基于CDIO模式的材料物理专业实践教学体系构建
朱科 肖奎 谢忠祥 王海镔 肖发新
[摘 要]在材料物理專业中引入CDIO理念进行实践教学改革与探索，从项目实践体系、实践教学方式、实践教学考核形式、实践教学平台等几方面构建材料物理专业工程实践教学体系，以培养学生CDIO工程实践能力，提高学生的创新能力。
[关键词]CDIO；材料物理；实践教学
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）06-0006-03
CDIO工程教育由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学于2000年发起并经过4年的探索研究而创立，作为一套先进的教育体系。其在国内外高校中产生了很大影响。[1][2]2005年，顾佩华教授首次将CDIO教学理念引入中国。[3]2011年，中国共有57 所高校开展 CDIO 工程教育模式试点工作，并且取得较好的成果。[4]作为一所新建应用型本科院校，湖南工学院致力于培养“重基础、重技术、重能力、高素质”的“三重一高”应用型人才。根据信息、新能源与光电行业的发展需求，我校2015年新申请设置了材料物理专业，并将其作为CDIO工程教育试点专业，计划从培养方案的设计制定到具体实施，将CDIO工程教育思想贯穿始终，开展以项目为主线的CDIO培养模式研究与实践设计，使学生在有限的教学时间里，既能掌握课程的基本内容，又具备一定的材料科学工程实践能力与创新能力，将材料物理专业办成高水准的专业。考虑到实践教学在专业教学中占据越来越重要的地位，是培养学生工程技术能力与素质的必要途径，我们基于CDIO教育模式构建了材料物理专业实践教学体系。
一、CDIO工程教育理念简介
CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行工程学习实践。[5]CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标，同时系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。[6]其中标准1明确了工程实践的工程背景环境；标准3要求构建一体化课程体系；标准5提出在一体化课程中至少要有两个工程教育项目，一个初级，一个高级，通过两个工程项目的综合训练，使学生在一体化教学过程中获得工程知识和产品、过程与系统建造的能力；标准6提出要有满足实践要求的工程工作平台；标准7指出通过前后关联的项目教学使学生获得一体化学习经验；标准8要求调动学生的积极性，以学生为主体，在教师指导下开展主动学习；标准9与10要求提高教师的工程实践能力与教学能力；标准11与标准12要求做好学生CDIO能力考核与项目评估。[7]这些思想对构建专业实践教学体系具有很强的指导价值。
二、基于CDIO工程教育模式的材料物理专业实践教学体系构建
结合材料科学与技术的发展，紧密围绕材料物理专业应用型本科人才培养的目标，通过吸收CDIO工程教育思想与借鉴相关高校的CDIO实践经验，我们从项目实践体系、实践教学方式方法、实践考核形式等方面合理构建材料物理专业应用本科实践教学体系，为实现提升专业实践教学质量，提高学生实践操作能力与创新能力奠定基础。
（一）多层次项目实践体系的构建
通过与学校及企业专家共同研讨，我们按照如图1“基础性→综合性→创新性”的递进路线来训练学生从运用基本操作能力，按照某一拟定流程验证某一理论或解决一个已知的问题，到引导学生自己设计技术路线与实践方案来探索解决未知的新问题，从而提升学生的工程实践能力。
