基于CDIO工程教育的材料化學(xué)課程教學(xué)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(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

基于CDIO工程教育的材料化學(xué)課程教學(xué)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(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

為適應(yīng)新材料產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、特別是現(xiàn)代工程教育的發(fā)展潮流，培養(yǎng)材料科學(xué)與工程專業(yè)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才，本文把CDIO工程教育模式引入到材料化學(xué)課程的教學(xué)體系中，以提高課程教學(xué)質(zhì)量和效果，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

CDIO工程教育模式;材料化學(xué)課程;材料科學(xué)與工程專業(yè)

CDIO是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)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(duì)學(xué)生扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)的培養(yǎng)，將工科學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)分成工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面。通過貫穿整個(gè)人才培養(yǎng)過程的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，在培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，將教育過程放到工程領(lǐng)域的具體情境中。研究表明，目前中國工程類大學(xué)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(shí)際工程教育情況相結(jié)合，汕頭大學(xué)工學(xué)院在CDIO的基礎(chǔ)上，首次提出了EIPCDIO培養(yǎng)模式［1］。在2010年4月和12月分別召開全國CDIO試點(diǎn)工作組工作會(huì)議之后，2011年教育部又舉辦了全國CDIO工程教育改革會(huì)議暨教育部CDIO高級(jí)研修班，更是從教育部層面上對(duì)這一教育理念予以倡導(dǎo)和推行。

課程教學(xué)改革是高校質(zhì)量工程建設(shè)的核心，只有做好每一門課程、每一個(gè)課程群的教學(xué)改革，才能真正培養(yǎng)出高素質(zhì)的應(yīng)用型人才［2］。迄今國內(nèi)很多高校和專家在不同工程類專業(yè)及課程中做了許多有益探索，如同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院推行的J2EE課程項(xiàng)目［3］;合肥工業(yè)大學(xué)基于CDIO理念下的化工原理課程項(xiàng)目探索［4］;徐建平等在化學(xué)化工專業(yè)教學(xué)引入CDIO模式以提高化學(xué)化工專業(yè)畢業(yè)生工程素質(zhì)［5］;機(jī)械工程專業(yè)的《液壓與氣動(dòng)》也開始了CDIO模式的課程改革［6］等。

《材料化學(xué)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)從基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)類課程過渡的橋梁課程之一，課程內(nèi)容涉及到材料學(xué)科中化學(xué)問題以及材料與化學(xué)兩大學(xué)科的交叉知識(shí)。面向CDIO工程教育，材料化學(xué)課程要如何對(duì)非常廣泛的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇、安排與銜接，如何培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力等還有待研究。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生工程觀點(diǎn)、工程思維和工程能力的建立是本課程教學(xué)改革的努力方向。

一 材料化學(xué)課程現(xiàn)狀分析及思考

1、課程教學(xué)缺乏對(duì)學(xué)生工程意識(shí)培養(yǎng)

《材料化學(xué)》是從化學(xué)視角講授材料的設(shè)計(jì)、制備、組成、結(jié)構(gòu)、表征、性質(zhì)和應(yīng)用的課程，但材料的類型及應(yīng)用領(lǐng)域眾多，生產(chǎn)過程復(fù)雜，需要具體問題具體分析，而問題通常又很難在傳統(tǒng)課程教學(xué)中找到對(duì)應(yīng)性答案，因此缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在學(xué)習(xí)中就會(huì)有理論與實(shí)際相脫節(jié)的錯(cuò)覺，不容易形成工程概念。而且由于學(xué)時(shí)的限制，很多材料化學(xué)教科書對(duì)各類材料的物理化學(xué)原理介紹較多，材料生產(chǎn)過程較少提及，教學(xué)上容易出現(xiàn)重知識(shí)理解、輕工程思考的現(xiàn)象，致使學(xué)生的工程技術(shù)意識(shí)淡薄。學(xué)生往往習(xí)慣于理解掌握書本知識(shí)，而不太關(guān)注解決問題的思維方法，如方案設(shè)計(jì)、工程實(shí)施的可行性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等問題。

2.固定體系的課程內(nèi)容有待豐富更新

材料科學(xué)基礎(chǔ)理論和材料物理化學(xué)原理構(gòu)成材料化學(xué)課程教學(xué)兩大板塊。雖然教材種類很多，但隨著材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)及工業(yè)體系的快速發(fā)展，尤其是新材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新提升，材料化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和體系沒有實(shí)質(zhì)性的改變和進(jìn)展，課程相關(guān)內(nèi)容落后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，一定程度上限制了教師和學(xué)生的工程思維?，F(xiàn)有課程內(nèi)容與體系是建立在理論知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性之上的，在知識(shí)點(diǎn)的選擇和安排上沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)理念，新材料、新技術(shù)、新工藝方面知識(shí)點(diǎn)增加緩慢，所用教材與生產(chǎn)實(shí)際所要求課程的內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)的編排存在一定的差距，不利于學(xué)生深層次理解材料工程實(shí)施過程所涉原理的內(nèi)涵。

