基于CDIO工程教育的材料化學課程教學改革思考

郝凌云，陳曉玉，楊曉莉，陳曉宇，張小娟，韋鵬飛

(金陵科技學院 材料工程學院，江蘇 南京 211169)

基于CDIO工程教育的材料化學課程教學改革思考

郝凌云，陳曉玉，楊曉莉，陳曉宇，張小娟，韋鵬飛

(金陵科技學院 材料工程學院，江蘇 南京 211169)

為適應新材料產業的高速發展、特別是現代工程教育的發展潮流，培養材料科學與工程專業高素質創新性人才，本文把CDIO工程教育模式引入到材料化學課程的教學體系中，以提高課程教學質量和效果，培養學生的綜合能力、創新能力和團隊合作能力。

CDIO工程教育模式;材料化學課程;材料科學與工程專業

CDIO是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)的縮寫。作為近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO模式更加注重對學生扎實的工程基礎理論和專業知識的培養，將工科學生的培養目標分成工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面。通過貫穿整個人才培養過程的團隊設計和創新實踐環節的訓練，在培養學生扎實的基礎理論和專業知識的同時，將教育過程放到工程領域的具體情境中。研究表明，目前中國工程類大學生符合國際化要求的比例小于10%，為了將CDIO理念與我國的實際工程教育情況相結合，汕頭大學工學院在CDIO的基礎上，首次提出了EIPCDIO培養模式［1］。在2010年4月和12月分別召開全國CDIO試點工作組工作會議之后，2011年教育部又舉辦了全國CDIO工程教育改革會議暨教育部CDIO高級研修班，更是從教育部層面上對這一教育理念予以倡導和推行。

課程教學改革是高校質量工程建設的核心，只有做好每一門課程、每一個課程群的教學改革，才能真正培養出高素質的應用型人才［2］。迄今國內很多高校和專家在不同工程類專業及課程中做了許多有益探索，如同濟大學軟件學院推行的J2EE課程項目［3］;合肥工業大學基于CDIO理念下的化工原理課程項目探索［4］;徐建平等在化學化工專業教學引入CDIO模式以提高化學化工專業畢業生工程素質［5］;機械工程專業的《液壓與氣動》也開始了CDIO模式的課程改革［6］等。

《材料化學》是材料科學與工程專業從基礎課程向專業類課程過渡的橋梁課程之一，課程內容涉及到材料學科中化學問題以及材料與化學兩大學科的交叉知識。面向CDIO工程教育，材料化學課程要如何對非常廣泛的教學內容進行選擇、安排與銜接，如何培養學生綜合運用知識和技能解決實際問題的能力等還有待研究。作為一門專業基礎課程，培養學生工程觀點、工程思維和工程能力的建立是本課程教學改革的努力方向。

一 材料化學課程現狀分析及思考

1、課程教學缺乏對學生工程意識培養

《材料化學》是從化學視角講授材料的設計、制備、組成、結構、表征、性質和應用的課程，但材料的類型及應用領域眾多，生產過程復雜，需要具體問題具體分析，而問題通常又很難在傳統課程教學中找到對應性答案，因此缺乏實踐經驗的學生在學習中就會有理論與實際相脫節的錯覺，不容易形成工程概念。而且由于學時的限制，很多材料化學教科書對各類材料的物理化學原理介紹較多，材料生產過程較少提及，教學上容易出現重知識理解、輕工程思考的現象，致使學生的工程技術意識淡薄。學生往往習慣于理解掌握書本知識，而不太關注解決問題的思維方法，如方案設計、工程實施的可行性、環保性、經濟性等問題。

2.固定體系的課程內容有待豐富更新

材料科學基礎理論和材料物理化學原理構成材料化學課程教學兩大板塊。雖然教材種類很多，但隨著材料相關產業及工業體系的快速發展，尤其是新材料產業的創新提升，材料化學教學內容和體系沒有實質性的改變和進展，課程相關內容落后于產業技術的發展水平，一定程度上限制了教師和學生的工程思維。現有課程內容與體系是建立在理論知識的系統性和完整性之上的，在知識點的選擇和安排上沒有脫離傳統的教學理念，新材料、新技術、新工藝方面知識點增加緩慢，所用教材與生產實際所要求課程的內容或知識點的編排存在一定的差距，不利于學生深層次理解材料工程實施過程所涉原理的內涵。

3.課程實訓內容未構成工程應用能力訓練體系

現有課程實驗內容對教學中所涉理論知識的應用拓展較小。課程內容基于驗證性和演示性的實驗教學體系內容，限制了學生的創新思維和動手能力的培養，學生自己動手設計和動腦思考的機會仍顯不足，缺乏對各知識點之間的相互貫通，更無法將所學習的知識點與分析、解決生產實際問題相聯系。

