CDIO实践类课程一体两翼教学模式

摘要：为提高学生的课程参与度，加强工科学生工程实践能力的锻炼，为社会培养更多“适销对路”的应用型本科人才，作者以有效教学理论为指导，设计构建基于CDIO工程教育理念的实践类课程“一体两翼”有效教学模式，并以太阳能光伏发电系统设计课程为例，进行一个学期的教学实践应用。课程结束后，通过对全体同学的问卷调查表明，学生的工程基础知识、个人综合能力、工程系统能力和团队合作能力四个层面均得到有效锻炼，教学效果得到学生的广泛认可。文章设计的教学模式在实践课程的应用中取得良好效果。

关键词：有效教学；CDIO；实践课程；项目式教学

在能源危机和环境危机的双重形势下，可再生能源产业得到了蓬勃的发展。浙大宁波理工学院能源与环境系统工程专业为适应能源行业的需要，培养全面的能源领域人才，借2017-2020本科专业培养方案修订之机，增设了可再生能源相关理论课程，但一直缺乏配套的实践类课程，制约了学生相关实践应用能力的培养与提升。太阳能光伏产业是半导体技术与可再生能源需求相结合产生的新兴产业，也是当前能源发展的重要领域。因此，拟在条件和经验有限的条件下，先行先试，开设太阳能光伏发电系统设计相关实践课程。知识应用能力的培养，大部分都在实验实践类课程中进行，而传统的实验实践教学或多或少存在如下不足[1-2]：（1）“依葫芦画瓢”“照方抓药”等验证性内容比重大，学生未能充分参与到设计环节，学生主动寻找解决方案的过程被忽视，使得分析问题、解决问题的能力无从谈起，更不要说创新精神的培养；（2）片面地截取工程实践过程的部分片段，使得学生对整个工程创新实践全过程缺少体会，学生能力培养存在片面性，无法与实际工程项目有效接轨；（3）偏重结果而轻视过程，过于成品化的实验实践设备使得设计的思想、方法的选择和故障的分析改进等环节被淡化，致使学生在面对具体工程应用问题时出现无从下手的尴尬情况；（4）教学和考核方式单一，以教师为中心，学生在教师的指导下独立完成，教师根据学生提交的书面报告进行考核，缺乏团队合作能力和语言表达能力的培养。现代工程领域是“研发-设计-制造-运行-管理维护”等环节构成的工程链，需要的是创新能力、实践能力、管理能力兼备的复合型人才。传统的实验实践教学使学生获得的能力范围十分有限，使得学生欠缺工程意识、工程实践能力等工程师最基本、最重要的专业素质，无法适应当今社会及行业发展的需要。因此，新开课程必须进行积极探索，不能走传统实验实践课程的老路。基于上述背景，笔者以太阳能光伏发电系统设计为例，在有效教学理论的指导下，设计了基于CDIO工程教育理念的“一体两翼”有效教学模式，并进行了实践应用和教学效果分析，以期在完善本专业人才培养方案的同时，也能为同类实践课程的教学改革提供思路和借鉴。

