基于CD IO模式的物理数字化资源库建设研究*

李海宝，李海燕，任常愚，丁红伟

（黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨150022）

一、引言

CDIO代 表 构 思（Conceive）、设 计（Design）、实 现（Implement）和运作（Operate）英文单词的缩写，为学生提供实践、理论课程之间有机知识关联的教学情景、鼓励学生主动学习工程。[1]它是“做中学”和“基于项目教育和学习”(Project based education and learning)的集中概括和抽象表达。[2]国内外的经验都表明，有关CDIO的理念和方法适合工科教育教学过程中的主要环节。

能完整体现CDIO模式改革的主要载体是专业人才培养方案，而人才培养方案决定了课程设置。大学物理是理工科学生最重要的基础课程之一，所讲授物理知识是卓越工程师的必备基础。显然，大学物理教学应主动适应CDIO工程教育模式下人才培养的需要。我们认为在信息技术爆炸式发展的背景下，建设数字化教学资源库是课程主动适应改革的基础举措。

二、建设面向CDIO模式的物理数字化资源库的思想基础

1.CDIO模式教育学理论基础

CDIO工程教育模式的理论根基是建构主义教育理论和“做中学”思想，从某种程度上说，这一模式是对建构主义和“做中学”思想的进行具体实践，或者可以表述为在这一模式下，建构主义和“做中学”思想变得可操作了。其核心概念有4个，即构思、设计、实施、运行。师生能够完全履行这4个关键点，要基于两点基础，一个是学生已有的知识结构，另一个是工程情景的创设。这两点是建构主义理论的重要内容。这也将是进行按照CDIO模式改革大学物理教学的前提。

同时，我们不难发现CDIO工程教育模式中，4个核心概念都围绕一个动词，即“做”。学生知识的获得和能力的建构，必须通过“做”来实现，这就是“做中学”思想，同时也更加体现了唯物和实用主义色彩。[3]建设面向CDIO模式的大学物理数字化资源库，就要围绕“为何做”、“怎样做”、“做中学”思想来进行。

2.将CDIO模式提升至“I-CDIO-C”模式

笔者认为一个更加成功的模式，应该自身形成一个闭环结构。但是，CDIO工程教育模式中的核心概念并没有构成一个闭环结构。为此，笔者认为在“构思”的前面，应该加上“驱动”，即“Impetus”，在“运行”的后面，应该加上“贡献”，即“Contribute”。这样连同前面已经明确的核心概念，可以构成一个闭环。原有核心概念，已经有很多相关论述，这里重点论述引入“驱动”和“价值”两个核心概念的意义。

作者认为“构思”必须在一定的情境下，才能“若有所思”。试想一下，如果没有任何前提，就能“构思”，这种构思显然带有臆想的色彩，可能是不切合实际的。从这个意义上讲，“驱动”应该与原有的核心概念地位相当，即是说“构思”是建立在某种“驱动”的前提下。“驱动”的内涵广泛，包括学生原有的知识结构，教师讲授知识情境的营造、学生的社会实践经历等等，这些都可能成为学生“若有所思”、主动思维的因素。

再来看“价值”，或者说是“贡献”，同样是地位相当的核心概念。“运作”的最终目的是创造价值，如理论价值、社会价值、经济价值等。通俗地讲，就是要让你所做的工作有意义。一旦实现设计，并创造了价值，我们应该进行评估。评估的结果，又是促进我们进一步“构思”的一项重要基础，也就是又回到了“驱动”这一核心概念。

图1 “I-CDIO-C”模式闭环结构示意图

3.物理教学资源具备按CDIO模式要求实现数字化的基础

物理学知识渗透于工程技术领域的各个层面和角落，因此经过深入挖掘能够得到丰富的各类工程教育素材，将这些素材设计和建设成数字化教学资源供教学使用。

从物理学教学的角度，物理教学应该是思想、方法、知识、技能的教学，这些都需要以一定的载体来实现。在教学中我们至少可以对某一思想方法的讲授，以CDIO模式进行体验式教学。这就要求我们对将素材按CDIO核心概念进行分类组织，并将其融入到知识学习当中。事实上，我们的确可以从物理欣赏的角度，重新审视这些教学资源，挖掘这些资源的思想性和对CDIO核心概念的彰显性。从某种意义上说，物理学理论的建立，几乎全部体现了CDIO核心概念。

三、基于CDIO模式的大学物理数字化资源库的建设途径

数字化资源的建设既要反映CDIO模式的需要，又要彰显物理学本质；既要获取反映基本理论，又要紧密结合工程实际。在实施中，就以CDIO核心概念为基础框架，来获取资源。

1.原始素材的积累与获得

（1）“驱动”素材的获得

如前所述，“驱动”位居CDIO核心概念体系的首位，是学生学习知识的动力。从社会学角度讲，“驱动”可以理解为是某种“需要”，包括客观和主观两个方面。从客观上讲，社会的政治、经济、文化建设发展，促使我们要不断提高认识和改造自然的能力，获得新的科学理论和先进的工程技术；从主观上讲，一定历史阶段内，人们对高品质生活的向往和人自身兴趣与潜能的挖掘，促使我们寻求先进生产力和生产工艺。马克思才指出：“任何人如果不同时为了自己的某种需要和为了这种需要的器官而做事，他就什么也不能做。”[4]

