基于CDIO模式的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革

吳紅梅，郭 宇，張震斌，藺 巖，陳強(qiáng)強(qiáng)

(遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

基于CDIO模式的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革

吳紅梅，郭 宇，張震斌，藺 巖，陳強(qiáng)強(qiáng)

(遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為適應(yīng)高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的要求，改進(jìn)傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗課程在實施過程中的不足，采用CDIO模式對實驗教師能力提升，對實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方法等進(jìn)行全面的探索與改革。實踐證明，CDIO模式不僅能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且通過在“做”中學(xué)習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生主動探索、大膽創(chuàng)新的素質(zhì)。不僅如此，CDIO教學(xué)模式的運用顯著提高了學(xué)生對知識的應(yīng)用能力、分析和解決問題能力，強(qiáng)化了團(tuán)隊協(xié)作意識，為在應(yīng)用型人才培養(yǎng)框架下的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革提供了有益借鑒。

有機(jī)化學(xué)實驗； CDIO教學(xué)模式； 應(yīng)用型人才； 教學(xué)改革

0 引 言

應(yīng)用型人才區(qū)別于技能型人才和研究型人才，是為適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級需求而提出的，也是社會不斷發(fā)展、分工細(xì)化的結(jié)果，體現(xiàn)了學(xué)以致用的本質(zhì)[1-4]。在此背景下，高等學(xué)校理性思考求發(fā)展，不斷明確自身辦學(xué)方向和辦學(xué)定位。2015年，遼寧省確定10所高校及116個專業(yè)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變，其中就有我校的化學(xué)工程與工藝專業(yè)和環(huán)境工程專業(yè)。為了更好地培養(yǎng)應(yīng)用型人才，為地方經(jīng)濟(jì)服務(wù)、增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)能力，需要對目前專業(yè)課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并有針對性地對相關(guān)課程進(jìn)行教學(xué)方法改革。有機(jī)化學(xué)實驗課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)和環(huán)境工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)實驗課程，對鞏固有機(jī)化學(xué)課程理論和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力不可或缺。特別是能夠為培養(yǎng)學(xué)生求實、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和踏實的工作作風(fēng)奠定基礎(chǔ)，對培養(yǎng)應(yīng)用型人才具有重大作用。然而，傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗課程無論是在內(nèi)容設(shè)置，還是對提高學(xué)生的主觀能動性方面均存在不足。如學(xué)生為修學(xué)分機(jī)械性地做實驗、實驗過程“照方抓藥”、實驗數(shù)據(jù)可信度不高、思考問題少、分析和解決問題能力差、甚至個別學(xué)生抄襲實驗報告、成績評價體系單一等問題，嚴(yán)重制約了對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[5-10]。因此，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的框架下，如何能夠有效推進(jìn)有機(jī)化學(xué)實驗課程的教學(xué)改革，將是研究的重中之重。

Conceive(構(gòu)思),Design(設(shè)計),Implement(實施),Operate(運行)，簡稱CDIO模式，是由美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合幾所跨國院校探索的一種新型教育模式，倡導(dǎo)“基于項目教育和學(xué)習(xí)”“做中學(xué)”，不僅注重知識積累，更加重視提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作意識[11-16]，與應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求不謀而合。因此，我們致力于應(yīng)用CDIO模式進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實驗課程改革，解決傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗課程存在的問題。對有機(jī)化學(xué)實驗課程在實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方法等方面進(jìn)行探索與實踐。

1 迎合應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要，提升教師能力

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，由實驗教師按照教材已經(jīng)驗證好的計量機(jī)械性地講授實驗課程，一年又一年，周而復(fù)始。長期下來，實驗教師接觸新事物較少，思維固化，在實驗創(chuàng)新方面缺乏創(chuàng)意。要想培養(yǎng)出高質(zhì)量的大學(xué)生，教師自身水平是關(guān)鍵因素之一。而且，應(yīng)用型人才培養(yǎng)和CDIO教學(xué)模式要求教師不僅具有教學(xué)能力，還應(yīng)具備科研能力和工程實踐能力。因此，為提高實驗教師教學(xué)水平，在其創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)方面提出了一系列的改革措施。① 假期對企業(yè)走訪調(diào)研，深入企業(yè)生產(chǎn)中存在的技術(shù)問題，分析存在原因，從技術(shù)支持角度給出解決方案；了解企業(yè)對人才的需求，適當(dāng)調(diào)節(jié)培養(yǎng)方案。② 針對本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)要求，設(shè)計開發(fā)新的專業(yè)綜合性、設(shè)計性實驗項目，制定出符合實驗指導(dǎo)書要求的完整實驗方案、實驗步驟及實驗要求，并進(jìn)行實驗核心內(nèi)容試做。③ 鼓勵教師申請橫向、縱向項目進(jìn)行科學(xué)研究，并反哺實驗教學(xué)，根據(jù)培養(yǎng)要求，將相關(guān)科研內(nèi)容引入實驗計劃。這些措施使得教師整體的科研能力和工程實踐能力得到了全面提升，更加明確了對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，在實驗課的設(shè)計和授課方面更加貼近實際、游刃有余。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使其更具應(yīng)用性、實踐性

