基于CDIO模式的大学物理实验的教学改革实践_大学物理实验教学改革
基于CDIO模式的大学物理实验的教学改革实践由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“大学物理实验教学改革”。
基于CDIO模式的大学物理实验的教学改革实践
刘崇进* 贝承训** 彭传正* 周晓明** 林春景*
* 广东白云学院 **华南理工大学
内容摘要：根据CDIO模式，为了培养学生解决实际问题的能力、交流沟通能力和团队合作精神，对大学物理实验课进行了新的教学设计。通过“磁阻效应的测量”实验的教学实践，结果显示，取得较好的教学效果。
关键词：CDIO模式，大学物理实验，教学改革，教学效果 0．引言
从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元资助，经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育模式，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。根据产品或工程项目从研发到运行服务的四个生命周期阶段，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），形成了CDIO 工程教育改革的理念[1-3]。CDIO工程教育理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的CDIO教学大纲、以及全面实施以及检验测评的12条标准，由此形成了工程教育的CDIO模式。采用CDIO教学大纲，按CDIO工程教育模式培养的学生，深受社会与企业欢迎。
CDIO教学大纲中指出，大学物理是工科各专业必备的基础科学的学科，麻省理工大学（Maachusetts Institute of Technology）各工科中必备的基础科学学科都包括了大学物理，而大学物理实验是大学物理必不可少的重要组成部分。CDIO的12条标准中，第6条标准明确指出，实践场所和实验室不仅是动手实践学习的地方，而且是学习科学知识和培养团队精神的场所。CDIO教学大纲中个人能力和素质的要求中，强调了实验的探索和知识发现。早在2007年，Christopher Teoh 和Nhut Tan Ho等人，根据CDIO模式，采用积极主动的教学方法进行实验教学改革 [4-5]。2010年，我国的江楠和孙志刚等人采用了CDIO模式，进行了电磁学实验的教学改革 [6]。我们根据CDIO模式，参考他们的实验教学方法，进行了大学物理实验课的创新性设计，并通过“磁阻效应的测量”实验教学的实践，取得了比较好的教学效果。
2.根据CDIO模式的大学物理实验课的教学方法分析
在大学物理实验课的传统教学中，不论是证实性的实验，还是综合性的实验，或者设计性的实验，首先用大量的原理介绍来引导学生入门，再根据实验的要求，来完成实验。学生做完实验后，获得了一定的知识，但学生的创造力和能动性没有充分发挥，学生的交流沟通能力和团队合作精神也没有得应有的提升。可以说，传统的大学物理实验课教学培养的是“知识型学生”。如何把“知识型学生”转化为“创造型的学生”，进而培养具备一定专业知识技能和较好综合素质的创新型学生，使他们具备较强的团队协作精神，这是目前理工类高校迫切需要解决的问题，而CDIO教育模式是解决该问题的重要途径[7]。
CDIO模式的特点就是构建一体化的教学和学习计划，采用“做中学”项目学习方法[7]，要求学生分工合作，密切配合，完成该项目，以便培养学生应用基础知识解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神等。把“做中学”项目学习方式应用到“大学物理实验”课程，使这门传统的实验课融合经典和现代的教学方法，从而更好地培养学生的良好个人素质和综合能力，即培养学生应用基础知识解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神等
“做中学”项目学习方法（Learning By Doing，Learning By Using and Learning By Thinking）是根据项目的生命周期阶段：构思、设计、实现和运作，鼓励学生自己动手查找资料和阅读资料，分组讨论研究等方式，解决从构思设计项目到实现完成项目遇到的困难和问题。因此，“做中学”项目学习方法，学生在做的过程中学习，提高了自身的学习积极性和主动性，学生本身的个人素质和综合能力也得到了有效提升。
学生的项目学习方式相对应的是教师的项目教学方法，该方法主要是在设计项目时，让每个学生做项目中感兴趣的部分，分工合作，共同完成项目。Karsten H.Clement等人在构建一体化的实验课教学计划时，把一个具体的实验，作为一个项目来处理[8]。因此，我们在构建大学物理实验教学计划时，也把一个具体的大学物理实验作为一个项目来处理，实验教学中除了采用传统讲授知识的方法和现代化教学方式如电子化的多媒体教学方式外，还采用“做中学”的项目教学方法，以便提高学生的学习积极性和主动性。
