基于CDIO 的工程专业基础实践课教学模式探究
项建弘，黄丽莲，王霖郁，国强
(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨)
摘 要： 在新工科背景下，改变传统授课和实验教学模式是必然趋势，而工程专业基础实践课是培养大学生工程基础理论与实践能力的一类课程。文章基于CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教育模式设计了一套从系统角度讲授工程专业知识与实践的教学新思路，使学生在学习基础理论知识的同时，也能从系统的角度分析专业领域的复杂工程问题，以设计、开发、实现工程系统功能为目的展开实践活动，将工程实践和理论是密切衔接。实践证明这种教学模式能激发学生的学习兴趣和主动性，学习效果与传统教学方法相比有明显的优势，从而达到工程教育的要求。
关键词： CDIO；工程专业；专业基础实践课；教学模式；电路
一 基于CDIO 的新工科课程建设
CDIO 教育模式是由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院学等多所欧美高校针对工程专业教育提出的一种面向应用型人才培养的教学模式[1]。CDIO 包含了构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和使用（Operate）四方面含义，并包含实践教学过程中从研发到使用的各个环节，着重培养学生的工程知识、能力和多方面综合素质[2]。CDIO 包括了三个核心部分：1 个目标、1 个大纲和12 条标准。其目标是为学生提供一种能够模拟工程实践环境的教育，这种教育强调具备工程基础，能够建立客观环境下的产品和系统的构思-设计-实现-使用(CDIO)的全过程。其大纲第一次将工程技术人才必备的工程知识、实践能力、团队交流能力以及CDIO 教育过程所需的必备能力分级细化表述，使工程教育具有更加明确的目的性和系统性。其12 条标准对工程教育模式的实施和考核进行了系统的、全面的指导，使得工程教育模式更具体化、可操作、可衡量，并对学生和教师都具有很明确的指导性 [3]。近年来，CDIO 理念被融入到各类课程教学并取得了不错的效果[4-10]。
自2017年以来，中国本科教育从复旦共识、天大行动到北京指南，构成了新工科建设的“三部曲”。2018年9月，教育部、工业和信息化部、中国工程院等部门联合发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》，推动了高等院校面向工程界、面向全球、面向未来，持续深化工程教育改革[11,12]。同样，对于一个专业或一门课程，都应面向于工程教育设计和发展工程专业基础实践课。作为专业的入门级课程实施面向工程教育和教学模式的改革处于首当其冲的位置。
二 工程专业基础实践课教学现状
工程专业基础实践课一般是面向技术、工程类专业开设，包含了与专业密切相关的经典理论知识。然而经典知识往往过于基础，远离实际应用的新知识和新技术。至今，对于工程专业基础实践课，众多国内外知名大学仍旧保持着传统的教学内容以及教学模式。第一，从工程专业的授课内容和实验内容来看，绝大部分国内外高校都是从分离的视角划分知识点，分单元模块去讲授和实践，使得学生缺乏用系统的感官去感受工程。如此一来，知识零零散散，似乎什么都讲，但又都没有实用价值。第二，以“抽象模型”为主线，将工程专业及其分析方法用数学的方式呈现给学生，使得学生在学习过程中很难将理论知识与实际工程相结合，在工作后也很难将工程中出现的问题和专业基础知识联系起来；第三，与工程专业基础实践课相关的实验项目绝大多数是验证性实验，学生只要根据约定好的实验步骤，按部就班的重复实验过程并记录实验数据即可。如此，学生既不能体会专业课在工程中的实际作用，同时也很难主动去设计开发工程项目，更不用说提高学习兴趣了。最后，教师对学生的考核除了卷面考试就是实验过程评价，以其分析题目的结果、实验测量数据的结果和实验报告为主，千篇一律，很难以工程实践能力去评价学生真正的知识掌握情况、设计开发能力以及团结协作、自我学习等综合素质[5]。总言之，在传统教学中，学生是被动地接受，对知识的掌握仅限于能够解题，对工程内涵的理解仅限于分离的功能模块。如此，学生是很难被引导进入工程的思维方式，也使得工程专业基础实践课越来越远离工程教育的主线，无法适应工程教育的发展需求。
