VR+CDIO工程教育模式在地方性普通院校工科专业的应用与研究

徐东辉 凌晓辉

虚拟现实技术(简称VR)是一种综合应用各种技术有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级人机交互技术，是当前现代教育技术中的前沿技术。将虚拟现实技术O应用于教学，使学生由知识的被动接受者变成了虚拟环境中的一名参与者，对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极作用，虚拟现实技术在高等学校教学环节中具有广阔的应用前景。

CDIO理念是麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所国际著名工科院校创立的国际组织所提出，描述了工程教育所应遵循的培养准则，CDIO强调个人工程能力不仅应包含个人的理论知识和专业技能，而且还应包含终生学习、团队交流、大系统掌控等一系列能力。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO代表构思 (Conceive)、设计 (Design)、实现(Imple ment)、运作 (Operat)，它以产品从研发到运行的生命周期为载体让学生以主动的、实践的、与课程之间有机联系的方式学习工程，迄今已有几十所世界著名大学加入了CDIO国际组织，并取得了良好的效果，按CDIO模式培养的学生尤其受到社会与企业的欢迎。

一、研究背景

目前地方性普通院校工科专业教学普遍存在以下缺点:

(一)重知识、轻能力;重学术、轻应用;重说理、轻实效。

(二)教学经费严重投入不足及产学研相脱节，特别是工业欠发达地区的地方性普通院校，在科研方面与企业严重缺少合作、联系。

这就使得学生产生以下不良反映:①进入高校后依然是接受传统的教学模式，于是对学习缺乏积极性、主动性，以致经常逃课;②由于理论教学没有和工程实践相结合，学生不能很好地了解本专业的应用前景，以致学生认为自己所学专业没有前途，对所学专业没有信心、自暴自弃，甚至退学;③毕业生未接触任何工程技术项目，没有掌握一技之长，担心工作、前程，使得毕业前夕心里感到非常空洞、焦躁等。

如何有效地解决以上缺点成为目前地方性普通院校面对的巨大课题。

二、工科专业教学改革研究现状

经大量查阅国内参考文献，发现目前针对工科专业教学改革的研究主要体现在以下几个方面:

①仅针对某一门课程或实验课程开展的教学改革研究;

②针对某一专业开展的教学改革研究;

③采用某种先进的技术或方法对某一课程或专业提出的教学改革等。

以上几个方面的改革存在以下缺点:教学改革的辐射面不广、不强，缺乏推广意义;仅是在实验条件及理论教学手段、方法上的改变，未彻底改变我国大多数高校存在重视理论学习而忽视实践、产学研相脱节的弊端;缺乏工程项目教育理念指导及工程项目教育实现体系。

针对上述情况，提出VR+CDIO工程教育模式，即以CDIO工程项目教育理念为指导，通过虚拟现实技术(VR)建立虚拟现实实践 (实验)平台，以工程项目为该平台的实践(实验)项目，通过工程技术及经典工程项目案例教学，强化产学研合作教育，进一步加强相关(相近)专业联系，提升学科群建设对学生培养的重要性;充分利用学校与企业多种不同教学环境和教学资源以及在人才培养方面的各自优势，把以课堂传授知识为主的学校教育与直接获取实际经验、实践能力的生产、科研实践有机结合;从根本上解决高校教育与社会需求脱节的问题，缩小高校和社会对人才培养与需求之间的差距，进而缩短企业对应届毕业生的再培养周期，增强学生的社会竞争力，给同类高校，特别是工业欠发达的地方普通高校的教学提供借鉴经验。

三、VR+CDIO工程教育模式在教学中的应用

(一)调整课程教学体系，突出工程技术培养

为实现工程实践能力、创新能力、团队合作精神培养这一目标，以自动化专业为例，对课程进行详细的分析，紧扣CDIO工程教育理念，按照构思 (功能分析)、(总体框架)设计、实现、运行步骤，把课程教学体系分为课堂教学、实验教学与工程项目实践教学三部分，工程实践环节分为:加强课内实验、课程设计、综合设计等实践环能力节的有序衔接。其中综合设计主要是体现在电子、通信、机械一体化、机械电子、计算机和自动化等专业组成的学科群对学生创新能力培养的必要性上，同时进一步促进学生对工程项目开发过程及开发经验掌握，提升学生的创新能力。

而在教学过程中，严格按照CDIO大纲的组织结构(见图1)，以项目设计为主线，课堂讲解以项目设计过程促进学生理解各理论基础知识，辅以各知识点精彩工程案例，利用三级工程案例来巩固基础知识，并加入课外项目设计环节，有效地提高学生的主观能动性，让学生在实践中提高动手能力，在工作中建立团队意识，在实践中参与工程项目的实际操作环节。有效地培养学生工程技术能力及相关经验，提升学生创新能力及创新意识。

(二)利用CDIO工程教育理念和虚拟现实技术，构建虚拟现实平台

图1 以能力培养为目标的CDIO大纲

利用虚拟现实技术搭建虚拟现实实验室，以CDIO工程项目案例库作为该实验室的实验项目。为了达到CDIO能力大纲的要求，提高学生工程实践能力和综合工程素质，把实验项目按规模和范围划分为三级:一级为包含本专业主要核心知识和能力要求的创新型工程案例实验项目;二级为包含一组相关课程核心知识、能力要求的综合训练的实验项目;三级为增强单门课程能力与理解而设的基础实验项目。以一级创新型工程案例实验项目为主线，二级综合训练的实验项目为支撑，三级围绕巩固课程的实验项目为基础，将各项能力的培养分解到课程设计的每个环节中，整合设计、实验、实习内容，并使各门课程知识内容有机地贯穿于整个专业教学过程之中。通过工程项目实践教学体系在纵向和横向的相互渗透和有机地结合，使学生专业知识和专业技能得到有计划、有层次、分阶段的培养和提高。为了保证全过程工程项目实践教学效果，在实施过程中采取“导师团队”指导学生的全过程工程项目设计的方式。在“导师团队”的带领下，实施以工程项目实践为导向、以培养实践能力、系统能力和创新能力为主要目标的实践教学。并根据自动化专业的学科特点，提出以实践性和探索性的综合工程实践项目设计为载体，在教学方式上试行主动式自我学习和团队式群体学习圈。

