基于CDIO理念的研究生實踐教學體系的構建

喬建華　李素月　張雄　文新宇　上官宏

［摘 要］針對新工科背景下研究生實踐教學體系不完善問題，課題組構建了基于CDIO理念的研究生實踐教學體系框架，包括以學生為主導的實驗教學體系，“雙向奔赴”的產教融合實踐教學體系，以競賽和項目驅動的實戰教學體系，以實驗隊伍、管理隊伍和協同育人機制組成的質量保障體系，以及由教師、學生、企業共同評價形成的全方位評價體系，以期利用學校和企業等多方資源，培養學生的創新實踐能力和解決工程實際問題能力，為社會提供卓越的新工科人才。

［關鍵詞］新工科；CDIO；研究生；實踐教學體系；實踐基地；課程實驗

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）15-0075-03

2017年教育部發布《新工科研究與實踐項目指南》，它不僅要求學生熟練地掌握基礎的理論知識，而且要求其具有較強的動手能力和實踐能力[1]。目前，由于高校招生規模不斷擴大，研究生培養體系與社會需求有所脫節，導致部分研究生解決工程實際問題能力較差、創新實踐能力不足等問題比較突出。部分高校側重理論教學，忽視實踐教學，實踐課時有限，內容單一；缺少實踐基地和有效指導；研究生實踐環節評價機制不完善，實踐教學離新工科建設的目標要求還有較大差距。而電子信息領域的工程問題一般都具有交叉融合技術的特點，對研究生解決工程實際問題能力和技術創新能力的要求更高。因此，構建研究生實踐教學體系、提升研究生的實踐能力成為研究生教育中亟須解決的問題。

當前，學界從實驗開發平臺的設計[2]、實踐基地的創建[3]、實踐隊伍的建設[4]、培養模式[5-6]等方面進行了探索和實踐。在新工科背景下，本文提出基于CDIO理念的研究生實踐教學體系，以期培養全面發展的新工科人才。CDIO是國際工程教育改革的最新成果，其包含了構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）[7]，目前已廣泛地應用于全球高校的工程教育領域。構思是指確定系統目標和要求，定義系統功能和結構，以及進行系統建模；設計是通過跨學科、綜合利用所學知識分期設計系統各功能模塊；實施是將設計的軟硬件具體制造完成并進行測試或驗證；運行是指產品進入運營，以及進一步的優化或改進，同時進行運行管理。CDIO理念以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程知識。基于CDIO理念的培養大綱將工程專業畢業生的能力以逐級細化的方式表達出來，使工程教育改革具有明確的方向性、系統性。

新工科背景下基于CDIO理念的研究生實踐教學體系的構建與改革是一項復雜的系統工程，也是當前新工科研究生教育改革的主要方向，符合當前社會對人才培養和科學研究的要求，因而具有重要的現實意義。

一、研究生實踐教學體系框架

研究生實踐教學體系的完整框架包括教學平臺、內容體系、保障體系和評價體系，如圖1所示。教學平臺包含相關的實驗設備和場地，主要以實驗室、工程訓練中心和實踐基地為依托，是實踐教學的基礎平臺。教學內容包括課內課外、校內校外的各類實踐活動。保障體系和評價體系使實踐教學體系形成良性發展態勢。

二、構建基于CDIO理念的研究生實踐教學體系

研究生實踐教學內容體系包括實踐課程和課外實踐。實踐課程是培養方案確定的課程內容，包括課程實驗、綜合實驗和專業實踐。課程實驗和綜合實驗在校內實驗室平臺完成，專業實踐通常在校外實踐基地完成。課外實踐主要是指學生參加競賽，及申報或參與項目。課題組針對不同的實踐內容采用不同的教學模式。

