工程教育模式在化學實驗教學的應用

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摘要：人才培養(yǎng)模式的實施與應用能夠破解高等工程教育中的知識傳授與能力培養(yǎng)二元對立的難題，確保高等工程教育的質(zhì)量，為企業(yè)和社會培養(yǎng)有工程思維、工程理論、工程實踐能力和創(chuàng)新能力、以及團隊合作與交流能力的工程師。文章通過對照CDIO大綱提出的12個標準，明確了教師和學生“教”與“學”的方法，促進教學相長。通過CDIO工程教學模式在化學實驗教學中的應用案例分析，闡述了構(gòu)思、設計、實施、運行環(huán)節(jié)對學生能力的培養(yǎng)，凸顯出CDIO教育改革的實效。

關(guān)鍵詞：CDIO工程教育模式；實驗教學；工程實踐能力；現(xiàn)代工程師

隨著社會對高等學校教育人才的認識與需求的轉(zhuǎn)變，高校教育觀念和教學模式也發(fā)生了明顯的改變，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維能力、動手操作能力和知識運用能力的現(xiàn)代工程師，已成為國際工程教育改革備受關(guān)注的問題之一。CDIO教育模式改革的愿景是提供一種強調(diào)工程基礎，基于真實產(chǎn)品的構(gòu)思、設計、執(zhí)行、運作過程的教育模式。該模式系統(tǒng)地提出了12條標準，并且經(jīng)過實踐證明，其對于提高教學質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，也為工程教育的系統(tǒng)化發(fā)展奠定了堅實的基礎[1]。截至2015年，國內(nèi)已經(jīng)有40余所高校開展了CDIO試點工作，取得了良好效果[2]。

一、CDIO工程教育模式

（一）CDIO工程教育模式的構(gòu)成

工程教育模式是基于大工程理念提出的，是推動工程教育前行的內(nèi)在動力，其內(nèi)涵包括理念、思想、觀念、價值觀，體制、制度、政策，計劃、操作三個層面。工程教育模式由四大模塊組成，包括人才培養(yǎng)目標、課程體系、教學方法和支撐條件等，通過整合課程體系、綜合教學資源與手段，集成工程的實踐性、綜合性和創(chuàng)造性，重新賦予工程教育模式推動力[3]。CDIO原指工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)品的生命周期。CDIO作為一種理念和工具融入工程教育系統(tǒng)、培養(yǎng)過程和課程計劃當中。培養(yǎng)出的現(xiàn)代工程師，是既要具有專業(yè)知識的行業(yè)技術(shù)專家、具有適應復雜環(huán)境整體性思維的跨行業(yè)者、同時又要具有創(chuàng)新能力和領(lǐng)導力的變革推動者[4-5]?，F(xiàn)代工程師需要在兩大領(lǐng)域具備技術(shù)應用能力，一是完整的專業(yè)基礎知識、創(chuàng)造與創(chuàng)新能力，二是溝通能力、團隊合作能力和對工程決策與投資的商業(yè)嗅覺能力，CDIO工程教育模式符合培養(yǎng)現(xiàn)代工程師的需求。

（二）CDIO工程教育模式的操作程序

CDIO工程教育模式圍繞實現(xiàn)培養(yǎng)目標制定了12項標準，標準1是“以CDIO為基本環(huán)境”，要求在學校使命和專業(yè)目標中體現(xiàn)CDIO的理念，技術(shù)知識的傳授和實踐能力的培養(yǎng)，把以產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設計、實施和運行作為工程教育的框架和環(huán)境。標準2是“學習目標”，要求專業(yè)利益相關(guān)者參與和檢驗制定學生專業(yè)學習目標，得到利益相關(guān)者驗證的個人、人際交往能力以及產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力以及科學知識。標準3是“教學計劃”，要求構(gòu)建滿足CDIO大綱四方面能力要求的課程體系，課程應是跨學科的和相互聯(lián)系相互支撐的。標準4是開設“工程導論”課程，要求通過工程導論課程的學習，激發(fā)學生對相應核心工程領(lǐng)域應用研究方面的興趣和動力。標準5是“設計經(jīng)驗的培養(yǎng)”，使學生有機會在各類活動中參與產(chǎn)品的構(gòu)思、設計、實施和運行。標準6是“工作的空間”，為學生提供創(chuàng)新設計的工作環(huán)境，實驗室是學生直接學習、提高動手能力、構(gòu)建良好人際關(guān)系的硬件空間。標準7是“綜合性學習經(jīng)驗”，綜合學習經(jīng)驗是達成基本知識、個人能力、人際關(guān)系技能，產(chǎn)品和系統(tǒng)建構(gòu)技能獲得的基本途徑。標準8是“主動學習”，讓學生運用知識去操作、應用、分析和評測。標準9是“教師能力的提升”，要求支持和鼓勵提升教師工程實踐能力。標準10是“教師教學能力的提高”，要求提高教師在學習經(jīng)驗、運用主動和經(jīng)驗學習方法以及學生考核等方面的能力。標準11是“考核學生CDIO能力”，CDIO理念必須符合大綱要求的能力考核方法，包括口、筆試、行為、反思和評價等等。標準12是“專業(yè)評估”，要求對12條標準進行評估，包括系統(tǒng)性、對專業(yè)教育的效果和影響等，要求評估結(jié)果對學生、教師以及其他利益相關(guān)者進行反饋[6-7]。CDIO的12項標準明確了專業(yè)培養(yǎng)理念，課程計劃制定，設計實施經(jīng)驗和實踐場所，教與學的方法，提高教師工程能力以及考核和評估等方面的要求。

