基于CDIO的“大學物理及實驗”課程教學改革探討

張連順 張小娟 楊 薇

（中國民航大學理學院，天津 300300）

基于CDIO的“大學物理及實驗”課程教學改革探討

張連順 張小娟 楊 薇

（中國民航大學理學院，天津 300300）

分析了目前傳統的普通物理與普通物理實驗課程教學存在的問題，論文將國際化的CDIO工程教育模式理念引入到大學物理及實驗課程的教學中，從培養目標與一體化課程、教學模式方面的改革進行了探討.

大學物理及實驗課程；CDIO工程教育模式；教學模式

普通物理學是研究物質運動最基本最普遍的規律，其中包括機械運動、分子熱運動、電磁運動、原子和原子核內的運動等等.它所研究的這些運動，普遍地存在于其他高級的、復雜的物質運動形式之中.普通物理學同時也是一門實驗科學，研究物理學的方法實際上有兩種，實驗觀察的方法和理論研究的方法，二者相輔相成，互相促進，從而推動整個物理學向前發展.因此，普通物理學所研究的規律具有極大的普遍性，可以說，物理學是除數學外一切自然科學的基礎，也是當代工程技術的重大支柱.所以各工科院校，均把普通物理作為各專業的重要基礎課.從學習物理學的角度來看，學生除了用抽象邏輯思維的方法進行學習外，還應該注重用實驗的方法來學習物理，兩者同等重要，不可偏廢.當前，我們普通物理課的教學模式基本上是以教師、課堂、教材為中心，片面注重知識的傳承，而忽視探求和獲取知識能力的培養.2000年10月，一項改革本科工程類專業教育的國際項目 CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate即構思、設計、實施、運作）正式啟動.CDIO模式以產品、生產流程和系統從研發到運行的生命周期為載體，通過系統的產品設計培養學生專業技術知識、個人能力、職業能力和態度、團隊工作和交流能力，培養在企業和社會環境下對產品系統進行構思、設計、實施、運行的能力等綜合素質.普通物理作為一門理論與實驗相結合的課程，完全適用于在CDIO教學模式下進行教學，使學生們通過普通物理的學習，達到上述CDIO所注重的各種能力的培養.

為了使普通物理的教學真正起到培養學生CDIO所注重的能力的作用，必須對傳統的教學模式進行改革，設計基于CDIO的普通物理教學模式，以學生為中心，充分調動學生的學習主動性，建立符合國際工程教育共識的課程體系.我校從2010年開始，對電子信息專業2010級的兩個行政班進行CDIO教學試點，在物理教學方面將普通物理與大學物理實驗整合為一門課即“大學物理及實驗”，本文基于CDIO工程教育理念，對“大學物理及實驗”課程的教學改革進行了以下幾方面的探討.

1 傳統教學中存在的問題

傳統的大學物理教學是由普通物理和物理實驗兩門課組成，課程設計的初衷是讓學生通過理論研究和實驗觀察的方法，抽象邏輯思維和直觀的方法來學習物理，二者相輔相成，互相促進，兩者同等重要，不可偏廢.達到培養學生邏輯思維能力、動手能力和觀察能力的目的.但現實情況是，盡管理論課與實驗課的基本內容保持大體一致，但由于是兩門課，同時由于實驗條件的限制，理論與實驗很難保持同步，往往會出現這樣的情況，理論課講的是力學內容，物理實驗課上做的是光學內容，這樣學生很難用學到的理論知識去指導實驗以及通過實驗來驗證和總結物理規律.學生在理論課上還是埋頭死記一些物理公式和定義，感到物理課非常抽象、枯燥、難以學懂，而在實驗課上，由于對有關的物理理論大都已淡忘，有的甚至根本還沒學，因此只是按照規定的操作流程記錄一些數據來完成實驗報告，實驗過程中為什么這樣做，通過實驗獲取什么、鍛煉什么、甚至實驗的目的都不是很清楚.理論與實驗起不到相輔相成，互相促進的作用.

2 理論與實驗有機的結合

為了解決傳統教學中的問題，首先我們將普通物理與物理實驗整合為一門課：“大學物理及實驗”，使理論教學與實驗教學保持同步，教學過程中理論與實驗穿插進行.課堂上講解有關實驗的原理、實驗的目的等，在實驗中讓學生體會和注意有關的實驗現象說明哪些物理規律，達到培養學生觀察問題、思考問題和解決問題的能力.例如，在力學中，結合物體的受力分析我們要做“用拉脫法測液體的表面張力系數”實驗，首先在課堂上講解液體的表面張力，實驗的基本原理以及實驗中有關圓環的受力情況，提請學生們在實驗過程中，注意觀察表征液體表面張力大小的物理量是如何變化的.實驗過程中，會發現表征力大小的電壓逐漸增加，到最大值后再減小，然后在某個值下突變.結合該實驗現象，首先讓學生們思考，液體的表面張力是最大值還是突變前瞬間的值，然后告訴學生對該問題現有兩種解釋，一是由于圓環不是水平的，造成液面部分脫落，所以應該讀取最大值.另一是液面是突然破裂，由于環上的水逐漸滑落引起的力由最大值逐漸減小，然后讓學生給出自己的觀點，并通過實驗數據和理論進行證明，將有關內容體現在實驗報告中.努力做到用理論指導實驗同時通過實驗進一步加深對理論的理解.

