國際工程教育模式下能動類實驗課程體系探索

孫寬 周永利 曾理 陳珊珊 鄭玉杰

[摘 要] 當前“一帶一路”倡議背景下，經(jīng)濟的快速發(fā)展迫切需要新工科人才的支撐。針對能動類專業(yè)的教學特點，對基于近年來在國際工程教育改革中興起的一種工程教育模式CDIO，探討了目前高校中實驗教學存在的問題，針對開放性實驗課程體系構建了“以學生為本，以學生學習為本”的基本教學思路，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力軸心訂制了一整套的實踐型課程體系的教學計劃，在實施過程中啟迪學生科學思維和思辨意識。

[關鍵詞] CDIO;能動類;開放性實驗;教學改革

[基金項目] 2020年度重慶市研究生教學改革研究重點項目“強化能動類研究生科研創(chuàng)新能力的研究與實踐”（yjg202003）;2020年度重慶市研究生教學改革研究重點項目“‘一帶一路倡議下能源動力領域研究生培養(yǎng)國際化課程體系建設與改革研究”（cquyjg18202）;2020年度重慶英才計劃“青年拔尖人才項目”（CQYC2020058091）

[作者簡介] 孫 寬（1985—），男，四川德陽人，博士，重慶大學能源與動力工程學院副院長，研究員，主要從事新能源科學與工程方向研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）18-0128-04? ? [收稿日期] 2021-01-10

2018年全國教育大會上論述新的教育理論，強調(diào)在黨的堅強領導下，全面貫徹黨的教育方針，人才培養(yǎng)應遵循教育規(guī)律，堅持改革創(chuàng)新，以培養(yǎng)出德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人為目標;強調(diào)以新工科、新文科等學科建設構建特色高水平本科教育體系，加強“雙一流”（一流大學，一流學科）建設。[1]當前新時代經(jīng)濟的快速發(fā)展迫切需要新工科研究型人才的支撐。能動類專業(yè)的相關理論和工程應用技術業(yè)已成為各國近現(xiàn)代科技賴以發(fā)展的基礎。長期以來，一些高校對開放性實驗進行過改革和探索[2]，也提出了一些實驗室建設理念[3，4]，可是在一段時間內(nèi)，改革的力度都不深入，實驗教學體系仍然不能擺脫跟不上時代和方式方法傳統(tǒng)的局面，很大一部分學生仍對能動類實驗不感興趣，教學改革沒有真正落實到培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的實處。當前“一帶一路”倡議背景下，隨著當下科學技術的飛速發(fā)展和學科的交叉滲透，能動類的專業(yè)覆蓋面與涉及面也越來越廣，開放性實驗作為能動類本科實踐教學中最重要的一環(huán)，通過搭建合理的實驗課程體系，使得學生主動的投身于開放性實驗中，從而激發(fā)學生做實驗的熱情，已成為現(xiàn)代實訓課程體系的當務之急[5]（P256）。而國際工程教育CDIO工程教育模式中的教育理念和人才培養(yǎng)模式注重學生的知識、能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，再通過理論、實踐和創(chuàng)新相結合，能打造出社會和企業(yè)最需要的人才[6]。

一、開放性實驗課程體系存在的問題及建設目標

在傳統(tǒng)實驗課程的教學中，老師作為知識載體的講授者，一味地將實驗原理、儀器使用和操作步驟等灌輸給學生，實驗過程中學生只是按照老師的規(guī)定完成任務，探索科學的實驗已然變成了一種掙學分成績的手段。傳統(tǒng)的教學體系中實驗教學經(jīng)常被看作理論教學的附屬，對實驗教學及實驗學時都不重視，學生對實驗本身的認識不夠，導致實驗重視程度不足，沒有真正建立起與培養(yǎng)創(chuàng)新性人才相適應的實驗教學體系[7-10 ]。馬克思和恩格斯指出：“思想、觀念、意識的生產(chǎn)最初是直接與人們的物質(zhì)活動，與人們的物質(zhì)交往，與現(xiàn)實生活的語言交織在一起的。”[5] （P268）這說明獲得知識的前提是實踐，其主體是人，馬克思辯證唯物主義認識論的核心是“實踐—認識—實踐”的多次往復。在我們的實踐教學中尤其要遵從以人為本及唯物主義認識論的基本原則，針對開放性實驗課程體系的構建尤其要“以學生為本，以學生學習為本”。根據(jù)CDIO工程教育基本原則[ 11 ]制定以提高學生學習的主觀能動性為目標，建設分階段、模塊化、網(wǎng)絡化、自主性、開放式的教學共享平臺，為學生提供一套強調(diào)工程基礎、構建真實世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的CDIO工程教育模式，并為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力訂制了一整套的實踐型課程體系的教學計劃。

