王 旃，姚纓英，孫 盾

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

CDIO教學(xué)方法源于國(guó)外四所著名大學(xué)的教學(xué)實(shí)踐和前沿研究。作為一種創(chuàng)新的工程教學(xué)方法，它在基于實(shí)踐需求進(jìn)行課程設(shè)置和教學(xué)活動(dòng)的同時(shí)，面臨著實(shí)際產(chǎn)業(yè)需求、實(shí)際教學(xué)基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)影響和如何有效兼顧理論體系完整性的難度。這些關(guān)聯(lián)影響和兼顧難度構(gòu)成了CDIO應(yīng)用的約束條件。本文提出，恰當(dāng)?shù)乩斫獠⑦m應(yīng)這些約束條件，是有效實(shí)施CDIO教學(xué)模式的關(guān)鍵。

1 CDIO/DEC漸進(jìn)模式

我們結(jié)合對(duì)上述約束條件的認(rèn)識(shí)和對(duì)CDIO內(nèi)在形成機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，提出了由“分解(Decompose)、組合(Combine)和驅(qū)動(dòng)(Empower)”等三個(gè)關(guān)鍵流程組成的CDIO漸進(jìn)模式，簡(jiǎn)稱CDIO/DEC模式。其中，分解流程是指對(duì)能力需求進(jìn)行分析，研究當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐環(huán)境需要我們培養(yǎng)具有何種能力素質(zhì)的學(xué)生。同時(shí)，對(duì)學(xué)科所涉及的理論體系中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理分析，并參照分解出的能力需求進(jìn)行組合，簡(jiǎn)稱組合流程。驅(qū)動(dòng)流程則是指在優(yōu)化課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，通過(guò)有效的教學(xué)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的教學(xué)效果。通過(guò)運(yùn)用這三個(gè)關(guān)鍵流程，可以幫助我們?cè)贑DIO理念和標(biāo)準(zhǔn)方法的指導(dǎo)下，充分考慮實(shí)際約束條件的限制，完成從傳統(tǒng)模式教學(xué)到CDIO模式教學(xué)的平滑過(guò)渡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CDIO的有效實(shí)踐應(yīng)用。本文以我校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究項(xiàng)目為契機(jī)，以電路實(shí)驗(yàn)課程為試點(diǎn)，探索了CDIO/DEC漸進(jìn)模式在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用方法。

2 CDIO/DEC漸進(jìn)模式的實(shí)施方法

電路實(shí)驗(yàn)是我校電子、電氣信息類(lèi)學(xué)生進(jìn)入基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)階段的第一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程。目前已經(jīng)由單一的驗(yàn)證原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作，拓展為一門(mén)面向綜合技能訓(xùn)練的實(shí)踐課程，成為學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)技能和接受科學(xué)研究方法基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)。

CDIO/DEC模式在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體的實(shí)施過(guò)程遵循其分解、組合與驅(qū)動(dòng)三個(gè)流程的要求。

1)分解流程

我們首先對(duì)電子、電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際產(chǎn)業(yè)需求進(jìn)行調(diào)研和分析，提取能力需求的核心元素，再進(jìn)行分解，直至這些能力元素能夠由本課程承載。

我們這里所說(shuō)的能力元素除了包括掌握必要的電路理論知識(shí)、核心的工程基礎(chǔ)知識(shí)以外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)包含個(gè)人和職業(yè)所需的技能和特質(zhì)，例如:①工程推理和解決問(wèn)題的能力。進(jìn)一步分解為:認(rèn)識(shí)和表述實(shí)驗(yàn)問(wèn)題、建立電路模型、判斷和定性分析電路狀態(tài)、對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的分析、解決方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施等;②實(shí)驗(yàn)中探尋知識(shí)的能力。進(jìn)一步分解為:建立假設(shè)、查詢中外文文獻(xiàn)資料、實(shí)驗(yàn)探索、合理使用電路仿真工具、假設(shè)的檢驗(yàn)和論證等;③系統(tǒng)思維的能力。包括:立足全局進(jìn)行思考、關(guān)注電路參數(shù)和變量的相互關(guān)聯(lián)、確定優(yōu)先級(jí)和判斷平衡等等。

2)組合流程

我們參照上述分解流程中確定的能力要素，重新進(jìn)行匹配和組合，形成具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終構(gòu)成完整的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。我們要求重新整合后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)能達(dá)到對(duì)學(xué)生上述能力要素進(jìn)行訓(xùn)練的目標(biāo)。

