基于CDIO模式材料专业综合实验课程改革实践

张小博

(燕京理工学院，河北 三河 065201)

随着应用型人才培养的逐渐深入，提高学生的实践能力成为人才培养的重要一环。高分子材料与工程专业课程中设置高分子材料与工程专业综合实验课程的目的即是巩固学生化工和高分子科学实验的基本理论，高分子材料的制备、改性、物理性能及高分子的近代分析、表征和测试等技能，为今后深入探索高分子性能的变化规律，合成具有特定结构与功能的新型高分子以及高分子材料的生产与开发打下良好的基础[1-2]。

CDIO工程教育模式通过一体化课程设计，以构思、设计、实施和运作全过程作为载体，将从实践中学习到的经验作为以工程为基础的经验学习的基础，将设计-实施之外的主动学习和经验学习与学科课程结合起来，从而达到培养学生的工程能力的目标。将CDIO工程理念融入材料专业综合实验，将整个课程体系有机而系统地结合起来的，形成基于CDIO工程能力的课程新体系，并在实践教学中，以项目驱动的方式优化实验课程内容，使人才培养质量不断提高，满足地方经济和社会发展的需要[3-4]。

1 传统教学的弊端

传统的材料综合实验教学实验课程的设置与实际脱节，越来越显现出诸多弊端：

(1)重理论、轻实践，重知识、轻能力的教学模式，使培养出来的大多数学生缺乏创造性、缺乏分析问题和解决问题的工作能力。在传统的实验教学中，多以验证型实验为主，教学过程过分强调理论基础知识的灌输，学生的实验只是按标准的程序验证原理和定律，实验教材对所需的仪器设备、操作步骤、观察内容、乃至实验结果等均已详细说明，这样的实验往往忽视对学生创新综合能力的培养，导致学生操作技能、创新能力、分析解决问题能力较差，难以适应现代工程对创新人才的要求，很难达到培养动手能力、分析与解决问题能力的目的，创新意识的培养更是无从谈起[5-6]。

(2)传统的综合实验教学均依附于理论课程，高分子材料与工程专业开设的实验课程一般只有高分子化学实验、高分子物理实验、高分子材料加工实验等。而且，开设的实验项目大同小异，基本上都开设“甲基丙烯酸甲酯的本体聚合”、“醋酸乙烯酯的溶液聚合”、“苯乙烯的悬浮聚合”、“醋酸乙烯酯的乳液聚合”、“乌氏粘度计测聚合物的分子量”、“偏光显微镜观察聚合物球晶”、“高分子材料拉伸强度的测试”、“高分子材料冲击强度的测试”、“高分子材料维卡软化点的测试”等实验教材中的经典实验。这种传统的实验教学方法存在的问题：1)实验课仅仅是对理论的简单验证，缺乏对所学知识进行融会贯通，举一反三能力的培养。2)实验内容重复，缺乏完整性，仅局限于本课程内容的实验，而与其他课程的横向联系较少。3)缺乏对学生综合素质的培养，如综合实验能力、实验设计能力和研究能力的培养，每一课程实验结束时，学生仅仅是做完了某门课程的实验，而对实验课程的总体缺乏认识。4)实验内容陈旧老化，不能体现现代科技发展水平。5)实验室、实验仪器利用率低。

2 CDIO模式在教学中的实施

本专业以高分子综合实验改革为突破口，经过两年的改革实践，逐渐形成了一套切实可行的以培养应用型人才为目的的教学课程体系。

2.1 课前准备

在课前准备中，除通过不同的方式(讲解或提问)向学生交待实验基本原理、实验的安全事项和课程的考核方法等一般性问题外，与传统实验教学的课前讲解的显著不同点在于注重采取模拟科学研究的一般过程组织教学，如列举实验的方法和技术在科研中的最新应用和取得的重要成果、合成的新功能材料等，这个过程既体现了在教学活动中学生的主体地位和教师的主导作用的教学原则，又激发了学生浓厚的学习兴趣，使学生在掌握实验基本方法的同时，能初步掌握科学研究的一般方法，进行科研创新。