3 課程教學中貫穿CDIO理念

CDIO改革的三個總體目標是要把學生培養成能夠掌握深厚的技術基礎知識；領導新產品和新系統的開發和運行；理解技術的研究與發展對社會的重要性和戰略影響.在課程教學中，結合實驗讓同學們把每一個實驗當作CDIO的一個項目來進行學習，做到在理論課堂上完成C（conceive思考），課下完成D（design設計），在實驗室完成I（implement實施）和 O（Operate運行）.例如，在電磁學中結合霍爾效應我們要做“霍爾效應及霍爾元件基本參數的測量”實驗，首先在理論課上講解完霍爾效應，讓學生們思考霍爾效應有什么用？如何利用霍爾效應測量有關的物理參數？布置課下作業讓學生設計霍爾元件基本參數的測量裝置，然后在實驗室只對學生講解各個分立儀器設備的作用，整個實驗如何操作，如何進行由學生根據自己的設計去實施，整個實驗運行的結果體現在實驗報告中.這樣通過一個具體的普物實驗，讓學生體會CDIO每一步所包含的內容，使學生CDIO的能力得到不斷地鍛煉和提高.

4 課程教學中注意培養學生的團結協作能力和表達能力

CDIO教學的培養目標之一是要培養學生的團結協作能力和表達能力，教學過程中我們有意識地將一些思考題或項目以作業的形式讓學生以宿舍為單位，課下進行充分的討論和論證，然后每個宿舍推舉一個同學在課堂上進行表述.例如，在電磁學中，講解霍爾效應和電磁感應的內容后，我們布置的項目是用什么物理原理去測量磁場，并設計相應的實驗裝置，我們發現，學生學了有關的物理知識，如何去用，如何根據相應的物理原理設計實驗裝置，開始是很欠缺的，需要不斷引導和反復訓練.通過宿舍內同學之間的討論，同學們思考問題的不同方式，開闊了思路，增強同學之間團結協作能力，同時也鍛煉了表達能力.

5 基于CDIO的教學模式改革

傳統的物理課側重培養學生掌握系統的基礎知識，往往忽略了培養學生在領導新產品和新系統的開發和運行上的能力，這也是CDIO改革希望達到的目標之一.傳統教學模式，重點放在被動的信息傳遞上，而沒有放在讓學生更多地從事操作、運用、分析和判斷概念上.加之課程概念抽象、公式繁雜，這樣的教學模式很難取得好的教學效果.

傳統的普通物理實驗中驗證性實驗所占比例較大，與產品設計、企業生產等實際的工程環境幾乎沒有聯系，這使得學生在本來最方便獲取工程經驗的環節反而收獲甚少.此外，更重要的是沒能將個人能力、職業能力、素質、團隊工作和交流能力等一系列綜合能力的培養融于課程中.

CDIO改革的三個總體目標是把學生培養成能夠掌握深厚的技術基礎知識；領導新產品和新系統的開發和運行；理解技術的研究與發展對社會的重要性和戰略影響.據此，“大學物理與實驗”課程體系改革必須考慮一體化課程的構建.制訂一體化課程計劃，首先向學生闡明該學科與其他學科知識的聯系，讓學生認識到物理知識與其他各種學科知識是相互支持的；其次在課程學習中，將個人的交流能力以及產品、過程和系統建造能力的培養看作這個課程計劃不可分割的一部分.

無論理論教學還是實驗教學，目的是希望學生通過該課程的學習應學到相應的知識和具備一定的應用能力.理論教學不應該是簡單枯燥的“填鴨”，而應該是基于主動經驗學習方法的教與學.例如“大學物理及實驗”課程中關于光的波動性、光的波長、光的干涉、衍射等光的特性的學習，學生很難根據公式來深刻理解.但是如果我們采用以下過程，學生一定會有領悟.課前準備：教師提出與相應概念有關的一個典型工程案例，學生查找相關概念的資料；課上教師講授，學生分組討論或辯論；課后實踐：也可以自己設計實驗方案來驗證有關概念，最后才是學生做課后計算作業.該過程就是一個主動學習的過程，讓學生致力于對問題的思考和解決.這個認知的過程不僅有助于提升學生的學習能力，取得良好的學習效果，而且可以幫助學生培養批判性思維能力和養成終身學習能力.教學過程中把教學的重點放在物理原理和物理知識的應用上，簡化有關物理原理和公式的推導，精心設計有關的題目或項目，充分發揮學生的創新思維，強調在實際環境中制造產品和實現設計，讓學生有機會把所學到的理論知識和專業興趣聯系起來.例如讓學生設計測試方案，確定勻強磁場和交變磁場的實驗，該項目作為課程內實驗雖有相關內容，但學生必須了解同樣是測量磁場，不同性質的磁場，其測量方法是不同的，所用物理原理也不同，學生可以首先自主設計測試方案，以宿舍為單位進行交流和論證，然后到實驗室進行測試，最終上交書面報告.該報告并非只是測試結果，而是完整的方案解決報告.可以選擇項目成績好的學生制作PPT進行全班的交流.逐漸培養個人工程推理和解決問題的能力、系統思維能力、創造性思維能力以及人際交流等等.

6 結語

“大學物理及實驗”課程教學效果對于電子信息專業學生的培養十分重要，本文基于CDIO工程教育模式，探討了該課程教學改革的幾個重要問題，希望對以后的教學實踐具有一定意義.文中有不當之處懇請專家和同行指正，在今后的教學思考和實踐中進一步完善.

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［4］ 陶東香，郭龍.以應用為主線改革《微波技術與天線》課堂教學［J］.高校講壇，2008，（10）：108

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2011－11－04）