需要注意的是，鑒于實(shí)際資源條件的限制，我們?cè)趯⒅R(shí)點(diǎn)與能力要素進(jìn)行匹配前，首先區(qū)別這些能力要素的重要度，即在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，各能力要素的權(quán)重有所差異。權(quán)重大小的設(shè)置，取決于我們期望學(xué)生達(dá)到的能力水平與學(xué)生當(dāng)前普遍具備的能力水平之間的差距，差距越大則相應(yīng)的權(quán)重越大。因此，某一種能力要素所具備的權(quán)重在不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中是有差異的。對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中權(quán)重大的能力要素，我們采用圍繞核心知識(shí)點(diǎn)再設(shè)置關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的方法，進(jìn)行延伸和擴(kuò)充，關(guān)聯(lián)時(shí)應(yīng)特別注重目標(biāo)一致和能力強(qiáng)化。依此原則形成的一系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既有各自獨(dú)有的能力培養(yǎng)目標(biāo)，又有能力要素間循序漸進(jìn)的組合關(guān)聯(lián)，使得整個(gè)課程的內(nèi)容體系具有層次感，且目標(biāo)明確，確保有效。

該流程是實(shí)施CDIO/DEC模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們將結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明?！按骶S南和諾頓等效定理”是電路理論教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，通常是給出一個(gè)復(fù)雜的線性含源二端網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)分別測(cè)量等效前后的端口特性來(lái)證明等效定理成立。這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程只是對(duì)理論知識(shí)的復(fù)習(xí)，很難在能力培養(yǎng)方面有所突破。我們通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)中包含著“運(yùn)用等效的方法解決電路問(wèn)題”這一有價(jià)值的能力要素。如何在不增加課時(shí)的情況下，以等效定理為核心知識(shí)點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到上述能力培養(yǎng)目標(biāo)?

我們的做法是:提前公布一個(gè)復(fù)雜的線性二端網(wǎng)絡(luò)，要求學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)，設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)各等效參數(shù)(開(kāi)路電壓、短路電流和入端電阻)的測(cè)量電路，并運(yùn)用Multisim工具對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果給出初步結(jié)論。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，在較短時(shí)間內(nèi)要求學(xué)生完成實(shí)際電路等效前后的端口特性測(cè)量，由于學(xué)生預(yù)習(xí)過(guò)，并有仿真測(cè)量過(guò)程和結(jié)果會(huì)很易完成。然后教師將該線性網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)電阻元件替換為一個(gè)非線性元件(如二極管)，由于學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)已明確等效定理只適用于線性電路，因此會(huì)帶著等效是否有效的疑惑進(jìn)行這部分測(cè)量。教師此時(shí)只需要稍加提示，大部分學(xué)生便會(huì)主動(dòng)關(guān)注二極管的工作特性，并和之前學(xué)習(xí)的非線性元件外特性測(cè)量關(guān)聯(lián)起來(lái)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)二極管在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中始終處于正向?qū)顟B(tài)，因此網(wǎng)絡(luò)仍呈現(xiàn)線性特征，因而導(dǎo)致等效定理仍然適用，問(wèn)題得以解釋。此時(shí)教師再提示:能否換一種比逐點(diǎn)測(cè)量更簡(jiǎn)單的思路來(lái)分析二極管的工作狀態(tài)呢?對(duì)等效定理理解透徹的學(xué)生會(huì)想到:如果將二極管從網(wǎng)絡(luò)中分離出來(lái)，剩余電路又將是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，完全可以利用剛學(xué)到的等效定理來(lái)分析二極管的端口特性。最終答案雖是一樣的，但后一種解決方案對(duì)于學(xué)生深刻理解并熟練運(yùn)用等效定理來(lái)解決電路問(wèn)題的能力提升了許多。

教師最后可以再次對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)真正的非線性網(wǎng)絡(luò)，再觀察等效定理的適用性。由于參數(shù)未知，學(xué)生會(huì)選擇先用Multisim進(jìn)行仿真，以獲得大致的參數(shù)范圍，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)際電路，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)和平衡。以此方法形成新的4課時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較原先相比，本質(zhì)區(qū)別是目標(biāo)導(dǎo)向，即強(qiáng)調(diào)“能力的訓(xùn)練”而非僅僅“知識(shí)的傳授”。這里所包含的能力要素，按權(quán)重大小排列，依此包括:理解等效的意義、正確構(gòu)建等效電路、判斷和分析電路狀態(tài)、進(jìn)行假設(shè)和校驗(yàn)、合理使用仿真工具、設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案等。新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特色在于:強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的解決和知識(shí)的關(guān)聯(lián)，并讓學(xué)生親身體會(huì)解決問(wèn)題的整個(gè)過(guò)程是有方法的，是可以自己控制的，因此實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性明顯增強(qiáng)。

