徐東輝 凌曉輝

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(簡稱VR)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級人機交互技術(shù)，是當(dāng)前現(xiàn)代教育技術(shù)中的前沿技術(shù)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)O應(yīng)用于教學(xué)，使學(xué)生由知識的被動接受者變成了虛擬環(huán)境中的一名參與者，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極作用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

CDIO理念是麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所國際著名工科院校創(chuàng)立的國際組織所提出，描述了工程教育所應(yīng)遵循的培養(yǎng)準則，CDIO強調(diào)個人工程能力不僅應(yīng)包含個人的理論知識和專業(yè)技能，而且還應(yīng)包含終生學(xué)習(xí)、團隊交流、大系統(tǒng)掌控等一系列能力。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO代表構(gòu)思 (Conceive)、設(shè)計 (Design)、實現(xiàn)(Imple ment)、運作 (Operat)，它以產(chǎn)品從研發(fā)到運行的生命周期為載體讓學(xué)生以主動的、實踐的、與課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，迄今已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO國際組織，并取得了良好的效果，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生尤其受到社會與企業(yè)的歡迎。

一、研究背景

目前地方性普通院校工科專業(yè)教學(xué)普遍存在以下缺點:

(一)重知識、輕能力;重學(xué)術(shù)、輕應(yīng)用;重說理、輕實效。

(二)教學(xué)經(jīng)費嚴重投入不足及產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)，特別是工業(yè)欠發(fā)達地區(qū)的地方性普通院校，在科研方面與企業(yè)嚴重缺少合作、聯(lián)系。

這就使得學(xué)生產(chǎn)生以下不良反映:①進入高校后依然是接受傳統(tǒng)的教學(xué)模式，于是對學(xué)習(xí)缺乏積極性、主動性，以致經(jīng)常逃課;②由于理論教學(xué)沒有和工程實踐相結(jié)合，學(xué)生不能很好地了解本專業(yè)的應(yīng)用前景，以致學(xué)生認為自己所學(xué)專業(yè)沒有前途，對所學(xué)專業(yè)沒有信心、自暴自棄，甚至退學(xué);③畢業(yè)生未接觸任何工程技術(shù)項目，沒有掌握一技之長，擔(dān)心工作、前程，使得畢業(yè)前夕心里感到非?？斩础⒔乖甑?。

如何有效地解決以上缺點成為目前地方性普通院校面對的巨大課題。

二、工科專業(yè)教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

經(jīng)大量查閱國內(nèi)參考文獻，發(fā)現(xiàn)目前針對工科專業(yè)教學(xué)改革的研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

①僅針對某一門課程或?qū)嶒炚n程開展的教學(xué)改革研究;

②針對某一專業(yè)開展的教學(xué)改革研究;

③采用某種先進的技術(shù)或方法對某一課程或?qū)I(yè)提出的教學(xué)改革等。

以上幾個方面的改革存在以下缺點:教學(xué)改革的輻射面不廣、不強，缺乏推廣意義;僅是在實驗條件及理論教學(xué)手段、方法上的改變，未徹底改變我國大多數(shù)高校存在重視理論學(xué)習(xí)而忽視實踐、產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)的弊端;缺乏工程項目教育理念指導(dǎo)及工程項目教育實現(xiàn)體系。

針對上述情況，提出VR+CDIO工程教育模式，即以CDIO工程項目教育理念為指導(dǎo)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)建立虛擬現(xiàn)實實踐 (實驗)平臺，以工程項目為該平臺的實踐(實驗)項目，通過工程技術(shù)及經(jīng)典工程項目案例教學(xué)，強化產(chǎn)學(xué)研合作教育，進一步加強相關(guān)(相近)專業(yè)聯(lián)系，提升學(xué)科群建設(shè)對學(xué)生培養(yǎng)的重要性;充分利用學(xué)校與企業(yè)多種不同教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源以及在人才培養(yǎng)方面的各自優(yōu)勢，把以課堂傳授知識為主的學(xué)校教育與直接獲取實際經(jīng)驗、實踐能力的生產(chǎn)、科研實踐有機結(jié)合;從根本上解決高校教育與社會需求脫節(jié)的問題，縮小高校和社會對人才培養(yǎng)與需求之間的差距，進而縮短企業(yè)對應(yīng)屆畢業(yè)生的再培養(yǎng)周期，增強學(xué)生的社會競爭力，給同類高校，特別是工業(yè)欠發(fā)達的地方普通高校的教學(xué)提供借鑒經(jīng)驗。

三、VR+CDIO工程教育模式在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)調(diào)整課程教學(xué)體系，突出工程技術(shù)培養(yǎng)