（一）以學生為主導的實驗教學體系構建

由于學生已經具備一定的理論基礎，校內的實驗環節即課程實驗和綜合實驗，主要由學生來主導完成。基于CDIO理念的實驗教學與傳統教學有所區別。

1.基于CDIO理念的課程實驗教學

大多數的專業課程都有相應的課程實驗，從教師提出實驗目的和實驗要求開始，接下來的任務都要由學生來構思、設計、實施、運行。現以研究生課程物聯網技術中的“基于CC2530的無線點燈實驗”為例進行講解。

這是一個設計類實驗，實驗過程可分為四步。第一步，學生根據實驗要求進行分析和構思，明確系統功能要求，確定實現每項功能需要的模塊結構，并繪制出系統的總體結構圖。第二步，開始設計，根據各功能模塊選擇器件或芯片，繪制電路原理圖和程序流程圖。第三步，動手實施，完成硬件制作和程序編制，并調試通過。第四步，運行和完善，進一步優化系統，并進行操作演示，完成答辯。課程實驗的整體過程如圖2所示。

2.基于CDIO理念的綜合實驗教學

綜合實驗是綜合多門課程知識完成的實驗，系統培養學生實驗設計、實驗操作、實驗分析的能力，以及綜合應用知識的能力，為以后進行獨立的科學研究奠定基礎。綜合實驗通常包含數個實驗，在一個學期內完成，覆蓋對應專業領域的基本過程、基本原理和方法。有了課程實驗的基礎，綜合實驗環節也可由學生主導完成，單個實驗可根據課程實驗的流程來做。例如信息與通信工程學科的研究生綜合實驗，執行過程如圖3所示。

（二）“雙向奔赴”的產教融合實踐教學體系構建

研究生課程體系中的專業實踐是與企業聯合創建各類實踐基地，并由企業技術人員指導開展實踐活動，主要培養學生在生產實踐中解決實際工程問題的能力和對理論知識的轉化、應用能力。通過聯合共建實踐基地，學校與企業加強了聯系和合作，更加了解社會對學生能力的要求，也就更容易培養出適應社會需求的新工科人才。產教融合專業實踐主要包括以下三個方面：一是企業聯合創建各類實踐基地；二是通過企業專家的技術指導，培養學生在生產實踐中解決實際問題的能力；三是讓學生參與完成根據企業需求擬定的項目。

（三）以競賽和項目驅動的實戰教學體系構建

構建以競賽和項目驅動的實戰教學體系，培養并鼓勵學生參加各類科技競賽、學術活動，申報或參與科研項目，提升學生的知識應用能力、理論創新能力和工程實踐能力。

基于CDIO理念的競賽或項目執行可以參照綜合實驗的流程，引導學生設計更加可行的解決方案與操作步驟，指導學生分階段分配任務，厘清各個環節的目標和要點，以便分工合作和檢查錯誤，而競賽的成績也能讓學生看出自己存在的問題和差距，從而激勵學生進步。

（四）實踐教學保障體系構建

實踐教學的良好發展必須依靠實踐教學保障體系，包括實驗教師隊伍、管理督導隊伍及協同育人保障機制。

1.實驗教師隊伍保障機制

實驗教師應定期維護實驗設備，熟悉實驗流程，熟練使用實驗儀器，要在實驗中指導學生，幫助學生解決問題，并根據實際情況開發設計滿足實驗要求的實驗平臺。

2.管理督導隊伍保障機制

管理督導隊伍制定實踐教學保障條例，包括實驗操作規則、實驗室安全行為規則、督導職責、實踐活動人員的協調職責等，維護并保障實踐環節的順利進行。

3.協同育人保障機制

實施協同育人機制，與企業方簽訂協同育人合作協議，邀請企業方參與指導學生的實踐、研究生研究課題的開展，規定期限與職責，保障協同育人項目順利完成。

（五）全方位評價體系構建

評價機制對教學和學習過程起到重要的引導作用，因此其必須具有合理性、前瞻性及多元化，不能與科研前沿和社會需求脫節。

評價方式包括教師評價、學生評價（自評和互評）、合作單位評價和用人單位評價。例如，課程實驗是學生接觸的第一類實踐環節，主要由教師進行評價，讓學生了解評價的角度和標準。綜合實驗可由教師和學生共同評價，可設置教師評價占40%、學生自評占30%、學生互評占30%，從而發揮學生的積極性和能動性，提升學生的觀察能力、思考能力和表達能力。專業實踐主要由合作單位或用人單位來評價，學校也可借此了解企業的需求，從而更好地改革教學內容和教學模式。

