班戈 賈磊

摘? 要 基于CDIO理念，提出更適合低年級學生工程思維培養(yǎng)的CDIR教學模式，實施過程采用PBL教學法為載體，鍛煉、培養(yǎng)學生的工程思維，特別是工科生的工程思維，為學生以后的工程實踐服務。以電路課程為例，對學生工程思維能力進行培養(yǎng)，并對培養(yǎng)模式進行總結，為工程思維能力構建和培養(yǎng)及后續(xù)課程的教學提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞 CDIO;CDIR;工程教育;工程思維能力;PBL教學法

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0134-03

1 從CDIO到CDIR

CDIO工程教育模式是以構思（Conceive）、設計（De-sign）、實現(xiàn)（Implement）、運行（Operate）為構成要素的教育[1]，關注的是學生工程思維和工程能力的培養(yǎng)。以CDIO工程教育模式為藍本，延伸出CDIR（R來自Rethink，

反思）的人才培養(yǎng)模式，即“構思—設計—實現(xiàn)—反思”的教學模式，適用于大一至大三年級。該培養(yǎng)模式重在提高學生工程思維的意識和能力，緊密貼合基礎學科教學，注重在教學中增加反思和自構建元素，提高知識的綜合性運用，具體模式如表1所示。對于CDIR教學模式培養(yǎng)工程思維的實踐最有利的載體莫過于PBL教學法。

2 PBL教學法培養(yǎng)工程思維的電路課程實踐

電路課程是電子科學與技術、生物醫(yī)學工程等專業(yè)（甚至其他工科專業(yè)）的一門重要的專業(yè)基礎課，是該專業(yè)學生學習的第一門工科類課程，是一門理論與實踐并重的課程[2]。長期以來，在電路課程的教學實踐中往往更重視理論的完整性和系統(tǒng)性，而較少考慮它對學生解決現(xiàn)實工程問題的思維方法的培養(yǎng)和鍛煉，特別是如何為工程實踐服務的思維[3]。

在電路課程教學中，學生事先學習了大學物理、高等數(shù)學、復變函數(shù)、線性代數(shù)等課程，故具有相關數(shù)理根底和數(shù)理思維方式[4]。與這些思維方式不同，工程思維是價值定向的思維，其核心是解決工程問題，意味著問題的解決方案并不唯一，存在多個不同的完成該任務的設計方案[5]，

需要工程師在眾多因素中突出主要矛盾，忽略次要矛盾。

PBL教學法的特征? PBL（Problem-Based Learning，簡稱PBL）是一套設計學習情境的教學方法，最早起源于20世紀50年代[6]。

1）PBL教學流程。PBL教學流程一般是教師提出問題，學生自主探究，在整個過程中的團隊合作也是不可缺少的。

2）PBL的設計內涵。上課之前，指導教師結合教學內容提出實際或虛擬的電路工程問題或項目，通過課前推送課件、資料等發(fā)布在線上平臺，由班長組織學生自行分組。課上，教師提出該問題或項目，學生以小組為單位進行探討并論述觀點，不足之處由其他學生補充，最后由學生對問題解決方案作小結。PBL教學模式體現(xiàn)了“課堂是靈魂，學生是主體，教師是關鍵”的教學理念，教師“退出”課堂，僅僅成為知識體系構建的推動者[7]。

對于電路課程而言，運用PBL教學法，學生需要綜合運用以前學習過的知識、原理，通過各自的認知方法和技巧，把學科領域內的知識、經(jīng)驗結合環(huán)境實際來解決先前沒有遇到過的問題。

教學過程? 教學過程由案例導入、自主討論探究、總結陳述和自發(fā)遷移學習四部分組成。

1）案例導入，提出問題。提出問題，引起學生注意并激發(fā)學習興趣。以電路課程第四章中的最大功率傳輸定理教學為例，問題：用電器要想從線路中獲得的能量最多，該怎么辦？這個問題緊扣實際應用，能夠馬上引起學生注意，學生很快知會問題意圖，同時表現(xiàn)出解題興趣和求解動機，引發(fā)學生思考。

2）主體討論，自主探究。根據(jù)問題，各組分頭討論。學生會自覺回顧已有知識，從中排查、篩選相關知識、概念、原理，提取有效知識或經(jīng)驗，重構知識，且比較同組其他學生問題解決方法的異同，找出優(yōu)點、缺點，將問題分解成幾個小問題或小目標，選擇相對應的原理、推論解決各個小目標，分別評價問題解決的恰當性。各組方案分別陳述，經(jīng)過比較討論后，學生自然得出典型的切合實際的方法或方案，最終根據(jù)方案步驟，按部實施，歸納問題解決方法、措施、實施路徑并總結效率效果信息。如根據(jù)問題，學生會自動搜索已有儲備知識，包括基爾霍夫電壓、電流定律，戴維寧定理，實際電壓源和電流源的等效變換等知識，提出解決問題的典型思維即搭建電路，但是為了簡化電路，需要應用戴維寧定理。于是問題被分成若干子目標：①選擇可變電阻充當負載;②利用戴維寧定理簡化電路;③利用數(shù)學極值問題計算最大功率。最終確定問題解決的方案，如圖1所示。