国内外诸多高等学府对工程专业基础实践课的处理方式有两种，一种是保持传统的工程专业理论和实验项目，另一种是针对专业发展的特点，大幅度的削减专业基础知识和基础实验项目。当然，也有个别知名院校将多门相关工程专业课相合并，但是总体思路离不开将实际工程“抽象”成数学模型，在内容上缺少工程性的系统化梳理。本文基于CDIO 的教学模式，一方面将工程专业基础实践课程中的知识点从系统工程角度进行梳理，另一方面设计创新性和开放性的工程实践项目，以培养学生对系统工程的初步认识、熟练掌握专业技能和较好的综合素质。
三 系统设计工程专业知识和实践课的方法
从CDIO 理念出发，将工程专业基础实践课的理论部分和实践部分看成一个整体，授课之初就先明确课程要设计开发一整套专业工程系统。在理论课部分，需要讲授这套系统各功能的实现原理和分析设计方法，当然前期的基础知识和基本分析方法也是必不可少的。实践部分是对系统的模块开发，最终形成系统并调试运行。从课程实施规律上，理论课是安排在实践课之前，但从系统实践的目的来看，理论知识是服务于工程系统中模块的搭建，所以首先是如何设计和构思一套工程系统。
三维磁共振静脉成像：采用德国西子Avanto1.5T核磁，本研究多有患者均做MRV，方法为：冠状位Cor 2D TOF扫描条件：层厚1.5mm，TR 15.0ms，TE 4.9ms。扫描范围从前额部到后枕部，提前设置预饱和带抑制脑动脉影像。本研究对比剂采用Gd—DTPA，对比剂的剂量为0.1mmol／kg，从患者肘静脉注入。
基于CDIO 模式的教学方法提倡学生自己构思、自主设计、动手实现和调试工作，所以课程在进行到系统设计之初就交给学生一个任务，让学生自由发挥能动力，结合指定需求构建工程系统中的各个模块，有序进行实践，从而实现培养学生多方面能力和综合素质的目的。
在天然气的压力、温度发生变化时，当天然气的温度低于一定压力下的烃露点后，天然气中较重烃类就会析出形成液相，这些液相组分的存在将对管道输送、天然气利用产生不同程度的不利影响[1-3]。因此，在各国天然气的气质标准及天然气管道设计规范中，除对气体中的H 2 S、CO2、水露点、发热量等有具体要求外，同时也对烃露点指标进行了规定。
音频传输电路系统从认识音频信号起始，了解自然界大部分信号在时域是连续呈现的，而在频域上是以离散频谱呈现的。建立时域与频域关系的数学方法是借助于傅里叶级数分解的方法，由此使学生们建立信号频谱的概念。当音频信号中混有高频和低频成分的噪声时，就需要利用滤波电路将无用的声音成分（噪声）滤除掉。这时学生要能够掌握滤波电路的网络函数和频谱特性，并由此来分析和设计一个满足需求的滤波器。即便噪声被过滤掉，也不是所有音频成分都是我们想听到的，要适当的选择，提取最感兴趣的那部分（声音频率），所以要应用谐振电路设计一个既具有一定带宽又具有较好频率选择特性的电路。这段音频信号被提取出来后需要被传递给后续的音频加工电路。在解决信号传输的问题上，最常用的方法就是采用互感耦合的方式，并且互感电路还能使前后电路达到阻抗匹配，使音频信号在输出端达到最大功率。此后，在设计音频信号加工时，学生需要发挥主观能动性，可以将多种乐器演奏的同一段声音通过不同的时间延迟被叠加，从而产生混响的效果；也可以应用延迟电路将一段声音分为多路从多声道被播放，形成环绕立体声。在设计声音延迟时间长短时，需要让学生深刻认识一阶电路时间常数所起到的作用。最终，无论音频信号以哪种形式加工，最后在播放输出时都离不开音频的放大电路，使音量大小可调。在实验结束时，学生要能够加工出一段满足乐感的合成音乐。音频传输电路系统与课程知识体系的对应关系如图1 所示。
