CDIO教学模式在光电信息科学与工程专业实验教学中的运用
潘玉寨+郭冠军+孙正和+杨立见
[摘 要]通过实验教学改革进一步提高学生的知识运用和工程实践能力是当前人才培养模式的重要议题。我们在借鉴CDIO工程教育理念的基础上，从教学模式、方法及考核环节等方面对实验教学进行改革和探索，新的实验教学模式在加强学生理论知识和专业前沿的掌握以及提高学生实践创新能力等方面取得了较好的教学效果。
[关键词]光电信息；实验教学；实践能力；CDIO
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0024-03
光电信息技术产业是21世纪核心创新技术之一。国家和社会对光电信息科学与工程專业技术人才的需求日益增加。培养符合国家和社会需要的创新应用型人才，将对国家经济发展和科技进步起到巨大的推动作用。因此，光电信息科学与工程专业重点培养学生具备扎实数物基础，掌握基本理论知识和应用技术，具备分析和解决光电信息技术问题的能力；培养学生具备较强的学习、科研、工程实践和创新能力，使学生能在光学工程、光通信、光电子学等相关领域从事科研、产品设计与制造、科技开发等工作。[1]
一、实验教学在专业能力培养中的作用及现状分析
实验教学在锻炼学生运用知识解决问题的能力和培养工程实践和创新能力方面发挥着重要的作用。[2][3][4]以往的例子也证实，在实验教学效果好、专业实践经验丰富的学生，具有更好的科学素质和实践能力，其科研创新思维意识更强，毕业读研或工作往往更能得到认同。
光电信息科学与工程专业学生的实验教学除了要具备完善的实验设备和条件外，还应在实验项目及体系上，从实验内容的广度和深度上满足本专业学生实验教学的要求。但大多数院校的实验教学模式相对传统，在教学方法、授课方式和考核模式上，与面向基础知识的基础验证性实验相同，教师和学生在主观能动性和积极性上均显不足。教师是因为教学项目内容和仪器熟悉，思维固化；而学生认为，所有的东西实验讲义上都有，按照讲义上的步骤进行机械化的实验，实验就没有问题。这导致学生思维呆滞，实验教学效果较差。这种传统的实验模式用于一些验证性和演示型的实验是可行的，但对于专业实践能力和创新意识的培养来说，这种方式已经无法满足培养目标的要求，也无法满足国家和社会对高层次人才的需求。
二、CDIO教学理念与模式简介
近年来，在国外工程教育领域出现了一种基于CDIO教育理念的教学模式。[5]CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）四个词的缩写。2000年由麻省理工学院（MIT）和瑞典皇家工学院等四所大学创立并成立了 CDIO国际组织。2005年，CDIO理念引进到中国。国内许多所大学均开始学习研讨CDIO教育模式并加以实施，教学效果提高显著。[6]2008 年教育部成立了《中国CDIO工程教育模式研究与实践》课题组，对我国工程教育改革情况进行调研并指导有关院校开展CDIO工程教育模式试点工作。目前，国内外有超过200所著名大学参与CDIO教育教学改革实践。CDIO理念是在模拟真实项目工程的情境下，向学生一边传授专业的基础理论知识，一边通过构思、设计、实施和运行促进其工程实践能力的发展，让学生以主动的、实践的、课程间有机联系的方式学习。CDIO模式既包含了需要掌握的专业知识，同时又强调职业精神、团队意识、时间管理等多方面能力的培养。CDIO模式可建立通用模型，适用于各类实践性和操作性较强的知识和技能。它强调了学生知识系统性、自主创新性、项目管理性和应用社会性思维方式和能力的培养，可针对不同专业，指导我们获得所期待的教学效果和培养目标。
这种教学模式同样适用于光电信息科学与工程专业。光电信息产业作为典型的高科技产业，对工程设计能力和实践能力强的创新型人才需求较大。近年来诺贝尔物理或化学奖的获得者均涉及光电信息领域。在该领域他们既是科学家也是工程师，他们的素质和能力正是CDIO教学模式和标准的直接体现，也是国家和社会广泛需求的综合型和创新型人才的基本素质。众多院校已在光电信息专业的基础课和实验课程中开展了CDIO教学模式的改革和尝试，取得了很好的教学效果。[7][8][9]
