基于CDIO模式的光电子技术原理课程教学改革与探索

摘 要 针对当前光电子技术原理课程教学存在的授课方式单一、内容枯燥、学生学习积极性不高等问题，基于CDIO工程教育理念，从“构思—设计—实现—运行”四个阶段，通过课程体系模块化、课题项目化、教育环境工程化、评价体系多样化等方式，对该课程进行教学改革，有效地提高学生的学习热情、学习能力与综合素质。

关键词 CDIO；光电子技术原理；教学改革；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编號：1671-489X（2018）23-0098-04

Abstract There were some problems in the curriculum Principles of Optoelectronic Technology， such as simple teaching methods， boring contents and low motivation to learn. This article is based on the con-cept of CDIO Engineering Education， from Conceive-Design-Imple-ment-Operate four stages， through modularization of the curriculum system， project-oriented the tasks， engineered the education environ-ment， diversified the evaluation system， the course was reformed. The students’ enthusiasm for learning， learning ability and overall quality has been improved effectively.

Key words CDIO； principles of optoelectronic technology； teaching reform； experimental teaching

1 引言

光电子技术原理是电子科学与技术专业硕士研究生的核心课程。该课程围绕光电子产业发展涉及的各种光电子元器件的特性进行学习，使学生掌握光电子技术领域的理论和应用技术，为今后的科研与工作打下坚实的理论基础。为提高教学质量，经过一系列教学研究，将课程内容与实验教学内容进行整合，通过验证性、设计性实验来巩固学习内容，取得一定的效果。但学生参与课程学习的主观能动性不足，往往对光电器件特性的物理本质理解不透彻，更谈不上自主构建光电子技术原理课程的知识结构体系，严重影响了课程的教学效果，以及运用该课程知识的能力。

CDIO教育模式是近年来由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学研究出的最新的国际工程教育改革成果[1]。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四个英文单词的缩写，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、知识点之间进行有机联系的方式学习，同时要求学生在完成一个个具体的工程项目的过程中学习专业或课程的主要知识，其核心是从“做中学”的教学理念和“以项目为导向”的教学方法。CDIO模式很好地继承与发展了欧美等发达国家多年的工程教育改革经验，清晰地提出能力培养目标、过程中的实施措施和结果检验标准[2]。

随着我国工程教育专业认证的实施，结合汕头大学、浙江大学等高校的成功应用经验，国内众多高校已经认识到CDIO教育模式的科学性与可行性，并使其成为教学改革的研究热点[3-4]。本文将基于CDIO教育理念，以工程应用为导向，以项目专题讨论为手段，以探索式教学为方法，将学生的课程学习渗透到工程项目的开发中，让学生在工程环境中通过不同的项目来学习光电子器件的制造水平、产品技术指标与应用技巧等，实现探索式教学与“做中学”的全面融合，提高学生学习的主动性和积极性，培养他们综合应用知识的能力、创新能力、工程意识、工程能力和团队沟通协作能力。

2 基于CDIO模式的课程知识体系构建

光电子技术原理课程主要包括六个模块：光学基础知识、激光器技术、LED技术、光辐射探测技术、光电显示技术和光调制技术。在传统的教学活动中，所有知识模块是环形串联的，很少有知识点的交叉并联，学生往往只学到单个相对孤立的知识模块，相关知识模块之间缺少横向比较与打通。如学习激光器的结构与工作原理，没有厘清激光器的发光机理与LED发光机理的区别与联系，就无法理解激光器和光调制技术与器件之间的衔接关系等，使教学效果大打折扣，也影响了对学生创新能力、工程意识与工程能力的培养。

