基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

喬建華　李素月　張雄　文新宇　上官宏

［摘 要］針對(duì)新工科背景下研究生實(shí)踐教學(xué)體系不完善問題，課題組構(gòu)建了基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系框架，包括以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，“雙向奔赴”的產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)體系，以競(jìng)賽和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)教學(xué)體系，以實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍、管理隊(duì)伍和協(xié)同育人機(jī)制組成的質(zhì)量保障體系，以及由教師、學(xué)生、企業(yè)共同評(píng)價(jià)形成的全方位評(píng)價(jià)體系，以期利用學(xué)校和企業(yè)等多方資源，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和解決工程實(shí)際問題能力，為社會(huì)提供卓越的新工科人才。

［關(guān)鍵詞］新工科；CDIO；研究生；實(shí)踐教學(xué)體系；實(shí)踐基地；課程實(shí)驗(yàn)

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）15-0075-03

2017年教育部發(fā)布《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，它不僅要求學(xué)生熟練地掌握基礎(chǔ)的理論知識(shí)，而且要求其具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力[1]。目前，由于高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，研究生培養(yǎng)體系與社會(huì)需求有所脫節(jié)，導(dǎo)致部分研究生解決工程實(shí)際問題能力較差、創(chuàng)新實(shí)踐能力不足等問題比較突出。部分高校側(cè)重理論教學(xué)，忽視實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐課時(shí)有限，內(nèi)容單一；缺少實(shí)踐基地和有效指導(dǎo)；研究生實(shí)踐環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)機(jī)制不完善，實(shí)踐教學(xué)離新工科建設(shè)的目標(biāo)要求還有較大差距。而電子信息領(lǐng)域的工程問題一般都具有交叉融合技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)研究生解決工程實(shí)際問題能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的要求更高。因此，構(gòu)建研究生實(shí)踐教學(xué)體系、提升研究生的實(shí)踐能力成為研究生教育中亟須解決的問題。

當(dāng)前，學(xué)界從實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[2]、實(shí)踐基地的創(chuàng)建[3]、實(shí)踐隊(duì)伍的建設(shè)[4]、培養(yǎng)模式[5-6]等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。在新工科背景下，本文提出基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系，以期培養(yǎng)全面發(fā)展的新工科人才。CDIO是國(guó)際工程教育改革的最新成果，其包含了構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）[7]，目前已廣泛地應(yīng)用于全球高校的工程教育領(lǐng)域。構(gòu)思是指確定系統(tǒng)目標(biāo)和要求，定義系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行系統(tǒng)建模；設(shè)計(jì)是通過跨學(xué)科、綜合利用所學(xué)知識(shí)分期設(shè)計(jì)系統(tǒng)各功能模塊；實(shí)施是將設(shè)計(jì)的軟硬件具體制造完成并進(jìn)行測(cè)試或驗(yàn)證；運(yùn)行是指產(chǎn)品進(jìn)入運(yùn)營(yíng)，以及進(jìn)一步的優(yōu)化或改進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行管理。CDIO理念以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程知識(shí)?；贑DIO理念的培養(yǎng)大綱將工程專業(yè)畢業(yè)生的能力以逐級(jí)細(xì)化的方式表達(dá)出來，使工程教育改革具有明確的方向性、系統(tǒng)性。

新工科背景下基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是當(dāng)前新工科研究生教育改革的主要方向，符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的要求，因而具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、研究生實(shí)踐教學(xué)體系框架

研究生實(shí)踐教學(xué)體系的完整框架包括教學(xué)平臺(tái)、內(nèi)容體系、保障體系和評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。教學(xué)平臺(tái)包含相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地，主要以實(shí)驗(yàn)室、工程訓(xùn)練中心和實(shí)踐基地為依托，是實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)平臺(tái)。教學(xué)內(nèi)容包括課內(nèi)課外、校內(nèi)校外的各類實(shí)踐活動(dòng)。保障體系和評(píng)價(jià)體系使實(shí)踐教學(xué)體系形成良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。

二、構(gòu)建基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系

研究生實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系包括實(shí)踐課程和課外實(shí)踐。實(shí)踐課程是培養(yǎng)方案確定的課程內(nèi)容，包括課程實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)踐。課程實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)在校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)完成，專業(yè)實(shí)踐通常在校外實(shí)踐基地完成。課外實(shí)踐主要是指學(xué)生參加競(jìng)賽，及申報(bào)或參與項(xiàng)目。課題組針對(duì)不同的實(shí)踐內(nèi)容采用不同的教學(xué)模式。