三、基于CDIO理念的实验教学改革与措施
通过深入解读CDIO教育理念和教学大纲，结合CDIO在其他院校和专业实验中的主要改革措施，同时结合本校光电信息科学与工程专业的培养目标和实验室现有条件，我们提出了一些具体可行的改革方案和建设内容，明确了CDIO教学模式下的实验教学培养标准，构建一体化课程设计和执行计划，其中主要包括以下几方面的内容。
（一）建立与CDIO教学大纲相适应的实验教学模式
针对光电信息科学与工程专业的本科生培养目标，即理工融合，培养扎实的数理基础，掌握光电信息相关知识和技能，具备在物理、光学、光电及相关领域从事科学研究和工程开发的基本能力，我们明确了CDIO模式在实验教学中应采取项目驱动式教学。在教学模式中，我们采取由设立项目引出问题，小组讨论分析问题，协作实验解决问题，联系工程开展实践的运行模式。同时以来源于光电信息应用工程项目为实践案例，以学生为中心和运行主体，实验教师只起到组织和引导的作用，不再有“灌输式”的知识讲授过程，而辅以运用启发、举例等多种方法引导学生的自主学习和实践。
（二）CDIO模式下的实验教学体系设计
CDIO教学模式依托学生的基本知识，以能力培养为目标，因此CDIO教学体系应与理论教学体系联系得更加紧密，衔接得更加合理。实验体系也要像课程学习一样循序渐进，发挥CDIO教学模式的团队合作方式，培养学生的团队协作及交流能力。为此，结合现有实验资源，我们开展了分层次、分阶段、分组式的教学体系设计。分层次主要体现在让实验与理论知识相配合，循序渐进，从基础知识到专业前沿知识的分层次学习，可以让学生递进式地接受实践锻炼和项目训练。分阶段主要体现在依据课程安排，将专业实验分为基础、验证和创新研究三个阶段。分组别是依据仪器台套数，采用小组教学和实验的方法，发挥项目组的优势，时间上灵活控制，培养学生分工合作的意识，锻炼学生的团队协作和交流能力。
（三）设计构建微项目教学内容和实践任务
根据学生已有的知识水平和兴趣，设定适合的项目主题和内容。在整个教学过程中，以项目开展的递进性和层次关系来引导学习，让学生不断思考、探索和解决问题，以此带动实践任务的完成。
而项目内容和任务的设计应结合实验室现有条件，传统实验指导书或讲义可能更侧重于实验原理、仪器操作和实验内容，强调数据处理和分析思考。其实践性和工程性思维不足，与应用联系不强。因此，微项目式教学内容除强调指导思想和项目任务外，更应强调工程性问题，紧密联系实践。项目内容和任务设计应有一定的广度和深度，应始终以学生为中心。項目的设计和实施应培养学生的沟通和协作能力，教师应对偏离学生知识能力范围之外的问题给予提示和建议，以激发学生学习知识的兴趣。
（四）建立符合CDIO教学大纲的考核体系和标准
考核体系和标准的建立应符合专业培养目标和要求，并且体现CDIO教学模式的特点。因此，应针对专业情况，制定合理可行的考核评价标准。传统的实验教学考核更多地侧重于对实验操作、数据分析和思考题的解答，无法体现学生在实验过程中的具体收获、综合素质的提高和实验效果。因此，应借鉴先进的CDIO评价标准，将考核方式设计得更加灵活，应增加多元化的考核过程，将考核细化。如项目开始时的文献调研情况、预习效果、实验准备情况等，还可以在用项目开展前增加答辩环节，让学生个人讲解，并相互交流，进而评价学生的预习准备情况。在报告完成阶段，同样进行答辩形式的讨论，交流项目完成过程和结果，增加学生的自我评价和客观互评，介绍心得体会。最后是教师对整个项目执行过程情况的总结和对实验项目的反馈和改进。
四、CDIO实验教学模式的应用实践
