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工程教育模式在化学实验教学的应用

摘要:人才培养模式的实施与应用能够破解高等工程教育中的知识传授与能力培养二元对立的难题,确保高等工程教育的质量,为企业和社会培养有工程思维、工程理论、工程实践能力和创新能力、以及团队合作与交流能力的工程师。文章通过对照CDIO大纲提出的12个标准,明确了教师和学生“教”与“学”的方法,促进教学相长。通过CDIO工程教学模式在化学实验教学中的应用案例分析,阐述了构思、设计、实施、运行环节对学生能力的培养,凸显出CDIO教育改革的实效。

关键词:CDIO工程教育模式;实验教学;工程实践能力;现代工程师

随着社会对高等学校教育人才的认识与需求的转变,高校教育观念和教学模式也发生了明显的改变,如何培养具有创新思维能力、动手操作能力和知识运用能力的现代工程师,已成为国际工程教育改革备受关注的问题之一。CDIO教育模式改革的愿景是提供一种强调工程基础,基于真实产品的构思、设计、执行、运作过程的教育模式。该模式系统地提出了12条标准,并且经过实践证明,其对于提高教学质量起到了至关重要的作用,也为工程教育的系统化发展奠定了坚实的基础[1]。截至2015年,国内已经有40余所高校开展了CDIO试点工作,取得了良好效果[2]。

一、CDIO工程教育模式

(一)CDIO工程教育模式的构成

工程教育模式是基于大工程理念提出的,是推动工程教育前行的内在动力,其内涵包括理念、思想、观念、价值观,体制、制度、政策,计划、操作三个层面。工程教育模式由四大模块组成,包括人才培养目标、课程体系、教学方法和支撑条件等,通过整合课程体系、综合教学资源与手段,集成工程的实践性、综合性和创造性,重新赋予工程教育模式推动力[3]。CDIO原指工业产品研发生产产品的生命周期。CDIO作为一种理念和工具融入工程教育系统、培养过程和课程计划当中。培养出的现代工程师,是既要具有专业知识的行业技术专家、具有适应复杂环境整体性思维的跨行业者、同时又要具有创新能力和领导力的变革推动者[4-5]。现代工程师需要在两大领域具备技术应用能力,一是完整的专业基础知识、创造与创新能力,二是沟通能力、团队合作能力和对工程决策与投资的商业嗅觉能力,CDIO工程教育模式符合培养现代工程师的需求。

(二)CDIO工程教育模式的操作程序

CDIO工程教育模式围绕实现培养目标制定了12项标准,标准1是“以CDIO为基本环境”,要求在学校使命和专业目标中体现CDIO的理念,技术知识的传授和实践能力的培养,把以产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的框架和环境。标准2是“学习目标”,要求专业利益相关者参与和检验制定学生专业学习目标,得到利益相关者验证的个人、人际交往能力以及产品、过程和系统的建造能力以及科学知识。标准3是“教学计划”,要求构建满足CDIO大纲四方面能力要求的课程体系,课程应是跨学科的和相互联系相互支撑的。标准4是开设“工程导论”课程,要求通过工程导论课程的学习,激发学生对相应核心工程领域应用研究方面的兴趣和动力。标准5是“设计经验的培养”,使学生有机会在各类活动中参与产品的构思、设计、实施和运行。标准6是“工作的空间”,为学生提供创新设计的工作环境,实验室是学生直接学习、提高动手能力、构建良好人际关系的硬件空间。标准7是“综合性学习经验”,综合学习经验是达成基本知识、个人能力、人际关系技能,产品和系统建构技能获得的基本途径。标准8是“主动学习”,让学生运用知识去操作、应用、分析和评测。标准9是“教师能力的提升”,要求支持和鼓励提升教师工程实践能力。标准10是“教师教学能力的提高”,要求提高教师在学习经验、运用主动和经验学习方法以及学生考核等方面的能力。标准11是“考核学生CDIO能力”,CDIO理念必须符合大纲要求的能力考核方法,包括口、笔试、行为、反思和评价等等。标准12是“专业评估”,要求对12条标准进行评估,包括系统性、对专业教育的效果和影响等,要求评估结果对学生、教师以及其他利益相关者进行反馈[6-7]。CDIO的12项标准明确了专业培养理念,课程计划制定,设计实施经验和实践场所,教与学的方法,提高教师工程能力以及考核和评估等方面的要求。

二、CDIO工程教学模式在高校化学专业实验教学中的应用路径

1.在基础实验中的应用:根据学生已掌握的理论知识和初步的实验技能,反复强化训练学生的基本操作技能,通过实验的预习、实验的操作到实验报告的完成,要求学生写出该基础实验将来可能工程应用的两个领域,不断强化工程理念,训练工程思维,强化“构思”环节。例如在基础实验“粗硫酸铜的提纯”实验中,逐一演示称量、搅拌、溶解、蒸发、结晶、常压过滤和减压过滤等基本操作,指导并训练学生掌握这些基本操作,让学生通过亲自动手产生研究兴趣,变被动学习为主动学习,让学生不断思考可能工程应用领域。通过基础型实验教学,使学生扎实系统地掌握化学实验的基本操作方法、基本实验技能以及对理论知识的感性认识和严谨的科学学风,培养他们自主学习的积极性,萌生探索的欲望,具备工程思维。应用了CDIO12项标准中的标准1、标准2、标准6和标准8,把CDIO作为基本环境,工程思维训练作为实验目标,训练学生实验动手能力,让学生直接参与到思考问题的活动中主动学习,交流合作,充分调动学生学习的积极性和主动性,不断激发学生想在相应工程领域应用实验技能的兴趣和欲望。CDIO工程教育模式在基础实验中的应用,使得学生将被动的、无意识地接受CDIO工程教育理念转化为积极地、主动的、有意识地将CDIO工程理念运用到化学实验当中,并形成工程思维,为学生顺利完成综合实验和创新实验在实验技能上和思想意识上奠定了基础。