為實現(xiàn)工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊合作精神培養(yǎng)這一目標，以自動化專業(yè)為例，對課程進行詳細的分析，緊扣CDIO工程教育理念，按照構(gòu)思 (功能分析)、(總體框架)設(shè)計、實現(xiàn)、運行步驟，把課程教學(xué)體系分為課堂教學(xué)、實驗教學(xué)與工程項目實踐教學(xué)三部分，工程實踐環(huán)節(jié)分為:加強課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、綜合設(shè)計等實踐環(huán)能力節(jié)的有序銜接。其中綜合設(shè)計主要是體現(xiàn)在電子、通信、機械一體化、機械電子、計算機和自動化等專業(yè)組成的學(xué)科群對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必要性上，同時進一步促進學(xué)生對工程項目開發(fā)過程及開發(fā)經(jīng)驗掌握，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

而在教學(xué)過程中，嚴格按照CDIO大綱的組織結(jié)構(gòu)(見圖1)，以項目設(shè)計為主線，課堂講解以項目設(shè)計過程促進學(xué)生理解各理論基礎(chǔ)知識，輔以各知識點精彩工程案例，利用三級工程案例來鞏固基礎(chǔ)知識，并加入課外項目設(shè)計環(huán)節(jié)，有效地提高學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在實踐中提高動手能力，在工作中建立團隊意識，在實踐中參與工程項目的實際操作環(huán)節(jié)。有效地培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力及相關(guān)經(jīng)驗，提升學(xué)生創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識。

(二)利用CDIO工程教育理念和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實平臺

圖1 以能力培養(yǎng)為目標的CDIO大綱

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建虛擬現(xiàn)實實驗室，以CDIO工程項目案例庫作為該實驗室的實驗項目。為了達到CDIO能力大綱的要求，提高學(xué)生工程實踐能力和綜合工程素質(zhì)，把實驗項目按規(guī)模和范圍劃分為三級:一級為包含本專業(yè)主要核心知識和能力要求的創(chuàng)新型工程案例實驗項目;二級為包含一組相關(guān)課程核心知識、能力要求的綜合訓(xùn)練的實驗項目;三級為增強單門課程能力與理解而設(shè)的基礎(chǔ)實驗項目。以一級創(chuàng)新型工程案例實驗項目為主線，二級綜合訓(xùn)練的實驗項目為支撐，三級圍繞鞏固課程的實驗項目為基礎(chǔ)，將各項能力的培養(yǎng)分解到課程設(shè)計的每個環(huán)節(jié)中，整合設(shè)計、實驗、實習(xí)內(nèi)容，并使各門課程知識內(nèi)容有機地貫穿于整個專業(yè)教學(xué)過程之中。通過工程項目實踐教學(xué)體系在縱向和橫向的相互滲透和有機地結(jié)合，使學(xué)生專業(yè)知識和專業(yè)技能得到有計劃、有層次、分階段的培養(yǎng)和提高。為了保證全過程工程項目實踐教學(xué)效果，在實施過程中采取“導(dǎo)師團隊”指導(dǎo)學(xué)生的全過程工程項目設(shè)計的方式。在“導(dǎo)師團隊”的帶領(lǐng)下，實施以工程項目實踐為導(dǎo)向、以培養(yǎng)實踐能力、系統(tǒng)能力和創(chuàng)新能力為主要目標的實踐教學(xué)。并根據(jù)自動化專業(yè)的學(xué)科特點，提出以實踐性和探索性的綜合工程實踐項目設(shè)計為載體，在教學(xué)方式上試行主動式自我學(xué)習(xí)和團隊式群體學(xué)習(xí)圈。

這樣可以有效地培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力及相關(guān)經(jīng)驗，提升學(xué)生創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識，增強學(xué)習(xí)對象的真實感受，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，增強學(xué)生的增強學(xué)生社會競爭力。解決工科專業(yè)實驗設(shè)備不足、型號落后、難以及時更新?lián)Q代的困難;節(jié)省實驗成本，提高實驗的安全性;學(xué)生可以在寢室、家里等實驗室以外的任何場所開展實驗研究，徹底打破傳統(tǒng)實驗的時間與空間的局限性。