激光基本特性及其测量是光电信息领域的核心技术之一，掌握激光参数测量技术和方法对光电工程应用实践能力的提高十分重要。为此，我们在光电信息科学与工程专业实验的激光技术实验模块采用了上述的CDIO实验教学模式和体系，设计了分层次、分阶段和分组式的教学模式。在最后的创新研究型实验阶段，基于CDIO理念，我们设计了多个不同工程实践应用的微项目，这锻炼了学生的自主研究、团队协作和工程实践能力。例如，我们设计了题目为“激光发散角的意义及测量方法”的微项目。由于学生已经在课堂上学习了激光的相关知识，具备了一定的知识基础，因此本项目就属于运用理论知识解决工程技术问题的综合研究性实验。
这个项目基于CDIO理念的教学内容设计及方案如表1所示。整个教学方案包含了CDIO模式的基本框架和过程，以及项目过程及完成后细化的考核评价。学生拿到该项目时，首先要联系自己学过的课本知识，其次要调研相关技术及应用领域，提出针对的项目方案。学生可以依据自己的兴趣点，结合不同工程应用领域，形成不同的方案设计。例如有的小组侧重于激光光束质量评价和意义，有的小组侧重于激光发散角的自动测量系统，有的小组侧重于激光发散角与模式的关系及其控制等。通过小组讨论和成员协作，在教师的指导下，学生确定项目实施方案，开展项目研究，再进行具体运作，最后完成项目。最后的环节是学生一起分析和分享项目过程的收获与和心得体会，迎接项目答辩和考核过程。最后，教师应对项目的整个过程进行分析，并引导学生进行更深入地思考。在项目结束后，教师应针对项目开展过程中的问题提出一些意见和想法，反馈的结果有助于进一步改进和完善CDIO教学模式和体系。
经过上述CDIO实验教学模式的学习和实践训练，学生普遍反映刚开始时较为吃力，进展慢，但在教师的指导下，逐渐找到了自己的节奏，并且感觉这个项目不是由教师指定的，而是自己的东西，有一种迫切想完成它的思想动力，于是开始有了积极性和主动性，大家的热情被调动起来。后期的项目实施和最终评价，教师们都对学生的工作给予了很大的肯定。学生在交流体会时，也提到这种教学模式使得书本里面的知识变成了活的，印在了脑子里。学生们也普遍提到，这个过程虽然艰难，但受益颇多。这种基于CDIO理念的教学模式取得了较好的教学效果。
五、结语
笔者所介绍的加强光电信息科学与工程专业学生实践能力的CDIO实验教学改革与探索，取得了较好的教学效果。这种教学模式和体系的设计符合多数院校相关专业实验室的实际情况，为实现光电信息专业的人才培养理念和目标提供了很好的助力。这对培养具有宽厚知识、优良科学素质、工程实践能力和创新精神的理工科专业学生具有一定的借鉴意义。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 郁道银，蔡怀宇，葛宝臻，等.光电信息工程专业建设的探索与实践[C].中国兵工光学与光电子学学术交流会，2008.
[2] 李敏，郭永彩，邹建.光电信息专业实践教学改革与创新人才培养[J].实验科学与技术，2014（5）：175-177，196.
[3] 孙建国，胡今鸿，刘思佳，孙晶华，张蕾.欧洲高等院校工程实践教育的发展现状与体会[J].实验技术与管理，2015（8）：190-193，233.
[4] 王增宝，赵修太，付帅师，战永平.改革实验教学模式 提高大学生的实验兴趣与创新能力[J].实验室科学，2015（1）：91-93.
[5] 顾佩华，包能胜，康全礼，陆小华，熊光晶，林鹏，陈严.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.
[6] 顾佩华，包能胜，康全礼，陆小华，熊光晶，林鹏，陈严.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：34-45.
[7] 张准，钟丽云.基于CDIO理念的光电技术实验课程设计与实践[J].实验室研究与探索，2012（8）：367-370.
[8] 张迪，张鹏，华克强.CDIO 初级项目教学模式的研究与实践[J].实验室科学，2015（1）：234-237.