基于以上两点，我们应该从这样的几个方面获得表征“驱动”的原始素材。例如从社会发展的角度，当前节能减排是重要的社会问题，我们就可以将与此相关未解或解决效果不良的问题列入“驱动”资源库中。因为节能减排问题，最终要通过技术创新的物理手段来解决。又如从人自身对品质生活向往的角度，当前人们向往智能化的家居环境，于是与家居智能化相关的技术需求，均可以列入“驱动”资源库中。

（2）“构思”、“设计”、“实现”、“运作”素材的获得

“构思”和“设计”等资源模块用于收集能够彰显巧妙解决“驱动”的思想方法和解决方案。从整个物理学的发展来看，很多思想方法和解决方案都是非常经典的。现在我们来看这些，应该从欣赏和体验的角度来进行。如迈克耳孙干涉仪的设计思想，直到今天仍然是很多现代光学测量装置的核心思想来源。

从日常生活中寻找工程教育素材，所获得的素材最容易受到学生的认可。事实上，只要我们仔细观察生活，注意生活中的物品与物理原理的某种联系，就可能获得丰富的工程教育素材。[5]将复杂的系统工程进行拆解，也是获得素材的有效途径。我们知道运载火箭是一项复杂的系统工程，其工作原理单就物理原理而言，包括动量定理、相对运动、热力学定律，以及各种传感器工作的物理原理等等。在课堂教学中，无论是在力学部分的变质量牛顿力学内容中，还是在热力学定律内容中，均可以将火箭作为工程应用的例子。

此外，大学物理是工科学生后续课程的基础课，在内容上存在一定的交叉性和延续性。以电类专业为例，有一门传感器方面的课程。仔细研究我们可以发现，相当多的传感器其工作原理与物理基础理论直接相关。显然，讲解某一物理原理时，可以合理地使用运用这一原理工作的传感器方面的工程教育素材。

（3）“评价”素材的获得

“评价”主要在以下几个方面进行获得。某一物理思想在在社会进步中的推动作用；物理技术创造的经济价值评估；物理原理或技术方案对物理或其他学科发展的支撑作用；物理技术在改变人们生活中的重要作用；在生活中，某件商品给我们带来的方便劳动效率提高等。此外，各种社会调研报告、统计报表都可以成为获得原始资源的来源。

对毕业生的有效跟踪，也可能成为“评价”原始素材获取的重要途径。因为很多毕业生在生产一线工作，对物理原理在工程技术中的应用体会更加直接，特别是对最新产品、新技术所带来的价值体会更深。

2.原始素材的数字化

数字化学习资源是指通过计算机网络可以利用的各种学习资源的总和，具体地说是指所有以电子数据形式把文字、图像、声音、视频、动画等多种形式的信息存储在光、磁、闪存等非纸介质的载体中。[6]只有各种学习资源实现数字化，才能通过网络、计算机或智能终端等传输或再现，便于远程学习。中国互联网络信息中心发布的数据显示，截至2012年6月底，移动互联网的使用人数正式超过桌面互联网，以智能手机为代表的移动终端设备进入爆炸式增长阶段。[7]可见，足可见信息化教学对素材数字化的巨大需求。

（1）实现蕴含于参考文献中的工程案例的数字化

鉴于教师在课堂使用、学生在课下学习使用的最普遍的信息媒介是PPT形式的数字文件，我们将PPT格式作为数字化资源的基本格式。

毋庸置疑，很多物理原理在工程技术中应用的案例素材蕴含于公开发行的图书或期刊当中，所以这些素材为我们所用，就必须进行重新遴选、设计和改编。这需要教师读透参看文献中的物理思想或方法，然后要将它们以学生可以接受的文字、图片、动画等形式进行再现。这种数字化处理资源的方式，非常适合富有思想和启发性，同时又短小精悍素材的处理。

（2）将工程系统按“CDIO”核心概念进行数字化素材提取

如果我们对一件稍复杂的工程从最初提出思想到最终形成产品，全过程拆分，我们不难发现，这可能会完整体现“CDIO”模式全部核心概念。以热机为例，来对此加以印证。

热机的诞生追溯到17世纪的采矿工业的发展，英国人萨佛里于1698年制成用于矿井抽水的蒸汽水泵，被称为“矿工之友”。[8]可见，采矿工业的发展是激励人们开展研究的背景和原动力。这部分资料就是“驱动”素材，我们可以情境图文的方式来进行再现，所加工的素材注重意境的渲染。蒸汽水泵诞生后，如何提高效率就成了首要任务。18世纪中叶，瓦特在潜热与比热理论的启发下，于1765年在纽可门蒸汽机中加了一个与汽缸分离的冷凝器，从而避免了汽缸冷却时消耗许多蒸汽的热，大大提高了机器效率，节省了燃料与时间。[9]这部分内容则可以加工成 “构思”、“设计”、“实现”、“运作”素材。在数字化过程中，我们可以编写图文、制作动画，形成一系列的数字化资源素材。