3)驅(qū)動(dòng)流程

預(yù)期的教學(xué)效果能否實(shí)現(xiàn)依賴于有效的教學(xué)執(zhí)行，即驅(qū)動(dòng)流程。我們認(rèn)為可從“教學(xué)互動(dòng)過(guò)程、教學(xué)環(huán)境構(gòu)建和教學(xué)評(píng)價(jià)優(yōu)化”三個(gè)方面入手，研究有效的教學(xué)過(guò)程管理方法。其中，教學(xué)互動(dòng)是正向推進(jìn)，教學(xué)評(píng)價(jià)是反饋修正。這里我們著重說(shuō)明教學(xué)互動(dòng)和教學(xué)評(píng)價(jià)。

我們?nèi)砸浴暗刃Фɡ淼难芯俊睂?shí)驗(yàn)為例，教師事先合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路和參數(shù)以獲得實(shí)驗(yàn)效果是教學(xué)互動(dòng)的基礎(chǔ)和前提。如何在問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，給予學(xué)生適度的提示和恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)是互動(dòng)的關(guān)鍵。另外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，我們要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中專(zhuān)門(mén)列出一欄進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，針對(duì)教師給出的本次實(shí)驗(yàn)所包含的各個(gè)能力要素，逐個(gè)分析自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的哪個(gè)環(huán)節(jié)得到了訓(xùn)練和提升，是否明顯。對(duì)于學(xué)生反應(yīng)明顯且集中的能力要素，我們可以認(rèn)為達(dá)到了預(yù)先的教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)，即能力要素的分解與知識(shí)點(diǎn)的匹配基本到位;對(duì)于學(xué)生反映不明顯或不集中的，我們?cè)龠M(jìn)行知識(shí)點(diǎn)組合的優(yōu)化或者再進(jìn)行能力要素權(quán)重的調(diào)整。讓學(xué)生這一教學(xué)主體參與教學(xué)評(píng)價(jià)，構(gòu)成了更完整意義的教學(xué)互動(dòng)。

高頻度的教學(xué)雙方一起參與的教學(xué)評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)著一次能力元素分解和知識(shí)點(diǎn)匹配的閉環(huán)的構(gòu)成，下一次的能力分解與知識(shí)點(diǎn)組合又將在上一次形成的能力基礎(chǔ)上進(jìn)行。因此，分解、組合和驅(qū)動(dòng)推動(dòng)了能力要素向著既定的目標(biāo)螺旋上升，這也正是我們提出的“漸進(jìn)”的含義所在。

3 結(jié)語(yǔ)

在基于CDIO/DEC電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)過(guò)程中，我們進(jìn)行了課堂隨訪。教師明顯感受到從“講授多”到“提問(wèn)多、判斷多，信息收集和課件調(diào)整的頻率提高”的改變;學(xué)生則明顯表現(xiàn)出“實(shí)驗(yàn)的興趣和愿望增強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告有內(nèi)容可寫(xiě)、自學(xué)和自我管理能力增強(qiáng)、課堂參與和與教師的溝通頻率提高”。

學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)顯示，實(shí)施CDIO/DEC模式前后，學(xué)生在17種能力要素方面感受到提升，其中有4種感受到非常顯著的提升，包括:鑒別問(wèn)題并建立電路模型的能力、建立假設(shè)并進(jìn)行檢驗(yàn)和論證的能力、系統(tǒng)及全局性思考的能力、職業(yè)所需的技能及責(zé)任感等。

綜上所述，我們所進(jìn)行的基于CDIO/DEC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索，實(shí)際上是一種有策略性的教學(xué)過(guò)程部署。在逐步完成學(xué)生從知識(shí)點(diǎn)模式向CDIO模式轉(zhuǎn)型，以更好地與實(shí)踐需求接軌的同時(shí)，又充分考慮了傳統(tǒng)教學(xué)所具有的慣性作用。

［1］ 王旃，基于約束條件的CDIO漸進(jìn)部署模式研究，武漢，高等工程教育研究，2009年第5期，P42-44

［2］ 孫盾，姚纓英，范承志，基于問(wèn)題情境意識(shí)的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐，北京，實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011年第6期，P160-162

［3］ 姚纓英，電路實(shí)驗(yàn)教程，北京，高等教育出版社，2006