根據(jù)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要求，課程內(nèi)容應(yīng)具有實踐性和應(yīng)用性，因此有必要對傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗課程中基礎(chǔ)操作性實驗、驗證性實驗和綜合性實驗進(jìn)行全面整合和調(diào)整。

(1) 基礎(chǔ)操作是進(jìn)行后續(xù)實驗的必備技術(shù)，學(xué)生應(yīng)扎實掌握。因此在保留原有基礎(chǔ)操作實驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)拓展及更新技術(shù)，切實體現(xiàn)CDIO概念中“構(gòu)思”和“設(shè)計”模塊，如在蒸餾操作實驗中，教師除了講授普通蒸餾外應(yīng)該進(jìn)一步介紹減壓蒸餾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)等操作，這些操作技術(shù)具有相通性，且實用性很強(qiáng)。

(2) 強(qiáng)化驗證性實驗，能夠使學(xué)生更加直觀、感性地了解有機(jī)化學(xué)實驗的原理，突出CDIO概念中“實施”模塊的運用。將簡單的驗證性實驗，如鑒別實驗(碘仿反應(yīng)、苯酚與FeCl3的顯色反應(yīng)、銀鏡反應(yīng)等)做成微課視頻添加到有機(jī)化學(xué)理論課教學(xué)中；增添2～3個多步反應(yīng)的驗證性實驗(如合成2,4-二硝基苯肼，再將其與羰基化合物作用，由于2,4-二硝基苯肼熔點較高，非常容易析出結(jié)晶，可鑒別羰基化合物)，教師給出具體操作細(xì)節(jié)，學(xué)生在實驗室演練學(xué)習(xí)，為后續(xù)綜合設(shè)計性實驗打基礎(chǔ)。

(3) 綜合設(shè)計性實驗?zāi)軌驅(qū)⒈姸嗒毩⒌幕A(chǔ)實驗操作無縫整合，不僅是知識升華和技術(shù)創(chuàng)新的過程，也是整個實驗課程的重中之重。實驗的內(nèi)容應(yīng)多樣化、具有拓展性和創(chuàng)新性。如將原有限定的“乙酸乙酯制備”實驗修改為“酯的制備”，題目具備寬泛的選擇性，并更多地貼近企業(yè)應(yīng)用的中間體或產(chǎn)品。通過CDIO模式，團(tuán)隊學(xué)生可以自由選擇題目(如制備水楊酸甲酯、乙酸異戊酯、辛烯基琥珀酸淀粉酯、苯甲酸甲酯、乙酸丙酯等)，并可以采用不同催化劑(濃硫酸、對甲苯磺酸、氯化亞砜、固體酸等)進(jìn)行酯的制備，從中可以學(xué)習(xí)到不同催化劑制備酯的方法和機(jī)理，不僅是對理論課知識的應(yīng)用過程、更是拓展學(xué)習(xí)的訓(xùn)練。通過完成不同的項目來學(xué)習(xí)和拓展知識，始終在做中學(xué)、學(xué)中做，不僅提高了實驗技能水平和創(chuàng)新能力，而且可以有效培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神，完美體現(xiàn)了CDIO模式的全部主題思想。

3 在CDIO模式倡導(dǎo)下的教學(xué)方法改革

對應(yīng)用型人才培養(yǎng)而言，教學(xué)過程應(yīng)強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實際地進(jìn)行綜合訓(xùn)練、創(chuàng)新訓(xùn)練，因此，采用CDIO模式教學(xué)方法，讓學(xué)生的大腦真正轉(zhuǎn)起來，手腳有目的動起來，避免了傳統(tǒng)教學(xué)方法的古板、僵硬的模式。筆者針對不同教學(xué)部分的特點做了如下改革措施：

(1) 將有機(jī)化學(xué)實驗的基礎(chǔ)操作部分制作成MOOC，學(xué)生可根據(jù)自己的情況選擇MOOC方式或者常規(guī)課堂方式上課。選擇MOOC方式學(xué)習(xí)的學(xué)生不僅通過視頻學(xué)習(xí)操作要領(lǐng)，還要在預(yù)約時間內(nèi)到實驗室進(jìn)行現(xiàn)場操作練習(xí)；選擇常規(guī)課堂方式上課的學(xué)生按照傳統(tǒng)方式在實驗室按部就班的上課，完成基礎(chǔ)操作的訓(xùn)練。無論選擇哪種上課方式的學(xué)生，最后都要通過現(xiàn)場操作考核，通過后才能進(jìn)行下一個實驗環(huán)節(jié)。

