工程教育模式在高?；瘜W實驗教學中應用的路徑研究

吳寶華 張輝

摘 要：人才培養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二元對立的難題，確保高等工程教育的質量，為企業和社會培養有工程思維、工程理論、工程實踐能力和創新能力、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，闡述了構思、設計、實施、運行環節對學生能力的培養，凸顯出CDIO教育改革的實效。

關鍵詞：CDIO工程教育模式；實驗教學；工程實踐能力；現代工程師

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）07-0071-02

隨著社會對高等學校教育人才的認識與需求的轉變，高校教育觀念和教學模式也發生了明顯的改變，如何培養具有創新思維能力、動手操作能力和知識運用能力的現代工程師，已成為國際工程教育改革備受關注的問題之一。CDIO教育模式改革的愿景是提供一種強調工程基礎，基于真實產品的構思、設計、執行、運作過程的教育模式。該模式系統地提出了12條標準，并且經過實踐證明，其對于提高教學質量起到了至關重要的作用，也為工程教育的系統化發展奠定了堅實的基礎[1]。截至2015年，國內已經有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在動力，其內涵包括理念、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、綜合性和創造性，重新賦予工程教育模式推動力[3]。CDIO原指工業產品研發生產產品的生命周期。CDIO作為一種理念和工具融入工程教育系統、培養過程和課程計劃當中。培養出的現代工程師，是既要具有專業知識的行業技術專家、具有適應復雜環境整體性思維的跨行業者、同時又要具有創新能力和領導力的變革推動者[4-5]?，F代工程師需要在兩大領域具備技術應用能力，一是完整的專業基礎知識、創造與創新能力，二是溝通能力、團隊合作能力和對工程決策與投資的商業嗅覺能力，CDIO工程教育模式符合培養現代工程師的需求。

（二）CDIO工程教育模式的操作程序

CDIO工程教育模式圍繞實現培養目標制定了12項標準，標準1是“以CDIO為基本環境”，要求在學校使命和專業目標中體現CDIO的理念，技術知識的傳授和實踐能力的培養，把以產品、過程或系統的構思、設計、實施和運行作為工程教育的框架和環境。標準2是“學習目標”，要求專業利益相關者參與和檢驗制定學生專業學習目標，得到利益相關者驗證的個人、人際交往能力以及產品、過程和系統的建造能力以及科學知識。標準3是“教學計劃”，要求構建滿足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，激發學生對相應核心工程領域應用研究方面的興趣和動力。標準5是“設計經驗的培養”，使學生有機會在各類活動中參與產品的構思、設計、實施和運行。標準6是“工作的空間”，為學生提供創新設計的工作環境，實驗室是學生直接學習、提高動手能力、構建良好人際關系的硬件空間。標準7是“綜合性學習經驗”，綜合學習經驗是達成基本知識、個人能力、人際關系技能，產品和系統建構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驗、運用主動和經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“專業評估”，要求對12條標準進行評估，包括系統性、對專業教育的效果和影響等，要求評估結果對學生、教師以及其他利益相關者進行反饋[6-7]。CDIO的12項標準明確了專業培養理念，課程計劃制定，設計實施經驗和實踐場所，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專業實驗教學中的應用路徑

1.在基礎實驗中的應用：根據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域，不斷強化工程理念，訓練工程思維，強化“構思”環節。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、結晶、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域。通過基礎型實驗教學，使學生扎實系統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的科學學風，培養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，充分調動學生學習的積極性和主動性，不斷激發學生想在相應工程領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，并要求實驗結束后，設想將來可能工程應用的領域，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、相互聯系、相互支撐的課程體系的要求，符合綜合學習經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、實驗與知識發現技能、系統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、檢測儀器以及適當的試劑，進一步熟悉了化學試劑的性質，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揮，成為實驗教學的主體，使自己工程實踐及創新能力得到了培養。

3.在創新實驗中的應用：創新實驗是反復訓練學生構思、設計、實施、運行的過程，在創新實驗中，我們通常把學生分成若干實驗小組，組內成員自行分工?！皹嬎肌本褪且粋€思想的產生，所有創新的思想都是來自于靈感，在構思環節中，學生依據理論基礎和實驗基礎，通過網絡或者圖書館查找資料，確認實驗內容，設計實驗方案，提出設計思路，教師啟發引導學生思考方案的可行性，學生反復構思，確認構想方案。在查閱文獻構思過程中，學生會反復思考，發揮聰明才智，不斷創新自己的思維，產生靈感，對基礎理論知識進行反復消化理解和鞏固，培養了學生對所學知識的理解能力。學生通過“構思”環節已經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，以確保該創新實驗實施的可行性，這對于培養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”環節，對于培養學生的動手操作能力、學生之間的交流與協作能力具有很重要的意義?！斑\作”環節，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據進行處理得到實驗結果，向教師和學生進行演示和匯報。這一環節培養了學生分析問題、判斷問題和解決問題的能力、理論聯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。創新型實驗讓學生有機會參與產品、過程和系統的“構思”、“設計”、“實施”和“運行”，有利于學生動手學習、直接學習、知識構建、人際關系學習，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，必須規范使用，特殊情況一定在教師指導下完成。

2.設計性：創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構，具備工程實踐經歷，提高工程素養。讓學生成為學習的主體，充分發揮學生的創造性。師生互動，討論交流，結合企業工程實踐經驗啟發、引導、指導學生。

參考文獻：

[1]張國斌.基于CDIO模式的學生實踐能力的培養[J].實驗 室科學，2014，（1）.

[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、工程教育與CDIO課程改革[J].高教研 究，2015，（2）.

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

[5]查建中.面向經濟全球化的工程教育改革戰略[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“學習產出”（OBE）的工程教育模式[J].高等 工程教育研究，2014，（1）.