基于CDIO理念的“新工科”《測控總線與虛擬儀器》教學改革探索

劉永明 趙轉哲 張振 陳玉

摘? 要：CDIO理念是麻省理工學院和瑞典皇家工學院等國際知名大學依托產品研發全過程創立的全新的工程教育理念;“新工科”建設以培養具備品行、知識、能力和思維的工程領導人才為目標。結合CDIO工程教育的創新教育理念和“新工科”培養目標，探索構建基于CDIO理念的“新工科”《測控總線與虛擬儀器》的教學改革，主要從課程體系、教學模式、師資力量和評估方法等方面著手，將CDIO滲透到課堂教學和課后實踐之中，以達到培養創新型工程科技人才的目的，為工科院校的創新型人才培養提供一種新思路。

關鍵詞：教學改革? CDIO理念? 新工科? 測控總線

中圖分類號：TP311.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0208-04

Teaching Reform on Instrument Bus and Virtual Instrument for "New Engineering" Based on CDIO

LIU Yongming? ZHAO Zhuanzhe? ZHANG Zhen? ?CHEN Yu

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu， Anhui Province， 241000? China）

Abstract： The CDIO concept is a brand-new engineering education concept created by famous international universities such as MIT and KTH Royal Institute of Technology based on the whole process of product development. The construction of "New Engineering" aims at cultivating engineering leaders with moral character， knowledge， ability and thinking. Combined with the innovative Engineering education concept of CDIO and "New Engineering" training objectives， the new teaching mode on instrument bus and virtual instrument for "New Engineering" is put forward in this paper. The CDIO concept is infiltrated into classroom teaching and after-school practice mainly from the aspects of curriculum system， teaching mode， teacher strength and evaluation methods， etc.， so as to achieve the purpose of cultivating innovative engineering science and technology talents. It will provides a new way of thinking for engineering colleges.

Key Words： Teaching reform; CDIO concept; New Engineering; Instrument bus

《測控總線與虛擬儀器》是一門面向21世紀、反映現代測試和控制技術水平的專業課，該課程以常用的儀器儀表總線知識為核心，結合虛擬儀器技術，致力于構建面向企業和生產現場實際需求的測控系統，側重培養學生的專業實踐動手能力，為學生畢業后從事測控領域及相關領域的工程技術工作、科學研究打下堅實基礎。作為測控技術與儀器專業的主干課程，對于整個專業的后續知識學習起到了承前啟后的重要作用，但在多年的實際教學過程中，發現該課程采用傳統的教學方式存在著一些問題，如內容陳舊、輕實踐重理論等問題，與學校、專業的培養定位不完全重合，因此，本文嘗試將CDIO理念和“新工科”培養目標融入到該課程的教學改革中，為培養既滿足國家戰略需求，滿足學生個人成長需求做了一些初步探索。

1? 目前存在的問題

1.1 教學內容更新不及時，教學方法沒有創新

有些教學的內容陳舊過時，如STD總線、EISA總線、GPIB總線技術等，這些內容雖然在一定時期內被工業界廣泛應用，但隨著時代和科技的發展，這些技術已慢慢沒落且逐漸被淘汰或者邊緣化，沒有及時把工 業界的目前主流技術進行更新補充;課程講授采用傳統的填鴨式教學，沒有跟上時代的發展步伐，教師不知疲倦地主動灌輸、學生麻木地被動接受的方式，忽略了學生作為主體的學習特點，從而造成學生學習積極性不高，厭課情緒嚴重。

1.2 理論與實踐脫節，重理論輕實踐

理論教學與實踐教學的學時比例為9：1，使得學生課下實踐操作動手的時間不足，實操動手能力弱，對于講過的理論知識沒有充分理解，談不上融會貫通，學生在極其有限的實驗課上，相互之間不能充分交流和溝通，談不上團隊協作。雖然掌握了儀表總線和虛擬儀器的基本理論，但缺乏對測控系統整體性理解的過程和實踐環節，因此并不能從系統的觀點深刻理解測控過程中各個子系統、子模塊的相互關系，對實際測控系統開發能力存在嚴重不足，不能滿足現代企業對人才的需求。

1.3 期末考試“一錘定音”的考核方式不合理

大部分課程均采用期末考試成績作為最終衡量學生對這門知識的掌握程度，使得部分學生出現平時不努力，考前抱佛腳現象，從而導致“高分低能”現象出現，或者真正平時注重實踐、動手能力強的學生可能由于考試發揮問題而出現不及格現象，嚴重打擊學生的積極性。

2? CDIO和“新工科”的教學理念

CDIO是Conceive-Design-Implement-Operate這4個英語單詞的首字母縮寫，意為構思、設計、實現、運作，是由美國麻省理工學院和瑞典3所知名工科高校在2000年合作開發的工程教育模型[1]，以產品的研發到運行的生命周期為載體，以工程項目為教學對象，通過“做中學”等方式，讓學生以主動的、實踐的、團隊協作的方式學習工程理論、技術與經驗[2]，全面提升學生的專業知識、綜合素質和創新精神，以滿足社會對創新型高級工程技術人才的需求。