[9] 李海金，刘义.基于CDIO理念的《光电子学》教学改革[J]. 实验科学与技术，2014（2）：108-110.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]通过实验教学改革进一步提高学生的知识运用和工程实践能力是当前人才培养模式的重要议题。我们在借鉴CDIO工程教育理念的基础上，从教学模式、方法及考核环节等方面对实验教学进行改革和探索，新的实验教学模式在加强学生理论知识和专业前沿的掌握以及提高学生实践创新能力等方面取得了较好的教学效果。
[关键词]光电信息；实验教学；实践能力；CDIO
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0024-03
光电信息技术产业是21世纪核心创新技术之一。国家和社会对光电信息科学与工程專业技术人才的需求日益增加。培养符合国家和社会需要的创新应用型人才，将对国家经济发展和科技进步起到巨大的推动作用。因此，光电信息科学与工程专业重点培养学生具备扎实数物基础，掌握基本理论知识和应用技术，具备分析和解决光电信息技术问题的能力；培养学生具备较强的学习、科研、工程实践和创新能力，使学生能在光学工程、光通信、光电子学等相关领域从事科研、产品设计与制造、科技开发等工作。[1]
一、实验教学在专业能力培养中的作用及现状分析
实验教学在锻炼学生运用知识解决问题的能力和培养工程实践和创新能力方面发挥着重要的作用。[2][3][4]以往的例子也证实，在实验教学效果好、专业实践经验丰富的学生，具有更好的科学素质和实践能力，其科研创新思维意识更强，毕业读研或工作往往更能得到认同。
光电信息科学与工程专业学生的实验教学除了要具备完善的实验设备和条件外，还应在实验项目及体系上，从实验内容的广度和深度上满足本专业学生实验教学的要求。但大多数院校的实验教学模式相对传统，在教学方法、授课方式和考核模式上，与面向基础知识的基础验证性实验相同，教师和学生在主观能动性和积极性上均显不足。教师是因为教学项目内容和仪器熟悉，思维固化；而学生认为，所有的东西实验讲义上都有，按照讲义上的步骤进行机械化的实验，实验就没有问题。这导致学生思维呆滞，实验教学效果较差。这种传统的实验模式用于一些验证性和演示型的实验是可行的，但对于专业实践能力和创新意识的培养来说，这种方式已经无法满足培养目标的要求，也无法满足国家和社会对高层次人才的需求。
二、CDIO教学理念与模式简介
近年来，在国外工程教育领域出现了一种基于CDIO教育理念的教学模式。[5]CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）四个词的缩写。2000年由麻省理工学院（MIT）和瑞典皇家工学院等四所大学创立并成立了 CDIO国际组织。2005年，CDIO理念引进到中国。国内许多所大学均开始学习研讨CDIO教育模式并加以实施，教学效果提高显著。[6]2008 年教育部成立了《中国CDIO工程教育模式研究与实践》课题组，对我国工程教育改革情况进行调研并指导有关院校开展CDIO工程教育模式试点工作。目前，国内外有超过200所著名大学参与CDIO教育教学改革实践。CDIO理念是在模拟真实项目工程的情境下，向学生一边传授专业的基础理论知识，一边通过构思、设计、实施和运行促进其工程实践能力的发展，让学生以主动的、实践的、课程间有机联系的方式学习。CDIO模式既包含了需要掌握的专业知识，同时又强调职业精神、团队意识、时间管理等多方面能力的培养。CDIO模式可建立通用模型，适用于各类实践性和操作性较强的知识和技能。它强调了学生知识系统性、自主创新性、项目管理性和应用社会性思维方式和能力的培养，可针对不同专业，指导我们获得所期待的教学效果和培养目标。
