基于CDIO模式的有機化學實驗教學改革

吳紅梅，郭 宇，張震斌，藺 巖，陳強強

(遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001)

基于CDIO模式的有機化學實驗教學改革

吳紅梅，郭 宇，張震斌，藺 巖，陳強強

(遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001)

為適應高校向應用型轉型的要求，改進傳統有機化學實驗課程在實施過程中的不足，采用CDIO模式對實驗教師能力提升，對實驗教學內容、教學方法、考核方法等進行全面的探索與改革。實踐證明，CDIO模式不僅能夠顯著提高學生的學習興趣，而且通過在“做”中學習培養了學生主動探索、大膽創新的素質。不僅如此，CDIO教學模式的運用顯著提高了學生對知識的應用能力、分析和解決問題能力，強化了團隊協作意識，為在應用型人才培養框架下的有機化學實驗教學改革提供了有益借鑒。

有機化學實驗； CDIO教學模式； 應用型人才； 教學改革

0 引 言

應用型人才區別于技能型人才和研究型人才，是為適應我國經濟轉型升級需求而提出的，也是社會不斷發展、分工細化的結果，體現了學以致用的本質[1-4]。在此背景下，高等學校理性思考求發展，不斷明確自身辦學方向和辦學定位。2015年，遼寧省確定10所高校及116個專業向應用型轉變，其中就有我校的化學工程與工藝專業和環境工程專業。為了更好地培養應用型人才，為地方經濟服務、增強學生就業能力，需要對目前專業課程結構進行調整，并有針對性地對相關課程進行教學方法改革。有機化學實驗課程是化學工程與工藝專業和環境工程專業重要的基礎實驗課程，對鞏固有機化學課程理論和培養學生創新能力不可或缺。特別是能夠為培養學生求實、嚴謹的科學態度和踏實的工作作風奠定基礎，對培養應用型人才具有重大作用。然而，傳統有機化學實驗課程無論是在內容設置，還是對提高學生的主觀能動性方面均存在不足。如學生為修學分機械性地做實驗、實驗過程“照方抓藥”、實驗數據可信度不高、思考問題少、分析和解決問題能力差、甚至個別學生抄襲實驗報告、成績評價體系單一等問題，嚴重制約了對學生的學習能力、實踐能力和創新能力的培養[5-10]。因此，在應用型人才培養的框架下，如何能夠有效推進有機化學實驗課程的教學改革，將是研究的重中之重。

Conceive(構思),Design(設計),Implement(實施),Operate(運行)，簡稱CDIO模式，是由美國麻省理工學院聯合幾所跨國院校探索的一種新型教育模式，倡導“基于項目教育和學習”“做中學”，不僅注重知識積累，更加重視提高學生的實踐能力、創新能力和團隊合作意識[11-16]，與應用型人才培養要求不謀而合。因此，我們致力于應用CDIO模式進行有機化學實驗課程改革，解決傳統有機化學實驗課程存在的問題。對有機化學實驗課程在實驗教學內容、教學方法、考核方法等方面進行探索與實踐。

1 迎合應用型人才培養需要，提升教師能力

傳統的實驗教學中，由實驗教師按照教材已經驗證好的計量機械性地講授實驗課程，一年又一年，周而復始。長期下來，實驗教師接觸新事物較少，思維固化，在實驗創新方面缺乏創意。要想培養出高質量的大學生，教師自身水平是關鍵因素之一。而且，應用型人才培養和CDIO教學模式要求教師不僅具有教學能力，還應具備科研能力和工程實踐能力。因此，為提高實驗教師教學水平，在其創新設計能力的培養方面提出了一系列的改革措施。① 假期對企業走訪調研，深入企業生產中存在的技術問題，分析存在原因，從技術支持角度給出解決方案；了解企業對人才的需求，適當調節培養方案。② 針對本專業學生培養要求，設計開發新的專業綜合性、設計性實驗項目，制定出符合實驗指導書要求的完整實驗方案、實驗步驟及實驗要求，并進行實驗核心內容試做。③ 鼓勵教師申請橫向、縱向項目進行科學研究，并反哺實驗教學，根據培養要求，將相關科研內容引入實驗計劃。這些措施使得教師整體的科研能力和工程實踐能力得到了全面提升，更加明確了對學生的培養目標，在實驗課的設計和授課方面更加貼近實際、游刃有余。

2 優化教學內容，使其更具應用性、實踐性

根據應用型本科人才培養要求，課程內容應具有實踐性和應用性，因此有必要對傳統有機化學實驗課程中基礎操作性實驗、驗證性實驗和綜合性實驗進行全面整合和調整。

(1) 基礎操作是進行后續實驗的必備技術，學生應扎實掌握。因此在保留原有基礎操作實驗的基礎上，應拓展及更新技術，切實體現CDIO概念中“構思”和“設計”模塊，如在蒸餾操作實驗中，教師除了講授普通蒸餾外應該進一步介紹減壓蒸餾、旋轉蒸發等操作，這些操作技術具有相通性，且實用性很強。

