基于CDIO教育模式的工科大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革初探

十七大報(bào)告提出，教育是民族振興的基石，而且把教育放到以改善民生為重點(diǎn)的社會(huì)建設(shè)之首。目前我國的現(xiàn)狀是一方面大學(xué)生就業(yè)難；另一方面各大企業(yè)普遍需要的人才標(biāo)準(zhǔn)是具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，廣泛的知識(shí)體系，能夠較好的處理人際關(guān)系的人才。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。高校的重要職能是要服務(wù)于社會(huì)，其發(fā)展方向要適應(yīng)于市場的需求，CDIO教育理念是培養(yǎng)符合時(shí)代特征人才的先進(jìn)教育理念。大學(xué)物理作為工科院校的一門基礎(chǔ)必修課，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新精神上承載著非常重要的責(zé)任，但基于CDIO教育模式的工科大學(xué)物理教學(xué)改革目前在國內(nèi)仍是一個(gè)盲點(diǎn)，于是課題組嘗試著在CDIO工程教育理念下對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，以期在大學(xué)物理教學(xué)改革中提供一種新思路。

一.教學(xué)內(nèi)容的整合

1.對(duì)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合

教學(xué)內(nèi)容的整合就是將原有教學(xué)體系的各章節(jié)中相關(guān)內(nèi)容通過新的組合方式進(jìn)行刪減、整理與合并，使相關(guān)章節(jié)能夠形成內(nèi)容冗余度少、結(jié)構(gòu)性好、整體協(xié)調(diào)的新型教學(xué)內(nèi)容。新世紀(jì)需要的是基礎(chǔ)厚實(shí)、知識(shí)面寬、人文素質(zhì)高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的復(fù)合型人才。基于以上考慮，我們以CDIO工程教育理念為藍(lán)本，通過教學(xué)內(nèi)容的整合，使舊有教學(xué)內(nèi)容容量擴(kuò)大、內(nèi)容更新、知識(shí)滲透力增強(qiáng)；同時(shí)也要將學(xué)科發(fā)展的新理論、新技術(shù)、新內(nèi)容有機(jī)的組合在一起，形成符合時(shí)代發(fā)展的學(xué)科內(nèi)容新體系。

課題組對(duì)教學(xué)內(nèi)容整合的具體要求主要表現(xiàn)為：經(jīng)典物理的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理思想，科學(xué)素質(zhì)和分析、解決問題的能力。強(qiáng)調(diào)歸納演繹法、演示實(shí)驗(yàn)法、對(duì)稱法、類比法等物理學(xué)方法的介紹；立足于傳統(tǒng)教學(xué)手段，配以現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段。通過經(jīng)典物理的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課必備的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也為學(xué)生將來學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。近代物理的重點(diǎn)是物理知識(shí)與專業(yè)結(jié)合，注重創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中，教師應(yīng)適當(dāng)介紹大學(xué)物理與專業(yè)的聯(lián)系，或?qū)I(yè)中的物理問題作為實(shí)例進(jìn)行分析，這樣有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增強(qiáng)應(yīng)用物理知識(shí)解決問題的意識(shí)和能力；以理論教學(xué)為主要形式，以實(shí)際應(yīng)用為主要內(nèi)容，以研究和分析為主要教學(xué)手段，將理論知識(shí)、實(shí)際應(yīng)用、研究分析集于一體，創(chuàng)建“構(gòu)思——設(shè)計(jì)一實(shí)現(xiàn)——運(yùn)作”的良性思維模式。現(xiàn)代工程技術(shù)的物理基礎(chǔ)專題的重點(diǎn)是開拓學(xué)生的視野，側(cè)重于人文教育，建立工程文化的概念。以講座、討論等方式作為學(xué)習(xí)方式，配以相關(guān)影音，影像，科技知識(shí)短片以獲得學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，且豐富了教學(xué)手段；加強(qiáng)物理學(xué)史和物理學(xué)家事跡介紹，促進(jìn)學(xué)生形成良好的科學(xué)品質(zhì)和世界觀。

