CDIO模式下生物與化工專業實驗課群教改探索與實踐

呂海霞， 李寧慧， 陳明杰， 程 捷， 尚龍安

(浙江大學寧波理工學院 生物與化學工程學院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

現階段，化學工業逐步向精細化工、生物醫藥化工、高新材料等新領域擴展，浙江省這些新興領域的化工產業在國內處于領先地位，其中許多產品生產規模小、生命周期短、進入市場時間要快，并對市場反應敏捷。普林斯頓大學的Wei和明尼蘇達大學的Cussler等針對當前化學工業的變化趨勢，早在2000年提出化學產品工程是以產品為導向的化學工程科學，解決生產何種產品及如何生產以滿足市場要求。他們認為，產品工程成為化學工程學科發展的一個新的研究范式，為化學工業提供技術推進和新的經濟增長點[1]。我國學者認為，化學產品工程也是方法學，目的在于提高產品設計水平，縮短新產品開發周期，提升產品性能；產品工程是化學工程研究中具有廣闊發展前景的方向之一，應以此為原則重新規劃化學工程學科的研究和教學[2]。因此如何在產業升級和創新驅動戰略推進的新形勢下培養區域經濟需要的精細化工、生物醫藥化工、高新材料等領域的應用型人才是高校必須深思和解決的問題。

1 國內CDIO工程教育模式概況

提到工程人才培養離不開目前被國際上眾多教育機構采納并證明行之有效的CDIO工程教育模式。麻省理工學院等4所大學合作開發的CDIO工程教育模式繼承并發展了歐美20多年來工程教育重大改革的理念，代表了目前工程教育的發展趨勢。國內汕頭大學2005年首先開始研究實施CDIO模式，繼而成為我國第一個CDIO國際合作組織成員[3-6]。在教育部的積極推動下，近40所高校在機械類、電氣類、化工類、土木類專業試點CDIO工程教育模式[7-8]。2016年1月“全國CDIO工程教育聯盟”成立，CDIO工程教育理念逐步深入國內工程教育。國內CDIO工程教育的實施和發展呈現從改革本身到教學方法、從引進模仿到本土化特色化、從理論探討到課程體系開發、從學生能力到教師能力4個方面的轉向[9]。CDIO工程教育模式正成為培養創新型工程科技人才的新途徑。本文將CDIO模式用于生物與化學工程專業實驗課群的教改實踐，開發適合應用型人才的課程體系，提升人才培養質量。

2 基于CDIO理念的專業實驗教學改革

2.1 教學現狀

專業實驗教學是本科實驗教學環節中最重要的部分，是實現專業教學目標的重要載體，通過綜合運用本專業核心課程及相關領域的知識及實驗技能培養學生分析和解決實際問題的能力[10]，為培養具有自主創新能力的高素質應用型人才提供保障。我校生物與化學工程實驗教學中心(以下簡稱“中心”)承擔生物工程、制藥工程、高分子材料與工程、化學工程與工藝4個專業的專業實驗課程，主要存在以下共性問題：課程缺乏整體設計，實驗項目知識銜接不緊密，“照方抓藥”型實驗較多，學生在實驗課學習過程中始終處于被動地位，致使學生普遍動手能力差，工程素質弱，綜合素質低，無法適應社會及行業發展的需要。所以專業實驗課教改勢在必行。

2.2 改革教學內容

針對實驗教學現狀，以建設省重點實驗教學示范中心為契機，中心基于“產品工程”和CDIO工程教育理念，以“產品”為導向整合教學內容，以CDIO課程模式組織設計教學過程，深化專業實驗課群教改探索實踐。

以化工“產品”為導向重構專業實驗的教學內容，明確專業培養目標，考慮從化工產品研發開始到產品使用的整個生命周期來精選合適的“產品”，圍繞該“產品”的實驗內容要體現專業教學的整體性和系統性，盡量涵蓋本專業核心課程的知識要點。突出課程之間的關聯性，打破理論課程之間和教師之間的壁壘，避免不必要的重復，讓學生通過自主學習有機貫通專業知識體系來完成相關“產品”的實驗項目，既強化基礎知識和專業理論的學習，又注重實驗實踐訓練，并學習解決綜合問題[11]。經典實驗積累了歷年教學過程的經驗，其內涵和技術上有時間的積淀，能保證教改探索的空間和教學的長遠性。中心在改革創新原有經典實驗項目的基礎上，適當從教師先進的科研成果中選擇新“產品”引入專業實驗，優化更新教學內容。