四 基于CDIO 模式的工程专业基础实践课教学实施
（一）课程教学内容的设置
图1 电路课程知识体系与音频传输电路系统关系
课程评价可分为三部分。第一部分占总成绩的5～10%，是对学生平时学习过程的评价，伴随课堂讲课和研讨课进行。第二部分占总成绩的50～60%，是对理论知识和分析方法进行两次卷面评价，一次在期中进行，另一次在期末进行。第三部分占总成绩的40～50%，是对小组学生实践过程的评价。由教师和助教组织，小组在整个实验完成后，对自己设计的工程系统进行答辩式汇报和成果展示，其他小组进行打分，最终由教师分档进行综合评价。
表1 《电路》课教学内容及学时安排
（二）课程教学方法
首先，根据专业基础实践课的内容配套选择一种工程系统。其次，将系统拆分成多个可连接的功能单元，理顺功能单元的先后顺序。再次，提取功能单元所涉及的工程基础知识，这时可能有些知识单元是原课程体系中所不包含的，则需将该部分补充到课程知识体系里。最后，按照功能单元的顺序设置知识章节，并将基础知识、定理定律和分析方法有序的前置。文章以电子信息类专业基础课《电路》的实践课环节为例，介绍系统设计课程知识和实践的方法。
在整个工程专业基础实践课教学过程中，由主讲教师进行理论知识的讲解，由主讲教师或助教辅助学生完成课后的研讨。研讨的内容是针对功能模块分析、设计和仿真的难点进行的。根据CDIO 大纲，工程专业基础实践课教学活动可将各环节进行如下设置。①先划分实践小组，每个小组由4 人组成，教师按课程内容设置阶段性任务并指定1 名组长；②学生提前预习，上网收集资料，认真准备和思考实验中用到的理论知识；③在课堂上学习理论知识和分析方法；④在课堂教学后，小组根据理论知识，上网查找资料并尝试对阶段性工程模块进行设计或改进，对改进后的功能模块必须进行详细的理论分析和理论数据验证；⑤对改进后的功能模块，小组利用工程专业通用的软件进行仿真，验证理论分析与仿真结果是否符合任务需求；⑥小组对已仿真验证的功能模块进行开发。如果此阶段的功能模块与上一阶段的模块是相关联的，要将之前的模块进行联接，并使用测量设备观测各模块的数据，同时协调各功能模块进行元件参数调整，使输出数据达到理想效果；⑦小组记录实验数据，分析其合理性，给出结论，然后撰写阶段报告，总结在系统设计过程中出现的问题和实施的解决办法。
理论教学、实践教学和课程评价的结果最终支撑课程教学目标的实现。第一部分支撑“学生对工程专业知识和概念的理解和掌握”。第二部分支撑“学生对工程专业分析方法的掌握，能基于工程专业原理和数学模型方法正确表达专业领域的工程问题”。第三部分支撑两个课程教学目标：一个目标是学生能够进行系统的设计和开发，在设计中体现创新意识；另一个目标是学生能够在小组工作中与其他成员有效沟通，合作共事，具备书面表达能力，能就专业问题进行交流。
（三）课程评价和教学目标的实现
虽然课程注重系统工程的实践，但由于工程专业基础实践课一般是学生进入专业学习的第一门课程，基础概念、定理和工程基础知识是不可忽略的。而且从工程实践的角度来看，一个系统出现难以解决的问题都是由不同功能模块产生的独立问题组成的，解决这些问题必然要先学习专业基本知识和分析方法。因此专业基础实践课的第一部分需要讲解专业基础知识、定理定律和基本分析方法；第二部分则围绕工程系统展开功能模块的理论知识和分析方法的教学，使学生能够知道一个工程系统被设计、加工到功能实现是需要若干功能模块、设计流程、仿真验证、开发测量等步骤。仍以《电路》课程为例，设计课程知识和实践的教学安排如表1 所示。
仍以《电路》课程的音频传输电路系统为例。根据表1，实践部分被分为4 个阶段，每个阶段都按以上7个步骤循环实施。其中第3 步由主讲教师在课堂进行授课教学；第1、2、4、5、7 步由各小组在课外完成，在此期间，可由指导教师或助教安排一次研讨课，帮助学生解决疑问或困难；其中第6 步是在实验室进行4 个学时的实践操作。小组在最后一次实验室操作后，要对整体工程系统进行联接和调试，准备最终答辩和成果演示。