这种教学模式同样适用于光电信息科学与工程专业。光电信息产业作为典型的高科技产业，对工程设计能力和实践能力强的创新型人才需求较大。近年来诺贝尔物理或化学奖的获得者均涉及光电信息领域。在该领域他们既是科学家也是工程师，他们的素质和能力正是CDIO教学模式和标准的直接体现，也是国家和社会广泛需求的综合型和创新型人才的基本素质。众多院校已在光电信息专业的基础课和实验课程中开展了CDIO教学模式的改革和尝试，取得了很好的教学效果。[7][8][9]
三、基于CDIO理念的实验教学改革与措施
通过深入解读CDIO教育理念和教学大纲，结合CDIO在其他院校和专业实验中的主要改革措施，同时结合本校光电信息科学与工程专业的培养目标和实验室现有条件，我们提出了一些具体可行的改革方案和建设内容，明确了CDIO教学模式下的实验教学培养标准，构建一体化课程设计和执行计划，其中主要包括以下几方面的内容。
（一）建立与CDIO教学大纲相适应的实验教学模式
针对光电信息科学与工程专业的本科生培养目标，即理工融合，培养扎实的数理基础，掌握光电信息相关知识和技能，具备在物理、光学、光电及相关领域从事科学研究和工程开发的基本能力，我们明确了CDIO模式在实验教学中应采取项目驱动式教学。在教学模式中，我们采取由设立项目引出问题，小组讨论分析问题，协作实验解决问题，联系工程开展实践的运行模式。同时以来源于光电信息应用工程项目为实践案例，以学生为中心和运行主体，实验教师只起到组织和引导的作用，不再有“灌输式”的知识讲授过程，而辅以运用启发、举例等多种方法引导学生的自主学习和实践。
（二）CDIO模式下的实验教学体系设计
CDIO教学模式依托学生的基本知识，以能力培养为目标，因此CDIO教学体系应与理论教学体系联系得更加紧密，衔接得更加合理。实验体系也要像课程学习一样循序渐进，发挥CDIO教学模式的团队合作方式，培养学生的团队协作及交流能力。为此，结合现有实验资源，我们开展了分层次、分阶段、分组式的教学体系设计。分层次主要体现在让实验与理论知识相配合，循序渐进，从基础知识到专业前沿知识的分层次学习，可以让学生递进式地接受实践锻炼和项目训练。分阶段主要体现在依据课程安排，将专业实验分为基础、验证和创新研究三个阶段。分组别是依据仪器台套数，采用小组教学和实验的方法，发挥项目组的优势，时间上灵活控制，培养学生分工合作的意识，锻炼学生的团队协作和交流能力。
（三）设计构建微项目教学内容和实践任务
根据学生已有的知识水平和兴趣，设定适合的项目主题和内容。在整个教学过程中，以项目开展的递进性和层次关系来引导学习，让学生不断思考、探索和解决问题，以此带动实践任务的完成。
而项目内容和任务的设计应结合实验室现有条件，传统实验指导书或讲义可能更侧重于实验原理、仪器操作和实验内容，强调数据处理和分析思考。其实践性和工程性思维不足，与应用联系不强。因此，微项目式教学内容除强调指导思想和项目任务外，更应强调工程性问题，紧密联系实践。项目内容和任务设计应有一定的广度和深度，应始终以学生为中心。項目的设计和实施应培养学生的沟通和协作能力，教师应对偏离学生知识能力范围之外的问题给予提示和建议，以激发学生学习知识的兴趣。
（四）建立符合CDIO教学大纲的考核体系和标准
考核体系和标准的建立应符合专业培养目标和要求，并且体现CDIO教学模式的特点。因此，应针对专业情况，制定合理可行的考核评价标准。传统的实验教学考核更多地侧重于对实验操作、数据分析和思考题的解答，无法体现学生在实验过程中的具体收获、综合素质的提高和实验效果。因此，应借鉴先进的CDIO评价标准，将考核方式设计得更加灵活，应增加多元化的考核过程，将考核细化。如项目开始时的文献调研情况、预习效果、实验准备情况等，还可以在用项目开展前增加答辩环节，让学生个人讲解，并相互交流，进而评价学生的预习准备情况。在报告完成阶段，同样进行答辩形式的讨论，交流项目完成过程和结果，增加学生的自我评价和客观互评，介绍心得体会。最后是教师对整个项目执行过程情况的总结和对实验项目的反馈和改进。
四、CDIO实验教学模式的应用实践