(三)采取多樣化的考核方式，培養(yǎng)工程技術(shù)能力和團隊合作精神

基于工程項目學(xué)習(xí)的教學(xué)目標是培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)實踐能力和創(chuàng)新能力。在項目實施及評審方面，我們分為三組，即專家評審組、導(dǎo)師指導(dǎo)組、項目實施組。導(dǎo)師指導(dǎo)組負責(zé)項目實施組的指導(dǎo)工作，專家評審組負責(zé)項目實施組的評審工作;導(dǎo)師指導(dǎo)組教師不能參與專家評審組的評審工作，導(dǎo)師指導(dǎo)組的專家必須由具有較強專業(yè)知識且精通相關(guān)專業(yè)的老師擔(dān)任。每個項目實施組都必須邀請電子、通信、機械電子、計算機等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生參與，項目可以由學(xué)生、導(dǎo)師或?qū)W生和導(dǎo)師共同協(xié)商提出，而考核則基于項目學(xué)生對學(xué)習(xí)效果的評價標準，包括增加項目報告、設(shè)計評估等。通過報告、自評、專家評審等形式，參考學(xué)生在項目中的作用，分享知識的能力，負責(zé)部分項目的完成質(zhì)量等情況合理科學(xué)地制定評價方式，以保護學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，提高人才質(zhì)量。以基于單片機的智能交通信號燈為例(二級工程項目)，在最后的成績中，學(xué)生平時表現(xiàn)占15% ，包括項目的創(chuàng)新、合作、溝通和分享知識的能力等;項目評審驗收、報告占70% ，包括項目的創(chuàng)新點、完成的質(zhì)量、分工、能否實現(xiàn)預(yù)定功能等，在該項目中創(chuàng)新點主要是指該系統(tǒng)能否實時檢查各方向的車子流量，并及時調(diào)整紅綠燈的控制時間，以方便交通運行;期末考試占15%，考試內(nèi)容也是緊緊圍繞基本概念和基本原理的應(yīng)用，出靈活的、綜合性的題目，理論緊密聯(lián)系工程實際問題，注意培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程項目實際問題的能力，如在單片機課程考試中，引腳在在工程應(yīng)用中為什么要接上拉電阻等問題。

在考核上采用階段評價、目標評價、過程評價、理論與工程項目實踐一體化評價、校企共同評價、專家項目驗收等多種模式。關(guān)注評價的多元性，過程化考核+終結(jié)性評價的考核方式對學(xué)生綜合評價。

(四)培養(yǎng)“雙師型”教師隊伍，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的需求

教師隊伍的建設(shè)能保證成人高等教育特色和質(zhì)量，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的要求。因此，教師必須改革現(xiàn)有的教學(xué)方法，采用結(jié)合工程實際，實行工程技術(shù)啟發(fā)式教學(xué)、工程項目案例教學(xué)、講座形式及學(xué)生主動提議講課內(nèi)容、形式等多種方式。這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果。還可以與相關(guān)企業(yè)聯(lián)系，積極組織學(xué)員參與科技咨詢、科技開發(fā)、科技成果推廣等工作，把人才培養(yǎng)與技術(shù)創(chuàng)新、實用技術(shù)的推廣結(jié)合起來，促進科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新意識及技術(shù)創(chuàng)新的能力。這就要求我們的教師既要具有廣博的知識、豐富的工程技術(shù)實踐能力，還要有良好的職業(yè)道德和細致耐心、教書育人的良好素質(zhì)，又能解決生產(chǎn)中的工程實際問題，是在生產(chǎn)中具有一定指導(dǎo)作用的工程師素質(zhì)的“雙師型”教師。

為加強“雙師型”教師隊伍建設(shè)，學(xué)校應(yīng)選派年輕老師到企業(yè)實踐，參加企業(yè)工程項目實踐鍛煉或企業(yè)一線掛職鍛煉。以青年教師導(dǎo)師制、企業(yè)實踐、掛職鍛煉、教師科研團隊等多種形式，培養(yǎng)出一批“雙師型”教師隊伍。積極培養(yǎng)在省內(nèi)、國內(nèi)企業(yè)中有廣泛影響、能夠為企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理進行咨詢指導(dǎo)的專家級人才。同時，外聘一批企業(yè)高級工程師、企業(yè)老總、企業(yè)一線技術(shù)人員到校兼職任教、開展講座等。積極聘請社會知名的退休技術(shù)專家和管理專家到校任教，以帶動校內(nèi)教師實踐能力的提高，努力建設(shè)一支高水平的“雙師型”教師隊伍，適應(yīng)VR+CDIO工程模式的需求。

四、VR+CDIO工程教育模式的創(chuàng)新點

(1)從根本上解決高校電子類專業(yè)教育與社會需求脫節(jié)問題，縮小高校和社會對人才培養(yǎng)與需求之間的差距，同時縮短企業(yè)對應(yīng)屆畢業(yè)生的再培養(yǎng)周期;

(2)解決高等院校電子類專業(yè)實驗設(shè)備不足、型號落后、難以及時更新?lián)Q代的困難;節(jié)省實驗成本，提高實驗的安全性;打破傳統(tǒng)實驗的時間與空間的局限性，增強學(xué)習(xí)對象的真實感受;

(3)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，增強學(xué)生社會競爭力，進一步提高高校電子類專業(yè)的就業(yè)率，減少應(yīng)屆畢業(yè)生的自殺率;

(4)提出一種易于實現(xiàn)、推廣、適應(yīng)性強(特別是適應(yīng)工業(yè)欠發(fā)達的地方普通高校的需求)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式;

(5)可將工程項目案例實驗平臺建設(shè)成果應(yīng)用于教師科研工作，促進教學(xué)質(zhì)量提高，并將成果向高校相關(guān)專業(yè)推廣;

(6)建立新產(chǎn)品開發(fā)平臺，反哺周邊地區(qū)相關(guān)企業(yè)。

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