CDIO視域下構建“五位一體”實驗教學新模式

謝愛娟等

[摘 要] CDIO 模式是國際工程教育改革的最新成果，目的是培養學生的工程應用能力，有效地解決就業問題。基礎化學實驗是一門實踐性基礎課程，是培養學生基本實驗操作與技能、科學思維與方法、創新意識與能力的重要實踐教學環節。在基礎化學實驗教學中引入CDIO理念進行實驗教學的改革與探索，構建融教學理念、實踐主體、實踐過程、實踐層次、評價機制的“五位一體”CDIO實踐教學體系，建立和完善CDIO教學理念下基礎化學實驗的教學大綱和教學內容，提高學生的研究創新和工程實踐能力，進而實現CDIO視域下的教學目標，培養學生CDIO工程能力，實現人才培養與企業需求的“無縫對接”。

[關鍵詞] 基礎化學實驗；CDIO；實踐教學 ；五位一體

[中圖分類號] G642.40 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0098-04

0 引言

基礎化學實驗是一門實踐性基礎課程，是常州大學化工類專業本科段學生的必修課。通過基礎化學和技能，進而掌握基礎化學的基本理論和基本知識。同時，基礎化學實驗又是對學生進行職業素質訓練的理想課程，包括艱苦創業、勤奮不懈、謙虛好學、樂于協作等科學精神的訓練，這些是優秀工程技術人員成功不可缺少的品質。

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate），它以產品的研發到運行的生命周期為載體，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，是近年來國際工程教育改革的最新成果[1]。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合培養方式使學生在這四個層面達到預定目標[2]，從而培養既有過硬的專業技能， 又有良好的職業道德的國際化工程師[3，4]。

本文結合常州大學基本情況，將CDIO教育理念引入基礎化學實驗教學，構建集“一個教學理念、二個實踐主體、三個實踐過程、四個實踐層次、五個評價機制”[5]五位于一體的基礎化學實驗教學體系，建立和完善CDIO教學模式下基礎化學實驗的教學大綱和教學內容，進而實現CDIO視域下的教學目標，培養學生的CDIO能力[6]。

1 “五位一體”實踐教學模式的基本內涵

實踐教學體系包含總體思想、教學內容、教學方法和效果評價機制。中南大學軟件學院[5]通過分析 CDIO 的基本內容，根據實踐教學體系的關鍵要素，從多個環節出發，從構思環節形成實踐教學體系總體指導思想，從設計環節改革實踐教學內容，從實施、運作環節創新實踐教學過程與層次，以CDIO學生和教師成熟度模型為指導，實現實踐效果評估機制，同時將評估結果作為實踐教學體系修正和完善的依據，將CDIO 工程設計理念貫穿到實踐活動的各個環節， 形成集教學理念、實踐主體、實踐過程、實踐層次、實踐效果（評價機制）于一體的實踐教學體系（見圖1）。這里“一體”是指以CDIO教學理念為目標，以教師和學生為主體，實踐過程從單一到綜合、從簡單到復雜，實踐形式從課堂模擬訓練到企業實習，彼此相互影響，相互制約，后者以前者為基礎，前者以后者為目標，層層遞進，構成一個完整的CDIO能力培養教學新體系，為應用型人才培養提供了一個比較完整的實踐平臺[7]。參照這一模型，在基礎化學實驗教學中的進行大膽探索和改革，以期在教學模式上有所創新和突破， 實現人才培養與企業需求的“無縫對接”。

2 CDIO“五位一體”創新型基礎化學實 驗教學體系的具體構建

2.1 樹立CDIO工程化的基礎化學實驗教學理念

在實驗教學中，基礎化學實驗是高等學校化學教育中培養實驗技能、科學思維、創新意識，全面推進工程職業素質教育的最基本的教學形式之一。要達成上述教學目標，就必須為學生提供一個全新的、科學的實驗教學理念。學校基礎化學實驗中心應樹立CDIO工程化能力、培養基礎實驗理論教學與專業技能訓練并重的實驗教學理念。通過調整基礎化學實驗課程體系，充實教學內容，改進教學方法，促進學生工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面的協調發展，全面體現工程化開發能力和職業素質培養并重的思路，從而形成融基礎知識、工程實踐、創新能力為一體的整體實驗教學機制[8]。