图2 专业基础实践课教学实施构架
可以看出，对提高部门决算报表质量的改进措施认识最大的区别是“全面披露单位信息、深入反映存在问题；建立决算工作奖励和约束机制，并完善决算管理专题分析交流活动”等两个方面。本文在对区外高校调研过程中，发现区外部分高校已在这两个方面取得很大的进展，如各部门能充分共享数据，各项目负责人和执行人员能全面了解项目执行情况；如内控制度已嵌入整个学校运行当中，有效减少运行过程中违规、不合理等问题。
本文依据具体问题具体分析的原理，遵循问题产生发展的特定环境进行思考分析，结合高中《文化生活》课堂中出现的问题，紧密联系高中政治课教学，深入挖掘分析现有教学环境和条件下所出现的问题及其背后的原因，紧紧抓住教师和学校的作用，提出相应具体可行的措施，以期更好地落实政治学科核心素养并完善教学方法，从而能够在日后对高中阶段《文化生活》的教学产生积极影响。
基于CDIO 模式的工程专业基础实践课教学实施的总体构架如图2 所示。根据CDIO 大纲制定工程专业基础实践课程的教学目标，再根据教学目标和内容来设计教学活动各环节，学生作为主体参与教学活动并获得评价，由全部参加学习的学生的综合评价来鉴定课程教学目标的达成，最终由教学目标的达成反过来支撑CDIO 大纲的实现。
（四）工程专业课程学习环节与CDIO 大纲的关系
工程专业基础实践课程教学目标一般是针对CDIO大纲中主要几项制定的，而实际情况则是课程教学和实践的各个环节与CDIO 大纲都是密切相关的，因此将上一节的学生学习环节和CDIO 大纲关系一一对应起来，如图3 所示。
在《电路》课程教学完成之后，教师和助教对100 名学生进行了一次调查问卷。针对CDIO 大纲中4大项里的17 小项中的7 小项进行调研，获得了学生主观评价《电路》课程学习对个人的知识、能力和素质三方面的培养起到的效果数据，其结果如表2 所示。
表2 CDIO 大纲达成评价表
从数据总体可以看到，以CDIO 理念设计课程教学模式，可以培养学生多方面专业知识以外的能力，如个人自主学习能力、查寻相关资料能力、分析问题能力、解决问题能力、设计开发能力等；提升多方面的综合素质，如团队协作、沟通，构思系统，设计流程，工程项目管理、撰写报告、就专业问题交流等。虽然学生在掌握专业基础知识的熟练程度可能不如传统的授课教学，但是在实践和综合素质方面得以长足提升，为培养专业工程技术人才创造了良好的教学环境和基础。
图3 课程学习环节支撑CDIO 大纲关系图
五 结论
基于CDIO 的专业基础实践课教学模式从系统构建专业的知识和实践环节出发，使学生在实践中掌握理论知识和分析方法的应用。结合“新工科”的要求进行专业基础实践课程建设，既培养学生系统的思维方式，也训练学生分解复杂工程问题，利用原理知识去分析需求，分块解决复杂工程问题，最终实现系统指标要求。在整个教学实施过程中，充分发挥了学生的主观能动性，使其达到学习专业知识，运用基本原理进行仿真分析问题，掌握开发设计能力，培养小组协作和有效沟通素质的教学目标，从而达到工程教育的要求。
《国标》规定英语专业课程体系包括通识教育课程、专业核心课程、专业方向课程、实践教学环节和毕业论文五个部分（教育部高等学校教学指导委员会，2018）。文化类课程涉及专业核心课程和专业方向课程。在“国标”的课程体系中，跨文化交际、英语国家社会与文化是英语专业核心课程，专业方向课程是“社会文化”（王巍巍，仲伟合，2017）。《国标》只是一个方向，一个原则，不是教学大纲，不能提供全部课程。文化类专业核心课程应该构成文化主体部分，而专业方向课程应该是在核心课程基础上，扩大内涵和外延，增加广度和深度的课程。“社会文化”不是具体课程名称，而是课程类别，各类院校可根据自身情况，优化专业方向课程组合。
参考文献
[1] 崔军, 汪霞. 国际高等工程教育课程改革案例研究——美国麻省理工学院CDIO 课程模式[J]. 中国高等教育评论,2013(4):194-207.