具体操作层面，按照CDIO模式，我们构建了三级项目实践教学体系，如图2所示。1.工程基础能力培养对应于三级项目的实施，该级项目是具体的课程项目，是二级项目的子项目。它目的是深化学生对该门课程教学内容的理解与应用，培养和锻炼学生某一方面的知识与能力，如器件电路设计、功能材料制备工艺设计等。这主要是通过课程实验，如电子电工实验、材料合成与制备实验等来实现。2.工程综合能力的培养对应于二级项目的实施，该级项目是将一级项目训练分解成几个模块化的子项目，同时这也是在三级项目课程训练基础上的综合学习与训练项目。它以材料物理专业课程群为基础，培养学生综合运用相关知识来解决问题的综合能力，如功能材料制备与性能表征、光电器件结构与性能设计、光伏系统设计等。它主要通过一系列课程群的课程设计，如薄膜科学与技术、太阳能电池原理、光伏发电系统与实践等来实现。3.工程创新能力的培养对应于一级项目的实施。该级项目是宏观的项目课题，贯穿于整个大学阶段，目的是让学生在构思、设计、实现、运行等4个方面进行系统训练。材料物理专业的一级项目有功能材料设计与制备、光电器件设计与制备、光伏系统设计与应用，其主要通过毕业设计、科技竞赛、创新创业大赛、大学生科技立项项目等形式来实现。经过三层级项目实践，学生将具备对一个功能器件产品或某个工艺进行系统构思、设计、实现与运行的能力，同时具有一定的职业能力与创新能力，能进入相关工程领域从事技术应用及研究开发工作。
（二）以学生为中心的实践教学方式构建
CDIO工程教育模式以项目为载体，强调“做中学”和“学中做”，使学生以探究方式获取知识和应用能力，从而培养学生的工程实践能力与创新能力。据此，我们构建了以学生为中心的实践教学方式，具体如图3所示。1.首先由学生组合成项目团队，配备相应的指导教师，由指导教师拟定项目能力指标与预期目标，规划或引导学生通过查阅文献自己规划实践项目。2.第二阶段，项目指导教师组织、监控学生主动实践，在此阶段主要由学生通过查找资料讨论、构思实践方案（C），选配、搭建仪器设备（D），操作仪器、完成项目（I），总结、展示实践结果（O），项目指导教师可以给予适当地指导，但主要过程要求学生通过团队协作的方式完成。3.第三阶段是项目指导教师运用全过程、多元化评价方式，对学生团队实践方案、个人实践过程、团队实践结果及个性化报告给出评估，提出意见与建议。通过这样三个阶段一流程的项目教学实践，最终实现CDIO能力培养目标。
（三）创新实践教学考核形式
项目式实践教学模式以项目为导向和载体，以任务为驱动，学生通过项目的实施来获得必需的知识与技能，以提高创新能力。这决定了其考核模式不同于传统实践环节的考核方式。为此，我们采取全过程、多元化的考核模式，从学生团队项目构思与方案设计到项目实践过程，对学生的实践态度、思维能力、操作技能与职业素质等给予监督、追踪、多节点评估记录。在项目实践完成时，根据目标实现情况、实践效果、产品展示与PPT报告进行项目评估、验收，同时考查学生撰写报告的能力，并作出成绩评定。对于完成较好的项目，学生可获得创新学分或免修相关课程。
三、基于CDIO工程教育模式的材料物理专业实践平台构建
实践教学平台是实践教学的硬件。为保证高质量实践教学的开展，有效培养学生工程实践能力，学校需要与企业联合，建立良好的协同机制，整合资源，一起建设多元化的实践教学平台。为此，我们从实验平台、校内工程实践平台和企业工程实践平台三方面构建材料物理专业实践教学平台，具体如图4所示。
1.实验平台包括基础实验平台与专业实验平台。基础实验平台主要是大学物理实验室、大学物理演示实验室和电子电工实验室，用于学生工程基础实践能力的培养，基础实验平台目前已投入400万元，基本建设完善。专业实验平台包含材料制备与合成实验室、材料结构表征与性能测试实验室，用于学生工程基础能力、综合能力与创新能力的培养。专业实验平台目前投入220万，购置磁控溅射仪、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计、椭偏仪等材料制备与结构性能测试仪器，实验室正在建設。后期将扩大专业实验平台建设，增加多种先进材料制备与性能测试仪器，扩建材料性能处理实验室。
2.校内工程实践平台包括工程训练中心和创新工作室，主要用于学生工程综合能力与创新能力的培养。其中工程训练中心主要进行太阳能光伏发电技术系统实训及半导体照明技术系统实训。创新工作室由学校或校企合作共建，由学校提供场地与部分资金，企业部分出资或提供部分材料设备，用于学生进行太阳能光伏、半导体照明及其他功能器件方面的创意设计与制作以及各类科技竞赛。