二、CDIO工程教學模式在高?；瘜W專業(yè)實驗教學中的應用路徑

1.在基礎實驗中的應用：根據(jù)學生已掌握的理論知識和初步的實驗技能，反復強化訓練學生的基本操作技能，通過實驗的預習、實驗的操作到實驗報告的完成，要求學生寫出該基礎實驗將來可能工程應用的兩個領(lǐng)域，不斷強化工程理念，訓練工程思維，強化“構(gòu)思”環(huán)節(jié)。例如在基礎實驗“粗硫酸銅的提純”實驗中，逐一演示稱量、攪拌、溶解、蒸發(fā)、結(jié)晶、常壓過濾和減壓過濾等基本操作，指導并訓練學生掌握這些基本操作，讓學生通過親自動手產(chǎn)生研究興趣，變被動學習為主動學習，讓學生不斷思考可能工程應用領(lǐng)域。通過基礎型實驗教學，使學生扎實系統(tǒng)地掌握化學實驗的基本操作方法、基本實驗技能以及對理論知識的感性認識和嚴謹?shù)目茖W學風，培養(yǎng)他們自主學習的積極性，萌生探索的欲望，具備工程思維。應用了CDIO12項標準中的標準1、標準2、標準6和標準8，把CDIO作為基本環(huán)境，工程思維訓練作為實驗目標，訓練學生實驗動手能力，讓學生直接參與到思考問題的活動中主動學習，交流合作，充分調(diào)動學生學習的積極性和主動性，不斷激發(fā)學生想在相應工程領(lǐng)域應用實驗技能的興趣和欲望。CDIO工程教育模式在基礎實驗中的應用，使得學生將被動的、無意識地接受CDIO工程教育理念轉(zhuǎn)化為積極地、主動的、有意識地將CDIO工程理念運用到化學實驗當中，并形成工程思維，為學生順利完成綜合實驗和創(chuàng)新實驗在實驗技能上和思想意識上奠定了基礎。

2.在綜合實驗中的應用：在學生已經(jīng)掌握大量理論知識和熟練扎實的基本化學實驗操作技能的基礎上，要求他們從實驗的預習、操作到報告的撰寫都獨立完成，教師則起引導作用，并要求實驗結(jié)束后，設想將來可能工程應用的領(lǐng)域，使學生的工程思維得到不斷強化。例如，在實驗“三草酸合鐵酸鉀的合成及組分分析”實驗中，學生在教師的引導下獨自完成實驗資料的查找、實驗步驟的設計、實驗原理的理解以及實驗習題的思考。通過這樣的綜合實驗，大大地提高了學生的設計能力、創(chuàng)新思維和工程意識，應用了CDIO12條標準中的標2、標準3、標準7和標準8，產(chǎn)品從合成到組分分析，滿足了CDIO大綱四方面能力跨學科、相互聯(lián)系、相互支撐的課程體系的要求，符合綜合學習經(jīng)驗應達成的基本途徑，為學生能夠解決工程實踐問題奠定了堅實的實踐基礎，達到了CDIO培養(yǎng)目標的要求，學生主動思考問題的習慣得到強化。CDIO工程教育模式在綜合實驗中的應用使學生在實踐能力體系,包括未來工程師個體必須具備的動手操作能力、觀察思考能力、撰寫報告能力、工程推理與問題解決技能、實驗與知識發(fā)現(xiàn)技能、系統(tǒng)思維能力等方面得到了進一步的鍛煉。學生充分利用學校開放實驗室提供的基礎實驗材料，包括玻璃儀器、稱量儀器、檢測儀器以及適當?shù)脑噭?，進一步熟悉了化學試劑的性質(zhì)，化學儀器的性能。學生通過自主設計實驗方案，反復討論，反復實驗，實驗技能與工程實踐能力得到提升。學生自身學習的主動性得以充分發(fā)揮，成為實驗教學的主體，使自己工程實踐及創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)。