2.2 設計教師、學生兩個實踐主體CDIO能力培 養方案

CDIO-CMM模型是將CDIO理念與美國卡內基梅隆大學提出的能力成熟度模型（Capability Maturity Model，簡稱CMM）相結合所構建的，該模型將學生CDIO能力劃分為初始、基礎、專業和應用研究四個等級，不同能力成熟度等級反映了學生在CDIO工程教育不同階段的不同特征和學習內容需求[9]。在實驗教學中，不同年級對應不同等級，培養不同的實驗技能（見表1），且相互融合相互促進。大一新生通過基礎實驗、開放實驗等教學活動來提高動手能力、培養基本操作技能；大二學生在基本技能的基礎上，通過綜合實驗、仿真實訓等培養其基本實踐技能；大三學生通過專業實驗、課程設計等活動來培養他們的專業技能；大四學生主要通過畢業實習、畢業論文（設計）等活動培養他們的工程系統能力即綜合創新能力。

CDIO教學大綱要求除了培養學生技術學科知識外，還特別強調他們的個人能力（Personal）、人際協調能力（Interpersonal）、產品、過程及系統構建能力等綜合實踐能力和職業素質的培養，要達到這樣的教學效果，則要求教師要有扎實的理論知識和良好的工程化知識。TC-CMM模型（Capability Maturity Model for Teacher）是中南大學軟件學院為順利實施CDIO工程教育模式，針對學院專職教師和外聘企業教師的特點建立的教師CDIO能力成熟度模型，該模型同樣由初始級、成長級、發展級和成熟級四個等級組成，每一等級借鑒PDCA循環管理模型運行，即計劃（P1an）、實施（Do）、檢查（Check）、處置（Action）[8]。PDCA循環是一個漸次提高的閉環系統，如同爬樓梯，一個循環運轉結束，即可提高一步，然后再制定下一個循環，再運轉、再提高，不斷改進，不斷提高[10]。通過引進PDCA循環的TC-CMM持續改進運行機制，可以科學、規范、有效地提高教師的CDIO能力，并有較強的可操作性。在基礎化學實驗教學中，教師除了指導課本實驗，還應拓寬實驗內容，引入CDIO理念，積極參與工程實踐活動，注重產學研相結合，與企業合作開展橫向課題研究，促進科研成果向實踐項目轉化；同時獲取相應的職業資格證書或企業培訓師聘任證書，建立一支由高校教師、工程師和企業培訓師組成的“三位一體”的高素質專任教師隊伍[8]。

2.3 構建CDIO工程化基礎化學實驗課程體系的 三個實踐過程

三個實踐過程（基礎實踐過程、專業實踐過程和綜合實踐過程）即工程化技能實踐過程（見圖2）。在基礎化學實驗教學過程中，一方面要根據CDIO理念設置以培養職業素質為主的教學方式，以實驗項目為主線把實驗課程乃至化工類專業所需的知識、應達到的能力、應具備的素質等培養目標融入實驗教學過程中。比如大一新生在進實驗室之前，需在線觀看實驗相關知識以及實驗室各項規章制度，逐步培養學生的職業安全意識、職業環保意識、自覺遵守操作規程等基本實驗素質，培養學生嚴謹求實的科學態度和良好的職業道德。另一方面，通過專業實踐過程進一步培養學生的專業技能。對傳統基礎化學實驗課程的教學內容進行改革，多增加一些拓展性實驗和綜合性實驗，強調“做中學、學中做”。不同專業的學生結合生活實際，開設一些實訓拓展內容，如針對應用化學專業，可開設用氧化還原滴定法測定葡萄園中常用的膽礬中五水硫酸銅含量的測定；食品專業可開設分光光度法同時測定蔬菜中的維生素 C 和維生素 E 的含量；制藥專業開設高效液相色譜法測定鹽酸環丙沙星片中鹽酸環丙沙星的含量等。綜合實踐過程即工程技能實踐過程則是在學生具備足夠的動手能力和專業技能基礎上的升華，因此在這部分實踐過程中，應以基礎化學實驗為基礎，拓寬實習渠道，建立緊密結合的校內外實習實訓基地，培養學生的CDIO工程化開發能力。

