CDIO视域下构建“五位一体”实验教学新模式

谢爱娟等

[摘 要] CDIO 模式是国际工程教育改革的最新成果，目的是培养学生的工程应用能力，有效地解决就业问题。基础化学实验是一门实践性基础课程，是培养学生基本实验操作与技能、科学思维与方法、创新意识与能力的重要实践教学环节。在基础化学实验教学中引入CDIO理念进行实验教学的改革与探索，构建融教学理念、实践主体、实践过程、实践层次、评价机制的“五位一体”CDIO实践教学体系，建立和完善CDIO教学理念下基础化学实验的教学大纲和教学内容，提高学生的研究创新和工程实践能力，进而实现CDIO视域下的教学目标，培养学生CDIO工程能力，实现人才培养与企业需求的“无缝对接”。

[关键词] 基础化学实验；CDIO；实践教学 ；五位一体

[中图分类号] G642.40 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2015）01-0098-04

0 引言

基础化学实验是一门实践性基础课程，是常州大学化工类专业本科段学生的必修课。通过基础化学和技能，进而掌握基础化学的基本理论和基本知识。同时，基础化学实验又是对学生进行职业素质训练的理想课程，包括艰苦创业、勤奋不懈、谦虚好学、乐于协作等科学精神的训练，这些是优秀工程技术人员成功不可缺少的品质。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate），它以产品的研发到运行的生命周期为载体，使学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，是近年来国际工程教育改革的最新成果[1]。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[2]，从而培养既有过硬的专业技能， 又有良好的职业道德的国际化工程师[3，4]。

本文结合常州大学基本情况，将CDIO教育理念引入基础化学实验教学，构建集“一个教学理念、二个实践主体、三个实践过程、四个实践层次、五个评价机制”[5]五位于一体的基础化学实验教学体系，建立和完善CDIO教学模式下基础化学实验的教学大纲和教学内容，进而实现CDIO视域下的教学目标，培养学生的CDIO能力[6]。

1 “五位一体”实践教学模式的基本内涵

实践教学体系包含总体思想、教学内容、教学方法和效果评价机制。中南大学软件学院[5]通过分析 CDIO 的基本内容，根据实践教学体系的关键要素，从多个环节出发，从构思环节形成实践教学体系总体指导思想，从设计环节改革实践教学内容，从实施、运作环节创新实践教学过程与层次，以CDIO学生和教师成熟度模型为指导，实现实践效果评估机制，同时将评估结果作为实践教学体系修正和完善的依据，将CDIO 工程设计理念贯穿到实践活动的各个环节， 形成集教学理念、实践主体、实践过程、实践层次、实践效果（评价机制）于一体的实践教学体系（见图1）。这里“一体”是指以CDIO教学理念为目标，以教师和学生为主体，实践过程从单一到综合、从简单到复杂，实践形式从课堂模拟训练到企业实习，彼此相互影响，相互制约，后者以前者为基础，前者以后者为目标，层层递进，构成一个完整的CDIO能力培养教学新体系，为应用型人才培养提供了一个比较完整的实践平台[7]。参照这一模型，在基础化学实验教学中的进行大胆探索和改革，以期在教学模式上有所创新和突破， 实现人才培养与企业需求的“无缝对接”。

2 CDIO“五位一体”创新型基础化学实 验教学体系的具体构建

2.1 树立CDIO工程化的基础化学实验教学理念

在实验教学中，基础化学实验是高等学校化学教育中培养实验技能、科学思维、创新意识，全面推进工程职业素质教育的最基本的教学形式之一。要达成上述教学目标，就必须为学生提供一个全新的、科学的实验教学理念。学校基础化学实验中心应树立CDIO工程化能力、培养基础实验理论教学与专业技能训练并重的实验教学理念。通过调整基础化学实验课程体系，充实教学内容，改进教学方法，促进学生工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面的协调发展，全面体现工程化开发能力和职业素质培养并重的思路，从而形成融基础知识、工程实践、创新能力为一体的整体实验教学机制[8]。