4.教師工程背景薄弱

具有工程化實踐經驗的教師隊伍建設是增強材料科學與工程專業工程化教學的基礎和保障［7］。很多高校畢業生直接進入應用型本科高校擔任教師的角色，具有企業及成果工業轉化經驗的教師很少，遠不能滿足工程化專業課程教學的要求。

二 基于CDIO工程教育模式的材料化學課程建設

課程是專業人才培養的主要載體。在新建應用型工科院校《材料化學》課程建設中，我們密切結合地方材料領域當前社會需求和產業發展需要，將“創新型應用型人才”具化為適應材料行業發展需要并側重在研發、生產一線的工程技術人員。

《材料化學》課程以有效銜接前期物理、化學類基礎課程和后續高分子、金屬、無機非金屬等材料專業課程為宗旨，調整課程教學體系和內容。將教學內容劃分出材料結構與性能、材料制備(合成)、材料加工及工藝三大板塊，結合材料行業最新發展動態和新材料應用前景，在奠定學生基本理論和基本實驗技能的同時，拓展學生在材料科學領域的視野。密切跟蹤行業發展，構建真實或類似工程情景的課程教學內容，促進學生將基礎理論與工程應用結合，探索CDIO工程教育模式。

(一)更新理論教學理念和教學內容

工程教育模式［8］要以學生為中心，即在教學中要以學生為主體，教師為主導。通過豐富的設計性和綜合性實驗項目，教師引導學生主動學習，提供給學生更多的動手實踐機會。既保證學生系統地獲得基礎知識，基本方法和基本技能，又能激發學生對專業知識的興趣，可充分發揮學生的個性和潛力，體現學生工程應用個人能力培養的要求。

根據課程理論知識點，我們調整增加材料的合成、制備、表征等綜合性實驗，力求內容上盡可能多地反映前沿科技成果，拓寬應用內涵和工程廣度，有利于學生的在復雜工程環境中創造性思維的形成。因此在課程教學中，我們基于工程過程導向教學的設計理念，注重著手從典型實例的剖析中提煉出若干重要的工程觀點，及時優化教學內容、改革教學方法。例如，以“聚乙烯項目可行性報告”項目論證分析為載體，從產品研發到運行的生命周期過程，加強對工程高分子材料的合成途徑、制備工藝、投資預測及背景分析進行完整設計與闡述，強化學生的工程意識。

(二)建立雙師型教師隊伍

要提高學生主動學習和運用等方面的能力，就要依靠很多具有工程經驗的優秀教師，這就要求在校的教師需主動參與到工程項目中，提升自身產業經驗。因為只有教師明確了材料化學課程在本專業知識結構中的地位和作用，特別是相關知識和能力與實踐的有機聯系，才能引導學生從工程需求中發現思考問題，以及應用所學知識探究、創新的能力。

《材料化學》教學團隊采用“走出去，請進來”的方式，致力于“雙師型”隊伍建設。走出去是指帶領學生到企業去聽去看，甚至把課堂搬到企業，而請進來是指將有實際經驗的工程師請來給學生上課，聘請合作企業工程師開設課程指導。我們與南京斯瑞奇醫用有限公司、南京沙寧申光伏有限公司、南京漆橋建筑材料有限公司等多家企業密切合作，通過與行業企業專家共同進行課程分析、制定教學大綱、融入職業元素、設計教學環節、研究授課方案、提出質量標準和考核方法，使教學內容貼近實際、實踐案例吸引學生、考核方法體現能力的目標。

(三)開展以項目為中心的多樣化教學改革

1.開展探究性課堂教學

注重課程中材料物理化學知識與材料實際應用的關聯。課堂教學中，首先，以一個科學現象或工程應用開篇，引入每章知識的講述，并在相關知識講授后進行解答。其次，針對某些具體知識點，設置專門的設計題，在每章小結后開展討論。最后，選擇與實際應用相結合的例子、例題達到“應用知識、拓展視野、體現方法”三個目的。例如，以介紹我國“十一五”863計劃項目“激光晶體、非線性晶體材料工程技術開發”成果作為第一章晶體基礎的開篇，以“水熱法合成人工合成寶石”作為該章節的課外實踐的設計題目，學生通過水熱法合成了剛玉類晶體，并結合現代材料檢測技術進行表征和鑒別，扎實掌握了晶體合成及結構分析技術，把抽象的結晶學知識與工程應用相聯系。

教學的基本思路是在CDIO理念的基礎上，通過解剖現實產品的組成、設計、原理及工藝，使學生在增加感性認識的同時了解課堂知識與實際產品之間的對應關系。這種模擬一個具體材料的應用背景、構思設計、生產加工的過程，可以將課堂教學過程與課外具體的工作項目充分地融為一體。如，通過“新型變色鏡片的生產工藝研發”，掌握光學材料中關于光致變色新材料的變色原理、材料制備技術，并結合第五章高分子材料的性能，將知識理解轉化為實際運用，激發學生的專業興趣和創新思維。