2.3 教學過程設計

產品工程認為大部分精細化學產品的設計開發主要分為需求、創意、篩選、制造等4個步驟，這與CDIO代表的構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate) 的工程教育模式完全吻合。推行以“產品”為導向的專業實驗教學改革，核心是圍繞一個產品完整地開展構思、設計、實現、運作過程，即按照CDIO工程項目的實施組織設計教學，保證實驗項目具有合理性和可行性，系統地指導學生完成產品的整個開發過程。將選定“產品”的相關實驗項目重新設計或優化整合，使實驗教學內容環環相扣，各個實驗項目之間既相互獨立又相互銜接，全部實驗項目組合在一起形成一個完整的化工產品的開發過程。每個實驗項目要有各自明確的實驗目的和能力培養目標，對應相關專業核心課程知識點，使各實驗項目由點到面有機融合相關專業知識，循序漸進提高學生不同層次的能力[12]。

圍繞每個“產品”，實驗項目的教學過程設計要體現C、D、I、O 4個階段。

構思階段需要明確功能符合市場或用戶需求的這一“產品”是什么。通過大量文獻調研找到何種產品能滿足性能、環境等要求或設計產品功能結構。加深學生對“產品”的認識，化工產品從大批量、連續化的基礎化學品到小批量、多品種、個性化的專用化學品，涉及生產生活的各個領域。

設計階段要求學生完成從原料到產品的實現路徑，具體包括原料、生產工藝、設備、操作條件的選定等。在教師的指導下，師生共同對每個過程進行可行性分析，不合理的部分重新設計，直至確定利用現有實驗室條件能實現的完整的設計方案。指導學生為下一環節做充分的實驗準備和技術討論等。

實現環節是圍繞“產品”的實驗操作過程，一般包括原料的測試與預處理、化學反應合成、粗產品分離精致、產品分析測試等。這個階段的工作必須在實驗室完成，是教改的核心環節，著力培養學生的實驗操作技能、綜合創新能力。這類綜合創新實驗的時間遠遠超出傳統課時安排，所以要靈活合理地增加實驗課時，采用開放實驗的管理方式，除了教師和實驗員適當引入研究生助教，給學生留足實驗探索空間。

運作階段對產品進行實際應用，檢測產品的性能是否達到構思階段的預設。為產品的改進和再生產提供指導。這個環節也可以做工廠調研，跟蹤用戶對產品的使用情況或反饋，積累生產經驗。加深學生對產業上下游供應鏈的了解。

3 教學實踐

每個專業根據教學實際新增2～3個成熟的“產品工程”實驗項目，使實驗內容更加綜合化和系統化，全面反映專業工程特色。通過每個“產品”的CDIO工程項目的訓練強化學生基本實驗技能、工程實踐能力、綜合創新能力，實現對學生專業知識、工程實踐能力和團隊協作能力的整體培養。

生物工程專業實驗原有涵蓋生物產業上、中、下游產品的綜合設計性實驗，但是產物分離效果差，加之生物工程專業已升級為一本專業，教改迫在眉睫。中心緊密圍繞生物產業的4大類“生物產品” 更新實驗教學內容。比如改革原有的堿性磷酸酶實驗，圍繞該“生物產品”開發相應的實驗：① 大腸桿菌堿性磷酸酶基因工程菌的構建和鑒定；② 大腸桿菌堿性磷酸酶基因工程菌發酵實驗；③ 親和層析技術分離純化堿性磷酸酶融合蛋白。通過這3個獨立的實驗，最終得到純化的堿性磷酸酶融合蛋白。要求學生掌握2～3種生物類產品的生產制備全過程，接受生物工程專業實踐的系統訓練。

制藥工程專業實驗原來開設8～9個提取或合成常見藥物的實驗，小而分散。中心系統整合藥物化學、天然藥物化學、藥理、藥物分析、藥劑等課程的基本知識點，利用中心先進的超臨界流體萃取、制備液相色譜純化、模擬移動床等設備，設計從實驗藥物的合成開始，經過藥物的生物活性測試、分離、純化、藥物的劑型選擇和制備，到藥物的質量控制和純度測定的實驗項目，讓學生在建立制藥學科整體知識體系的基礎上了解新藥研發全過程[13]。選擇經典的合成藥物阿司匹林和天然化合物白藜蘆醇對學生進行藥物研究的系統訓練，優化實驗項目鏈，前者是包括阿司匹林合成、片劑的制備、一般質量分析、HPLC法含量測定的大型綜合實驗；后者是包括白藜蘆醇提取、乙酰白藜蘆醇片劑的制備、HPLC法測定片劑中乙酰白藜蘆醇的含量以及乙酰白藜蘆醇片劑的質量檢驗的系列實驗。

高分子材料與工程專業實驗已經將原來單一的、驗證性的實驗整合為“模塊式的自主設計+討論+綜合設計訓練”的教學模式。遵循整體性設計原則，按照“高分子配方、合成、加工、性能測試”的項目鏈進行了設計和更新，選擇高性能基體樹脂層壓板的制備及性能測試、環保性無鹵磷系阻燃劑的合成及性能測試、高分子共混合金的制備及其性能測試、高分子阻燃改性及其性能測試4個大型綜合實驗，讓學生完成從材料到復合材料再到材料加工改性及分析測試結構表征與鑒定評估的系列實驗項目。

