工程教育模式在化學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用

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摘要：人才培養(yǎng)模式的實施與應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，明確了教師和學(xué)生“教”與“學(xué)”的方法，促進教學(xué)相長。通過CDIO工程教學(xué)模式在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用案例分析，闡述了構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行環(huán)節(jié)對學(xué)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(xué)；工程實踐能力；現(xiàn)代工程師

隨著社會對高等學(xué)校教育人才的認(rèn)識與需求的轉(zhuǎn)變，高校教育觀念和教學(xué)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(chǔ)，基于真實產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)過實踐證明，其對于提高教學(xué)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(chǔ)[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(biāo)、課程體系、教學(xué)方法和支撐條件等，通過整合課程體系、綜合教學(xué)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(dāng)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(yīng)復(fù)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(dǎo)力的變革推動者[4-5]。現(xiàn)代工程師需要在兩大領(lǐng)域具備技術(shù)應(yīng)用能力，一是完整的專業(yè)基礎(chǔ)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(biāo)制定了12項標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)1是“以CDIO為基本環(huán)境”，要求在學(xué)校使命和專業(yè)目標(biāo)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(shè)計、實施和運行作為工程教育的框架和環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)2是“學(xué)習(xí)目標(biāo)”，要求專業(yè)利益相關(guān)者參與和檢驗制定學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，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(xué)知識。標(biāo)準(zhǔn)3是“教學(xué)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(yīng)是跨學(xué)科的和相互聯(lián)系相互支撐的。標(biāo)準(zhǔn)4是開設(shè)“工程導(dǎo)論”課程，要求通過工程導(dǎo)論課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對相應(yīng)核心工程領(lǐng)域應(yīng)用研究方面的興趣和動力。標(biāo)準(zhǔn)5是“設(shè)計經(jīng)驗的培養(yǎng)”，使學(xué)生有機會在各類活動中參與產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行。標(biāo)準(zhǔn)6是“工作的空間”，為學(xué)生提供創(chuàng)新設(shè)計的工作環(huán)境，實驗室是學(xué)生直接學(xué)習(xí)、提高動手能力、構(gòu)建良好人際關(guān)系的硬件空間。標(biāo)準(zhǔn)7是“綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗”，綜合學(xué)習(xí)經(jīng)驗是達(dá)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(biāo)準(zhǔn)8是“主動學(xué)習(xí)”，讓學(xué)生運用知識去操作、應(yīng)用、分析和評測。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)10是“教師教學(xué)能力的提高”，要求提高教師在學(xué)習(xí)經(jīng)驗、運用主動和經(jīng)驗學(xué)習(xí)方法以及學(xué)生考核等方面的能力。標(biāo)準(zhǔn)11是“考核學(xué)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(biāo)準(zhǔn)12是“專業(yè)評估”，要求對12條標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生、教師以及其他利益相關(guān)者進行反饋[6-7]。CDIO的12項標(biāo)準(zhǔn)明確了專業(yè)培養(yǎng)理念，課程計劃制定，設(shè)計實施經(jīng)驗和實踐場所，教與學(xué)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(xué)模式在高?；瘜W(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用路徑

1.在基礎(chǔ)實驗中的應(yīng)用：根據(jù)學(xué)生已掌握的理論知識和初步的實驗技能，反復(fù)強化訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能，通過實驗的預(yù)習(xí)、實驗的操作到實驗報告的完成，要求學(xué)生寫出該基礎(chǔ)實驗將來可能工程應(yīng)用的兩個領(lǐng)域，不斷強化工程理念，訓(xùn)練工程思維，強化“構(gòu)思”環(huán)節(jié)。例如在基礎(chǔ)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(dǎo)并訓(xùn)練學(xué)生掌握這些基本操作，讓學(xué)生通過親自動手產(chǎn)生研究興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生不斷思考可能工程應(yīng)用領(lǐng)域。通過基礎(chǔ)型實驗教學(xué)，使學(xué)生扎實系統(tǒng)地掌握化學(xué)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(rèn)識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)學(xué)風(fēng)，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)的積極性，萌生探索的欲望，具備工程思維。應(yīng)用了CDIO12項標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)1、標(biāo)準(zhǔn)2、標(biāo)準(zhǔn)6和標(biāo)準(zhǔn)8，把CDIO作為基本環(huán)境，工程思維訓(xùn)練作為實驗?zāi)繕?biāo)，訓(xùn)練學(xué)生實驗動手能力，讓學(xué)生直接參與到思考問題的活動中主動學(xué)習(xí)，交流合作，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，不斷激發(fā)學(xué)生想在相應(yīng)工程領(lǐng)域應(yīng)用實驗技能的興趣和欲望。CDIO工程教育模式在基礎(chǔ)實驗中的應(yīng)用，使得學(xué)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(xué)實驗當(dāng)中，并形成工程思維，為學(xué)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(chǔ)。