2.科研、教研與教學(xué)內(nèi)容的融合

教師通過參加科研活動(dòng)，不斷汲取新知識(shí)，積累科研成果，不僅有利于提高教師的專業(yè)水平，也有利于提高教師的教學(xué)水平。通過教師帶領(lǐng)學(xué)生開展科研工作，不僅教師可以了解科學(xué)的最新動(dòng)態(tài)，可以掌握學(xué)科的最新成果，也有利于增加教學(xué)的深度，提高教學(xué)效果，更有利于學(xué)生在實(shí)際中進(jìn)行CDIO所詮釋的“構(gòu)思——設(shè)計(jì)——實(shí)現(xiàn)——運(yùn)作”過程，激發(fā)學(xué)生的興趣，活躍學(xué)生的思維，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提升創(chuàng)新能力。誠然，學(xué)生參與的科研項(xiàng)目也要得當(dāng)，學(xué)生參與的科研項(xiàng)目要充分反映教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)，以盡量賦予其現(xiàn)代氣息。

學(xué)生參與合適的教研項(xiàng)目也同樣具有能力培養(yǎng)的良好效果，同樣也能達(dá)到“做中學(xué)”的目的。例如，教學(xué)軟件的開發(fā)、多媒體課件的制作、教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的研制、MTLAB仿真的設(shè)計(jì)等。

3.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)室

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是CDIO工程教育模式下物理教學(xué)的有力補(bǔ)充。它是指學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件，通過查閱資料構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)備，自行擬定實(shí)驗(yàn)程序，自行實(shí)施并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和處理。例如，誤差分配和實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、電位差計(jì)校準(zhǔn)電表和測定電阻、精確測定微小電阻阻值、軟磁材料靜態(tài)特性的測定、用波爾理論測定普朗克常數(shù)、聲光控延時(shí)電路設(shè)計(jì)與組裝、組裝邁克爾遜干涉儀等實(shí)驗(yàn)。

另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室也將是CDIO工程教育模式下物理教學(xué)的有力補(bǔ)充。它是指用仿真技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)和多媒體應(yīng)用技術(shù)等在微機(jī)上調(diào)制的可輔助或代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)不再局限于實(shí)驗(yàn)室中，這大大挖掘了高校潛能，擴(kuò)大了學(xué)校的承載能力。通過進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在不浪費(fèi)任何硬件教學(xué)資源的前提下，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)嘗試，大大提高了學(xué)生的邏輯思維能力，整體設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)運(yùn)作能力，以及創(chuàng)新能力，這也恰恰符合CDIO工程教育理念。

二.教學(xué)內(nèi)容的模塊化與教學(xué)大綱的制定

隨著我國的教育從“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”的轉(zhuǎn)變，對(duì)教學(xué)模式的靈活性、針對(duì)性、現(xiàn)實(shí)性和經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)的要求也越來越高，而CDIO作為一種新的教學(xué)模式的應(yīng)用和推廣，必然要涉及到教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃和建設(shè)，基于大學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)的特點(diǎn)和CDIO教育理念，我們將大學(xué)物理的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了模塊化分類。從知識(shí)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行模塊化分類為：力學(xué)、熱學(xué)、波動(dòng)、電磁、光學(xué)、近代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)的物理基礎(chǔ)專題共計(jì)七個(gè)模塊，這種模塊化的分類有利于CDIO工程教育模式的展開。

經(jīng)過對(duì)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的整合與模塊化處理后，基于CDIO教育理念要對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行了重新編寫，使得大學(xué)物理課程的教學(xué)目標(biāo)既涵蓋教育部非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)制定的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(以下簡稱《基本要求》)對(duì)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)和推理教學(xué)內(nèi)容的要求，又符合CDIO強(qiáng)調(diào)能力提升的要求。在技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)方面，按照《基本要求》對(duì)知識(shí)進(jìn)行三個(gè)層次的要求：掌握、理解和了解，以保證大學(xué)物理知識(shí)體系的連貫性和系統(tǒng)性；同時(shí)注意到每個(gè)能力培養(yǎng)項(xiàng)目自身的特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整知識(shí)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，以確保項(xiàng)目順利實(shí)施所需要的知識(shí)儲(chǔ)備；在能力培養(yǎng)方面，基于學(xué)生主體性的考慮，我們也要充分貫徹“以生為本”和“因材施教”的教學(xué)理念，根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的差異，學(xué)習(xí)方法、習(xí)慣、能力上的差異，學(xué)習(xí)目的和態(tài)度上的差異，可以分層次進(jìn)行能力培養(yǎng)項(xiàng)目的實(shí)踐，可以選擇性地參與科研、教研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。