二、教學改革思路及實施辦法

（一）分布式能源項目的建設思路

分布式能源項目的建設是以多能互補分布式能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)為對象，基于此構建能動類新工科系列實驗課程體系，強調(diào)新工科實踐課程的交叉融合性、綜合研究性、跨界開放性和學術創(chuàng)新性。對此我們通過以分布式能源熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)為基礎，進行模塊化系統(tǒng)搭建，產(chǎn)生電、熱、冷等能源供給，同時輔以生物質(zhì)能、太陽能、風能、蓄冷蓄熱等多種節(jié)能減排手段，力圖打造低碳綠色、低碳、節(jié)能的CDIO工程教育實驗體系。

（二）階段性教學思路

第1階段：理論課與實踐課對接階段。增加豐富的實踐項目并輔以工程實習，利用課堂和現(xiàn)代學習場所及實驗室使教學具有開放的、實踐的、團隊的特色。該階段主要針對初學的學生，這是最為基礎也是重要的階段，涉及理論基礎課程知識點落實到實踐課中，通過理論課與實踐課的結合，激發(fā)學生學習的激情。通過實驗課驗證理論課的知識點內(nèi)容，學生一方面要求熟悉實驗設備的操作技能，掌握基本原理，另一方面能夠?qū)τ^察現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)進行簡單的處理分析。

第2階段：系統(tǒng)綜合應用階段。該階段主要針對有一定基礎的學生，這個階段是學生實踐—認識—再實踐的階段，涉及各個理論課的相關知識點內(nèi)涵和外延，以及各科間的交叉融合，加深他們對基礎理論和基本規(guī)律的理解，找到一些各科間的融合點與創(chuàng)新點，CDIO教育模式不僅注重專業(yè)知識和實踐能力的培養(yǎng)，它還對學生解決問題的能力、系統(tǒng)思維有所提高。

第3階段：探索創(chuàng)新階段。CDIO模式給學習能力較強的學生提供一個自我提升的平臺，該階段的主要針對學有余力的學生，這個階段主要是提高學生思辨創(chuàng)新的能力，學生根據(jù)自己的個人興趣，根據(jù)已有實驗項目可自主選題，充分發(fā)揮學生主觀能動性，進行一些探索性的研究，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（三）模塊化實驗教學

模塊化教學已在我院推廣多年，早在“211工程”建設期間，已實施模塊化的實驗教學模式，分為專業(yè)系列實驗、研究實驗和科研項目支持實驗三大模塊，經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在我院已經(jīng)構建基于分布式能源的立體型實踐知識教學體系，在學科的基礎上對實驗課的內(nèi)容進行整合和優(yōu)化，增設全新的跨專業(yè)實驗課、畢業(yè)設計、校內(nèi)工程、科研訓練等實踐項目，既重視專業(yè)知識的系統(tǒng)性，又注重學科之間和專業(yè)之間知識的相互融合交叉，使實驗教學能最大限度地挖掘?qū)W生的潛能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及創(chuàng)造性思維，提高其綜合素質(zhì)?；诜植际侥茉吹膶嶒灲虒W體系構架圖如圖1所示。

分為四大實驗體系，四個實驗體系，層次分明，逐級遞增。其中基于此體系實施的基本實踐課程是基礎，通過該課程的學習實踐，可將教學實驗與科研試驗及工程訓練有機結合，利用最新科研成果和工程應用新技術，不斷融合更新能動及電氣類教學實驗和工程訓練實踐內(nèi)容及教材，將前沿的科學技術及工程應用技術傳授給學生，讓學生熟悉現(xiàn)代工程技術，提升工程訓練水平。同時將CDIO模式融合到實踐體系中，畢業(yè)設計、校內(nèi)工程、科研訓練等產(chǎn)品項目都進行CDIO模式教學，以培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才培養(yǎng)為目標。