(2) 將驗證性實驗的教學(xué)模式由“可聽性”向“可視性”轉(zhuǎn)化，即將教學(xué)資料整理成文字、圖形及視頻方式，輔助適當(dāng)?shù)闹v解進(jìn)行可視化教學(xué)，簡單的驗證性實驗在有機(jī)化學(xué)理論課上演示，加深學(xué)生對知識點的深化理解；復(fù)雜驗證性實驗在視頻輔助下現(xiàn)場操作完成，減輕實驗教師工作量，將教師精力轉(zhuǎn)移到綜合設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)。

(3) 綜合設(shè)計性實驗，根據(jù)CDIO教學(xué)模式所倡導(dǎo)的 “基于項目教育和學(xué)習(xí)”與“做中學(xué)”的理念，以項目為驅(qū)動、通過團(tuán)隊形式完成。學(xué)生自由組隊，每3～4人一組，實驗教師根據(jù)大綱給出每部分實驗的大方向，如天然產(chǎn)物的提取、酯類化合物的制備、胺類化合物的制備、酮類化合物的制備等，在大方向下具體實驗內(nèi)容由團(tuán)隊小組成員自行選定(可在老師提供范圍內(nèi)選擇、也可由團(tuán)隊自己確定，團(tuán)隊確定的題目必須跟教師協(xié)商，經(jīng)教師同意后方可進(jìn)行)。以天然產(chǎn)物提取實驗為例進(jìn)行說明，教師給出部分題目內(nèi)容從茶葉中提取咖啡因、從煙葉中提取煙堿、從橘皮中提取果膠、從菠菜中提取葉綠素等，每個團(tuán)隊可以選擇教師給定范圍內(nèi)的題目，也可以自由選擇。查閱文獻(xiàn)、確定實驗方案、準(zhǔn)備實驗藥品和實驗儀器等方面都由學(xué)生在助教指導(dǎo)下完成，最后預(yù)約時間進(jìn)行實驗。實驗過程中教師和助教均在現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過CDIO模式進(jìn)行教學(xué)后，學(xué)生不再互等互靠，而是通過團(tuán)隊合作、集思廣益，在做中學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)新，態(tài)度積極、認(rèn)真，對知識的應(yīng)用能力、分析問題和解決問題能力、創(chuàng)新能力有了很大提高，體現(xiàn)了應(yīng)用型人才培養(yǎng)學(xué)以致用的本質(zhì)。

4 在CDIO模式倡導(dǎo)下的考核方法改革

應(yīng)用型人才培養(yǎng)注重理論的應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題的綜合能力，因此，有效的考核方式才能推動有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革的順利進(jìn)行。CDIO模式應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)實驗的考核方法中，靈活多變，能夠全面考察出學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實驗動手能力、分析問題和解決問題的能力。根據(jù)不同教學(xué)部分的特點采用實驗報告、現(xiàn)場提問、答辯、課程論文等形式進(jìn)行綜合評價，各部分成績權(quán)重見圖1。其中，基礎(chǔ)操作部分+驗證性實驗部分占30%、綜合設(shè)計性實驗部分占55%、課程論文占15%。具體考核方式如下：

圖1 考核成績中各部分成績權(quán)重分配圖

(1) “基礎(chǔ)操作部分+驗證性實驗部分”的預(yù)習(xí)報告占10%，現(xiàn)場操作占20%，這部分主要是訓(xùn)練學(xué)生操作的基本功，因此，在預(yù)習(xí)報告的基礎(chǔ)上，重點是在現(xiàn)場真槍實彈式的操作，采用現(xiàn)場打分方式，不合格的學(xué)生不能進(jìn)入綜合設(shè)計實驗環(huán)節(jié)。

