新工科背景下生物工程CAD實驗教學改革與探索

方 波

(黃岡師范學院湖北省生物實驗教學示范中心，湖北 黃岡 438000)

國家《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》等文件明確提出，高校要優化學科布局，打破傳統學科專業之間的壁壘，突出學科交叉融合和協同創新[1]。新工科教育提倡學生中心、產出導向、持續改進的多學科交叉融合育人理念，注重培養學生的工匠精神、科技創新以及跨學科綜合思維能力[2]。近年來，許多高校開展了跨專業、跨學科的人才培養實驗教學探索，著力提升學生解決復雜工程問題的能力[3]。

基于新工科教育背景，以H學院生物工程專業為例，分析生物工程CAD傳統教學面臨的困境，在CAD實驗中融入OBE教育理念，構建以提升實踐創新能力為核心目標，以課程思政、項目驅動、雙線融合、學法引導、科研助推相契合的“一心五維”工程CAD實驗教學策略，探索學科交叉融合下與人才培養相適應的課程教學內容，培育具備較高工程設計思維和科學素養的綜合創新型人才。

1 生物工程CAD傳統實驗教學面臨的困境

1.1 學習困境

生物工程具有多學科交叉特點，開設課程極為廣泛，而工程CAD屬于其中的一門工具基礎課，多數高校學時安排較少或定位成選修課，一些學生在CAD實驗學習中，重視程度不夠，認為該課程與生物工程毫不相干，在實驗前毫無準備，沒有進行相關預習和預測，在實驗中學習積極性不高，在有限時間里難以準確高效地完成任務，實驗后投入精力較少，缺乏對實驗的鞏固練習。同時該專業近年來女生居多，其圖學空間形象思維較男生薄弱，對CAD實驗的畏難情緒油然而生。這些消極的學習態度和觀念使部分學生難以產生學習動力，懈怠了CAD課程的實踐訓練。

1.2 教學困境

當前高校開設的機械、建筑類等專業圖學課程均有較為成熟的教材和教學體系，但其他工科專業在教學內容選取和教學方式改進上亟待進一步探索。針對生物工程等學科交叉類專業：①沒有將CAD實驗內容與專業培養方案有機融合，教學內容與專業契合度不高，缺乏與時俱進和對知識精加工處理；②教學中的圖學載體選取不具代表性，涉及生物工程、化工設備等專業相關的項目式案例教學較匱乏，缺乏實際的解決方案以及現實應用案例的詳細講解，導致學生不知道如何將CAD技能應用到實際工程設計中；③缺乏交互式多元化教學，教學方法過于單一，沒有對不同基礎的學生分類把控，無法滿足學生不同的學習需求，難以發揮教師的精準指導作用；④實驗課堂講授過多，CAD實驗課時普遍較少，在線下課堂中過多的講授擠兌了實驗時間，導致學生實踐訓練和探討交流不足，吸收效果欠佳，無法真正掌握CAD技能。

1.3 可持續困境

圖學空間思維培育、有效課堂氛圍營造、工程設計創新孵化等是長期過程。推動課程持續改進是對教與學的長期考驗，因為它不僅需要思想上重視，行動上執行，更需要投入機制傾斜以及制度上保障。具體來說，涉及到交叉學科專業圖學師資配置、實驗學時調配、課程改革創新以及實驗條件配套等。主要表現在以下三個方面：生物工程專業在多元化發展、工程教育認證背景下，專業有限的學時難以投向“邊緣課程”這類難以出顯性成效的教學中；如何評價工程CAD的績效缺少抓手，有限的資源投入，在沒有明確產出導向的前提下，容易出現投入低效；教學方式方法傳統守舊的模式，不僅影響了教學職能的發揮，更會對圖學思維掌握、CAD實驗效果造成嚴重影響，學生難以保持持久續航推力，進而缺乏嚴謹的工程意識和進一步的鉆研精神。

2 聚焦學生中心，構建OBE理念的實驗教學體系

為解決工程CAD實驗面臨的傳統困境，在實踐探索中確立了以學生為中心、產出為導向、持續改進的OBE人才培養理念(圖1)。預設學習成果，重構實驗模塊，建立合理支撐畢業要求的具體課程任務；聚焦學生中心，構建“一心五維”實驗教學模式支持課程目標有效達成，突出教學策略的創新性，增加教學形式的多樣性，提升教學效果的高階性；構建并實施成果導向的多元化考核評價機制，推動課程教與學的持續改進。