2.拓展設計性實驗項目

突出工程能力培養，注重引導學生對知識的綜合運用。以調研材料科技發展前沿成果以及相關產業實際需求為基礎，我們開設了一系列設計性實驗項目，要求學生在完成課程學習與相關訓練后，運用所學的知識，選擇與實際的某個應用相結合的例子，在教師指導下完成一個產品項目構思、設計、實現、運用等全過程的課程項目訓練，包括項目構思、項目設立、項目實施演示和必要的比較和分析。如涂裝車間油漆環保指標的測定和評價，(NALC)廢料優化改性工藝及其環境友好性能評估和應用研發等。訓練過程包含系統構建的生命周期，力圖體現CDIO提倡的構想—設計—實施—運作理念。

以項目引領學習，可以加強對學生實踐能力和創新能力的培養。通過讓學生以小組的形式共同解決一些模擬實際科技研發中的問題為學習途徑，提高學生對行業中存在的實際問題的認識和解決能力，是一種將課程基本知識和基本操作與未來職業所需技能對應起來的綜合性訓練。為了培養學生運用學過的知識解決實際項目中疑難問題的能力，我們鼓勵并指導學生參與企業項目的設計與開發。項目主要來源于與課程相關的合作企業需求或教師對外承接課題，如苯并環丁烯單體及其樹脂的合成研究、改性凹凸棒土吸附材料的制備及應用推廣等。這些項目通過教師圍繞課程教學目標，依據項目調整教學內容、組織教學，模擬出與實際工程環境同步的平臺，為學生今后到對應企業工作打下良好的基礎。

3.實施創新型實訓計劃

新材料產業已成為21世紀初發展最快的高新技術產業之一，并與信息、能源、醫療衛生、交通、建筑等產業聯系緊密，應用領域十分廣泛。這使得學生有很多機會能夠直接參與企業開發的項目，也給材料化學課程教學的改革提供了一個很大的背景與平臺。

培養學生研究與探索的精神，指導學生開展大學生創新創業設計大賽，如教師指導學生組建南京德瑞醫藥科技有限公司創業團隊，在進行“南京德瑞醫藥科技有限公司規劃”的同時，開展抗腫瘤磁靶向藥物、長期眼藥緩解釋用仿生角膜接觸鏡等材料研究。學生逐一開展項目的調研、方案設計、實施和最終產品的運行等各環節，培養了項目組成員的組織和管理能力，及在整個過程中的溝通能力和團隊意識。

為了確保學生開發項目的規范性，使用技術的先進性，我們聘請優秀畢業生定期回校指導，同時，也聘請企業技術骨干擔任顧問，使項目的構思、設計、實現與運作既符合CDIO教育理念，也符合企業項目開發的要求與標準。

三 結語

高等教育的教學改革包涵了教學模式的改革和創新，而課堂教學模式的創新是當代高校教育改革的必需。要想實現課堂教學模式的創新，首先必須對教學內容進行創新性分析與理解，把行業的要求和職業崗位能力的要求融合到課程的大綱中去。《材料化學》課程是在基礎物理、化學課程基礎上，結合專業的發展及專業人才培養方向而開設的課程，我們通過將CDIO理念提出的培養工程能力理念與課程改革相結合，課程建設質量明顯提升。

［1］顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP－CDIO一汕頭大學工程教育與人才培養模式探索［J］.高等工程教育研究，2008，25(1):12 －19.

［2］陳小虎.校企融合，培養應用型本科人才——理論思考與南京工程學院的實踐［J］.高等工程教育研究，2009，26(2):6 －11.

［3］金偉祖，潘 璐，黃 杰.CDIO教育理念在課程項目設計中的運用［J］.計算機教育，2010，8(11):120 －124.

［4］姚運金，徐菲菲.基于CDIO理念下的化工原理課程項目探索［J］.化工高等教育，2010，113(3):34 －38.

［5］徐建平，陳福山，嚴 平.CDIO模式和地方高校化學化工專業實驗教學的融合探索［J］.廣東化工，2011，38(224):178－179.

［6］張平格，趙月羅，盧軍民.談談CDIO模式下《液壓傳動與控制》課程的教學改革［J］.液壓與氣動，2010，33(8):14－16.

［7］丁 浩，杜高翔，鄧雁希，等.材料科學與工程專業增強工程化教學的研究探索［J］.中國地質教育，2008，16(4):135－137.

［8］吳寶華，張 艷，車成彬，等.基于CDIO工程教育模式的高校化學實驗教學改革的探索［J］.黑龍江科技信息，2010，13(35).

G642.3

A

1674－5884(2012)07－0043－03

2012－05－05

金陵科技學院材料科學與工程卓越工程師計劃(2010JGXM－01－6);金陵科技學院精品課程《材料化學》建設項目

郝凌云(1966－)，女，安徽臨泉人，教授，博士，主要從事材料化學教學與功能材料研究。

(責任編校 羅 淵)