2.在綜合實驗中的應(yīng)用：在學(xué)生已經(jīng)掌握大量理論知識和熟練扎實的基本化學(xué)實驗操作技能的基礎(chǔ)上，要求他們從實驗的預(yù)習(xí)、操作到報告的撰寫都獨立完成，教師則起引導(dǎo)作用，并要求實驗結(jié)束后，設(shè)想將來可能工程應(yīng)用的領(lǐng)域，使學(xué)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(xué)生在教師的引導(dǎo)下獨自完成實驗資料的查找、實驗步驟的設(shè)計、實驗原理的理解以及實驗習(xí)題的思考。通過這樣的綜合實驗，大大地提高了學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新思維和工程意識，應(yīng)用了CDIO12條標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)2、標(biāo)準(zhǔn)3、標(biāo)準(zhǔn)7和標(biāo)準(zhǔn)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(xué)科、相互聯(lián)系、相互支撐的課程體系的要求，符合綜合學(xué)習(xí)經(jīng)驗應(yīng)達(dá)成的基本途徑，為學(xué)生能夠解決工程實踐問題奠定了堅實的實踐基礎(chǔ)，達(dá)到了CDIO培養(yǎng)目標(biāo)的要求，學(xué)生主動思考問題的習(xí)慣得到強化。CDIO工程教育模式在綜合實驗中的應(yīng)用使學(xué)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(xué)生充分利用學(xué)校開放實驗室提供的基礎(chǔ)實驗材料，包括玻璃儀器、稱量儀器、檢測儀器以及適當(dāng)?shù)脑噭?，進一步熟悉了化學(xué)試劑的性質(zhì)，化學(xué)儀器的性能。學(xué)生通過自主設(shè)計實驗方案，反復(fù)討論，反復(fù)實驗，實驗技能與工程實踐能力得到提升。學(xué)生自身學(xué)習(xí)的主動性得以充分發(fā)揮，成為實驗教學(xué)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(yīng)用：創(chuàng)新實驗是反復(fù)訓(xùn)練學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行的過程，在創(chuàng)新實驗中，我們通常把學(xué)生分成若干實驗小組，組內(nèi)成員自行分工。“構(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(xué)生依據(jù)理論基礎(chǔ)和實驗基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)或者圖書館查找資料，確認(rèn)實驗內(nèi)容，設(shè)計實驗方案，提出設(shè)計思路，教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考方案的可行性，學(xué)生反復(fù)構(gòu)思，確認(rèn)構(gòu)想方案。在查閱文獻(xiàn)構(gòu)思過程中，學(xué)生會反復(fù)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(chǔ)理論知識進行反復(fù)消化理解和鞏固，培養(yǎng)了學(xué)生對所學(xué)知識的理解能力。學(xué)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(xué)生的“設(shè)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(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解與掌握能力起到了推動的作用。設(shè)計方案經(jīng)教師的審閱，學(xué)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(dǎo)，主要是以學(xué)生完成為主。整個“實施”環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、學(xué)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(xué)生而言主要是進行作品的匯報，學(xué)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(xué)生進行演示和匯報。這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)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(yīng)用能力。凸顯了CDIO12項標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)5、標(biāo)準(zhǔn)6、標(biāo)準(zhǔn)7和標(biāo)準(zhǔn)8的應(yīng)用。創(chuàng)新型實驗讓學(xué)生有機會參與產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的“構(gòu)思”、“設(shè)計”、“實施”和“運行”，有利于學(xué)生動手學(xué)習(xí)、直接學(xué)習(xí)、知識構(gòu)建、人際關(guān)系學(xué)習(xí)，使CDIO操作標(biāo)準(zhǔn)的核心要素得到反復(fù)強化和應(yīng)用。

三、運用CDIO教育模式需要注意的事項

1.安全性：化學(xué)實驗本身存在著較大的危險性，但學(xué)生在操作時一定要嚴(yán)格遵循規(guī)章制度，化學(xué)試劑和化學(xué)儀器的使用都有嚴(yán)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(dǎo)下完成。

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

3.指導(dǎo)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(zé)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(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，充分發(fā)揮學(xué)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(dǎo)、指導(dǎo)學(xué)生。

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作者：吳寶華 張輝 單位：哈爾濱理工大學(xué)