[2] 李曼丽.用历史解读CDIO 及其应用前景[J].清华大学教育研究,2008,29(5):78-87.
[3] 刘丹丹,梁彦秋,冯婧微.借助CDIO 模式提升环境工程实践教学建设[J].科技视界,2017(26):14-15.
[4] 阎群,李擎,崔家瑞等. OBE 准则下CDIO 在实验室建设中的探索[J].实验技术与管理, 2017, 34 (8) :231-234.
[5] 郭瑞波,王梦菊.基于CDIO 理念的数据结构课程体系研究与实践[J].实验技术与管理,2016,33(10):213-216.
[6] 李擎, 崔家瑞, 阎群,等.工程教育认证下自动化专业实践类课程改革[J].实验技术与管理, 2016, 33 (12) :225-228.
[7] 周云, 曾明, 鞠儒生等.以项目为载体的仿真工程专业课程实验体系设计[J].实验技术与管理, 2017, 34 (5) :194-197.
[8] 李蕊,贺毅.基于CDIO 的金属工艺学课程体验式教学改革[J].实验室研究与探索,2017,6(36):186-191.
[9] 王彬丽,申艳光,杨丽. 计算思维和CDIO 模式的大学计算机基础教学研究[J].教育教学论坛,2018(7):254-255.
[10] 何秋生,赵志诚. OBE 理念下的“单片机应用技术”实验案例设计[J]. 实验技术与管理, 2018,35(11),203-207.
[11] 杨毅刚,宋庆,唐浩.工程教育专业认证与CDIO 模式异同分析与相互借鉴[J].高等工程教育研究,2018(5):45-51.
[12] 叶民,孔寒冰,许星.新工科实践路径探讨:基于扎根理论的CDIO 转换平台建构[J].高等工程教育研究,2018 (4):11-17.
Research on Teaching Mode of Engineering Basic Course based on CDIO
XIANG Jian-hong, HUANG Li-lian, WANG Lin-yu，GUO Qiang
(College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, China)
Abstract： Under the new engineering background, it is an inevitable trend to change the traditional teaching and experimental teaching mode, and the basic course of engineering specialty is a kind of course to train the students undefined basic theory and practice ability of engineering. Based on the CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate） education model, this paper designs a set of new teaching ideas to teach engineering knowledge and practice from a systematic perspective, which enables students to analyze the complex engineering problems in the field of engineering from a systematic perspective while learning basic theoretical knowledge. In order to design, develop and realize the function of engineering system, the practical activities are carried out, so as to feel that engineering practice and theory are closely connected. Practice has proved that this teaching model can stimulate students’ undefined interest and initiative in learning, and the learning effect has obvious advantages compared with traditional teaching methods, thus meeting the requirements of engineering education.
Key words： CDIO; Engineering major; Professional basic Course; Teaching mode; Circuit
本文引用格式： 项建弘，等.基于CDIO 的工程专业基础实践课教学模式探究[J].教育现代化,2019,6(79):161-165.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.79.061
基金项目： 2017年黑龙江省教育教学改革项目“基于互联网+的电路课程综合改革研究”（编号：SJGY20170515）；2017年黑龙江省教育教学改革项目“高校卓越创新人才培养模式的探索与实践”（编号：SJGY20170514）。
作者简介： 项建弘，男，哈尔滨人，哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，副教授；黄丽莲，女，哈尔滨人，哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，教授。
标签：CDIO论文; 工程专业论文; 专业基础实践课论文; 教学模式论文; 电路论文; 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院论文;