2.4 建立CDIO-CMM模型指導下“基礎-綜合 -應用-創新”四個實踐層次

四個實踐層次，即基礎技能培養層、系統綜合設計能力培養層、應用能力培養層和創新能力培養層，基礎化學實驗貫穿于四個實踐層次中，與科學研究、企業實踐、科技創新緊密結合[11]，這兩塊內容與上小節的三個實踐過程形成343模式（見圖2）。三模塊各自獨立、分段實施、有各自完整的教學環節，但又相互影響，相互制約，后者以前者為基礎，前者以后者為目標，層次遞進，構成一個完整的CDIO能力培養教學新體系[7]。基礎層強調基本技能及個人能力的培養，主要通過基礎化學實驗及參與一年一度的化學技能大賽、高級分析工與分析技師的培訓和考試來提升學生的動手能力和心理素質；綜合層強調綜合設計能力及人際協調能力的培養，主要由開放實驗、課程設計、化工設計競賽等完成。在剛剛落下帷幕的2014“恒逸-三井化學杯”第八屆全國大學生化工設計競賽中，5名化工專業學生組成的“Runners”團隊設計的作品“中國石化集團連云港石化100萬噸/年對二甲苯項目”喜獲特等獎、“銀杯獎”及“最佳工程圖紙質量獎”；應用層強調產品、過程與系統構建技能的培養，主要是讓學生通過專業綜合實踐、畢業實習等方式參與企業產品過程開發，培養工程開發能力和職業素養。為鼓勵學生參與開發的積極性，江蘇華達化工集團有限公司在學院設立了華達獎學金、華達助學金，是學院開展工程實踐教育合作的大型企業之一；創新層強調創新能力的提高，主要通過參與教師科研項目或大學生科技創新項目等方式完成[8]。這次競賽中“Runners”團隊設計的項目主要有兩大創新：一是突破性地采用了吸附-結晶耦合工藝，減少生產能耗20%～30%；二是項目工程中的每一條管線和設備都進行了安全性分析，并且采取對應的保護措施，通過模擬測算出的各項廢棄物均低于國家排放標準。通過校企聯盟和設計大賽鼓勵學生參與企業橫向課題開發，促進學生學研相結合，在“做中學、學中研、研中創”，學會實驗，學會學習，學會研究，學會創新[12]，培養學生的科研創新能力，提升學生的綜合素質。

2.5 完善CDIO能力的五個實踐教學評價機制

在CDIO工程教育模式下，要保證基礎化學實驗教學體系的良性運行，需要有與之適應的課程教學評價方法，評價應是以學為主的成效評價，評價范圍面向整個教學環節，特別注重學生CDIO能力培養效果，因此根據評價主體及評價項目的不同，擬建立以下五個評價機制即學生課程學習評價機制（權重0.2）、學生實驗學習評價機制（權重0.3）、學生實訓評價機制（權重0.2）、企業實習評價機制（權重0.3）及教師工作評價機制[5]。系統性地評估學生的CDIO能力既要著眼于CDIO標準，還要考慮實驗過程中的分析解決問題的能力，既要系統考察基礎實驗知識和專業實踐活動，還要考察綜合設計能力和人際協調能力。對學生在實驗過程中的方法、態度、情感、意志等動態性的因素，采取知識評價與方法、能力與態度評價相結合；形成性評價與定量、定性評價相結合，書面考試和實踐應用并重的多元評價模式，做出綜合性評價。

教師是教學活動的主要實施者，教師評價是不可缺少的要素，教師的工作能力評價，除了具有對教師教學工作的評價外，需更強調教師的CDIO能力和職業素養評估，根據這些評價內容，運用“教學反應”型評價、“實態把握”型評價、“成果把握”型評價、“認可”型評價等評價方式，由學院學生、同行教師和學校督導組成評價主體，各評價主體所占權重不同，評價時按照各項指標分別給出客觀評分， 保證評價的客觀、權威和有效。

3 結束語

將CDIO工程教育理念與基礎化學實驗教學有機融合，構建了集教學理念、實踐主體、實踐過程、實踐層次及評價機制“五位一體”的實驗教學體系。以CDIO-CMM、TC-CMM能力成熟度模型為指導，探索培養學生、教師兩個實踐主體的CDIO能力，構建科學合理的工程化基礎化學實驗過程體系及實踐層次，完善了CDIO模式下的實踐教學評價機制，使學生通過CDIO視域下的主動學習、主動實踐，熟練掌握了基本實驗技能和專業實踐技能，增強了科研創新能力、團隊協作能力、溝通表達能力和綜合職業素養等，成長為復合型、創新型、開放型工程技術人才，實現CDIO的教學目標。

參考文獻

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