評價來源包括實驗環節、實踐環節、競賽、參與項目等，允許用競賽成績替代實驗成績，從而使學生能夠專注于問題的研究，而不是局限于拼湊重復的得分。這樣能鼓勵學生參與各類科技活動，充分利用社會各方面的有效資源，使學生能適應社會的不同需求、挖掘自身的潛力、找到自己的定位。

三、基于CDIO理念的研究生實踐教學體系教學成效

基于CDIO理念的研究生實踐教學體系經過多年的建設和實施，取得了良好的教學成效。學生通過在課程實驗和綜合實驗中的操作與展示，既鍛煉了動手能力，又鍛煉了邏輯思維和語言表達能力。學生通過實踐基地的培育，對專業領域的復雜工程問題有了具體的認識，了解了企業的生產狀況，提升了理論知識的轉化、應用能力。同時，企業也能給學校和學生提出新的課題，促進了產學研的進一步發展。學生通過參與競賽和項目，激發了研究興趣，產生了不斷向上攀登的信心和動力。

通過研究生實踐教學，太原科技大學電子信息工程專業在教學研究和科學研究中都有了長足發展，在專業建設、實驗室建設、項目申請、教材建設、課程建設等方面都取得了一系列成果。該專業被評為山西省一流專業。學生接連在“全國大學生嵌入式芯片與系統設計競賽”等賽事中獲得國家級一、二、三等獎，橫向和縱向項目的申請也不斷取得突破。同時，實踐教學的成效反過來也對理論研究等其他方面產生了激勵和促進作用。

四、結語

本文在新工科背景下基于CDIO理念構建了研究生實踐教學體系，在實驗室和實踐基地平臺上，確立了研究生實踐教學的內容體系、保障體系和評價體系，從而使研究生實踐教學體系更健全、內容更全面，保障和評價更可靠，使研究生可以獲取盡可能多的社會資源，接受學校和企業的共同培養，真正將理論知識和工程實際相結合，鍛煉觀察能力和語言表達能力，全面提升發現問題、解決工程實際問題的能力，從而為社會培養具有專業化的、創新實踐能力的新工科人才。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 劉坤，代玉，張志金，等.首批新工科研究與實踐項目指南達成度評價及未來發展研判[J].高等工程教育研究，2021（1）：31-38.

[2］ 黃武煌，葉芃，邱渡裕，等.電子信息類研究生綜合實踐平臺開發與教學設計[J].實驗室研究與探索，2020，39（1）：178-181.

[3］ 朱廣富，吳發紅，蔡中兵.“三全育人”視域下土木類專業學位研究生協同育人共同體構建探索[J].高教學刊，2023，9（5）：80-83.

[4］ 王志國，欒小麗，趙忠蓋，等.控制工程專業學位碩士研究生實踐教學改革模式探索[J/OL].中國教育技術裝備：1-4.[2023-02-26]. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/ 11.4754.T.20221202.1034. 001. html.

[5］ 譚延亮，唐建鋒，莫貽香.“雙一流”背景下地方院校全日制工程碩士研究生實踐創新能力培養體系建設探討[J].高教學刊，2022，8（22）：38-41.

[6］ 劉寶，陳鴻龍.面向新工科的研究生創新能力培養體系構建[J].實驗室研究與探索，2021，40（3）：199-202.

[7］ 白琳，潘曉英，王燕.面向研究生創新實踐能力培養的TP+CDIO教學模式：以計算機視覺課程為例[J].軟件導刊，2022，21（11）：221-225.

［責任編輯：鐘 嵐］