3.在創(chuàng)新實驗中的應用：創(chuàng)新實驗是反復訓練學生構(gòu)思、設計、實施、運行的過程，在創(chuàng)新實驗中，我們通常把學生分成若干實驗小組，組內(nèi)成員自行分工?！皹?gòu)思”就是一個思想的產(chǎn)生，所有創(chuàng)新的思想都是來自于靈感，在構(gòu)思環(huán)節(jié)中，學生依據(jù)理論基礎和實驗基礎，通過網(wǎng)絡或者圖書館查找資料，確認實驗內(nèi)容，設計實驗方案，提出設計思路，教師啟發(fā)引導學生思考方案的可行性，學生反復構(gòu)思，確認構(gòu)想方案。在查閱文獻構(gòu)思過程中，學生會反復思考，發(fā)揮聰明才智，不斷創(chuàng)新自己的思維，產(chǎn)生靈感，對基礎理論知識進行反復消化理解和鞏固，培養(yǎng)了學生對所學知識的理解能力。學生通過“構(gòu)思”環(huán)節(jié)已經(jīng)對實驗的思路有了一個比較清晰的理解，但是教師仍然要對學生的“設計”進行檢查、修改和把關(guān)，以確保該創(chuàng)新實驗實施的可行性，這對于培養(yǎng)學生對基礎知識的理解與掌握能力起到了推動的作用。設計方案經(jīng)教師的審閱，學生便可以開始進行操作，整個實驗過程教師進行一些簡單的指導，主要是以學生完成為主。整個“實施”環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生的動手操作能力、學生之間的交流與協(xié)作能力具有很重要的意義。“運作”環(huán)節(jié)，對于學生而言主要是進行作品的匯報，學生將各階段的試樣留作憑證，通過對記錄的實驗數(shù)據(jù)進行處理得到實驗結(jié)果，向教師和學生進行演示和匯報。這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學生分析問題、判斷問題和解決問題的能力、理論聯(lián)系實際的能力以及理論知識工程化的應用能力。凸顯了CDIO12項標準中的標準5、標準6、標準7和標準8的應用。創(chuàng)新型實驗讓學生有機會參與產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的“構(gòu)思”、“設計”、“實施”和“運行”，有利于學生動手學習、直接學習、知識構(gòu)建、人際關(guān)系學習，使CDIO操作標準的核心要素得到反復強化和應用。

三、運用CDIO教育模式需要注意的事項

1.安全性：化學實驗本身存在著較大的危險性，但學生在操作時一定要嚴格遵循規(guī)章制度，化學試劑和化學儀器的使用都有嚴格的要求和說明，必須規(guī)范使用，特殊情況一定在教師指導下完成。

2.設計性：創(chuàng)新實驗方案的設計一定要具備合理性和科學性，要以一定的理論知識為基礎，實驗方案可以在借鑒大量參考資料的基礎之上提出，并經(jīng)過反復推敲、反復修改，理論上分析確認無誤方可實施。

3.指導性：在CDIO工程教育模式下，實驗教師在具有較高的理論知識水平及扎實的實驗操作技能的同時，還要不斷提高責任心，豐富和完善自身的知識結(jié)構(gòu)，具備工程實踐經(jīng)歷，提高工程素養(yǎng)。讓學生成為學習的主體，充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性。師生互動，討論交流，結(jié)合企業(yè)工程實踐經(jīng)驗啟發(fā)、引導、指導學生。

參考文獻：

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[2]李瑾.30年來中國工程教育模式改革政策分析[J].高等工程教育研究，2013，（5）.

[3]胡興志.工程系統(tǒng)、工程教育與CDIO課程改革[J].高教研究，2015，（2）.

[4]李建平.基于CDIO的物流工程專業(yè)人文素質(zhì)提升路徑研究[J].研究與探討，2015，（5）.

[5]查建中.面向經(jīng)濟全球化的工程教育改革戰(zhàn)略[J].高等工程教育研究，2008，（1）.

[6]張穎.基于CDIO模式的實驗教學探究[J].實驗室科學，2014，（6）.

[7]顧佩華.基于“學習產(chǎn)出”（OBE）的工程教育模式[J].高等工程教育研究，2014，（1）.

作者：吳寶華 張輝 單位：哈爾濱理工大學