这样可以有效地培养学生工程技术能力及相关经验，提升学生创新能力及创新意识，增强学习对象的真实感受，调动学生学习积极性、主动性，培养学生的团队合作精神，增强学生的增强学生社会竞争力。解决工科专业实验设备不足、型号落后、难以及时更新换代的困难;节省实验成本，提高实验的安全性;学生可以在寝室、家里等实验室以外的任何场所开展实验研究，彻底打破传统实验的时间与空间的局限性。

(三)采取多样化的考核方式，培养工程技术能力和团队合作精神

基于工程项目学习的教学目标是培养学生的工程技术实践能力和创新能力。在项目实施及评审方面，我们分为三组，即专家评审组、导师指导组、项目实施组。导师指导组负责项目实施组的指导工作，专家评审组负责项目实施组的评审工作;导师指导组教师不能参与专家评审组的评审工作，导师指导组的专家必须由具有较强专业知识且精通相关专业的老师担任。每个项目实施组都必须邀请电子、通信、机械电子、计算机等相关专业的学生参与，项目可以由学生、导师或学生和导师共同协商提出，而考核则基于项目学生对学习效果的评价标准，包括增加项目报告、设计评估等。通过报告、自评、专家评审等形式，参考学生在项目中的作用，分享知识的能力，负责部分项目的完成质量等情况合理科学地制定评价方式，以保护学生主动学习的热情，提高人才质量。以基于单片机的智能交通信号灯为例(二级工程项目)，在最后的成绩中，学生平时表现占15% ，包括项目的创新、合作、沟通和分享知识的能力等;项目评审验收、报告占70% ，包括项目的创新点、完成的质量、分工、能否实现预定功能等，在该项目中创新点主要是指该系统能否实时检查各方向的车子流量，并及时调整红绿灯的控制时间，以方便交通运行;期末考试占15%，考试内容也是紧紧围绕基本概念和基本原理的应用，出灵活的、综合性的题目，理论紧密联系工程实际问题，注意培养学生分析和解决工程项目实际问题的能力，如在单片机课程考试中，引脚在在工程应用中为什么要接上拉电阻等问题。

在考核上采用阶段评价、目标评价、过程评价、理论与工程项目实践一体化评价、校企共同评价、专家项目验收等多种模式。关注评价的多元性，过程化考核+终结性评价的考核方式对学生综合评价。

(四)培养“双师型”教师队伍，适应VR+CDIO工程模式的需求

教师队伍的建设能保证成人高等教育特色和质量，适应VR+CDIO工程模式的要求。因此，教师必须改革现有的教学方法，采用结合工程实际，实行工程技术启发式教学、工程项目案例教学、讲座形式及学生主动提议讲课内容、形式等多种方式。这样才能激发学生的学习兴趣，增强教学效果。还可以与相关企业联系，积极组织学员参与科技咨询、科技开发、科技成果推广等工作，把人才培养与技术创新、实用技术的推广结合起来，促进科技成果向现实生产力转化，培养学员创新意识及技术创新的能力。这就要求我们的教师既要具有广博的知识、丰富的工程技术实践能力，还要有良好的职业道德和细致耐心、教书育人的良好素质，又能解决生产中的工程实际问题，是在生产中具有一定指导作用的工程师素质的“双师型”教师。

为加强“双师型”教师队伍建设，学校应选派年轻老师到企业实践，参加企业工程项目实践锻炼或企业一线挂职锻炼。以青年教师导师制、企业实践、挂职锻炼、教师科研团队等多种形式，培养出一批“双师型”教师队伍。积极培养在省内、国内企业中有广泛影响、能够为企业生产技术和管理进行咨询指导的专家级人才。同时，外聘一批企业高级工程师、企业老总、企业一线技术人员到校兼职任教、开展讲座等。积极聘请社会知名的退休技术专家和管理专家到校任教，以带动校内教师实践能力的提高，努力建设一支高水平的“双师型”教师队伍，适应VR+CDIO工程模式的需求。

四、VR+CDIO工程教育模式的创新点

(1)从根本上解决高校电子类专业教育与社会需求脱节问题，缩小高校和社会对人才培养与需求之间的差距，同时缩短企业对应届毕业生的再培养周期;

(2)解决高等院校电子类专业实验设备不足、型号落后、难以及时更新换代的困难;节省实验成本，提高实验的安全性;打破传统实验的时间与空间的局限性，增强学习对象的真实感受;

(3)调动学生学习积极性、主动性，培养学生的团队合作精神，增强学生的创新意识、创新能力，增强学生社会竞争力，进一步提高高校电子类专业的就业率，减少应届毕业生的自杀率;

(4)提出一种易于实现、推广、适应性强(特别是适应工业欠发达的地方普通高校的需求)的创新人才培养模式;

(5)可将工程项目案例实验平台建设成果应用于教师科研工作，促进教学质量提高，并将成果向高校相关专业推广;

(6)建立新产品开发平台，反哺周边地区相关企业。

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