3.企业工程实践平台包括企业实习基地与创新工作站。企业实习基地为学生工程实践提供背景环境，使学生熟悉企业文化与实际生产流程，培养学生的职业素质，这是提高学生工程实践能力的重要途径。同时，在企业内部设立创新工作站，主要用于专业教师在企业挂职工作锻炼以及与企业开展横向科研合作，以提升教师的工程实践技能。目前，我们与衡阳共创光伏集团、湖南小明新能源公司等光电企业签订合作协议或达成合作意向，共同建设实习基地与创新工作站。
四、总结
近年来，CDIO工程教育在国内多所高校试点、推行，取得了很大的成功。我们依据CDIO工程教育模式，借鉴国内高校CDIO工程教育的宝贵经验，从项目实践体系、实践教学方式、实践教学考核形式、实践教学平台等几方面构建材料物理专业工程实践教学体系，让学生在CDIO工程教育模式下通过主动学习与实践，掌握基本实验技能与专业实践技能，增强创新能力、团队协作能力、沟通表达能力和综合职业素养，达到CDIO能力大纲要求，为学生成长为高技术、高素质、创新型工程技术人才奠定基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 高雪梅，孙子文，纪志成.CDIO方法与我国高等教育改革[J].江苏高教，2008（5）：69-71.
[2] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育，2012（3）：24-40.
[3] 贺辛亥，刘江南，王俊勃.基于5 + X产学研合作CDIO模式培养创新型人才的探索[J].西安工程大学学报，2014（1）：111-115.
[4] 张力玮.中国共57 所高校开展 CDIO 工程教育模式试点工作[J].世界教育信息，2011（6）：53.
[5] 李国锋，刘煜，谢邵辉.CDIO教育模式下的实践教学体系探析[J].长沙大学学报，2016（2）：140-148.
[6] 罗高涌，张瑾.基于CDIO模式的校企合作办学的工程应用型人才培养模式研究[J].高教探索，2011（5）：71-75.
[7] 卢艳军.项目式专业实践教学模式改革初探[J].计算机教育，2016（1）：67-70.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]在材料物理專业中引入CDIO理念进行实践教学改革与探索，从项目实践体系、实践教学方式、实践教学考核形式、实践教学平台等几方面构建材料物理专业工程实践教学体系，以培养学生CDIO工程实践能力，提高学生的创新能力。
[关键词]CDIO；材料物理；实践教学
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）06-0006-03
CDIO工程教育由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学于2000年发起并经过4年的探索研究而创立，作为一套先进的教育体系。其在国内外高校中产生了很大影响。[1][2]2005年，顾佩华教授首次将CDIO教学理念引入中国。[3]2011年，中国共有57 所高校开展 CDIO 工程教育模式试点工作，并且取得较好的成果。[4]作为一所新建应用型本科院校，湖南工学院致力于培养“重基础、重技术、重能力、高素质”的“三重一高”应用型人才。根据信息、新能源与光电行业的发展需求，我校2015年新申请设置了材料物理专业，并将其作为CDIO工程教育试点专业，计划从培养方案的设计制定到具体实施，将CDIO工程教育思想贯穿始终，开展以项目为主线的CDIO培养模式研究与实践设计，使学生在有限的教学时间里，既能掌握课程的基本内容，又具备一定的材料科学工程实践能力与创新能力，将材料物理专业办成高水准的专业。考虑到实践教学在专业教学中占据越来越重要的地位，是培养学生工程技术能力与素质的必要途径，我们基于CDIO教育模式构建了材料物理专业实践教学体系。
一、CDIO工程教育理念简介
CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate） ，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行工程学习实践。[5]CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标，同时系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。[6]其中标准1明确了工程实践的工程背景环境；标准3要求构建一体化课程体系；标准5提出在一体化课程中至少要有两个工程教育项目，一个初级，一个高级，通过两个工程项目的综合训练，使学生在一体化教学过程中获得工程知识和产品、过程与系统建造的能力；标准6提出要有满足实践要求的工程工作平台；标准7指出通过前后关联的项目教学使学生获得一体化学习经验；标准8要求调动学生的积极性，以学生为主体，在教师指导下开展主动学习；标准9与10要求提高教师的工程实践能力与教学能力；标准11与标准12要求做好学生CDIO能力考核与项目评估。[7]这些思想对构建专业实践教学体系具有很强的指导价值。
二、基于CDIO工程教育模式的材料物理专业实践教学体系构建
结合材料科学与技术的发展，紧密围绕材料物理专业应用型本科人才培养的目标，通过吸收CDIO工程教育思想与借鉴相关高校的CDIO实践经验，我们从项目实践体系、实践教学方式方法、实践考核形式等方面合理构建材料物理专业应用本科实践教学体系，为实现提升专业实践教学质量，提高学生实践操作能力与创新能力奠定基础。
（一）多层次项目实践体系的构建
通过与学校及企业专家共同研讨，我们按照如图1“基础性→综合性→创新性”的递进路线来训练学生从运用基本操作能力，按照某一拟定流程验证某一理论或解决一个已知的问题，到引导学生自己设计技术路线与实践方案来探索解决未知的新问题，从而提升学生的工程实践能力。
具体操作层面，按照CDIO模式，我们构建了三级项目实践教学体系，如图2所示。1.工程基础能力培养对应于三级项目的实施，该级项目是具体的课程项目，是二级项目的子项目。它目的是深化学生对该门课程教学内容的理解与应用，培养和锻炼学生某一方面的知识与能力，如器件电路设计、功能材料制备工艺设计等。这主要是通过课程实验，如电子电工实验、材料合成与制备实验等来实现。2.工程综合能力的培养对应于二级项目的实施，该级项目是将一级项目训练分解成几个模块化的子项目，同时这也是在三级项目课程训练基础上的综合学习与训练项目。它以材料物理专业课程群为基础，培养学生综合运用相关知识来解决问题的综合能力，如功能材料制备与性能表征、光电器件结构与性能设计、光伏系统设计等。它主要通过一系列课程群的课程设计，如薄膜科学与技术、太阳能电池原理、光伏发电系统与实践等来实现。3.工程创新能力的培养对应于一级项目的实施。该级项目是宏观的项目课题，贯穿于整个大学阶段，目的是让学生在构思、设计、实现、运行等4个方面进行系统训练。材料物理专业的一级项目有功能材料设计与制备、光电器件设计与制备、光伏系统设计与应用，其主要通过毕业设计、科技竞赛、创新创业大赛、大学生科技立项项目等形式来实现。经过三层级项目实践，学生将具备对一个功能器件产品或某个工艺进行系统构思、设计、实现与运行的能力，同时具有一定的职业能力与创新能力，能进入相关工程领域从事技术应用及研究开发工作。
（二）以学生为中心的实践教学方式构建
CDIO工程教育模式以项目为载体，强调“做中学”和“学中做”，使学生以探究方式获取知识和应用能力，从而培养学生的工程实践能力与创新能力。据此，我们构建了以学生为中心的实践教学方式，具体如图3所示。1.首先由学生组合成项目团队，配备相应的指导教师，由指导教师拟定项目能力指标与预期目标，规划或引导学生通过查阅文献自己规划实践项目。2.第二阶段，项目指导教师组织、监控学生主动实践，在此阶段主要由学生通过查找资料讨论、构思实践方案（C），选配、搭建仪器设备（D），操作仪器、完成项目（I），总结、展示实践结果（O），项目指导教师可以给予适当地指导，但主要过程要求学生通过团队协作的方式完成。3.第三阶段是项目指导教师运用全过程、多元化评价方式，对学生团队实践方案、个人实践过程、团队实践结果及个性化报告给出评估，提出意见与建议。通过这样三个阶段一流程的项目教学实践，最终实现CDIO能力培养目标。
（三）创新实践教学考核形式