(2) 強化驗證性實驗，能夠使學生更加直觀、感性地了解有機化學實驗的原理，突出CDIO概念中“實施”模塊的運用。將簡單的驗證性實驗，如鑒別實驗(碘仿反應、苯酚與FeCl3的顯色反應、銀鏡反應等)做成微課視頻添加到有機化學理論課教學中；增添2～3個多步反應的驗證性實驗(如合成2,4-二硝基苯肼，再將其與羰基化合物作用，由于2,4-二硝基苯肼熔點較高，非常容易析出結晶，可鑒別羰基化合物)，教師給出具體操作細節，學生在實驗室演練學習，為后續綜合設計性實驗打基礎。

(3) 綜合設計性實驗能夠將眾多獨立的基礎實驗操作無縫整合，不僅是知識升華和技術創新的過程，也是整個實驗課程的重中之重。實驗的內容應多樣化、具有拓展性和創新性。如將原有限定的“乙酸乙酯制備”實驗修改為“酯的制備”，題目具備寬泛的選擇性，并更多地貼近企業應用的中間體或產品。通過CDIO模式，團隊學生可以自由選擇題目(如制備水楊酸甲酯、乙酸異戊酯、辛烯基琥珀酸淀粉酯、苯甲酸甲酯、乙酸丙酯等)，并可以采用不同催化劑(濃硫酸、對甲苯磺酸、氯化亞砜、固體酸等)進行酯的制備，從中可以學習到不同催化劑制備酯的方法和機理，不僅是對理論課知識的應用過程、更是拓展學習的訓練。通過完成不同的項目來學習和拓展知識，始終在做中學、學中做，不僅提高了實驗技能水平和創新能力，而且可以有效培養團隊合作精神，完美體現了CDIO模式的全部主題思想。

3 在CDIO模式倡導下的教學方法改革

對應用型人才培養而言，教學過程應強調理論聯系實際地進行綜合訓練、創新訓練，因此，采用CDIO模式教學方法，讓學生的大腦真正轉起來，手腳有目的動起來，避免了傳統教學方法的古板、僵硬的模式。筆者針對不同教學部分的特點做了如下改革措施：

(1) 將有機化學實驗的基礎操作部分制作成MOOC，學生可根據自己的情況選擇MOOC方式或者常規課堂方式上課。選擇MOOC方式學習的學生不僅通過視頻學習操作要領，還要在預約時間內到實驗室進行現場操作練習；選擇常規課堂方式上課的學生按照傳統方式在實驗室按部就班的上課，完成基礎操作的訓練。無論選擇哪種上課方式的學生，最后都要通過現場操作考核，通過后才能進行下一個實驗環節。

(2) 將驗證性實驗的教學模式由“可聽性”向“可視性”轉化，即將教學資料整理成文字、圖形及視頻方式，輔助適當的講解進行可視化教學，簡單的驗證性實驗在有機化學理論課上演示，加深學生對知識點的深化理解；復雜驗證性實驗在視頻輔助下現場操作完成，減輕實驗教師工作量，將教師精力轉移到綜合設計性實驗環節。

(3) 綜合設計性實驗，根據CDIO教學模式所倡導的 “基于項目教育和學習”與“做中學”的理念，以項目為驅動、通過團隊形式完成。學生自由組隊，每3～4人一組，實驗教師根據大綱給出每部分實驗的大方向，如天然產物的提取、酯類化合物的制備、胺類化合物的制備、酮類化合物的制備等，在大方向下具體實驗內容由團隊小組成員自行選定(可在老師提供范圍內選擇、也可由團隊自己確定，團隊確定的題目必須跟教師協商，經教師同意后方可進行)。以天然產物提取實驗為例進行說明，教師給出部分題目內容從茶葉中提取咖啡因、從煙葉中提取煙堿、從橘皮中提取果膠、從菠菜中提取葉綠素等，每個團隊可以選擇教師給定范圍內的題目，也可以自由選擇。查閱文獻、確定實驗方案、準備實驗藥品和實驗儀器等方面都由學生在助教指導下完成，最后預約時間進行實驗。實驗過程中教師和助教均在現場進行指導，及時發現問題、解決問題。通過CDIO模式進行教學后，學生不再互等互靠，而是通過團隊合作、集思廣益，在做中學習、研究和創新，態度積極、認真，對知識的應用能力、分析問題和解決問題能力、創新能力有了很大提高，體現了應用型人才培養學以致用的本質。

4 在CDIO模式倡導下的考核方法改革

應用型人才培養注重理論的應用性，培養學生理論聯系實際、解決實際問題的綜合能力，因此，有效的考核方式才能推動有機化學實驗教學改革的順利進行。CDIO模式應用在有機化學實驗的考核方法中，靈活多變，能夠全面考察出學生的學習能力、實驗動手能力、分析問題和解決問題的能力。根據不同教學部分的特點采用實驗報告、現場提問、答辯、課程論文等形式進行綜合評價，各部分成績權重見圖1。其中，基礎操作部分+驗證性實驗部分占30%、綜合設計性實驗部分占55%、課程論文占15%。具體考核方式如下：

