基于CDIO模式材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)踐

張小博

(燕京理工學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的逐漸深入，提高學(xué)生的實(shí)踐能力成為人才培養(yǎng)的重要一環(huán)。高分子材料與工程專業(yè)課程中設(shè)置高分子材料與工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的目的即是鞏固學(xué)生化工和高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本理論，高分子材料的制備、改性、物理性能及高分子的近代分析、表征和測試等技能，為今后深入探索高分子性能的變化規(guī)律，合成具有特定結(jié)構(gòu)與功能的新型高分子以及高分子材料的生產(chǎn)與開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)[1-2]。

CDIO工程教育模式通過一體化課程設(shè)計(jì)，以構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作全過程作為載體，將從實(shí)踐中學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)作為以工程為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)-實(shí)施之外的主動(dòng)學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)與學(xué)科課程結(jié)合起來，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的工程能力的目標(biāo)。將CDIO工程理念融入材料專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，將整個(gè)課程體系有機(jī)而系統(tǒng)地結(jié)合起來的，形成基于CDIO工程能力的課程新體系，并在實(shí)踐教學(xué)中，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，使人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高，滿足地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要[3-4]。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的弊端

傳統(tǒng)的材料綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置與實(shí)際脫節(jié)，越來越顯現(xiàn)出諸多弊端：

(1)重理論、輕實(shí)踐，重知識(shí)、輕能力的教學(xué)模式，使培養(yǎng)出來的大多數(shù)學(xué)生缺乏創(chuàng)造性、缺乏分析問題和解決問題的工作能力。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，教學(xué)過程過分強(qiáng)調(diào)理論基礎(chǔ)知識(shí)的灌輸，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)只是按標(biāo)準(zhǔn)的程序驗(yàn)證原理和定律，實(shí)驗(yàn)教材對(duì)所需的儀器設(shè)備、操作步驟、觀察內(nèi)容、乃至實(shí)驗(yàn)結(jié)果等均已詳細(xì)說明，這樣的實(shí)驗(yàn)往往忽視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新綜合能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生操作技能、創(chuàng)新能力、分析解決問題能力較差，難以適應(yīng)現(xiàn)代工程對(duì)創(chuàng)新人才的要求，很難達(dá)到培養(yǎng)動(dòng)手能力、分析與解決問題能力的目的，創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)更是無從談起[5-6]。

(2)傳統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)均依附于理論課程，高分子材料與工程專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程一般只有高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)、高分子物理實(shí)驗(yàn)、高分子材料加工實(shí)驗(yàn)等。而且，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大同小異，基本上都開設(shè)“甲基丙烯酸甲酯的本體聚合”、“醋酸乙烯酯的溶液聚合”、“苯乙烯的懸浮聚合”、“醋酸乙烯酯的乳液聚合”、“烏氏粘度計(jì)測聚合物的分子量”、“偏光顯微鏡觀察聚合物球晶”、“高分子材料拉伸強(qiáng)度的測試”、“高分子材料沖擊強(qiáng)度的測試”、“高分子材料維卡軟化點(diǎn)的測試”等實(shí)驗(yàn)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在的問題：1)實(shí)驗(yàn)課僅僅是對(duì)理論的簡單驗(yàn)證，缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，舉一反三能力的培養(yǎng)。2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)，缺乏完整性，僅局限于本課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，而與其他課程的橫向聯(lián)系較少。3)缺乏對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，如綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和研究能力的培養(yǎng)，每一課程實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，學(xué)生僅僅是做完了某門課程的實(shí)驗(yàn)，而對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的總體缺乏認(rèn)識(shí)。4)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊老化，不能體現(xiàn)現(xiàn)代科技發(fā)展水平。5)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)儀器利用率低。

2 CDIO模式在教學(xué)中的實(shí)施

本專業(yè)以高分子綜合實(shí)驗(yàn)改革為突破口，經(jīng)過兩年的改革實(shí)踐，逐漸形成了一套切實(shí)可行的以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的的教學(xué)課程體系。

2.1 課前準(zhǔn)備

在課前準(zhǔn)備中，除通過不同的方式(講解或提問)向?qū)W生交待實(shí)驗(yàn)基本原理、實(shí)驗(yàn)的安全事項(xiàng)和課程的考核方法等一般性問題外，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課前講解的顯著不同點(diǎn)在于注重采取模擬科學(xué)研究的一般過程組織教學(xué)，如列舉實(shí)驗(yàn)的方法和技術(shù)在科研中的最新應(yīng)用和取得的重要成果、合成的新功能材料等，這個(gè)過程既體現(xiàn)了在教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)作用的教學(xué)原則，又激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)基本方法的同時(shí)，能初步掌握科學(xué)研究的一般方法，進(jìn)行科研創(chuàng)新。

2.2 文獻(xiàn)檢索

完成課前準(zhǔn)備和引導(dǎo)工作后，給予學(xué)生一周的時(shí)間進(jìn)行分組和自選課題。在此過程中注重引導(dǎo)學(xué)生如何利用網(wǎng)絡(luò)資源和部分課程中軟件的應(yīng)用，如ChemDraw的使用，化學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件Origin7.0的使用等。要求學(xué)生利用校園網(wǎng)和開放數(shù)據(jù)庫如維普中文期刊全文數(shù)據(jù)庫、美國化學(xué)會(huì)、英國皇家學(xué)會(huì)、Elsevier數(shù)據(jù)庫，Wiley數(shù)據(jù)庫等對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、分析和總結(jié)。完成500～1000字左右的摘要。并通過分析查閱的信息來確定自己的方案并能提出較為合理和優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案。在課程教學(xué)中，可預(yù)留課題相關(guān)的文獻(xiàn)檢索作業(yè)，如要求每位學(xué)生完成5篇左右的中文文獻(xiàn)和2篇左右的英文文獻(xiàn)的精讀，通過隨機(jī)方式檢查學(xué)生的完成情況，并及時(shí)解決學(xué)生在文獻(xiàn)檢索過程中遇到或存在的問題。通過對(duì)研究課題的實(shí)驗(yàn)素材的積累，不僅使學(xué)生能充分掌握查閱文獻(xiàn)的方法和親身體驗(yàn)利用互聯(lián)網(wǎng)來獲取資料的便利，還能提高學(xué)生分析利用資料的能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