项目式实践教学模式以项目为导向和载体，以任务为驱动，学生通过项目的实施来获得必需的知识与技能，以提高创新能力。这决定了其考核模式不同于传统实践环节的考核方式。为此，我们采取全过程、多元化的考核模式，从学生团队项目构思与方案设计到项目实践过程，对学生的实践态度、思维能力、操作技能与职业素质等给予监督、追踪、多节点评估记录。在项目实践完成时，根据目标实现情况、实践效果、产品展示与PPT报告进行项目评估、验收，同时考查学生撰写报告的能力，并作出成绩评定。对于完成较好的项目，学生可获得创新学分或免修相关课程。
三、基于CDIO工程教育模式的材料物理专业实践平台构建
实践教学平台是实践教学的硬件。为保证高质量实践教学的开展，有效培养学生工程实践能力，学校需要与企业联合，建立良好的协同机制，整合资源，一起建设多元化的实践教学平台。为此，我们从实验平台、校内工程实践平台和企业工程实践平台三方面构建材料物理专业实践教学平台，具体如图4所示。
1.实验平台包括基础实验平台与专业实验平台。基础实验平台主要是大学物理实验室、大学物理演示实验室和电子电工实验室，用于学生工程基础实践能力的培养，基础实验平台目前已投入400万元，基本建设完善。专业实验平台包含材料制备与合成实验室、材料结构表征与性能测试实验室，用于学生工程基础能力、综合能力与创新能力的培养。专业实验平台目前投入220万，购置磁控溅射仪、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计、椭偏仪等材料制备与结构性能测试仪器，实验室正在建設。后期将扩大专业实验平台建设，增加多种先进材料制备与性能测试仪器，扩建材料性能处理实验室。
2.校内工程实践平台包括工程训练中心和创新工作室，主要用于学生工程综合能力与创新能力的培养。其中工程训练中心主要进行太阳能光伏发电技术系统实训及半导体照明技术系统实训。创新工作室由学校或校企合作共建，由学校提供场地与部分资金，企业部分出资或提供部分材料设备，用于学生进行太阳能光伏、半导体照明及其他功能器件方面的创意设计与制作以及各类科技竞赛。
3.企业工程实践平台包括企业实习基地与创新工作站。企业实习基地为学生工程实践提供背景环境，使学生熟悉企业文化与实际生产流程，培养学生的职业素质，这是提高学生工程实践能力的重要途径。同时，在企业内部设立创新工作站，主要用于专业教师在企业挂职工作锻炼以及与企业开展横向科研合作，以提升教师的工程实践技能。目前，我们与衡阳共创光伏集团、湖南小明新能源公司等光电企业签订合作协议或达成合作意向，共同建设实习基地与创新工作站。
四、总结
近年来，CDIO工程教育在国内多所高校试点、推行，取得了很大的成功。我们依据CDIO工程教育模式，借鉴国内高校CDIO工程教育的宝贵经验，从项目实践体系、实践教学方式、实践教学考核形式、实践教学平台等几方面构建材料物理专业工程实践教学体系，让学生在CDIO工程教育模式下通过主动学习与实践，掌握基本实验技能与专业实践技能，增强创新能力、团队协作能力、沟通表达能力和综合职业素养，达到CDIO能力大纲要求，为学生成长为高技术、高素质、创新型工程技术人才奠定基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 高雪梅，孙子文，纪志成.CDIO方法与我国高等教育改革[J].江苏高教，2008（5）：69-71.
[2] 顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育，2012（3）：24-40.
[3] 贺辛亥，刘江南，王俊勃.基于5 + X产学研合作CDIO模式培养创新型人才的探索[J].西安工程大学学报，2014（1）：111-115.
[4] 张力玮.中国共57 所高校开展 CDIO 工程教育模式试点工作[J].世界教育信息，2011（6）：53.
[5] 李国锋，刘煜，谢邵辉.CDIO教育模式下的实践教学体系探析[J].长沙大学学报，2016（2）：140-148.
[6] 罗高涌，张瑾.基于CDIO模式的校企合作办学的工程应用型人才培养模式研究[J].高教探索，2011（5）：71-75.
[7] 卢艳军.项目式专业实践教学模式改革初探[J].计算机教育，2016（1）：67-70.
[责任编辑：陈 明]