（一）以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

由于學(xué)生已經(jīng)具備一定的理論基礎(chǔ)，校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)即課程實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，主要由學(xué)生來主導(dǎo)完成。基于CDIO理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)有所區(qū)別。

1.基于CDIO理念的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

大多數(shù)的專業(yè)課程都有相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)，從教師提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求開始，接下來的任務(wù)都要由學(xué)生來構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行。現(xiàn)以研究生課程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的“基于CC2530的無(wú)線點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行講解。

這是一個(gè)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程可分為四步。第一步，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行分析和構(gòu)思，明確系統(tǒng)功能要求，確定實(shí)現(xiàn)每項(xiàng)功能需要的模塊結(jié)構(gòu)，并繪制出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。第二步，開始設(shè)計(jì)，根據(jù)各功能模塊選擇器件或芯片，繪制電路原理圖和程序流程圖。第三步，動(dòng)手實(shí)施，完成硬件制作和程序編制，并調(diào)試通過。第四步，運(yùn)行和完善，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，并進(jìn)行操作演示，完成答辯。課程實(shí)驗(yàn)的整體過程如圖2所示。

2.基于CDIO理念的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

綜合實(shí)驗(yàn)是綜合多門課程知識(shí)完成的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)分析的能力，以及綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，為以后進(jìn)行獨(dú)立的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。綜合實(shí)驗(yàn)通常包含數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成，覆蓋對(duì)應(yīng)專業(yè)領(lǐng)域的基本過程、基本原理和方法。有了課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也可由學(xué)生主導(dǎo)完成，單個(gè)實(shí)驗(yàn)可根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)的流程來做。例如信息與通信工程學(xué)科的研究生綜合實(shí)驗(yàn)，執(zhí)行過程如圖3所示。

（二）“雙向奔赴”的產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

研究生課程體系中的專業(yè)實(shí)踐是與企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)建各類實(shí)踐基地，并由企業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)開展實(shí)踐活動(dòng)，主要培養(yǎng)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐中解決實(shí)際工程問題的能力和對(duì)理論知識(shí)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用能力。通過聯(lián)合共建實(shí)踐基地，學(xué)校與企業(yè)加強(qiáng)了聯(lián)系和合作，更加了解社會(huì)對(duì)學(xué)生能力的要求，也就更容易培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求的新工科人才。產(chǎn)教融合專業(yè)實(shí)踐主要包括以下三個(gè)方面：一是企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)建各類實(shí)踐基地；二是通過企業(yè)專家的技術(shù)指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐中解決實(shí)際問題的能力；三是讓學(xué)生參與完成根據(jù)企業(yè)需求擬定的項(xiàng)目。

（三）以競(jìng)賽和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)教學(xué)體系構(gòu)建

構(gòu)建以競(jìng)賽和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)教學(xué)體系，培養(yǎng)并鼓勵(lì)學(xué)生參加各類科技競(jìng)賽、學(xué)術(shù)活動(dòng)，申報(bào)或參與科研項(xiàng)目，提升學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力、理論創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

基于CDIO理念的競(jìng)賽或項(xiàng)目執(zhí)行可以參照綜合實(shí)驗(yàn)的流程，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)更加可行的解決方案與操作步驟，指導(dǎo)學(xué)生分階段分配任務(wù)，厘清各個(gè)環(huán)節(jié)的目標(biāo)和要點(diǎn)，以便分工合作和檢查錯(cuò)誤，而競(jìng)賽的成績(jī)也能讓學(xué)生看出自己存在的問題和差距，從而激勵(lì)學(xué)生進(jìn)步。

（四）實(shí)踐教學(xué)保障體系構(gòu)建

實(shí)踐教學(xué)的良好發(fā)展必須依靠實(shí)踐教學(xué)保障體系，包括實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍、管理督導(dǎo)隊(duì)伍及協(xié)同育人保障機(jī)制。

1.實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍保障機(jī)制

實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)定期維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟悉實(shí)驗(yàn)流程，熟練使用實(shí)驗(yàn)儀器，要在實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生解決問題，并根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.管理督導(dǎo)隊(duì)伍保障機(jī)制

管理督導(dǎo)隊(duì)伍制定實(shí)踐教學(xué)保障條例，包括實(shí)驗(yàn)操作規(guī)則、實(shí)驗(yàn)室安全行為規(guī)則、督導(dǎo)職責(zé)、實(shí)踐活動(dòng)人員的協(xié)調(diào)職責(zé)等，維護(hù)并保障實(shí)踐環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。