圖1 生物工程CAD實驗教學人才培養理念

2.1 預設實驗產出任務

基于新工科背景下生物工程專業相適應的畢業要求，充分考慮社會、行業、學生等相關對象的要求與期望，使課程目標能支撐畢業要求的達成。制定工程CAD技術知識、個人能力素養、團隊合作溝通以及綜合設計能力等4項一級預期產出指標，并據此分解為11項具有可測評的二級預期產出指標(表1)。在掌握實驗基本技能和綜合素質的基礎上，將本課程學習產出外延嵌入核心課程和人才培養目標中，引入發酵罐、廠房設計、科研圖表繪制等項目任務，明確學生會什么，從而激發探索欲望。

表1 生物工程CAD實驗預期產出任務

2.2 重構實驗教學模塊

學習成果代表了一種能力體現，這種能力主要通過課程教學來實現。因此，課程教學內容構建對達成學習成果尤為重要。基于上述表1中預設的課程學習產出任務，根據專業人才培養特點，本課程以夠用為原則，圍繞學生學什么，重新梳理繁雜的知識點，精簡學習內容，提煉出28個必備功能命令，并將其有機整合為五個實驗模塊。首先在基礎性實驗階段，精心挑選生活中常見的簡單圖學案例為載體，學習基礎命令，激發興趣點；然后循序漸進到綜合性實驗，開展進階性綜合圖學訓練，精通操作命令和設計思路；最后鼓勵各組帶著批判性思維、發散思維進行創新性實驗，研討創新實踐。同時在人才培養計劃中將生物工程CAD實驗由原先的課時量12學時增加至24學時，每周2學時調整至3學時，使學生有更多時間和精力集中訓練(表2)。學生課前線上自學CAD基礎操作，線下課堂在實驗室帶著項目任務各小組開展實踐設計；教師流動式監管輔導，及時把握每個人的基礎、進程和目標完成度，在探討交流中全方位提升學生綜合能力。

表2 生物工程CAD實驗模塊內容

2.3 構建“一心五維”實驗教學模式

為深刻回答高校應該“怎樣培養人”這一根本問題，在CAD課程改革探索中圍繞以學生為中心，產出為導向的教學理念，構建以提升實踐創新能力為核心目標，以課程思政、項目驅動、“雙線”融合、學法引導、科研助推五個維度相契合的生物工程CAD“一心五維”實驗教學模式(圖2)，在項目實施中融合智育和德育，并持續改進教學策略，全方位促進教師既教書又育人，激勵學生主動式學習。

圖2 生物工程CAD“一心五維”實驗教學模式

2.3.1 課程思政

《高等學校課程思政建設指導綱要》提出，要緊緊抓住教師隊伍“主力軍”、課程建設“主戰場”、課堂教學“主渠道”，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統一，形成協同效應，構建全員全程全方位育人大格局[4]。

近年來在教學過程中有機融入家國情懷、工匠精神、科技創新等課程思政元素，起到“潤物細無聲”的效果。如：在CAD繪圖訓練時，選取中國結、校徽等具有思政元素的圖例作為實驗載體，開展愛國愛校教育，引導學生深刻理解圖案的重要內涵，并在繪圖設計中注重細節，形成一絲不茍、精益求精的工程素養。在緒論課中將神舟系列飛船、國家鳥巢體育場、港珠澳大橋等超級工程逐一呈現，講述設計建造中的工程倫理、職業態度和責任擔當，激勵當代青年樹立科技報國的使命感。又如：將近年來我國在設計、研發和制造等高端領域被國外“卡脖子”的技術難題，融會貫通到教學中，領悟習近平總書記“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的，必須靠自主創新”的殷殷囑托，催發學生們潛心鉆研，為我國科技水平新突破、實現中華民族偉大復興作出應有貢獻。

2.3.2 項目驅動

根據生物工程專業人才培養目標定位，適時修訂課程大綱，將工程CAD實驗章節內容進行重構，有的放矢，整合為以2D為主，3D為輔的五大實驗項目模塊，與專業核心課程中的產品或工藝2D3D圖有機銜接，形成課程關聯、前后呼應。將生物工程中的發酵設備、醫藥器械、工程管路等作為工程項目圖例，精心設計以專業相關零部件、儀器設備為項目圖學載體，驅動學生帶著項目任務開展CAD實驗，熔煉嚴謹的工程設計能力。

2.3.3 “雙線”融合

采取線上分步“練兵”，線下綜合“實戰”的混合式教學策略(圖3、圖4)。將實驗項目模塊分解為若干子項目，依托線上平臺，采用啟發式教學去冗長枯燥，將CAD常用命令操作分別錄制成袖珍型微課，在課程尾點完成小測試后才能進入后續學習，同時在設定時間內闖關學習后平臺自動評分。不受時空、場地限制，線上自學操作步驟、同步完成實驗小任務，提升成就感。

圖3 線上分步“練兵”

圖4 線下綜合“實戰”