至于“价值”素材的开发，我们可以将在第一次工业革命中，热机对生产力和生产关系的革命性影响，有关材料进行数字化编写。

（3）将物理实验按“CDIO”核心概念进行数字化处理

现象是物理学的根源，实验是物理学的基础，很多物理实验都堪称经典。之所以堪称经典，是因为实验预期目标宏远、实验思想巧妙深邃、实验结果富有理论和实践价值、实验对社会推动作用明显等。

从物理学的发展史来看，每一个经典的物理实验都能完整体现“CDIO”核心概念。因为物理实验的流程主要包括了解实验目的、设计实验方案、选择实验方法、实验数据记录、讨论试验结果、完成实验报告等，这些同“CDIO”核心内涵基本是一致的。物理实验在本质上实践的，CDIO模式的本质也是实践的。

针对物理实验的数字化素材编写，可以围绕实验背景、实验价值、虚拟实验、数值仿真等若干方面来进行。例如在实验背景方面，我们可以编写社会生产力条件对实验条件影响方面的素材；对整个实验过程，我们则可以开发虚拟实验；对实验的预期结果，可以编写仿真程序等。

（4）涉及高端和前沿技术原始素材的数字化

高端和前沿技术直接在物理课程进行讲授，存在一定难度。但是，我们可以将涉及这一方面的素材进行数字化处理，在教学中加以融入和渗透。如当前比较火热的3D打印技术，我们可以将3D打印机的工作原理制作成动画素材，供学生学习；可以将3D打印技术中所运用的物理学原理进行采集，如光纤激光器、微位移传感的应用等。在这里我们特别注意高端技术领域中所涉及的基础物理原理，寻找两者的结合点。

3.数字化资源库的可持续更新

经过原始的累积和数字化处理后，我们可以建立一定规模的资源数据库。但是科学技术的发展是日新月异的，素材库的建设应该紧跟科技的发展，就是要实现可持续更新和可持续建设。这样，一方面我们要关注基础科学理论研究的进展；另一方面我们要紧跟工程技术动态。同时，我们还要及时了解，新理论和新技术可能衍生出的技术需求。

要实现数字化资源库的可持续更新，应该调动师生力量、企业力量来共同参与，并体现产、学、研有机结合。由于理工科学生毕业后要从事研发等专业技术工作、直接与最新技术相联系，因此做好毕业生就业状况的准确追踪也十分必要。

四、结束语

教育部于2012年3月颁布的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。[10]在《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》中也明确指出，要通过信息化手段，促进优质教育资源共享。[11]在我们的教学实验中，建立了面向CDIO工程教育模式的大学物理数字资源数据库。库中素材种类丰富、数量可观。在通过实施情景案例式教学，融入现代教育技术等具体环节中，大学物理数字化资源库发挥了其应有作用。

从理论上看，在建立大学物理数字化教学资源库过程中，由于不断地探索现代教育理论和现代教育技术的有机融合问题，因此课题的研究丰富了现代教育技术理论的研究内容。从推广应用的视角来看，课题研究所积累的经验能为相关基础课适应CDIO教学模式改革提供借鉴，所取得的成果也能够实现共享，并长久发挥作用。

[1]Edward F. Crawley. The CDIO Syllabus A Statement of goals f orUndergraduate Engineering Education： 1, 4, 17, 9[EB/OL].(2008-06-30)（2009-04-13）. http：//www. cdio.org.

[2]The need for CDIO[EB/OL].(2008-06-30)[2009-04-13].http：//www.cdio.org.

[3]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008(3)：1-9.

[4]马克思恩格斯全集（第3卷）[M].人民出版社,1960：286.

[5]李海宝,任常愚,金永君等.课堂教学中物理工程教育素材的开发与融入[J].物理与工程,2011(4)：61-64.

[6]陈琳,王矗,李凡等.创建数字化学习资源公建众享模式研究[J].中国电化教育,2012(1)：73-77.

[7]陈义勤.成人学习者移动学习现状调查与研究[J].中国远程教育,2013(10)：47-52.

[8]查尔斯·辛格.E·J·霍姆亚德,A·R·霍尔特雷弗,I·威廉斯.技术史(第3卷)[M].高亮华,戴吾三(译).上海：上海科技教育出版社,2004：57-59.

[9]查尔斯·辛格.E·J·霍姆亚德,A·R·霍尔特雷弗,I·威廉斯.技术史(第4卷)[M].辛元欧(译).上海：上海科技教育出版社,2004：115-130.

[10]教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的通知[DB/OL].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htm lfiles/moe/s3342/201203/133322.htm l,2012-09-05.

[11]中国共产党中央委员会.中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定[DB/OL].http：//cpc.people.com.cn/n/2013/1116/c64094-23561785.htm l.2013-11-16.