一、相关概念释义

（一）CDIO

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），是麻省理工学院等知名高校于2000年创立的一种“回归工程实践”的工程教育模式，具有实践可操作性、全面系统性及普遍适用性的特点[3]。该模式涵盖产品或系统从构思研发到运行改良乃至终结、废弃的生命周期全过程，强调综合的创新能力，让学生以主动的、实践的方式学习工程。CDIO强调理论知识一体化，知识、能力和态度的一体化，以及专业技能和人文素养的一体化，代表了当前工程教育的发展趋势和前沿进展。二十年来，CDIO在中国高等工程教育界逐渐萌芽、扎根、开花和结果，促进了工程教育教学改革与研究的蓬勃发展[4]：汕头大学于2005年首先开始研究实施CDIO工程教育模式，取得了明显的效果；此后，在教育部的积极推动下，国内先后有39所高校在机械类、电气类、化工类、土木类专业试点CDIO工程教育模式；2016年1月，全国“CDIO工程教育联盟”成立，标志着CDIO在中国的发展迈入新阶段。长期以来，很多学校根据各自需要，开展基于CDIO的工程教育教学改革，均取得了积极的效果[5-7]。到2021年，我国已有164所高校加入“CDIO工程教育联盟”。（二）有效教学有效教学（EffectiveTeaching）理论起源于二十世纪上半叶西方开展的教学科学化运动。当前，学界尚未形成对于何谓有效教学统一的看法。综观国内外相关研究成果，研究者对有效教学的界定主要是沿用经济学的效果、效益和效率的概念来解释：有效果指的是学有所得、所获，有效益指的是所学内容有价值、有用；有效率指的是学的过程和方法科学、简洁、省时[8]。有效教学的核心内容是以促进学生全面发展为目的而进行教学，学生在学习后有无进步或能力的提升是判断教学有效性的唯一指标[9]。如何提升教学有效性，进而提高人才培养质量是当前教育改革的核心追求，许多教育工作者已经进行了积极的探索和实践[9-11]。但需要指出的是，教学是一项系统性的复杂活动，涵盖教师、学生、教学目标、教学内容、教学方法和教学环境等多个要素，其有效性本身并没有一个统一的标准。实践中普遍认可的有效教学包括以下四个方面的基本特征[10-12]：（1）应有明确的教学目标，明确的教学目标不仅可以指导教师开展有效教学，还是评价教师教学效果的可靠依据；（2）学生应主动参与教学过程，有效教学以学生获得全面发展为目标，需要通过学生主动地参与教学过程而实现；（3）应强化课程设计和教学活动的组织管理，体现教师主导作用与学生主体地位的辩证统一；（4）教学气氛和教学环境要和谐、平衡。

二、基于CDIO的“一体两翼”有效教学模式设计

在有效教学理论的指导下，设计了基于CDIO的实践类课程“一体两翼”有效教学模式如图1所示。“一体”指的是学生完成课程项目遵照CDIO的构思、设计、实现和运作四个阶段有序推进，同时这也是整个教学过程的四个主要阶段。“两翼”指的是线下课堂和线上钉钉群。线下课堂一方面方便教师集中讲授一些必要的专业知识以及集中解答学生遇到的共性问题，另一方面给教师与学生、学生与学生之间进行面对面充分地交流讨论提供固定的场所和机会。钉钉是阿里巴巴集团倾力打造的免费沟通和协同的多端平台，有许多专注于提升办公与协同效率的功能，对于一门项目式课程的教学同样非常适用。线上钉钉群可以方便地实现课程通知（实时显示已读未读）、课程资料分享（长久保存）等基本功能，同时使课程学习的时间和空间得到拓展和延伸，师生之间、生生之间可以随时、随地、随身地进行交流讨论，大大提高效率。线下课堂和线上钉钉群有机结合、互为补充，推进整个教学过程按课程计划有序进行。该教学模式的进一步阐释如下。

（一）课程目标

增强学生的课程参与度，并从有形和无形两个方面提升学生的获得感：（1）课程结束时获得一个完整的实物作品和一份规范的设计报告；（2）工科学生四大重要能力的提升：工程师必备的工程基础知识；协调沟通、创新思维、语言表达、文字写作等个人综合能力；项目组织、设计开发和项目实施的工程系统能力；团队合作能力。

（二）课程任务

学生组队设计制作一套小型可移动式太阳能光伏发电系统，驱动一个小功率负载，如灯泡、小风扇等，各小组可自由选择，同时为装置设想一个应用场景。光伏发电系统需具备光伏板角度可调节以及电能存储的功能。课程任务为半开放式，除了满足规定的基本要求外，鼓励学生自由发挥，增加新功能（作为加分项）。