基于CDIO教育理念，以光载波源——激光器的原理结构与设计、光波调制的原理与各种调制器件、光电辐射探测技术与探测器件、液晶等离子光电显示技术、LED技术与应用五个具体工程项目实施为载体，从构思、设计、实现和运作四个步骤来培养学生的工程意识与工程能力，编制光电子技术原理CDIO教学大纲。首先，教师根据教学大纲“构思”光电辐射探测器的制备与应用项目内容；其次，学生通过查阅资料、多方咨询等自学的方式来“拟定”器件的设计与制备方案；接着，师生在课堂上讨论光电辐射探测器的“实现”过程（制作与应用）；最后是总结学习，“运作”知识点构建合理的知识点体系。通过多阶段、多角度的质量评价，完成CDIO教学大纲的编写和项目构思标准的构建。具体的教学流程如图1所示。

3 课程教学改革措施

教学项目的选题 如何构思（Conceive）工程项目内容（选题），是培养学生能力的关键[2]。选题不仅要符合CDIO工程教育的理念，而且要符合教学目标所要求的专业性、综合性与可行性，还要具有一定的实用性与新颖性。首先，教师在构思项目前，需进行有针对性的行业调查，结合教学大纲的要求，构思选用工程项目的标准，包括其涉及知识点数量、难易程度、是否符合当前行业发展趋势等。其次，教师选择的项目应带有一定的普适性，让学生有更强的直观感受，体现光电子课程的适用性。然后，教师通过分析电子产品的工作原理与功能模块，让学生系统地审视各个模块与知识点之间的对应关系。

如以激光笔（器）的工作原理与结构设计为题，要求学生自行查阅资料，完成激光器的种类、激光笔的工作原理、激光笔的组成及各组成部分的功能和大功率工业切割用激光器结构四个知识块的学习，然后提出工业切割用激光器的设计方案。该学习与设计过程基本涵盖了激光器模块所有的知识点，学生在完成设计方案的过程中必须自行理解和消化相应的理论知识，实现应用前的知识转化，以完成“拟定”（Design）环节的需求。

此外，如何确定学生的分组以及小组成员的数量是另一个关键因素。分组既要确保学生有足够的工作量，又要求他们能够按时完成任务。分组时还要考虑学生的知识背景、专业能力和性格爱好等具体情况，取长补短，提高学习效率，有利于培养学生的创新能力和团队协作精神。

团队协作式的课堂教学组织 光电子技术原理课程通常采用小班授课，课堂组织形式为小组团队协作的模式，基本过程可简单归纳为前期准备阶段、分工协作阶段、产品虚拟阶段、总结评价阶段，各阶段的主要内容如表1所示。

1）前期准备阶段。要完成好课程学习，师生要对课堂教学内容有充分的前期准备。教师首先构思好项目选题，提出相应的问题清单，并对其中部分难点问题进行课堂讲授。学生对教师给出的题目需要事先查阅相关资料，掌握其背景知识，确定需要学习的内容和方向。

2）分工协作阶段。这一阶段的主体是学生，分为若干个小组，组内成员进行分工协作，共同完成项目的内容。教师监管各小组的学习情况，给予适当的启发与引导，不断激发学生解决问题的热情和潜力，让学生保持积极的学习状态，形成一种师生互动、组内互动、组间互动的良好局面。

3）产品虚拟阶段。因时间与设备条件的限制，所有设计并不能真正投入制作过程，产品设计虚拟实验就应用于检验设计质量。学生提供预测结果，并与虚拟实验结果进行比较。教师根据其结果分析设计中所存在的问题，并与学生探析产生问题的根源。

4）总结评价阶段。当一个团队协作式教学活动结束后，师生必须认真进行教学的总结评价，评价内容与评价方法应该体现多元化。学生总结知识点学习与应用，同时完成所有知识体系的构建。

构建工程教育环境 构建工程教育环境是让学生深切体会产品的生产环境与使用环境，是整个课程计划得以顺利实施的硬件条件。这里的工程教育环境是以构思、设计、实施以及应用为主线构建的一个完整的教育环境，为前期准备阶段、分工协作阶段、产品虚拟阶段和总结阶段四个不同阶段提供不同的空间环境来支持学生学习。