學生經過線上個性化自主學習，線下課堂中教師不需要過多講授和演示，將實驗主動權和大量時間留給學生實踐，實驗中若命令不嫻熟，可隨時隨地回看線上微課，在自助沉浸式學習中提升獨立解決問題的能力。其次運用PBL教學法，將學生分成5組，每組5-7人坐一排(圖4)，根據工程圖學項目案例，在教師流動式答疑解惑輔導下，各組研討實踐，建立師生互動，生生互動，最后在各組長的組織下進行成果展示比對，尋求最優設計方案。

2.3.4 學法引導

設立課程多元化考核體系，激勵學生課余時間線上主動式學習，培養學生線下課堂探究式、研討式學[5]。逐步形成獨立思考、發散思維、創新實踐、溝通協作的綜合能力，同時在掌握AutoCAD軟件基礎上，引導其自學天正CAD、中望CAD以及CAXA等優秀國產設計軟件，豎立民族品牌自信。

2.3.5 科研助推

將本實驗課程目標對標畢業要求，教學內容緊扣培養目標，使學生掌握CAD圖形圖表設計技能，助力全國大學生化工設計競賽、互聯網+大學生創新創業大賽、科研論文、專利及課程設計等，為學生科研產出、學科競賽服務，加快科技強國、人才強國建設。

3 建立多元化考核評價機制

如表3所示，課程考核評價體系包括過程性評價和結果性評價兩部分，分別占比60%和40%。過程性評價又分課前學習、課中表現、課后實踐三級評價階段，科學設定各階段考核細目及權重，多元化綜合評價學習績效，注重平時過程性表現，聚焦學習成果。評價主體為教師和學生，教師把控全局，動態調整，為主要評價者，而學生為輔助評價者，主要起相互監督、取長補短作用。其中，課前學習和結果測試階段全權由教師評價，課前由學生在規定的時間內通過線上課程平臺自學為主，教師后臺監督，結果測試是在課程結束時通過實驗考試考查學生對實驗技能掌握的水平，同時鼓勵學生運用CAD軟件參與科研訓練或學科競賽中；而課中表現和課后實踐階段由教師和學生共同在線上評價，各占分項評價的50%，以全面客觀地衡量學生在課內外的綜合表現。設置科學有效的評價體系，既便于教師監測學生學習狀態和學習效果，實時調整課程設計與課堂活動，為教學探索持續改進提供參考，又能激發學生學習主動性，有效產出學習成果。

表3 生物工程CAD實驗考核評價體系

4 教學效果

基于新工科背景下的OBE人才培養理念，探索模塊化、多元化、跨學科的CAD實驗教學，注重培養學生的工匠精神及解決復雜工程問題的實踐創新能力，近年來取得了較好的教學效果。

4.1 學習主動性增強

通過分析傳統實驗教學面臨的學習、教學和可持續困境，圍繞OBE理念，整合實驗模塊，融入思政元素的項目載體，設計實施全程評價，充分激發了學生的學習欲望和主觀能動性。培育學生課前線上“微視頻”前測學習；課中帶著任務自主操作或組內探究設計，教師不再占用大量實驗課時間講授，以流動式指導解惑為主；課后線上提交實驗成果開展教師評價和生生互評，形成你追我敢的良性競爭實驗氛圍。

4.2 綜合素質提升

從多學科交叉視角下，構建生物工程CAD“一心五維”的實驗教學模式，在培養學生主動實驗意識及操作能力上成效顯著，其嚴謹的學習態度和團隊協作意識不斷增強，運用CAD圖學設計功能，學以致用，助推了我院學生參與學科競賽、專利和論文等課外學術研究的能力，如：組建的學生團隊在2022年和2023年湖北省互聯網+大學生創新創業大賽中獲金獎，在全國大學生化工設計競賽2021年和2022年獲三等獎，2023年獲二等獎，近三年學生發表的二十余篇(項)期刊論文和專利中的圖表使用CAD設計。打破學科門類知識界限，促進多學科知識技能的深度交叉融合，對進一步培育學生的協同實踐創新能力具有積極推動作用。

結 語

新工科背景下圍繞“怎樣培養人”的根本問題，堅持立德樹人的教育理念，除要重視傳統智育外，還著力滲透德育，構建生物工程CAD“一心五維”實驗教學模式，同時，依托教育部產學合作協同育人項目，產教融合，以研促教，基于OBE理念反向設計，摸清行業需求導向，找準工程CAD在專業人才培養中的地位和作用，有機銜接其他專業課，重構課程內容，拆繁瑣零碎章節為模塊化的圖學項目，注重成果導向達成，訓練學生創新、溝通、合作等能力素養的養成，并將課程思政有效融入實驗教學探索中，強化工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。