（三）教学过程

整个教学过程主要分成如下四个阶段。构思阶段（C）：各小组查找资料了解太阳能光伏发电技术（要求提交参考文献清单）。然后，根据所学知识对项目进行分析，考虑实现的工艺、策略和方法等，讨论发展出初步的技术方案（要求提交小组线下讨论的照片、线上讨论截图、设计草稿）。设计阶段（D）：各小组根据前期调研给出详细的设计方案，包括系统图、计算过程及结果、成本预算等，对方案进行可行性和可靠性论证（要求提交详细的设计文稿）。此阶段设置设计方案汇报答辩环节，通过后方可获得经费进入下一阶段。实现阶段（I）：各小组采购所需材料和零部件（通过淘宝采购，要求提交与卖家的聊天记录截图），将设计成品化并进行调试，直到满足设计要求的指标（要求提交制作和调试过程的短视频）。运作阶段（O）：各小组对项目进行总结，一是撰写项目设计报告，包括背景知识、设计方案、结果与分析等内容；二是进行汇报答辩，展示设计成果，如以短视频的形式演示完整的操作及实物作品运行情况。

（四）课程考核

课程考核注重过程性以及学生的参与，学生个人的最终成绩由个人表现和小组表现综合得到。小组表现包括小组平时成绩（各阶段要求提交的材料）、两次汇报答辩得分和设计报告得分。个人表现包括考勤和小组内部成员之间的互评得分。设置组内成员互评的目的是为了充分考虑每个学生在整个过程中的贡献度，从而调动学生参与项目的积极性。设计报告的成绩由教师根据评分标准进行打分，见表1，两次汇报答辩的成绩则由教师和其他各个小组按照评分标准的打分综合计算得到，见表2。

三、教学模式应用与有效性分析

2020-2021学年秋冬学期，本文设计的教学模式对浙大宁波理工学院能源与环境系统工程专业大四学生进行了实践应用，共有58名学生参与，分成10个小组。整个教学周期共16周，每周四节课，每节课45分钟，各周教学内容安排见表3。最后，所有小组都较为顺利地完成了学习，经过构思，设计，实现和运作，制作出了符合要求的实物装置，如图2（a）所示；有的小组则迎难而上、刻苦钻研，为装置增加了自动追踪光源位置变化的功能，如图2（b）所示；还有的小组更是大胆设想、另辟蹊径，将环保理念进行到底，利用废旧材料设计制作了可折叠的文件夹式光伏包，如图2（c）所示。在课程结束之后，对全班同学就课程预期目标的达成情况开展了问卷调查。共发出问卷58份，回收有效问卷56份，有效率为96.6%。问卷调查结果显示，86.1%的学生认为自己主动和全程参与了整个教学过程，师生之间、生生之间的讨论交流充分而深入，课程参与度很高；91.7%的学生认为由学生自己去查阅资料，边做边学、边学边做，相比以教师为主来讲授专业的工程基础知识，对知识的理解和掌握更加深刻、效果更好；整个教学过程对学生能力的培养和锻炼作用也得到了学生的认可，表4给出了学生对各项能力锻炼程度的评分结果（平均值±标准差，各项满分均为5分）；而课程的有形产出———设计报告和实物作品，也让学生觉得非常有成就感和获得感，分别得到了83.3%和91.7%的学生的肯定；对于课程的整体评价，94.4%的学生认可这种以学生为中心、以教师为主导的基于项目的教学模式。综上可见，本文提出的基于CDIO的“一体两翼”有效教学模式在实践类课程的教学应用中得到了学生的广泛认可。表4学生对各项能力锻炼程度的评分

四、结束语

为了提高学生的课程参与度和获得感，培养符合社会需求的应用型本科人才，本文以有效教学理论为指导，设计构建了基于CDIO的“一体两翼”有效教学模式，并以太阳能光伏发电系统设计项目为依托，进行了教学实践应用，通过问卷调查对该模式应用后的教学效果有效性进行了分析。结果表明，在该教学模式下，工科学生的工程基础知识、个人综合能力、工程系统能力和团队合作能力四个层面均得到了有效的锻炼，教学效果得到学生的广泛认可。该教学模式在实践类课程的实施中初步取得了良好的效果，本研究的后续工作将进一步完善基于CDIO的“一体两翼”有效教学模式，并推动该模式在更多同类课程教学中的应用。

作者：虞效益 胡长兴 单位：浙大宁波理工学院 机电与能源工程学院