3.根据CDIO模式的大学物理实验课的教学设计
传统的大学物理实验的教学设计首先是介绍大量的原理，然后根据实验的性质如是否证实性的，还是综合性的或者设计性的实验，来具体地设计实验的目的和内容等，学生根据实验的目的和内容来完成实验。设计基于CDIO模式的大学物理实验的教学，就是构建基于CDIO模式的大学物理实验的一体化教学计划，把一个具体的大学物理实验作为一个项目处理。根据项目的四个生命周期阶段，构思和设计具体实验目的、实验内容和实验过程，使学生应用“做中学”项目学习方法，在实验中能获得有效的知识和能力；实现和和完成实验后，能有效地培养学生应用基础知识解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神等。
大学物理实验课一般在大学一年级的第二学期和二年级的第一学期开设，学生进入大学不久，正在拓展知识和能力，学生一般还不具备全盘设计实验目的和内容的能力。因此，设计一个具体的大学物理实验教学计划时，应该循序渐进，使学生较好地学习物理实验知识、方法和技能，了解科学实验的主要过程与基本方法，为今后的专业知识学习和工作奠定良好的基础。重要的是，要把“做中学”的项目教学方法融入到大学物理实验课中。教师在设计具体的物理实验内容时，要预留灵活的空间，以便学生采用“做中学”的项目学习方法，分工合作，主动讨论，在“做中学”的过程中进行实验的探索和知识发现。
根据上面的分析，考虑到大学一年级的学生正在拓展知识和能力，根据循序渐进的原则，需要教师构思和设计一个具体实验目的和内容。图1是基于CDIO模式的大学物理实验的教学设计流程，从图1中可以看出，教师在设计实验内容时预留灵活的空间，学生在实现和完成实验过程中，能应用“做中学”项目学习方法，做实验中感兴趣的部分，分工合作，主动讨论，共同完成实验。图1 基于CDIO模式的大学物理实验的教学设计流程
4.基于CDIO模式的 “磁阻效应的测量”实验的教学设计和实践
基于CDIO模式的大学物理实验的教学设计，对于一年级的大学生来说，重点是考虑他们的知识和能力特点，他们不需要设计实验目的和实验内容。从图1可以看出，在设计具体的物理实验内容时，要预留灵活的空间，让学生能应用“学中做”的项目学习方法做实验，学生在实现和运作的周期阶段，即在做实验的过程中，能分工合作，主动讨论，进行实验的探索和知识发现，从而有效地培养学生应用基础知识解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神。
下面，对“磁阻效应的测量”实验进行基于CDIO模式的实验教学设计和实践。构建该实验教学计划的实验内容，预留的灵活空间是：在测量锑化铟磁阻元件的电阻随磁场变化的数据[9]时，要求测量从零到最大的磁场对应的电阻变化数据，再计算磁阻元件的电阻值的相对变化量，用作图的方法验证磁阻元件的电阻相对变化量与磁场的平方成正比，正如实验书上实验内容所述。
同学们实验时，分成三人一组。一人看书，根据实验要求指出调节磁场的大小，并监视；另一人动手调节磁场；第三人记录数据。三人分工合作，进行实验。当磁场调到最大，不能再调大时，就完成了数据测量。用作图的方法验证实验结论：磁阻元件的电阻相对变化量与磁场的平方成正比。同学们根据数据作好图，如图2所示，然后进行分组分析讨论，进行实验的探索和知识发现。
C对变化量 磁敏元件电阻的相0.40.30.20.10.0050100***0磁感应强度/mT
图2 磁阻元件的电阻相对变化量与磁场的变化关系
学生分组分析讨论后，从图中发现了实验结论不完全正确，即磁阻元件的电阻相对变化量与0∽250mT范围的磁场的平方不成正比。这时候，学生主动学习的积极性发挥出来，讨论热烈。学生通过进一步分析讨论，得出了正确的结论：磁阻元件的电阻相对变化量与0∽80mT范围内的磁场的平方成正比，与80mT∽300mT范围内的磁场成线性关系。学生经过这样的分组合作做实验，经过讨论，获得新的结论，有效地培养学生应用基础知识解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神，取得了较好的教学效果。5.结论
参考国内外基于CDIO模式的实验教学改革，够建了基于CDIO模式的大学物理实验的一体化教学计划，把一个具体的大学物理实验作为一个项目处理，并进行了“磁阻效应的测量”实验的教学设计和实践，获得了有益的结论：
（1）把一个具体的大学物理实验作为一个项目处理，教师采用“做中学”项目教学方法指导实验，学生采用“做中学”项目学习方法做实验；
（2）教师设计实验目的和实验内容时，实验内容要预留灵活的空间，以便学生进行实验的探索和知识发现；
（3）在设计实验过程中学生能分工合作，主动讨论，共同完成实验（4）学生在讨论完后，能得出更全面更正确的实验结论。
（5）基于CDIO模式“磁阻效应的测量”实验的教学实践的结果表明，有效地培养了学生解决实际问题的能力、交流沟通的能力和团队合作精神，取得了比较好的实验教学效果。
致谢：本文是由广东省高教协会资助的课题（项目号：协会109号），本文的完成得到了广东白云学院和华南理工大学实验室的大力支持。故作者特别感谢广东省高教协会、广东白云学院和华南理工大学实验室的领导和同仁。