激光基本特性及其测量是光电信息领域的核心技术之一，掌握激光参数测量技术和方法对光电工程应用实践能力的提高十分重要。为此，我们在光电信息科学与工程专业实验的激光技术实验模块采用了上述的CDIO实验教学模式和体系，设计了分层次、分阶段和分组式的教学模式。在最后的创新研究型实验阶段，基于CDIO理念，我们设计了多个不同工程实践应用的微项目，这锻炼了学生的自主研究、团队协作和工程实践能力。例如，我们设计了题目为“激光发散角的意义及测量方法”的微项目。由于学生已经在课堂上学习了激光的相关知识，具备了一定的知识基础，因此本项目就属于运用理论知识解决工程技术问题的综合研究性实验。
这个项目基于CDIO理念的教学内容设计及方案如表1所示。整个教学方案包含了CDIO模式的基本框架和过程，以及项目过程及完成后细化的考核评价。学生拿到该项目时，首先要联系自己学过的课本知识，其次要调研相关技术及应用领域，提出针对的项目方案。学生可以依据自己的兴趣点，结合不同工程应用领域，形成不同的方案设计。例如有的小组侧重于激光光束质量评价和意义，有的小组侧重于激光发散角的自动测量系统，有的小组侧重于激光发散角与模式的关系及其控制等。通过小组讨论和成员协作，在教师的指导下，学生确定项目实施方案，开展项目研究，再进行具体运作，最后完成项目。最后的环节是学生一起分析和分享项目过程的收获与和心得体会，迎接项目答辩和考核过程。最后，教师应对项目的整个过程进行分析，并引导学生进行更深入地思考。在项目结束后，教师应针对项目开展过程中的问题提出一些意见和想法，反馈的结果有助于进一步改进和完善CDIO教学模式和体系。
经过上述CDIO实验教学模式的学习和实践训练，学生普遍反映刚开始时较为吃力，进展慢，但在教师的指导下，逐渐找到了自己的节奏，并且感觉这个项目不是由教师指定的，而是自己的东西，有一种迫切想完成它的思想动力，于是开始有了积极性和主动性，大家的热情被调动起来。后期的项目实施和最终评价，教师们都对学生的工作给予了很大的肯定。学生在交流体会时，也提到这种教学模式使得书本里面的知识变成了活的，印在了脑子里。学生们也普遍提到，这个过程虽然艰难，但受益颇多。这种基于CDIO理念的教学模式取得了较好的教学效果。
五、结语
笔者所介绍的加强光电信息科学与工程专业学生实践能力的CDIO实验教学改革与探索，取得了较好的教学效果。这种教学模式和体系的设计符合多数院校相关专业实验室的实际情况，为实现光电信息专业的人才培养理念和目标提供了很好的助力。这对培养具有宽厚知识、优良科学素质、工程实践能力和创新精神的理工科专业学生具有一定的借鉴意义。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 郁道银，蔡怀宇，葛宝臻，等.光电信息工程专业建设的探索与实践[C].中国兵工光学与光电子学学术交流会，2008.
[2] 李敏，郭永彩，邹建.光电信息专业实践教学改革与创新人才培养[J].实验科学与技术，2014（5）：175-177，196.
[3] 孙建国，胡今鸿，刘思佳，孙晶华，张蕾.欧洲高等院校工程实践教育的发展现状与体会[J].实验技术与管理，2015（8）：190-193，233.
[4] 王增宝，赵修太，付帅师，战永平.改革实验教学模式 提高大学生的实验兴趣与创新能力[J].实验室科学，2015（1）：91-93.
[5] 顾佩华，包能胜，康全礼，陆小华，熊光晶，林鹏，陈严.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.
[6] 顾佩华，包能胜，康全礼，陆小华，熊光晶，林鹏，陈严.CDIO在中国（下）[J].高等工程教育研究，2012（5）：34-45.
[7] 张准，钟丽云.基于CDIO理念的光电技术实验课程设计与实践[J].实验室研究与探索，2012（8）：367-370.
[8] 张迪，张鹏，华克强.CDIO 初级项目教学模式的研究与实践[J].实验室科学，2015（1）：234-237.
[9] 李海金，刘义.基于CDIO理念的《光电子学》教学改革[J]. 实验科学与技术，2014（2）：108-110.
[责任编辑：陈 明]
