基于CDIO培養模式的高等農業院校儀器分析教學改革的研究與實踐

王宇昕， 付 穎， 高 爽， 許 晶， 白靖文， 邢志勇

(東北農業大學 理學院，哈爾濱 150030)

0 引 言

儀器分析是高等農業院校中很多專業的重要基礎課，更是一門實用性強的工具課[1]。它的目標是培養具有良好綜合素質，熟練掌握現代分析儀器基本原理、分析方法、使用與維護的應用型人才。但是目前，該課程存在的主要問題是:①課時少、知識點多而散，多學科交叉、原理晦澀難懂[2]；②大型儀器少，缺乏項目導向性的實驗，很難培養學生的職業素養；③實驗教學缺乏團隊協作項目。儀器分析課程的傳統教學模式多以教師為中心，過分強調了課程內容的系統性和完整性，忽略了對學生歸納、分析和滲透綜合能力的培養，學生完全喪失了拓展思維的機會，導致學生學習的積極性不高、創造性沒有得到充分發揮。加之課程的設置缺乏多人合作的設計創新性項目試驗，無法激發學生的探索精神，更不利于學生團隊協作能力、創新能力和溝通能力的培養。

針對以上存在的問題，以微課興起為契機，結合CDIO教學理念和整合性思維探索新的教學模式，依托數字化校園建設，對儀器分析教學體系進行“五學互補、五位一體”的教學改革。

1 運用CDIO教學模式，構建儀器分析課程“五學互補、五位一體”的教學新模式

(1) 依托數字化校園建設，構建儀器分析立體化教學資源。①根據近幾年的教學反饋，綜合考慮儀器發展的前沿內容以及相關儀器的普及程度，增加了專業課學時，并針對學生學習的重點和難點，修整和完善多媒體教學課件，使之與教材高度匹配，便于學生學習。②依托數字化校園建設，借助網絡已有的微課和精品課資源，重新規劃和整合網絡教學平臺(http://202.118.167.91/dahua/kcsz/yqfxgg/default.asp和http://202.118.167.67/eol/jpk/course/layout/default/index.jsp?courseId=1142)[3-6]，及時更新國內外相關網站網址和知識拓展等鏈接，并按章節上傳授課資料，包括：教案、大綱、PPT、重點與難點解析、章節練習、自測習題、模擬試題和答案以及微課單元的鏈接，逐步建立和完善立體化教學資源體系，指導并督促學生進行課前預習和課后復習，加強學生自主學習的能動性。最后，通過網絡平臺的答疑信箱、微信和QQ等高時效性的溝通式方及時與學生交流，促進師生間的雙向互動，進而提高教學有效性。

(2) 運用CDIO教學模式，將教學過程階段化。“CDIO”系指構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，是由麻省理工學院、瑞典皇家理工學院和瑞典查爾姆斯理工大學聯合研究提出的一種新型工程教育模式[7-8]，目前已在工程教育領域獲得較好的教學效果。儀器分析課程也具有項目導向及實踐特性，因此根據應用型復合人才的培養方案，基于CDIO教學模式重新修訂教學大綱，調整教學內容和進度，增加綜合實驗學時，增設大型儀器的設計研究型實驗，以CDIO項目導向為目標將儀器分析課程整體分為：課堂教學、仿真模擬、基礎實踐(即基石項目)和實訓拓展(項目導向)4個階段(見圖1)。

在課堂教學階段，結合CDIO的“情境教學法”，通過貼近實際生活的案例導入新課，充分調動學生的學習積極性，引導學生深入思考并自主提問。仿真模擬階段，引進大連理工大學研制的“現代儀器分析模擬實驗室”和西北工業大學研制的“現代化學分析技術”智能仿真課件，輔助學生鞏固理論知識并對實驗內容進行課前預習。課件包括理論教學中的各種分析方法，每種方法都由基本原理、操作演示、模擬實驗和注意事項構成統一整體，最大程度緩解理論知識相對滯后實驗進程的矛盾。課件通過動畫、視頻等方式形象生動地展示了分析原理、儀器構造和基本操作，借助人

圖1 CDIO教學模式下四階段化的教學過程

機交互性強的特性，學生在實驗前通過軟件自主模擬反復操作訓練，通過模擬時的相關數據和圖像變化形成初步的感性認識[9-11]，這樣既能實現在現有實驗條件和學時下無法進行的實驗條件優化過程，又能獲得與操作真實儀器一樣的豐富經驗，并以“分析-判斷-解決”為目標設置思考題，大大提高學生分析問題、解決問題的能力。基礎實踐階段，根據課堂教學和仿真模擬的內容，教師布置相應的實驗任務，學生2或3人一組，以小組協作的方式完成。例如：課堂教學講授原子吸收光譜法，仿真模擬原子吸收光譜法測定試樣中的鉛含量，基礎實踐使用原子吸收光譜儀測定樣品中的銅和鈣的含量(即基石項目)。實訓拓展階段通常安排在學期末，學生理論知識儲備充足，各種儀器掌握熟練。根據學生自身特點，將5～7人組成團隊，根據教師布置的題目統一進行樣品分析(即項目導向階段-研究性設計實驗階段)，如天然產物中功能活性成分的分離與測定(如丁香酚的提取與測定)。團隊內自行選定領隊和分析測試方法，分工合作，通過查閱相關文獻，自主設計實驗方案[12]，實驗前兩周先提交設計報告由教師進行批改修正，實驗結束后制作實驗檔案卡，將主要樣品的前處理、操作步驟、數據處理方法和實驗結果統計、實驗出現的問題及改進措施和注意事項等均記錄在案。這是一個貫穿了構思、設計、實施、改進、運行等環節的工作流程，這個學習過程需要學生具備理論、實踐和人際交往技能方面的綜合能力，非常符合CDIO教育模式的要求。