2.2 设计教师、学生两个实践主体CDIO能力培 养方案

CDIO-CMM模型是将CDIO理念与美国卡内基梅隆大学提出的能力成熟度模型（Capability Maturity Model，简称CMM）相结合所构建的，该模型将学生CDIO能力划分为初始、基础、专业和应用研究四个等级，不同能力成熟度等级反映了学生在CDIO工程教育不同阶段的不同特征和学习内容需求[9]。在实验教学中，不同年级对应不同等级，培养不同的实验技能（见表1），且相互融合相互促进。大一新生通过基础实验、开放实验等教学活动来提高动手能力、培养基本操作技能；大二学生在基本技能的基础上，通过综合实验、仿真实训等培养其基本实践技能；大三学生通过专业实验、课程设计等活动来培养他们的专业技能；大四学生主要通过毕业实习、毕业论文（设计）等活动培养他们的工程系统能力即综合创新能力。

CDIO教学大纲要求除了培养学生技术学科知识外，还特别强调他们的个人能力（Personal）、人际协调能力（Interpersonal）、产品、过程及系统构建能力等综合实践能力和职业素质的培养，要达到这样的教学效果，则要求教师要有扎实的理论知识和良好的工程化知识。TC-CMM模型（Capability Maturity Model for Teacher）是中南大学软件学院为顺利实施CDIO工程教育模式，针对学院专职教师和外聘企业教师的特点建立的教师CDIO能力成熟度模型，该模型同样由初始级、成长级、发展级和成熟级四个等级组成，每一等级借鉴PDCA循环管理模型运行，即计划（P1an）、实施（Do）、检查（Check）、处置（Action）[8]。PDCA循环是一个渐次提高的闭环系统，如同爬楼梯，一个循环运转结束，即可提高一步，然后再制定下一个循环，再运转、再提高，不断改进，不断提高[10]。通过引进PDCA循环的TC-CMM持续改进运行机制，可以科学、规范、有效地提高教师的CDIO能力，并有较强的可操作性。在基础化学实验教学中，教师除了指导课本实验，还应拓宽实验内容，引入CDIO理念，积极参与工程实践活动，注重产学研相结合，与企业合作开展横向课题研究，促进科研成果向实践项目转化；同时获取相应的职业资格证书或企业培训师聘任证书，建立一支由高校教师、工程师和企业培训师组成的“三位一体”的高素质专任教师队伍[8]。

2.3 构建CDIO工程化基础化学实验课程体系的 三个实践过程

三个实践过程（基础实践过程、专业实践过程和综合实践过程）即工程化技能实践过程（见图2）。在基础化学实验教学过程中，一方面要根据CDIO理念设置以培养职业素质为主的教学方式，以实验项目为主线把实验课程乃至化工类专业所需的知识、应达到的能力、应具备的素质等培养目标融入实验教学过程中。比如大一新生在进实验室之前，需在线观看实验相关知识以及实验室各项规章制度，逐步培养学生的职业安全意识、职业环保意识、自觉遵守操作规程等基本实验素质，培养学生严谨求实的科学态度和良好的职业道德。另一方面，通过专业实践过程进一步培养学生的专业技能。对传统基础化学实验课程的教学内容进行改革，多增加一些拓展性实验和综合性实验，强调“做中学、学中做”。不同专业的学生结合生活实际，开设一些实训拓展内容，如针对应用化学专业，可开设用氧化还原滴定法测定葡萄园中常用的胆矾中五水硫酸铜含量的测定；食品专业可开设分光光度法同时测定蔬菜中的维生素 C 和维生素 E 的含量；制药专业开设高效液相色谱法测定盐酸环丙沙星片中盐酸环丙沙星的含量等。综合实践过程即工程技能实践过程则是在学生具备足够的动手能力和专业技能基础上的升华，因此在这部分实践过程中，应以基础化学实验为基础，拓宽实习渠道，建立紧密结合的校内外实习实训基地，培养学生的CDIO工程化开发能力。