2005年，CDIO的教育理念被我國高校重視，汕頭大學工學院帶頭學習研討CDIO工程教育模式并在一些課程中加以實施[3]，引起轟動，起到了很好的示范作用。目前已有多個工科高校（包括清華大學、上海交通大學、華中科技大學等）和職業學院將CDIO的工程教育理念應用于課程的教學或課程設計等之類的實踐類課程之中，均取得了不錯的教學效果[4-9]。

“新工科”建設理念形成于2017年的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，是一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃。“新工科”建設以培養具備品行、知識、能力和思維的工程領導人才為目標[10-13]。由“新工科”建設引發的我國工程教育模式創新，既需要滿足國家戰略需求，又需要滿足學生個人成長需求。由此可見，CDIO教育模式和“新工科”建設都在綜合素質上對工程人才提出了更高的要求。

3? 教學改革探索

根據測控技術與儀器專業以及我校的“具備設計師設計能力和工程師的動手能力”的人才培養定位課題組全體成員以項目為依托，結合“做中學”的CDIO工程教育理念，對《測控總線與虛擬儀器》的傳統教學模式進行一些改革探索。

3.1 基于CDIO工程理念的課程結構調整

根據本學科最新發展動態，及時更新教學大綱，對教學內容進行合理的篩選、補充、更新和重組、完善，如刪去STD、RS-422、PC104等總線內容，略講RS-232C、IEEE1394、ISA等總線技術，增加USB3.0、CAN總線、DeviceNet、藍牙技術等技術，重組PCI總線技術和虛擬儀器技術，使教學內容既能保持本學科核心知識不變，又能與時俱進不落伍，優化重組學時分配，使教學結構同時又符合學生認知發展規律的邏輯結構。

3.2 基于CDIO工程理念的教學方法的改革

堅決拒絕填鴨式傳統教學方式，以CDIO工程教育理念為指導，采用“互動研討”的教學模式。以學生為主體，讓學生主動表達，打破傳統的班級整體上課方式，以項目小組的方式進行分組交流，在積極探討交流中學習，在研討過程中豐富學生的知識和提高自身的能力，因材施教，側重培養學生自主思維、發散思維，授學生以漁而非魚。

3.3 基于CDIO工程理念的項目實踐教學改革

根據《測控總線與虛擬儀器》所涉及的內容，將本學科教師的科研項目進行合理分解，化整為零，作為學生的實驗項目，使學生可以及時了解到學科的最新研究動向，開闊視野，了解書本以外的工程實際問題，以此培養學生的創新精神和實踐能力，提高學生理論與實際實踐相結合的貼合度，培養學生的工程意識、專業素質，以及創新精神和實踐能力。截至目前，我們已成功地形成了將近30個不同類型的、適合學生做的實驗項目（如RV減速器動態性能測試平臺設計、智能小車控制裝置設計、無線溫度數據采集與傳送裝置設計、手持式環境測試儀設計、群體機器人踢足球設計、基于CDMA的無線圖像監控終端設計、USB數據采集系統、超低頻虛擬信號發生器、防盜防撞監視儀器、智能行駛速度限制器等）作為學生的產品設計，使他們的思想、知識在實踐中得到應用和升華，極大地提高了學生學習的成就感和榮譽感。

3.4 基于CDIO模式的高素質教師隊伍的建設

高等工科院校普遍存在著教師缺乏工程實踐訓練和創新意識不足的問題，因此，根據CDIO的教育理念，必須加強教師工程能力。目前，本課題組授課教師要求至少有一年的企業實際掛職鍛煉經歷，參加過工程實踐項目的實際鍛煉，真正解決高學歷教師實踐經驗缺乏的問題，從而能夠更好地指導學生進行項目設計和創作，帶領學生在工程實踐訓練中，能力真正得到提高。

3.5 基于“新工科”思政育人的思想建設的培養目標

CDIO 教育模式下的測控總線及虛擬儀器教學應立足理論教學和能力培養的基礎上，挖掘課程中蘊含的思政元素，將思政教育融入課堂教學之中，強化文化自信，培養學生對外講好中國故事的能力，重視品格塑造，實現思政育人。服務“新工科”建設的測控總線及虛擬儀器教學還應注重“工匠精神”的培養。“工匠精神”培養不僅使學生具有較強的工程知識和技能，而且還使其具有專注細致、精益求精的職業精神。

3.6 基于CDIO的課程考核方法

側重過程而不是最終結果，也是CDIO理念的一部分。因此，我們把評定該課程的內容分為3個部分，除繼續保留平時成績和理論課考試外，把以前的實驗部分學時增大，由原來的4學時變成現在的20學時，內容變成學生作品展示部分，要求4～5個不同特長的學生自由組合，根據自身興趣和特點，形成不同任務的項目小組，同時把各部分的權重進行重新優化，具體如表1所示。多元化的成績構成，可以有效地克服傳統考試成績評價的弊端，把創新型人才應具備的思維、知識、能力、個性、協作等各方面的要素納入評價體系，以形成一種引導、激勵學生德、智、體全面發展和創新素質全面提升的發展性評價體系。

4? 結語

測控技術與儀器專業是我校的特色專業之一，對全校專業培養有著引領作用，經過近年來的一系列基于CDIO理念的改進和探索，在《測控總線及虛擬儀器》這門課程中已初步獲得了一些成果，基本達到了培養創新型工程科技人才的目的，為工科院校的創新型人才培養提供一種新思路。

參考文獻

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