2.在综合实验中的应用:在学生已经掌握大量理论知识和熟练扎实的基本化学实验操作技能的基础上,要求他们从实验的预习、操作到报告的撰写都独立完成,教师则起引导作用,并要求实验结束后,设想将来可能工程应用的领域,使学生的工程思维得到不断强化。例如,在实验“三草酸合铁酸钾的合成及组分分析”实验中,学生在教师的引导下独自完成实验资料的查找、实验步骤的设计、实验原理的理解以及实验习题的思考。通过这样的综合实验,大大地提高了学生的设计能力、创新思维和工程意识,应用了CDIO12条标准中的标2、标准3、标准7和标准8,产品从合成到组分分析,满足了CDIO大纲四方面能力跨学科、相互联系、相互支撑的课程体系的要求,符合综合学习经验应达成的基本途径,为学生能够解决工程实践问题奠定了坚实的实践基础,达到了CDIO培养目标的要求,学生主动思考问题的习惯得到强化。CDIO工程教育模式在综合实验中的应用使学生在实践能力体系,包括未来工程师个体必须具备的动手操作能力、观察思考能力、撰写报告能力、工程推理与问题解决技能、实验与知识发现技能、系统思维能力等方面得到了进一步的锻炼。学生充分利用学校开放实验室提供的基础实验材料,包括玻璃仪器、称量仪器、检测仪器以及适当的试剂,进一步熟悉了化学试剂的性质,化学仪器的性能。学生通过自主设计实验方案,反复讨论,反复实验,实验技能与工程实践能力得到提升。学生自身学习的主动性得以充分发挥,成为实验教学的主体,使自己工程实践及创新能力得到了培养。

3.在创新实验中的应用:创新实验是反复训练学生构思、设计、实施、运行的过程,在创新实验中,我们通常把学生分成若干实验小组,组内成员自行分工。“构思”就是一个思想的产生,所有创新的思想都是来自于灵感,在构思环节中,学生依据理论基础和实验基础,通过网络或者图书馆查找资料,确认实验内容,设计实验方案,提出设计思路,教师启发引导学生思考方案的可行性,学生反复构思,确认构想方案。在查阅文献构思过程中,学生会反复思考,发挥聪明才智,不断创新自己的思维,产生灵感,对基础理论知识进行反复消化理解和巩固,培养了学生对所学知识的理解能力。学生通过“构思”环节已经对实验的思路有了一个比较清晰的理解,但是教师仍然要对学生的“设计”进行检查、修改和把关,以确保该创新实验实施的可行性,这对于培养学生对基础知识的理解与掌握能力起到了推动的作用。设计方案经教师的审阅,学生便可以开始进行操作,整个实验过程教师进行一些简单的指导,主要是以学生完成为主。整个“实施”环节,对于培养学生的动手操作能力、学生之间的交流与协作能力具有很重要的意义。“运作”环节,对于学生而言主要是进行作品的汇报,学生将各阶段的试样留作凭证,通过对记录的实验数据进行处理得到实验结果,向教师和学生进行演示和汇报。这一环节培养了学生分析问题、判断问题和解决问题的能力、理论联系实际的能力以及理论知识工程化的应用能力。凸显了CDIO12项标准中的标准5、标准6、标准7和标准8的应用。创新型实验让学生有机会参与产品、过程和系统的“构思”、“设计”、“实施”和“运行”,有利于学生动手学习、直接学习、知识构建、人际关系学习,使CDIO操作标准的核心要素得到反复强化和应用。

三、运用CDIO教育模式需要注意的事项

1.安全性:化学实验本身存在着较大的危险性,但学生在操作时一定要严格遵循规章制度,化学试剂和化学仪器的使用都有严格的要求和说明,必须规范使用,特殊情况一定在教师指导下完成。

2.设计性:创新实验方案的设计一定要具备合理性和科学性,要以一定的理论知识为基础,实验方案可以在借鉴大量参考资料的基础之上提出,并经过反复推敲、反复修改,理论上分析确认无误方可实施。

3.指导性:在CDIO工程教育模式下,实验教师在具有较高的理论知识水平及扎实的实验操作技能的同时,还要不断提高责任心,丰富和完善自身的知识结构,具备工程实践经历,提高工程素养。让学生成为学习的主体,充分发挥学生的创造性。师生互动,讨论交流,结合企业工程实践经验启发、引导、指导学生。

参考文献:

[1]张国斌.基于CDIO模式的学生实践能力的培养[J].实验室科学,2014,(1).

[2]李瑾.30年来中国工程教育模式改革政策分析[J].高等工程教育研究,2013,(5).

[3]胡兴志.工程系统、工程教育与CDIO课程改革[J].高教研究,2015,(2).

[4]李建平.基于CDIO的物流工程专业人文素质提升路径研究[J].研究与探讨,2015,(5).

[5]查建中.面向经济全球化的工程教育改革战略[J].高等工程教育研究,2008,(1).

[6]张颖.基于CDIO模式的实验教学探究[J].实验室科学,2014,(6).

[7]顾佩华.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式[J].高等工程教育研究,2014,(1).

作者:吴宝华 张辉 单位:哈尔滨理工大学

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