2.4 建立CDIO-CMM模型指导下“基础-综合 -应用-创新”四个实践层次

四个实践层次，即基础技能培养层、系统综合设计能力培养层、应用能力培养层和创新能力培养层，基础化学实验贯穿于四个实践层次中，与科学研究、企业实践、科技创新紧密结合[11]，这两块内容与上小节的三个实践过程形成343模式（见图2）。三模块各自独立、分段实施、有各自完整的教学环节，但又相互影响，相互制约，后者以前者为基础，前者以后者为目标，层次递进，构成一个完整的CDIO能力培养教学新体系[7]。基础层强调基本技能及个人能力的培养，主要通过基础化学实验及参与一年一度的化学技能大赛、高级分析工与分析技师的培训和考试来提升学生的动手能力和心理素质；综合层强调综合设计能力及人际协调能力的培养，主要由开放实验、课程设计、化工设计竞赛等完成。在刚刚落下帷幕的2014“恒逸-三井化学杯”第八届全国大学生化工设计竞赛中，5名化工专业学生组成的“Runners”团队设计的作品“中国石化集团连云港石化100万吨/年对二甲苯项目”喜获特等奖、“银杯奖”及“最佳工程图纸质量奖”；应用层强调产品、过程与系统构建技能的培养，主要是让学生通过专业综合实践、毕业实习等方式参与企业产品过程开发，培养工程开发能力和职业素养。为鼓励学生参与开发的积极性，江苏华达化工集团有限公司在学院设立了华达奖学金、华达助学金，是学院开展工程实践教育合作的大型企业之一；创新层强调创新能力的提高，主要通过参与教师科研项目或大学生科技创新项目等方式完成[8]。这次竞赛中“Runners”团队设计的项目主要有两大创新：一是突破性地采用了吸附-结晶耦合工艺，减少生产能耗20%～30%；二是项目工程中的每一条管线和设备都进行了安全性分析，并且采取对应的保护措施，通过模拟测算出的各项废弃物均低于国家排放标准。通过校企联盟和设计大赛鼓励学生参与企业横向课题开发，促进学生学研相结合，在“做中学、学中研、研中创”，学会实验，学会学习，学会研究，学会创新[12]，培养学生的科研创新能力，提升学生的综合素质。

2.5 完善CDIO能力的五个实践教学评价机制

在CDIO工程教育模式下，要保证基础化学实验教学体系的良性运行，需要有与之适应的课程教学评价方法，评价应是以学为主的成效评价，评价范围面向整个教学环节，特别注重学生CDIO能力培养效果，因此根据评价主体及评价项目的不同，拟建立以下五个评价机制即学生课程学习评价机制（权重0.2）、学生实验学习评价机制（权重0.3）、学生实训评价机制（权重0.2）、企业实习评价机制（权重0.3）及教师工作评价机制[5]。系统性地评估学生的CDIO能力既要着眼于CDIO标准，还要考虑实验过程中的分析解决问题的能力，既要系统考察基础实验知识和专业实践活动，还要考察综合设计能力和人际协调能力。对学生在实验过程中的方法、态度、情感、意志等动态性的因素，采取知识评价与方法、能力与态度评价相结合；形成性评价与定量、定性评价相结合，书面考试和实践应用并重的多元评价模式，做出综合性评价。

教师是教学活动的主要实施者，教师评价是不可缺少的要素，教师的工作能力评价，除了具有对教师教学工作的评价外，需更强调教师的CDIO能力和职业素养评估，根据这些评价内容，运用“教学反应”型评价、“实态把握”型评价、“成果把握”型评价、“认可”型评价等评价方式，由学院学生、同行教师和学校督导组成评价主体，各评价主体所占权重不同，评价时按照各项指标分别给出客观评分， 保证评价的客观、权威和有效。

3 结束语

将CDIO工程教育理念与基础化学实验教学有机融合，构建了集教学理念、实践主体、实践过程、实践层次及评价机制“五位一体”的实验教学体系。以CDIO-CMM、TC-CMM能力成熟度模型为指导，探索培养学生、教师两个实践主体的CDIO能力，构建科学合理的工程化基础化学实验过程体系及实践层次，完善了CDIO模式下的实践教学评价机制，使学生通过CDIO视域下的主动学习、主动实践，熟练掌握了基本实验技能和专业实践技能，增强了科研创新能力、团队协作能力、沟通表达能力和综合职业素养等，成长为复合型、创新型、开放型工程技术人才，实现CDIO的教学目标。

参考文献

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