【高中物理教学论文】CDIO 工程教育模式在高中物理项目式学习中的实践探索—— 以 ＂温差发电搅拌杯的设计和制作＂ 为例

摘要：介绍 CDIO 模式的内涵，基于 CDIO 模式设计了项目式学习的教学流程，并以 "温差发电搅拌杯的设计和制作" 为案例探索了高中物理项目式学习的实践路径。通过构思、设计、实现、运作 4 个阶段，引导学生将热力学定律等学科内容融入工程实践，完成从需求分析到产品优化的全生命周期实践，深化学科核心素养的培养。

关键词：CDIO 模式；项目式学习；温差发电搅拌杯；热力学定律

2000 年，瑞典皇家工学院和麻省理工学院等 4 所高校联合创立了集构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）4 个环节于一体的 CDIO 工程教育模式（以下简称 "CDIO 模式"）。[1] 2016 年，我国教育部成立 "CDIO 工程教育联盟"，形成了可操作的培养方案与测评标准。该模式虽源于高等教育，但其实践性、项目化实施的特点契合基础教育深化实践育人趋势。《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》（以下简称 "新课标"）指出 "课程学习中要倡导基于项目的学习或整合学习等方法，促进学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展"，这与 CDIO 模式的理念高度契合。文献以"潜水艇设计与制作" 为例探索了融合CDIO 的跨学科实践，论证其对学生问题解决能力的提升；文献借助 "桥的设计与制作" 对CDIO 模式下跨学科主题学习的实践路径予以阐释。然而，上述两者所涉及的案例皆为大型工程，这易使项目成果局限于微观模型，难以彰显 CDIO 模式所强调的开展"真实项目" 的特性。此外，相较于跨学科实践，项目式学习更强调项目的产出，更符合CDIO 模式的定位。本文以"设计并制作温差发电搅拌杯" 为例，紧密贴合学生日常生活，探讨如何开展基于CDIO 模式的项目式学习的设计思路和实践路径，阐明其对物理教学渗透工程思维、深化学科核心素养的实际意义。

“温差发电搅拌杯”的设计方案

1CDIO 模式的内涵与实践路径

1.1CDIO 模式的内涵

CDIO 模式作为 "做中学" 和 "基于项目的教育和学习" 理念的系统化教育理念，贯穿了产品全生命周期，包括构思、设计、实现和运作4 个阶段。该模式强调以"用" 导"学"，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行学习，具有以 "大工程观" 为理念、注重学生综合素质培养以及与产业联系紧密的特点，有效化解了传统教学模式下学生理论与实践脱节的问题，为培育工程思维、深化学科核心素养提供了新的实施路径。

1.2　基于CDIO 模式的项目式学习实践路径

项目式学习具有真实情境创设、挑战性问题驱动、产出项目成果和评价方式多元化等特征。它与CDIO 模式在实践性、综合性、情境性方面具有共通之处，这为 CDIO 模式应用于项目式学习奠定了基础。考虑到学生认知水平和课时限制，本文将 CDIO 模式简化，构建了以项目为主线、教师为引导、学生为主体、核心素养培养为目标的实践路径。

整个项目的实施是在教师的引导下，让学生以 "工程师" 的角色进行小组实践活动。在构思阶段，学生基于真实情境锚定核心问题，确定产品 "是什么"，了解项目原理并储备知识技能；在设计阶段，将构思转化为开发产品的计划、方案等，通过实验评估方案的可行性，最终产出项目图纸；在实现阶段，通过所提供的材料和工具完成产品制作，对产品测试优化；在运作阶段要验证产品功能，教师基于学生汇报情况提出反馈迭代建议，引导学生产品再设计与发布等，如图 1 所示。通过该 CDIO 闭环，深化学生对项目的认知，实现对知识的有意义建构，促进学科核心素养的落地。本文以 "温差发电搅拌杯" 项目详细分析。

2"温差发电搅拌杯" 的项目设计

2.1　项目分析

本项目基于塞贝克效应，利用两种不同电导体或半导体的温度差异产生电动势，原理如图 2 所示。该项目衔接了人教版《物理》选择性必修 3 第 3 章 "热力学定律" 第 3 节 "能量守恒定律" 的内容。教材中介绍了塞贝克发现温差电的现象。该项目符合新课标中 "了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程；能用能量守恒的观点解释自然现象；通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律、第二定律能量传递的方向性" 的要求，可作为热力学定律的实践案例补充，深化学生对核心概念的理解，弥补工程实践经验的不足，促进知识的迁移与核心素养的发展。

2.2　教学目标

基于新课标要求及学情分析，制定了如表 1 所示的教学目标。

2.3　项目流程

基于 CDIO 模式将"设计并制作温差发电搅拌杯" 拆分为4 个子项目，并下设子任务，通过任务链的纵向延展与横向关联，促成项目阶段性成果产出，在学生习得知识的同时深化学生物理学科核心素养，具体如图3 所示。

3"温差发电搅拌杯" 的项目实施及学生学习成果

3.1　构思阶段—— 确定问题，构思温差发电搅拌杯的方案

构思阶段作为项目的起始阶段，其核心在于从真实的生活情境中提炼工程问题，体现 "从生活走向物理" 的课程理念，继而引导学生以头脑风暴的形式，基于问题需求构思方案，做好必要知识和技能储备。

子任务 1：了解温差发电搅拌杯的需求与市场价值。

...

详细阅读 点击三棱镜 跳转🔗