3.協(xié)同育人保障機(jī)制

實(shí)施協(xié)同育人機(jī)制，與企業(yè)方簽訂協(xié)同育人合作協(xié)議，邀請(qǐng)企業(yè)方參與指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐、研究生研究課題的開展，規(guī)定期限與職責(zé)，保障協(xié)同育人項(xiàng)目順利完成。

（五）全方位評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)機(jī)制對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)過程起到重要的引導(dǎo)作用，因此其必須具有合理性、前瞻性及多元化，不能與科研前沿和社會(huì)需求脫節(jié)。

評(píng)價(jià)方式包括教師評(píng)價(jià)、學(xué)生評(píng)價(jià)（自評(píng)和互評(píng)）、合作單位評(píng)價(jià)和用人單位評(píng)價(jià)。例如，課程實(shí)驗(yàn)是學(xué)生接觸的第一類實(shí)踐環(huán)節(jié)，主要由教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓學(xué)生了解評(píng)價(jià)的角度和標(biāo)準(zhǔn)。綜合實(shí)驗(yàn)可由教師和學(xué)生共同評(píng)價(jià)，可設(shè)置教師評(píng)價(jià)占40%、學(xué)生自評(píng)占30%、學(xué)生互評(píng)占30%，從而發(fā)揮學(xué)生的積極性和能動(dòng)性，提升學(xué)生的觀察能力、思考能力和表達(dá)能力。專業(yè)實(shí)踐主要由合作單位或用人單位來評(píng)價(jià)，學(xué)校也可借此了解企業(yè)的需求，從而更好地改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。

評(píng)價(jià)來源包括實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、競(jìng)賽、參與項(xiàng)目等，允許用競(jìng)賽成績(jī)替代實(shí)驗(yàn)成績(jī)，從而使學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂趩栴}的研究，而不是局限于拼湊重復(fù)的得分。這樣能鼓勵(lì)學(xué)生參與各類科技活動(dòng)，充分利用社會(huì)各方面的有效資源，使學(xué)生能適應(yīng)社會(huì)的不同需求、挖掘自身的潛力、找到自己的定位。

三、基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系教學(xué)成效

基于CDIO理念的研究生實(shí)踐教學(xué)體系經(jīng)過多年的建設(shè)和實(shí)施，取得了良好的教學(xué)成效。學(xué)生通過在課程實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)中的操作與展示，既鍛煉了動(dòng)手能力，又鍛煉了邏輯思維和語(yǔ)言表達(dá)能力。學(xué)生通過實(shí)踐基地的培育，對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題有了具體的認(rèn)識(shí)，了解了企業(yè)的生產(chǎn)狀況，提升了理論知識(shí)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用能力。同時(shí)，企業(yè)也能給學(xué)校和學(xué)生提出新的課題，促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研的進(jìn)一步發(fā)展。學(xué)生通過參與競(jìng)賽和項(xiàng)目，激發(fā)了研究興趣，產(chǎn)生了不斷向上攀登的信心和動(dòng)力。

通過研究生實(shí)踐教學(xué)，太原科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)在教學(xué)研究和科學(xué)研究中都有了長(zhǎng)足發(fā)展，在專業(yè)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、項(xiàng)目申請(qǐng)、教材建設(shè)、課程建設(shè)等方面都取得了一系列成果。該專業(yè)被評(píng)為山西省一流專業(yè)。學(xué)生接連在“全國(guó)大學(xué)生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”等賽事中獲得國(guó)家級(jí)一、二、三等獎(jiǎng)，橫向和縱向項(xiàng)目的申請(qǐng)也不斷取得突破。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)的成效反過來也對(duì)理論研究等其他方面產(chǎn)生了激勵(lì)和促進(jìn)作用。

四、結(jié)語(yǔ)

本文在新工科背景下基于CDIO理念構(gòu)建了研究生實(shí)踐教學(xué)體系，在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐基地平臺(tái)上，確立了研究生實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容體系、保障體系和評(píng)價(jià)體系，從而使研究生實(shí)踐教學(xué)體系更健全、內(nèi)容更全面，保障和評(píng)價(jià)更可靠，使研究生可以獲取盡可能多的社會(huì)資源，接受學(xué)校和企業(yè)的共同培養(yǎng)，真正將理論知識(shí)和工程實(shí)際相結(jié)合，鍛煉觀察能力和語(yǔ)言表達(dá)能力，全面提升發(fā)現(xiàn)問題、解決工程實(shí)際問題的能力，從而為社會(huì)培養(yǎng)具有專業(yè)化的、創(chuàng)新實(shí)踐能力的新工科人才。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］