三.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

以“摩擦緩沖器的設(shè)計(jì)與制作”這個(gè)具體的能力培養(yǎng)項(xiàng)目為例來說明如何進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。要求學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，完成項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作(或展示)。具體過程為：(1)通過文獻(xiàn)查閱、產(chǎn)品比較和理論分析等掌握緩沖器的工作原理并對(duì)其進(jìn)行建模，然后將整個(gè)緩沖器進(jìn)行分解為幾個(gè)部分，說明各部分功能及預(yù)期達(dá)到的指標(biāo)，提出設(shè)計(jì)要求和注意事項(xiàng)。(2)通過第一步的構(gòu)思過程將指標(biāo)細(xì)化，規(guī)定相應(yīng)的參數(shù)，如彈簧的勁度系數(shù)、大小、尺寸、材質(zhì)、初始?jí)嚎s量、最大壓縮量，墊板的尺寸、材質(zhì)、規(guī)格等，通過參數(shù)選擇與計(jì)算得到反映該緩沖器好壞的整體參數(shù)——吸收率；之后，將緩沖器整體與各部分通過制圖體現(xiàn)出其各個(gè)參數(shù)和規(guī)格，提出實(shí)施方案。(3)按照實(shí)施方案進(jìn)行材料選購，此過程需對(duì)比材料的性能、價(jià)格以及應(yīng)用在緩沖器制作中的優(yōu)缺點(diǎn)；對(duì)選購的材料進(jìn)行實(shí)際處理，按照實(shí)施方案進(jìn)行制作，以期達(dá)到設(shè)計(jì)要求；成品之后對(duì)緩沖器進(jìn)行試驗(yàn)，記錄各項(xiàng)指標(biāo)完成情況。(4)通過實(shí)際指標(biāo)完成情況的分析，找出影響性能的因素以及改善性能的方式，最后以報(bào)告或論文形式進(jìn)行總結(jié)；同時(shí)準(zhǔn)備對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行答辯。教師與其他非參與項(xiàng)目的小組組長作為項(xiàng)目答辯評(píng)委，答辯之后，按照CDIO教學(xué)大綱所提出的四個(gè)層面進(jìn)行科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)。

在項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些難題，解決這些難題可以激發(fā)學(xué)生戰(zhàn)勝困難的激情和勇氣。整個(gè)項(xiàng)目的完成不僅可以達(dá)到基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)要求，更能夠讓學(xué)生在實(shí)踐學(xué)習(xí)中鍛煉文獻(xiàn)檢索能力、邏輯思維能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與制圖能力、實(shí)際操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力、語言和文字表達(dá)能力等，并且可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作的激情。

總之，由于工科各專業(yè)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)要求的側(cè)重點(diǎn)有所不同，加上近年來高校擴(kuò)招導(dǎo)致學(xué)生水平參差不齊，基于CDIO工程教育模式的大學(xué)物理教學(xué)改革存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)和難度。因此我們將在現(xiàn)有的條件下結(jié)合我校的實(shí)際情況，遵循因材施教，以生為本的理念，循序漸進(jìn)地進(jìn)行改革。同時(shí)將認(rèn)真總結(jié)改革過程中的經(jīng)驗(yàn)和不足，期望能夠在工科學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)上形成獨(dú)具特色、切實(shí)可行的基于CDIO教育模式的工科大學(xué)物理教學(xué)新思路，切實(shí)發(fā)揮高校為社會(huì)服務(wù)的職能。