参考文献：
［1］ David W.Miller, Doris R.Brodeur.The CDIO Capstone Course: An Innovation in Undergraduate Systems Engineering Education.Proceedings of the 2002 American Society for Engineering Education Annual Conference and Exposition Copyright © 2002, American Society for Engineering Education [2］ 顾佩华，陆小华。《CDIO工作坊手册》，汕头大学出版社。2008年12月第一版(ISBN：978-7-881120-593-0)：8-9.[3] John Bankei, Kall-fredrik Berggren et al.Benchmarking Engineering Curricula with the CDIO Syllabus, Int.J.Engineering Education, Vol.21, No.1(2005),121-133 [4] Christopher Teoh, Au Siew Hong, Peh King Sing et al.AN INTEGRATED APPROACH TO TEACHING FIRST YEARDIPLOMA IN BIOELECTRONICS, Proceedings of the 3rd International CDIO Conference, MIT, Cambridge, Maachusetts, USA, June 11-14, 2007 [5] Nhut Tan Ho，A Framework for Improving Learning and Retention in a Diverse Student Population，Proceedings of the 2007 American Society for Engineering Education Pacific Southwest Annual Conference（2007）
[6] 江楠，孙志刚，赵海龙。CDIO理论在《电工学》实验教学改革中的应用。科技信息，2010年第23期
[7] 王亚良，张烨，陈勇等。基于CDIO的实验项目开发与实践。实验技术与管理，2010年02期：119-121
[8] Karsten H.Clement , Pernille Harris and Yvonne Agers.CDIO Projects in DTU’s Chemical and Biochemical B.Eng.Study Program, Proceedings of the 7th International CDIO Conference, Technical University of Denmark, Copenhagen, June 20-23, 2011 [9] 吴扬，娄捷，陆申龙。锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究。《物理实验》2001年第10期：46-48 Practice and Innovation of College Physics Experiment Based on CDIO Model Chongjin Liu* Chengxun Bei** Chuanzheng Peng* Xiaoming Zhou** Chunjing Lin* *Guangdong Baiyun University **South China University of Technology Abstract： Teaching Design of college physics experiment is elaborated based on CDIO model so that the students can solve the practical iues and communicate and do teamwork efficiently.“Measurement of the magnetoresistance”experiment results show that the good teaching effects are achieved though the CDIO teaching method
Keywords：CDIO Model，Experiment of College Physics，Innovation，teaching effect
作者简介：刘崇进，在华南理工大学获得博士学位和副教授职位，在多伦多大学做过博士后研究工作，现任广东白云学院电子信息工程系副教授。
刘崇进的通讯地址：我的通信地址是： 广州白云区江高镇学苑路1号 广东白云学院电子系刘崇进
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