶段。准备阶段旨在让学生通过系列试验总结出杆件受力规律，由该规律可以设计并制作出给定长度给定承载能力的拉或压结构构件。竞赛阶段则要求结构安全承受1kg砝码加载，而2kg砝码加载必须破坏，并且加载前明确指定破坏模式，同时满足上述条件且结构质量最低的组获胜。这样的设计更符合真实的结构设计条件，使得学生主动探究所用材料的力学性能，并且设计出的结构需要有明确的承载力。

2.明确项目的能力培养目标

结构设计大赛的目标并不仅仅是采用趣味性的方式使学生重复和练习结构力学的知识，而是要通过一个项目达到一定的能力培养目标。而目前的结构设计大赛多缺乏赛前和赛后明确的培养目标指引，学生为赢而赢，因此达不到应有的学习效果和能力培养目标。[5]CDIO为工程教育提供了完整而详细的能力培养目标，但是对于某一具体课程来说，它并没有也不可能给出具体的能力要求，同时也没有明确给出CDIO能力目标的落实方法，这就需要教学设计者依据教学的需要来制订符合相应课程的能力培养目标及其贯彻方法。

本文在CDIO四个大层次中的26个微观层次上建立了“结构力学”整门课程的培养目标，目标矩阵如表1所示。由表1可知，三级项目结构设计大赛在学生具体工程能力培养中起着重要的作用，是课堂教学和作业练习无法取代的。

表1 “结构力学”课程的CDIO工程能力培养目标矩阵

CDIO相关能力 程度 主要环节

1.技术知识和推理 1.1相关科学知识 3 教学、练习

1.3核心工程基础知识 4 教学、练习、三级项目

2.个人能力、职业能力和态度 2.1.1发现问题和系统表述问题 4 教学、练习、三级项目

2.1.2 建模 4 教学、练习、三级项目

2.1.3 估计与定性分析 4 教学、练习、三级项目

2.1.4带有不确定性的分析 4 教学、练习、三级项目

2.1.5 解决方法和建议 4 教学、练习、三级项目

2.2.1建立假设 4 练习、三级项目

2.2.2查询印刷资料和电子文献 4 练习、三级项目

2.2.3实验探索 4 三级项目

2.2.4假设检验 4 三级项目

2.3.1批判性思维 4 练习、三级项目

2.3.2系统思维 4 练习、三级项目

2.3.3创新性思维 4 三级项目

2.4.1主动性与承担风险 3 三级项目

2.4.2毅力与变通 3 三级项目

2.4.3创新能力 3 三级项目

2.4.4抗挫折能力 3 练习、三级项目

2.4.6有效时间管理能力 3 练习、三级项目

CDIO相关能力 程度 主要环节

3.人际交往能力 3.1 领导能力 3 三级项目

3.2.1组建有效团队 3 三级项目

3.2.3团队有效工作运行 3 三级项目

3.3.2具有应用语言、书写、图表和电子方式进行工程表达和交流能力 3 三级项目

4.在企业和社会环境下构思、设计、实施、运行系统 4.4.1风险及不确定性评估 4 三级项目

4.4.2设计过程的解释与调整 4 三级项目

4.4.3知识在设计过程的应用 4 三级项目

本表注：以布卢姆学习目标分类法(Bloom’s Taxonomy)为基础描述学生在学完本课程后应具有的能力，目标栏内以1，2，3，4，5，6来表示对此级能力要求达到的程度，1～6分别表示：认知、理解、应用、分析、综合以及评判。

二、基于项目的探究式学习

基于项目的学习（Project-Based Learning，PBL）使学生通过应用知识、完成项目的方式来学习知识。PBL是一种基于建构主义理论的情境化学习方式，认为学生通过实际操作及思想的实践，能够加深对学习材料的理解。探究式学习是以科学家和工程师从事科研的方式，学习专业技术中的核心概念、原理或者方法；即使学生经提出问题、自主分析、直至实证、表达的全过程，最终内化为内在的理性认知与能力。基于项目的探究式学习是以项目为载体，通过提出问题、相关资料查询与分析、推测和假设、设计实验、寻求证实、信息和数据处理以及结论与表达七个步骤，达到CDIO能力培养目标。

1.营造探究环境

研究表明，在真正情境中发生的学习最有效。教学设计者营造的情景越真实，使学生能够设计和回答一个对自己和社会都有意义的问题时，他们才能意识到科学在解决重要问题时的方式和意义。针对结构力学的核心内容（掌握杆件结构的组成规律、受力性能、计算原理和计算方法），课程设置以下探究目标：结构计算模型与实际结构间的关系，对假设和误差的评估；结构抗力的统计性；内力计算及其在结构设计中的应用；工程科学规律的实验探索。

2.驱动问题的设置

项目设计者应该帮助学生了解驱动问题的重要性。驱动问题能够帮助学生认识到项目的定位和目标。结构大赛的驱动问题不能仅仅是建造承载力最高的结构。驱动问题用来组织并推动项目的活动，提供一种情景以便学生可以探究学习的目的和进行科学实践，使得整个项目活动一致连贯。基于CDIO培养目标，基于项目的探究式学习在准备阶段和竞赛阶段设置了明确而细化的驱动问题，见表2。

表2 结构设计大赛中的驱动问题清单

阶段点 问题 CDIO培养目标

准备

阶段 问题1：本阶段的目标是什么？列出已知条件、困难、关键问题 2.3.