(3) 構建 “五學互補、五位一體” 的教學新模式。以CDIO教學模式為基礎，以其項目導向為終極培養目標，構建“五學-五位”的教學新模式，即在教學的組織安排上，按照“教→學→做→創→評”一體化的教學模式[13]，在階段化教學過程中，采取“翻轉課堂+難點解析→重點訓練→自主操作實踐→項目實訓→總結與評估”的順序來組織教學；并依托數字化校園提供的網絡教學平臺通過“導學-督學-自學-輔學-互學”的五學互補模式輔助課堂教學。新模式的構建將翻轉課堂和混合式學習形式融入傳統教學，充分利用豐富的微課資源，形成強調以學生自主學習為主，教師教學為輔的雙向互動的混合式教學模式。教師的教建立在學生的學的基礎上，充分起到引導、輔助和提升的作用，促使教學模式的轉型，真正實現“以學生為本”的教育理念。

2 多步序列進階化教學內容

(1) 理論教學模塊化進階。將理論課分成三大板塊，電化學→光譜學→色譜學。以電化學為基點(普化和分析課程中略有涉及)，以光譜學為主線(科研和企事業單位的常規儀器)，以色譜學和核磁共振為難點拔高，采用案例式教學方法，從淺入深、由易到難進行講解。每章結束后針對知識節點進行小測，及時反饋學生學習的難點和混淆點，完善課堂教學。

(2) 實驗教學多步序列化進階。把前后關聯的幾個實驗構成一個由簡到繁的系列，以便將理論知識和儀器構造流程系統化到序列實驗中。例如：紫外光譜試驗序列項目：水中總酚含量測定(采用單波長單光束分光光度計)→混合液中Co2+和Cr3+的含量測定→不同溶劑中苯酚紫外光譜的研究(采用雙光束分光光度計)→鄰二氮菲測定鐵含量。試驗項目按進階序列進行，逐步鞏固理論知識系統中單組份定量→多組份定量→溶劑影響→反應條件選擇等相應內容，并在實驗過程中理解消化儀器類型和組件等相關知識。

3 構建多元化、多層次的考評方式

根據應用型人才培養的要求和目標，在課程考核方式上引入答辯式考核模式，以任務驅動答辯代替答卷，既培養了學生“互聯網+書本”解決實際難題的技能，又著重考核了學生應用知識分析解決問題的能力。

(1) 理論教學考核。學生自組團隊，抽取答辯題目，自主分工，查閱文獻，收集資料并制作匯報PPT。小組推薦主答辯人陳述，其他小組同學作為答辯委員會成員對答辯內容進行提問并對該組答辯情況進行評定，提問同學可以得到適當加分直接計入總成績。答辯小組成員都要回答問題，每位學生都要撰寫一篇相應內容的論文。期末答辯成績采用百分制，其中主答辯為70分，個人回答問題為30分。根據主答辯表現評定的成績為小組成員基本成績，個人回答問題的成績加上小組基本成績為個人答辯成績。理論總成績=答辯成績(50%)+論文(20%)+平時章節小測(30%)。

(2) 實驗教學考核方式。實驗前學生按實驗內容分組收集素材進行預習，上課時教師隨機指定組內學生試講，有遺漏的地方同組同學可以進行適當補充，有錯誤的地方同組同學進行更正。實驗總成績=試講+操作+衛生+出勤+報告+綜合設計試驗。綜合設計試驗重點評價以下內容：外文文獻查閱能力、實驗方法設計的合理性、儀器的選用和使用情況、數據處理和分析改進以及團隊協作等能力。

4 培養“雙師型”教師

CDIO教學模式強調了實踐和項目導向的作用，教師是貫穿這些環節的關鍵連接點，因此“雙師型”教師成為應用型本科院校教師培養的最佳途徑[14]。“雙師型”教師是指即具備良好的師德修養、教學與科研的能力，又具備良好的職業態度、知識、技能和實際操作能力的專業教師[15]。采取的培養措施主要如下：增設實習基地，利用不同項目的實習基地對教師進行各種實踐技能的培訓；到企事業單位參觀、培訓或參加實踐鍛煉，提升教師自身素養；積極參加各類講座、會議，開闊教師視野；積極申報和參與國家、省(部)級科研課題，帶動“產學研”教學模式的發展。

5 結 語

將CDIO培養模式運用到儀器分析教學中，以其為導向進行教學體系地改革創新，這樣既關注了學生系統扎實的基礎理論知識地學習與儲備，同時也實現了能力為本的教育，培養學生將理論與實際統一整合。通過項目主導實際應用，強化學生解決實際問題的實踐能力和創新能力，為學生未來長期的可持續發展以及進入社會和未來市場就業奠定堅實基礎。在該教學模式下，以基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高為培養目標，學生在提升自我能力的前提下，以團隊協作的方式完成項目任務，在熟練掌握專業技能的同時，全面培養了學生的團隊協作能力、創新能力、溝通表達能力和綜合職業素養，實現知識、能力與素質培養地有效結合，真正實現“學以致用”和與社會需求的無縫對接，做到“落地開花”。