建立课外创新团队 课程学时有限，无法让每个学生均能将所设计的产品制备出来，更谈不上进行相应的性能升级。因此，对于那些学有余力的学生可以通过建立课外创新团队的方式，由教师结合自己的研究方向安排一些小而精的子课题，由学生独立完成，教师在整个过程中给予一定的技术指导。学校也会为创新团队提供相应的实验场地并给予相应的经费支持。

建立科学的教学评价体系 教学评价体系的建立是确保教学有效运行和教学质量稳步提升的重要措施[4]。从课程教学的参与双方（教师、学生）以及第三方（教学管理者、兄弟院校、家长群体、用人单位）多角度来建立实验教学评价体系，如图2所示。

1）课程考核方法改革。基于CDIO的课程教学过程，教师对学生参与课程情况、讨论会回答问题情况以及课程报告的质量等多个方面进行综合打分。具体的考核指标如下：

①平时成绩（20%），包括自学能力、出勤、设计能力、分析复杂问题时综合运用知识的能力、完成任务情况等；

②课程报告质量（30%），包括报告内容完整程度与格式准确性、图表质量与数据处理水平、对实验现象与偏差的分析等；

③讨论会成绩（40%），包括过程中小组讨论与最后的班级讨论，主要考查学生灵活运用知识回复问题以及团队合作能力；

④创新能力评价（10%），评价学生在课程学习中创新性地使用新方法、新工艺、新分析的情况。

课程考核方法改革，将学生的自学能力、设计能力、创新能力和沟通能力纳入考核指标中，使课程的评定更加科学、合理，也更准确地反映了教学目标达成情况。

2）教学效果评价。教学效果评价采用访谈法（电话、网络、面谈）与问卷调查法进行，重点关注学生对学习内容的合理性、学习方式的科学性和学习效果三个方面的评价，并提出相应的改进建议。

3）第三方评价，包括学校教务处督导听课后的教学效果评价、用人单位对学生实践能力的评价以及其他群体（兄弟院校、学生家长和行业企业等）对课程教学质量的社会评价。

4 结语

通过对光电子技术原理课程的教学改革，改变了原来满堂灌的教学方式，以项目开发为导向，将学习内容融合在“构思项目—设计方案—产品实现—总结评价”的过程中，充分调动了学生学习的积极性，学生从听教师讲课的被动式学习，转变为教师引导下的小组协同完成项目过程中的主动探索式学习。基于CDIO模式的教学改革，学生更好地掌握了课程内容，并结合项目应用成功地构建课程的知识点体系。通過整个从“做中学”的学习过程，学生查阅资料、提出方案、论证应用，每一步进展都能激发出学生极大的成就感，提升分析问题、探究问题、解决问题的能力。

此外，整个课程学习根据行业的实际需求来展开，整个学习过程需要完成模拟实际光电子产品工程的过程。学生在解决问题的同时，还要将成本、工艺、市场等工程因素纳入学习范畴，更好地实现在学校环境下培养实际工程意识与工程能力。另外，在一个个项目的学习与实现过程中，培养了学生项目开发、设计、创新的能力，以及团队精神、领导能力、沟通能力。实践表明，基于CDIO工程教育理念对光电子技术原理课程改革，学生的工程意识、工程能力、专业实践能力得到提升，交流合作、团队协作和自主学习能力也得到一定的提高，是培养综合素质高、实践技能强、满足企业需要的应用型创新人才的有效途径。

参考文献

[1]Crawley E F， Malmqvist， J， Ostlund S， et al. The CDIO Approach[M].New York： Springer，2007：36.

[2]Bankel J， Berggren K F， Blom K， et al. The CDIO Syllabus： A comparative study of expected student pro-ficiency[J].European Journal of Engineering Educa-tion，2003（3）：28.

[3]顾佩华，胡文龙，陆小华，等.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017（1）：24-43.

[4]顾学雍.联结理论与实践的CDIO：清华大学创新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009（1）：11-23.