问题2：拉压破坏的主要区别是什么？影响承压能力的主要因素是可控因素还是不可控因素？ 2.3.1, 2.3.2

问题3：如何在实验中体现这些因素？ 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3

问题4：如何在结果中体现这些因素？ 2.3.1, 2.3.2

问题5：因素的影响确定吗？如果不确定，如何消除

（减小）不确定因素对实验结果的影响？ 2.1.3

竞赛

阶段 问题1：你们所面临的问题是什么？解决的思路是怎样的？ 2.1.1

问题2：设计中是如何确定结构的体系和形式？有没有不同方案的对比？ 2.1.2, 4.1.1

问题3：是否考虑了结构的整体和局部优化？ 2.3

问题4：团队中每个人的职责是否明确？如何保证合作能够顺利进行？具体计划是什么？如果合作过程中出现了问题，怎么解决？ 2.4.6, 3.1, 3.2

问题5：团队采用什么样的方式交流？交流的效果如何？如何记录你们的交流情况？ 2.4.6, 3.3.2

三、学习效果评估

知识的评估可以通过竞赛的结果获得，能力的评估却不可以和竞赛结果直接挂钩。学生的能力评估一直是教学改革的难点。由于前期采用了细化的、可测评的CDIO四级大纲加水准作为预期的结果，为学生能力评估提供了标准，加上项目设计中对评估文件进行了专门的设计，使准确测评学生能力成为可能。学生在大赛前需要提交准备阶段报告，在竞赛后需要提交竞赛阶段报告。对准备阶段和竞赛阶段的报告设置相应的要求（见表3），用以评估学生的能力状况。

表3 结构设计大赛中的评估文件要求清单

阶段点 具体要求 CDIO培养目标

准备

阶段

报告 内容要求1：实验目的 2.1.1

内容要求2：实验设计 2.3

内容要求3：实验设计 2.1.3

内容要求4：实验过程 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3

内容要求5：数据采集 2.1.3

内容要求6：数据整理 2.2.4

内容要求7：数据误差与可靠性分析 2.2.4

内容要求8：实验结果表达 2.2, 2.3.3, 3.2,

竞赛

阶段

报告 内容要求1：要达到什么目标？基本要求是什么？追求的目标是什么？ 2.1.1

内容要求2：提出了几种不同的结构形式？ 4.1.1

内容要求3：如何决定最终设计方案？ 2.4, 3.1, 3.2

内容要求4：结构的计算模型、计算过程和计算结果 1.3, 2.1.2

内容要求5：结构计算模型与真实结构的区别在哪里？这样的差异会对结构内力分析结果产生怎样的影响（数量级估计）？怎样保证达到竞赛基本要求? 2.1.3, 2.1.4

内容要求6：设计破坏荷载是多少？破坏模式是什么？实际结果与预测结果分析 2.1.5

四、反思

反思是使学生更易于进入真实事件的一个重要部分，特别是基于项目的教学方法，需要预先计划、实时监控、过程评价，并且要根据活动的成果来重新制订计划。支持学生反思的最大困难是帮助他们理解反思的必要性。当学生经验局限于结构化的任务时，他们就没有机会参与元认知监控和元认知计划。在项目设计中，通过对学生自评报告中反思问题的设计，让学生主动进行反思。学生的反思问题清单见表4。对于教师来说，教师对项目效果进行反思，根据学生需求与反应调整项目内容、项目实施策略，为下一周期的项目教学做好准备。

表4 学生的反思问题清单

阶段点 问题 CDIO培养目标

准备

阶段 问题1：如何应对试验中的挫折？ 2.4.1,2.4.2, 2.4.4

问题2：如何组建团队？ 3.2.1

问题3：有没有体验到努力发现答案的激动心情？ 2.3.3

问题4：准备阶段的重要性是什么？ 4.4

竞赛

阶段 问题1：竞赛结构是否在预料之中？ 2.1.3

问题2：成功或失败的原因是什么？ 2.3.1, 2.3.2

问题3：如果可以，将对结构做哪些改进？ 2.1.5

问题4：你的设计有何创新之处？ 2.4.3

问题4：通过项目学到了什么，如何将这些知识概括应用到其他项目中？ 4.4.3

五、结论

基于CDIO工程培养目标，通过建立能力目标矩阵、创设探究情景、细化驱动问题、设计评估文件以及反思问题，改革了传统的结构设计大赛。基于项目的探究式学习活动改变了过去项目设计中学生盲目参赛的状况，形成了学生在CDIO培养目标指引下主动探究的方式，调动了学生的积极性，提升学生的自我学习能力。学生依据项目的要求查找自己所需的各类资料，自我主导实施过程，变被动学习为主动学习，有效地激发学生的主观能动性。此外在项目的实施过程中，学生锻炼了项目管理能力、沟通能力与交流能力，为今后的工作打下了良好的基础。

参考文献：

[1]韦钰,P.Rowell.探究式科学教育教学指导书[M].北京:教育科学出版社,2005.

[2]KrajcikJ.S.,Blumenfeld P.C.,Marx R.W.,Bass K.M.& Soloway E..Inquiry in project-based science classroom: Initial attempts by middle school students [J].Journal of the Learning Science,1998,(7):56-60.

[3]顾佩华,沈民奋,李升平,等.从CDIO到EIP-CDIO――汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12-20.

[4]徐小丽,陈静.论土木工程专业结构力学教学改革[J].中国现代教育装备,2010,(19):97-101.

[5]周臻,陆金钰,尹凌峰,等.面向卓越土木工程师培养的结构力学[J].高等建筑教育,2012,21(4):74-77.

注：喻莹为本文通讯作者。