圖1 考核成績中各部分成績權重分配圖

(1) “基礎操作部分+驗證性實驗部分”的預習報告占10%，現場操作占20%，這部分主要是訓練學生操作的基本功，因此，在預習報告的基礎上，重點是在現場真槍實彈式的操作，采用現場打分方式，不合格的學生不能進入綜合設計實驗環節。

(2) “綜合設計實驗”采用CDIO教學模式，選擇題目、查閱文獻、確定實驗方案、實驗實施、答辯、撰寫報告等環節都是由團隊成員協作共同完成。預習報告成績占10%，內容包括背景、實驗方案的確定、實驗藥品(包括毒性分析)和儀器、實驗步驟(包括使用藥品的計量)，可能出現的問題等，由實驗教師或助教審核通過后開展實驗；現場操作成績占20%，每個團隊在預約時間內完成實驗，整個過程助教及實驗教師現場給予適當指導，并根據現場提問、實驗操作情況打分；實驗報告成績占10%，內容包括修正后的實驗步驟、實驗結果與討論、實驗中出現的問題及解決方案；答辯成績占15%，設計性實驗環節結束后，設計團隊成員匯總實驗資料將其做成PPT展示匯報，并接受評委的現場提問，根據團隊整體表現及每個學生對問題的回答情況，給團隊中每個學生打分，避免出現濫于充數的現象；課程論文成績占15%，團隊中每個成員任選曾經做過的一個設計性實驗形成詳細的小論文形式，訓練學生初步科技論文寫作的能力。整個考核過程充分體現CDIO模式推動應用型人才培養的學以致用、重過程、重能力的目標，以考核模式為導向，強化學生對實驗類課程的重視及對知識活學活用的能力。

5 CDIO教學模式實踐成效分析

在CDIO教學模式驅動下，有機化學實驗課程進行了全面改革，取得了良好的成效，不僅教學效果反映良好而且學生的綜合能力得到了有效提升，主要表現在以下幾個方面：① 實驗操作技術水平和規范性得到了極大提高，并且改掉了實驗過程中互等互靠的懶惰習慣；② 學生對知識的應用能力、分析和解決問題能力、工程實踐能力得到了全面訓練和提高，他們能結合書本知識和相關文獻去解釋實驗現象、分析和討論實驗結果，具備了一定的科研能力；③ 經過CDIO模式的訓練，培養了學生的實驗設計能力、創新能力及可行性的判斷能力，而且思維更加廣闊；④ CDIO教學模式注重集思廣益、團隊式合作，實現了個體和團隊的高效結合，因此不僅學生個人能力得到了提升而且團隊合作意識得到了增強。

6 結 語

在CDIO理念指導下進行有機化學實驗課程的改革，克服了傳統教育模式中重理論、重結果、輕過程、輕能力的缺陷，使實驗課程更具應用性和挑戰性，增強了學生學習的興趣，提高了學生對知識的應用能力、實踐能力、分析和解決問題能力及團隊合作能力，順應了應用型人才培養的要求，培養了學生嚴謹的工作態度，對繼續學習其他課程乃至將來的職業生涯都具有深遠影響。未來的教學過程任重而道遠，我們教學團隊將會更加努力去探索有機化學實驗課程的教學改革，立足于地方經濟發展、滿足企業對人才的需求，增強學生的就業率，培養滿足社會要求的應用型人才。

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ApplicationofCDIOTeachingModeinOrganicChemistryExperimentTeachingReform

WUHongmei，GUOYu，ZHANGZhenbin，LINYan，CHENQiangqiang

(School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, Liaoning, China)

In order to meet the requirements of the transition to application-oriented colleges and universities and make up for the drawbacks of traditional "Organic Chemistry Experiment", comprehensive experimental teaching exploration and reform were carried out by using CDIO model to enhance the teaching ability of teachers, experimental teaching contents, teaching methods, assessment methods.Practices have proved that the CDIO model not only can significantly improve students’ interest, but also can cultivate the students to explore novel experimental methods by "doing" in learning.Moreover, the CDIO teaching mode significantly improves the students’application ability of knowledge, analysis and problem-solving skills, and strengthens the sense of teamwork.Therefore, this work provides a useful contribution on the "Organic Chemistry Experiment" teaching reform for cultivating applied talents.

organic chemistry experiments; CDIO teaching mode; applied talents; teaching reform

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0177-03

2016-10-08

國家自然科學基金(21601075)；遼寧省自然科學基金(No.2015020249); 遼寧省本科教改項目(遼教發[2016]23號，2016-299)；遼寧工業大學教學改革研究項目(2012015)

吳紅梅(1979-)，女，遼寧阜新人，博士，副教授，主要從事有機化學實驗教學與研究。Tel.:13940666224; E-mail:wuhongmei@lnut.edu.cn

郭 宇(1981-)，男，遼寧營口人，博士，副教授，化學與環境工程學院副院長，主要從事實驗室建設與管理、有機化學實驗、膜催化等研究。Tel.:13704168439; E-mail:guoyu@lnut.edu.cn