負載RL得到的功率為函數(shù)：

對P求導得：

得到當RL=Req時，負載獲得功率最大為：

3）總結陳述。由學生代表闡述問題的特征，根據(jù)問題解決的效率和效果方面的信息，總結有效的問題解決方法或方案，加深學生對問題、方法、知識、原理的認識。通過總結陳述，部分學生發(fā)現(xiàn)用電器要想從線路中獲得的能量最多，這個問題只適用于一端口電路給定，負載電阻可調的情況。于是學生就把最大功率傳輸定理的適用范圍總結出來，而且發(fā)現(xiàn)應用戴維寧定理或諾頓定理計算最大功率問題是最方便的。

4）自發(fā)遷移學習。通過總結陳述，學生肯定了自己提出的解決方法或方案，但會自然地聯(lián)想到當負載獲得功率最大時，是不是意味著電路的傳輸效率為50%？在實驗室搭建線路進行驗證，證實由于一端口等效電阻消耗的功率通常并不等于端口內部消耗的功率，因此，當線路中的負載獲取功率最大時，整個電路的傳輸效率并不一定是50%。通過遷移學習，學生對戴維寧定理和諾頓定理的應用及應用范圍有了更深刻的理解，在這個過程中工程思維也得到有效的鍛煉和提高。

通過上述教學過程，學生的思維能力得到提高，特別是工程思辨思維得到鍛煉，學生在PBL教學過程中的工程思維發(fā)生發(fā)展過程以及在此過程中的CDIR教學模式的體現(xiàn)總結如表2所示。

教學效果分析? 基于CDIO理念的CDIR教育模式在培養(yǎng)工程思維的實踐過程中，通過PBL教學法的運用，特別是在學生學習的第一門工科類課程電路中的應用，能夠極大地調動和活躍學生的思維，跳出傳統(tǒng)灌輸式知識學習模式，使學生多角度思索問題、解決問題，充分應用各種學科知識完成問題的處理。在上述例子中，通過問題的提出引起學生自發(fā)思考，學生提出解決問題的方案不止一個，但對比各個方案，會自己討論并總結哪一個方案更符合和適合實際問題的解決。通過總結陳述，學生總結了此類問題的解決方法或方案，通過自發(fā)遷移學習，發(fā)現(xiàn)定理的適用范圍以及與現(xiàn)實工程實際的關系。在這個過程中，CDIR教學模式不斷在貫穿學生的思維，特別是工程思維得到充分錘煉和進步。同時，采用PBL教學法能夠營造緊張活潑的學習氛圍，在探討和交流過程中，學生對知識的理解和內化在潛移默化地加深，從而繼續(xù)引發(fā)對運用工程處理方案解決實際問題的思考，不斷發(fā)現(xiàn)和解決新的問題。同時，學生的口頭表達能力、終身學習能力等都得到錘煉和提高，為今后盡早成為合格的工程師做好準備。

3 結語

本文基于CDIO理念提出更適合醫(yī)學工程類低年級學生工程思維培養(yǎng)的CDIR教學模式，以PBL教學法為載體，發(fā)掘、鍛煉、培養(yǎng)學生的工程思維特別是工科生的工程思維，為學生以后的工程實踐服務。以電路課程為例，將教學過程分為案例導入、主體討論、總結陳述、自發(fā)遷移學習四個模塊，以問題為驅動，通過學生自主研討，提出典型的切合實際的方法或方案并按部實施，歸納問題解決效率效果方面的信息，從而加深學生對問題、方法、知識、原理的認識。本文總結了學生在PBL教學過程中工程思維的發(fā)生發(fā)展過程，以及CDIR教學模式的貫穿體現(xiàn)，為后續(xù)相關課程教學提供了一定的參考和借鑒。■

參考文獻

[1]孟麗軍，趙靜，張巖俊.基于CDIO的回歸工程教育理念的研究與實踐[J].石家莊鐵道大學學報（社會科學版），

2014（2）：87-90.

[2]于歆杰，朱桂萍，陸文娟.“電路原理”課程教學改革的理念與實踐[J].電氣電子教學學報，2012（1）：1-8.

[3]龔紹文，鄭君里，于歆杰.電路課程的歷史、現(xiàn)狀和前景[J].電氣電子教學學報，2011（6）：5-12，40.

[4]王志軍，毛新宇.電子電路分析設計中的工程思維[J].電氣電子教學學報，2018（2）：76-78，143.

[5]李伯聰.工程與工程思維[J].科學，2014（6）：13-16，4.

[6]陳亞麗，譚琳，楊芳.PBL教學模式在高等數(shù)學教學中的應用研究[J].智庫時代，2019（36）：198-199.

[7]陶小軍，楊靜嫻，徐志立，等.藥理學課程PBL教學模式探索[J].基礎醫(yī)學教育，2014（1）：13-15.