（四）網(wǎng)絡化實驗教學

為了進一步加強實驗的自主性和開放性，為此建立了能源與動力電氣網(wǎng)絡化實驗教學平臺，如圖2所示。平臺內(nèi)可實現(xiàn)虛擬仿真實驗及網(wǎng)絡化教學，將實驗模塊對全校開放，便于相關或相近專業(yè)的學生選擇實驗，實現(xiàn)思路是把實驗模塊分別錄入數(shù)據(jù)庫，建立實驗模塊之間的邏輯關系，如“生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換與利用實驗”必須與“熱工量測與熱物性檢測實驗”“熱工自動控制基礎實驗”以及“工程傳熱傳質(zhì)實驗”等相關實驗模塊對應。即學生在實驗中心的網(wǎng)頁上若選擇了“生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換與利用實驗”，那么相應的實驗模塊也是必須選擇的，這樣學生在做這種綜合性實驗時不會無所適從，學生在做實驗的過程中會有很強的延續(xù)性，從而提升學生做實驗的興趣。同時網(wǎng)頁上還列出了各種實驗儀器、實驗模塊項目的說明介紹，針對有需要或自主性很強的實驗項目，學生可以通過網(wǎng)絡接受第一階段的實驗教學，為學生自主性實驗打下堅實的基礎，有利于啟迪學生科學思維。除此以外，在平臺的基礎上搭建了網(wǎng)絡教學資源庫，如圖3所示。資源庫包含教學資源，教學設備，教學成果等資料。該資源庫對課件的制作與發(fā)布、教學的組織、教學交互、學習支持及教學評價等過程進行全面的支持，構建了一個比較完整的網(wǎng)上教學支撐環(huán)境。

（五）CDIO模式下開放性創(chuàng)新實驗教學

學生的自主性來自對知識的興趣和學習的欲望，在這個階段我們讓學生根據(jù)自己所學的內(nèi)容選自己感興趣的問題進行實驗研究，自己對自己提問并進行實驗尋求解答，以達到對比課本知識更滲透的理解。而開放性實驗教學主要針對一些學生敢想的問題在有實施價值的情況下，提供必要的實驗經(jīng)費及實驗器材讓學生進行實驗探究。在CDIO模式下自主開放實驗的實施過程中，學生在選題立題、文獻調(diào)研、方案制定、可行性評價、自主實施、實驗數(shù)據(jù)分析和處理、論文撰寫、總結報告等多個環(huán)節(jié)中培養(yǎng)自己的創(chuàng)新能力，CDIO的內(nèi)核是對產(chǎn)品的構思、設計、實現(xiàn)和運作，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，我們實際課程體系中的畢業(yè)設計、校內(nèi)工程、科研訓練等產(chǎn)品項目都進行CDIO模式教學，讓學生以積極主動的方式學習產(chǎn)品開發(fā)及工程運作方式，可以充分調(diào)動學生的學習主動性和教師的主導作用。隨著我國教育事業(yè)的發(fā)展，全面實施自主開放性教學是高校課程教學改革的必然趨勢，它順應了時代對高素質(zhì)復合型人才培養(yǎng)的需求，和未來工程人才的發(fā)展方向。

三、結語

CDIO工程教育模式為我們提供了一種新的教育方法和思路，幫助我們解決目前國內(nèi)工程教育中普遍存在的問題，以滿足社會對工程人才的需求，目前，我院開放性實驗室的建設工作仍在完善階段，力求通過實驗平臺的建設提升學生實踐能力。實踐表明，自平臺建成的2年來，除服務于正常實驗教學任務外，承擔國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃30項、校級SRTP項目50余項，根據(jù)近2年的統(tǒng)計，學生成功申請了發(fā)明專利30余項，發(fā)表論文10余篇。平臺服務于大學生工程訓練、自主創(chuàng)新設計訓練、大學生社會實踐等，在全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽中，獲得特等獎2項。學生通過能動類綜合性實踐與實驗教學平臺、不拘束于傳統(tǒng)的實驗方案，能有計劃的完成實驗，達到實訓的目的;同時學生充分發(fā)揮自己的主觀能動性，激發(fā)學生的潛能，充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，全面地提高學生的實踐綜合素質(zhì)。我們相信根據(jù)學校和專業(yè)的特色以及學生的不同情況將該工程模式與專業(yè)實踐教學的實際情況相結合，就可以培養(yǎng)出真正的適應社會需求的具有構思、設計、實現(xiàn)和運作能力的人才。

參考文獻

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Exploration on the? Experiment Curriculum System of Energy and Power Engineering under the International Engineering Education Model

SUN Kuan， ZHOU Yong-li， ZENG Li， CHEN Shan-shan， ZHENG Yu-jie

（Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， Ministry of Education， School of Energy and Power Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： Under the background of the Belt and Road Initiative， the rapid development of economy needs the support of new engineering talents. Aiming at the teaching characteristics of the energy and power engineering major， and based on an engineering education model of CDIO emerging in the reform of international engineering education in recent years， this paper discusses the existing problems of the experiment teaching in colleges and universities. The teaching idea of “student-oriented and students learning-oriented” is constructed in view of the open experiment curriculum system， and a set of teaching plan of practice curriculum system is established to cultivate students innovative thinking ability， which enlightens students scientific thinking and speculative consciousness in the implementation process of the plan.

Key words： CDIO; energy and power engineering; open experiment; teaching reform