化學工程與工藝專業實驗突破傳遞過程、熱力學、分離工程、反應工程、化工工藝等模塊的限制，按照“產品”理念系統安排實驗項目。大乙苯實驗除了完成“原料→反應→分離→產品分析測試”的實驗過程，還要求學生結合化工過程開發與設計課程，完成從市場調研確定工藝路線到化工過程放大、過程節能降耗、環境保護及技術經濟評價等環節的報告，讓學生了解化工產品的整個開發過程[14]。旋轉填料床制備實驗是結合教師科研成果的創新綜合實驗，學生利用超重力設備選擇新型的制備工藝先后制備出納米羥基磷灰石、甲基丙烯磺酸鈉鹽、納米二羥基苯甲酸銅、納米碳酸鈣等多種產品。

專業實驗教學采用分組方式，各組的實驗內容有的相同，有的自行選題。除了在專業實驗室完成從原料到產品的實驗操作，大量的學習過程是學生合作調研、師生互動討論。一個完整的專業實驗過程相當于一個小型的科學研究過程，教師指導學生利用圖書館及網絡進行文獻資料的檢索，引導學生整理歸納分析搜集的資料，協助學生結合興趣等實際情況提出研究方向或明確研究目標，繼而指導學生提出實驗方案。放手讓學生去動手實驗，重視對實驗結果的分析討論，規范實驗報告或論文的完成，通過一個產品完整的構思、設計、實現、運作過程，初步培養學生的科研能力，讓學生體驗團隊精神，成為未來新產品研發的生力軍。

中心挖掘各專業教師豐富的實驗教學經驗，同時積極采取各項措施保證教改的實施：① 更新教學觀念。樹立“以學生為中心”的理念，引導學生主動學習。讓學生對待實驗課程由“要我學”變成“我要學”;② 改革教學方法。提高教師的CDIO課程教學水平，完善評價考核實驗教師的方法;③ 完善并形成科學的實驗課程考核方法,增加實驗項目報告答辯、項目可行性報告等形式，通過自評互評等多種考核方法促進學習方式的多樣化，改變學生學習態度。通過省市重點學科專業和省重點實驗教學示范中心的優勢平臺為專業實驗課群教改創造條件，改革后的專業實驗課群教學體系如圖1所示。

圖1 基于CDIO模式的專業實驗課群教學體系

4 實踐效果

以上教改實踐加強了理論課與實驗課的銜接，扭轉了以往“重理論輕實踐、重知識傳授輕工程實訓”的傾向，實踐效果良好。

(1) 優化了實驗教學體系。 基于“產品”和CDIO理念引入綜合創新實驗，豐富了實驗教學內容，提高了專業實驗課群的教學質量，優化了中心以綜合創新實驗為核心的實驗教學體系，推動省級重點實驗教學示范中心的教學建設，進一步凝煉了中心“產品-產業”的教學特色，使中心的專業實驗在同類院校中具有獨特性和先進性。

(2) 提高了整個專業的教學水平。 專業實驗課群的教改促進了各專業理論課程的CDIO深層次改革與創新，推動適合應用型人才的課程體系建設，提高了整個專業的教學水平，從而突出了我院省市重點學科專業的特色。

(3) 完善了人才培養模式。 將知識傳授、能力培養、素質提高貫穿于實驗教學全過程，按照CDIO課程模式組織實驗教學，有助于帶動整個專業人才培養的CDIO模式探索，加強與產業實際的聯系，強化了工程型、應用型人才的培養，推動了實踐育人，完善了高素質應用型人才的培養模式，實現高校人才培養與企業人才需求的無縫對接。

(4) 學生真正受益。專業實驗課程包含本專業主要核心課程和能力要求，對學生的專業知識、工程實踐能力和人際團隊協作能力進行整體培養。教改增加了實驗課時，徹底改變了以往的實驗教學方式，通過圍繞產品項目的構思、設計、實現和運作過程,讓學生體驗學以致用，并在建立整體專業知識體系的基礎上接受系統的工程訓練，增加學習探索興趣，激發專業信心，深化對專業的認識，提高了學生的動手操作能力及工程實踐創新能力，使學生真正受益，教改得到學生的一致認可[15-16]。

5 結 語

基于CDIO模式的生物與化工專業實驗課群教改體現了學校致力于培養高素質的應用型、復合型、外向型創新創業人才的理念。下一步中心將開發學科交叉的CDIO實驗項目，并將CDIO模式延伸到畢業設計、創新科研等實踐模塊，完善以能力培養為核心的實驗教學體系，加強復合型外向型應用人才培養，進一步推動人才培養模式的改革，加快我校應用型建設轉變并提高應用型人才培養質量。