2.2 文献检索

完成课前准备和引导工作后，给予学生一周的时间进行分组和自选课题。在此过程中注重引导学生如何利用网络资源和部分课程中软件的应用，如ChemDraw的使用，化学数据处理软件Origin7.0的使用等。要求学生利用校园网和开放数据库如维普中文期刊全文数据库、美国化学会、英国皇家学会、Elsevier数据库，Wiley数据库等对相关文献进行检索、分析和总结。完成500～1000字左右的摘要。并通过分析查阅的信息来确定自己的方案并能提出较为合理和优化的实验方案。在课程教学中，可预留课题相关的文献检索作业，如要求每位学生完成5篇左右的中文文献和2篇左右的英文文献的精读，通过随机方式检查学生的完成情况，并及时解决学生在文献检索过程中遇到或存在的问题。通过对研究课题的实验素材的积累，不仅使学生能充分掌握查阅文献的方法和亲身体验利用互联网来获取资料的便利，还能提高学生分析利用资料的能力。

2.3 实验方案的设计与实施

在学生查阅资料后提出基本的实验方案，教师组织每组学生进行探讨和研究，一方面教师可在探讨过程中提问了解学生对基本资料的了解情况，另一方面能掌握学生的能力并进行有效指导，最后得出可实施的方案。虽然学生在前期的实验课和理论课的学习中已经掌握了综合设计实验所需的绝大部分专业知识和实验技能，但由于综合设计实验所具有的综合性和研究性的特点，可能课程还需完成对学生进行新的实验技术或方法的训练。目前主要采取在前30学时，侧重对新的合成方法和测试手段的训练；在后90学时，采用教师指导下的学生自主选题创新实践为主的教学模式。在实验方案的设计过程中主要体现学生在教学活动中的主体地位和教师在教学活动 中的主导作用的教学原则。目前学生完成的自选课题已有近30项，包括聚苯乙烯保温材料、聚乙烯醇疏水胶黏剂、相变材料、降解材料等。在实验方案确定后进入实施阶段，主要采取开放实验室的原则和管理制度，每周一、二、四和五，学生可以根据自己的进度灵活安排自己的实验时间。在实施过程中教师针对每组学生进行不定时的指导，指出不足和提高的方向。通过整个实施过程，学生可感受到自身创新获得的成果所带来的喜悦和成就感，创新能力和创新意识得到全面的提高。每年学生的自选实验研究课题都具有突破，如学生提出的相变材料的制备同时还具有了形变的记忆性等。这就要求任课教师需要有深厚的科研内涵 ，能很好地把握课题的深度，避免把课题做的太大太宽，并且能在学生进行科研创新的过程中搁浅时给予必要的指导，成功地达到课程的目标。科研过程中有失败在所难免，应积极鼓励学生不畏失败，及时总结经验。

2.4 数据处理与论文撰写

论文的撰写是科学研究的一个重要能力。将传统实验教学的实验报告改为研究论文，在撰写论文前给学生提出论文撰写的主要部分，如题目、摘要、关键词、前言、试验试剂、测试方法、试验步骤、结果与讨论、结论和参考文献等，要求学生按照既定的格式撰写论文，修改后提交。在教学中训练学生使用ChemDraw软件画化合物分子结构式和用 Origin软件处理实验数据并作图。通过论文撰写整个过程的训练使学生不仅对实验数据的处理和分析能力得到提高，还对科研论文撰写的一般形式形成完整的认识。

2.5 答辩及过程性评价考核

在实验教学的最后，增加了学生制作PPT进行答辩的环节，学生通过介绍自己实验的主要内容，如研究的选题、研究的目的和意义、前人所做工作的概况等，并适当提出自己的创新点，结果的分析和今后需完善的地方等。在答辩过程中每组学生需回答教师和其他学生的提问。考核结果主要采用论文的完成度、答辩的情况和各组间的互评等进行综合后得出最终成绩。在考核中也不仅以成败论英雄，其实在有限的时间内，成功地进行科研创新所取得的教学效果无疑远大于失败的科研训练，同时鼓励学生能将实验内容与全国大学生高分子材料创新创业大赛和挑战杯等比赛进行结合，并且对进入复赛和最终获得比赛成绩的进行额外的评分奖励。

3 结论

高分子材料与工程专业综合实验课程改革通过引入CDIO模式，同时将高分子化学、高分子物理、高分子材料的合成与加工、结构表征、计算机在高分子材料中的应用等课程进行整合，使学生在高分子材料的制备与表征、结构与性能的相互关系上获得更多的感性认识，加深了对高分子材料与工程专业基本知识的理解和应用。这种“动态”的实验教学模式不仅提高了专业综合实验的活力，还大大促进了应用型人才培养的质量，更好的实现了对高分子材料与工程专业的人才培养目标。