(2) “綜合設(shè)計實驗”采用CDIO教學(xué)模式，選擇題目、查閱文獻(xiàn)、確定實驗方案、實驗實施、答辯、撰寫報告等環(huán)節(jié)都是由團(tuán)隊成員協(xié)作共同完成。預(yù)習(xí)報告成績占10%，內(nèi)容包括背景、實驗方案的確定、實驗藥品(包括毒性分析)和儀器、實驗步驟(包括使用藥品的計量)，可能出現(xiàn)的問題等，由實驗教師或助教審核通過后開展實驗；現(xiàn)場操作成績占20%，每個團(tuán)隊在預(yù)約時間內(nèi)完成實驗，整個過程助教及實驗教師現(xiàn)場給予適當(dāng)指導(dǎo)，并根據(jù)現(xiàn)場提問、實驗操作情況打分；實驗報告成績占10%，內(nèi)容包括修正后的實驗步驟、實驗結(jié)果與討論、實驗中出現(xiàn)的問題及解決方案；答辯成績占15%，設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)結(jié)束后，設(shè)計團(tuán)隊成員匯總實驗資料將其做成PPT展示匯報，并接受評委的現(xiàn)場提問，根據(jù)團(tuán)隊整體表現(xiàn)及每個學(xué)生對問題的回答情況，給團(tuán)隊中每個學(xué)生打分，避免出現(xiàn)濫于充數(shù)的現(xiàn)象；課程論文成績占15%，團(tuán)隊中每個成員任選曾經(jīng)做過的一個設(shè)計性實驗形成詳細(xì)的小論文形式，訓(xùn)練學(xué)生初步科技論文寫作的能力。整個考核過程充分體現(xiàn)CDIO模式推動應(yīng)用型人才培養(yǎng)的學(xué)以致用、重過程、重能力的目標(biāo)，以考核模式為導(dǎo)向，強(qiáng)化學(xué)生對實驗類課程的重視及對知識活學(xué)活用的能力。

5 CDIO教學(xué)模式實踐成效分析

在CDIO教學(xué)模式驅(qū)動下，有機(jī)化學(xué)實驗課程進(jìn)行了全面改革，取得了良好的成效，不僅教學(xué)效果反映良好而且學(xué)生的綜合能力得到了有效提升，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 實驗操作技術(shù)水平和規(guī)范性得到了極大提高，并且改掉了實驗過程中互等互靠的懶惰習(xí)慣；② 學(xué)生對知識的應(yīng)用能力、分析和解決問題能力、工程實踐能力得到了全面訓(xùn)練和提高，他們能結(jié)合書本知識和相關(guān)文獻(xiàn)去解釋實驗現(xiàn)象、分析和討論實驗結(jié)果，具備了一定的科研能力；③ 經(jīng)過CDIO模式的訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力、創(chuàng)新能力及可行性的判斷能力，而且思維更加廣闊；④ CDIO教學(xué)模式注重集思廣益、團(tuán)隊式合作，實現(xiàn)了個體和團(tuán)隊的高效結(jié)合，因此不僅學(xué)生個人能力得到了提升而且團(tuán)隊合作意識得到了增強(qiáng)。

6 結(jié) 語

在CDIO理念指導(dǎo)下進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實驗課程的改革，克服了傳統(tǒng)教育模式中重理論、重結(jié)果、輕過程、輕能力的缺陷，使實驗課程更具應(yīng)用性和挑戰(zhàn)性，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生對知識的應(yīng)用能力、實踐能力、分析和解決問題能力及團(tuán)隊合作能力，順應(yīng)了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，對繼續(xù)學(xué)習(xí)其他課程乃至將來的職業(yè)生涯都具有深遠(yuǎn)影響。未來的教學(xué)過程任重而道遠(yuǎn)，我們教學(xué)團(tuán)隊將會更加努力去探索有機(jī)化學(xué)實驗課程的教學(xué)改革，立足于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、滿足企業(yè)對人才的需求，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)率，培養(yǎng)滿足社會要求的應(yīng)用型人才。

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ApplicationofCDIOTeachingModeinOrganicChemistryExperimentTeachingReform

WUHongmei，GUOYu，ZHANGZhenbin，LINYan，CHENQiangqiang

(School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, Liaoning, China)

In order to meet the requirements of the transition to application-oriented colleges and universities and make up for the drawbacks of traditional "Organic Chemistry Experiment", comprehensive experimental teaching exploration and reform were carried out by using CDIO model to enhance the teaching ability of teachers, experimental teaching contents, teaching methods, assessment methods.Practices have proved that the CDIO model not only can significantly improve students’ interest, but also can cultivate the students to explore novel experimental methods by "doing" in learning.Moreover, the CDIO teaching mode significantly improves the students’application ability of knowledge, analysis and problem-solving skills, and strengthens the sense of teamwork.Therefore, this work provides a useful contribution on the "Organic Chemistry Experiment" teaching reform for cultivating applied talents.

organic chemistry experiments; CDIO teaching mode; applied talents; teaching reform

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0177-03

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金(21601075)；遼寧省自然科學(xué)基金(No.2015020249); 遼寧省本科教改項目(遼教發(fā)[2016]23號，2016-299)；遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項目(2012015)

吳紅梅(1979-)，女，遼寧阜新人，博士，副教授，主要從事有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)與研究。Tel.:13940666224; E-mail:wuhongmei@lnut.edu.cn

郭 宇(1981-)，男，遼寧營口人，博士，副教授，化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副院長，主要從事實驗室建設(shè)與管理、有機(jī)化學(xué)實驗、膜催化等研究。Tel.:13704168439; E-mail:guoyu@lnut.edu.cn