在學(xué)生查閱資料后提出基本的實(shí)驗(yàn)方案，教師組織每組學(xué)生進(jìn)行探討和研究，一方面教師可在探討過程中提問了解學(xué)生對(duì)基本資料的了解情況，另一方面能掌握學(xué)生的能力并進(jìn)行有效指導(dǎo)，最后得出可實(shí)施的方案。雖然學(xué)生在前期的實(shí)驗(yàn)課和理論課的學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握了綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的絕大部分專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，但由于綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所具有的綜合性和研究性的特點(diǎn)，可能課程還需完成對(duì)學(xué)生進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)或方法的訓(xùn)練。目前主要采取在前30學(xué)時(shí)，側(cè)重對(duì)新的合成方法和測試手段的訓(xùn)練；在后90學(xué)時(shí)，采用教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主選題創(chuàng)新實(shí)踐為主的教學(xué)模式。在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程中主要體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位和教師在教學(xué)活動(dòng) 中的主導(dǎo)作用的教學(xué)原則。目前學(xué)生完成的自選課題已有近30項(xiàng)，包括聚苯乙烯保溫材料、聚乙烯醇疏水膠黏劑、相變材料、降解材料等。在實(shí)驗(yàn)方案確定后進(jìn)入實(shí)施階段，主要采取開放實(shí)驗(yàn)室的原則和管理制度，每周一、二、四和五，學(xué)生可以根據(jù)自己的進(jìn)度靈活安排自己的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。在實(shí)施過程中教師針對(duì)每組學(xué)生進(jìn)行不定時(shí)的指導(dǎo)，指出不足和提高的方向。通過整個(gè)實(shí)施過程，學(xué)生可感受到自身創(chuàng)新獲得的成果所帶來的喜悅和成就感，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)得到全面的提高。每年學(xué)生的自選實(shí)驗(yàn)研究課題都具有突破，如學(xué)生提出的相變材料的制備同時(shí)還具有了形變的記憶性等。這就要求任課教師需要有深厚的科研內(nèi)涵 ，能很好地把握課題的深度，避免把課題做的太大太寬，并且能在學(xué)生進(jìn)行科研創(chuàng)新的過程中擱淺時(shí)給予必要的指導(dǎo)，成功地達(dá)到課程的目標(biāo)。科研過程中有失敗在所難免，應(yīng)積極鼓勵(lì)學(xué)生不畏失敗，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與論文撰寫

論文的撰寫是科學(xué)研究的一個(gè)重要能力。將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告改為研究論文，在撰寫論文前給學(xué)生提出論文撰寫的主要部分，如題目、摘要、關(guān)鍵詞、前言、試驗(yàn)試劑、測試方法、試驗(yàn)步驟、結(jié)果與討論、結(jié)論和參考文獻(xiàn)等，要求學(xué)生按照既定的格式撰寫論文，修改后提交。在教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生使用ChemDraw軟件畫化合物分子結(jié)構(gòu)式和用 Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖。通過論文撰寫整個(gè)過程的訓(xùn)練使學(xué)生不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力得到提高，還對(duì)科研論文撰寫的一般形式形成完整的認(rèn)識(shí)。

2.5 答辯及過程性評(píng)價(jià)考核

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最后，增加了學(xué)生制作PPT進(jìn)行答辯的環(huán)節(jié)，學(xué)生通過介紹自己實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，如研究的選題、研究的目的和意義、前人所做工作的概況等，并適當(dāng)提出自己的創(chuàng)新點(diǎn)，結(jié)果的分析和今后需完善的地方等。在答辯過程中每組學(xué)生需回答教師和其他學(xué)生的提問。考核結(jié)果主要采用論文的完成度、答辯的情況和各組間的互評(píng)等進(jìn)行綜合后得出最終成績。在考核中也不僅以成敗論英雄，其實(shí)在有限的時(shí)間內(nèi)，成功地進(jìn)行科研創(chuàng)新所取得的教學(xué)效果無疑遠(yuǎn)大于失敗的科研訓(xùn)練，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生能將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與全國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和挑戰(zhàn)杯等比賽進(jìn)行結(jié)合，并且對(duì)進(jìn)入復(fù)賽和最終獲得比賽成績的進(jìn)行額外的評(píng)分獎(jiǎng)勵(lì)。

3 結(jié)論

高分子材料與工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程改革通過引入CDIO模式，同時(shí)將高分子化學(xué)、高分子物理、高分子材料的合成與加工、結(jié)構(gòu)表征、計(jì)算機(jī)在高分子材料中的應(yīng)用等課程進(jìn)行整合，使學(xué)生在高分子材料的制備與表征、結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系上獲得更多的感性認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)高分子材料與工程專業(yè)基本知識(shí)的理解和應(yīng)用。這種“動(dòng)態(tài)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅提高了專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的活力，還大大促進(jìn)了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量，更好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)高分子材料與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。