3.課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容未構(gòu)成工程應(yīng)用能力訓(xùn)練體系

現(xiàn)有課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)教學(xué)中所涉理論知識(shí)的應(yīng)用拓展較小。課程內(nèi)容基于驗(yàn)證性和演示性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系內(nèi)容，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和動(dòng)腦思考的機(jī)會(huì)仍顯不足，缺乏對(duì)各知識(shí)點(diǎn)之間的相互貫通，更無法將所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)與分析、解決生產(chǎn)實(shí)際問題相聯(lián)系。

4.教師工程背景薄弱

具有工程化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師隊(duì)伍建設(shè)是增強(qiáng)材料科學(xué)與工程專業(yè)工程化教學(xué)的基礎(chǔ)和保障［7］。很多高校畢業(yè)生直接進(jìn)入應(yīng)用型本科高校擔(dān)任教師的角色，具有企業(yè)及成果工業(yè)轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)的教師很少，遠(yuǎn)不能滿足工程化專業(yè)課程教學(xué)的要求。

二 基于CDIO工程教育模式的材料化學(xué)課程建設(shè)

課程是專業(yè)人才培養(yǎng)的主要載體。在新建應(yīng)用型工科院?！恫牧匣瘜W(xué)》課程建設(shè)中，我們密切結(jié)合地方材料領(lǐng)域當(dāng)前社會(huì)需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，將“創(chuàng)新型應(yīng)用型人才”具化為適應(yīng)材料行業(yè)發(fā)展需要并側(cè)重在研發(fā)、生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員。

《材料化學(xué)》課程以有效銜接前期物理、化學(xué)類基礎(chǔ)課程和后續(xù)高分子、金屬、無機(jī)非金屬等材料專業(yè)課程為宗旨，調(diào)整課程教學(xué)體系和內(nèi)容。將教學(xué)內(nèi)容劃分出材料結(jié)構(gòu)與性能、材料制備(合成)、材料加工及工藝三大板塊，結(jié)合材料行業(yè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和新材料應(yīng)用前景，在奠定學(xué)生基本理論和基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，拓展學(xué)生在材料科學(xué)領(lǐng)域的視野。密切跟蹤行業(yè)發(fā)展，構(gòu)建真實(shí)或類似工程情景的課程教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生將基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用結(jié)合，探索CDIO工程教育模式。

(一)更新理論教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容

工程教育模式［8］要以學(xué)生為中心，即在教學(xué)中要以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。通過豐富的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提供給學(xué)生更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)。既保證學(xué)生系統(tǒng)地獲得基礎(chǔ)知識(shí)，基本方法和基本技能，又能激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，可充分發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性和潛力，體現(xiàn)學(xué)生工程應(yīng)用個(gè)人能力培養(yǎng)的要求。

根據(jù)課程理論知識(shí)點(diǎn)，我們調(diào)整增加材料的合成、制備、表征等綜合性實(shí)驗(yàn)，力求內(nèi)容上盡可能多地反映前沿科技成果，拓寬應(yīng)用內(nèi)涵和工程廣度，有利于學(xué)生的在復(fù)雜工程環(huán)境中創(chuàng)造性思維的形成。因此在課程教學(xué)中，我們基于工程過程導(dǎo)向教學(xué)的設(shè)計(jì)理念，注重著手從典型實(shí)例的剖析中提煉出若干重要的工程觀點(diǎn)，及時(shí)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法。例如，以“聚乙烯項(xiàng)目可行性報(bào)告”項(xiàng)目論證分析為載體，從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期過程，加強(qiáng)對(duì)工程高分子材料的合成途徑、制備工藝、投資預(yù)測(cè)及背景分析進(jìn)行完整設(shè)計(jì)與闡述，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)。

(二)建立雙師型教師隊(duì)伍

要提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和運(yùn)用等方面的能力，就要依靠很多具有工程經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師，這就要求在校的教師需主動(dòng)參與到工程項(xiàng)目中，提升自身產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)橹挥薪處熋鞔_了材料化學(xué)課程在本專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中的地位和作用，特別是相關(guān)知識(shí)和能力與實(shí)踐的有機(jī)聯(lián)系，才能引導(dǎo)學(xué)生從工程需求中發(fā)現(xiàn)思考問題，以及應(yīng)用所學(xué)知識(shí)探究、創(chuàng)新的能力。

《材料化學(xué)》教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用“走出去，請(qǐng)進(jìn)來”的方式，致力于“雙師型”隊(duì)伍建設(shè)。走出去是指帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)去聽去看，甚至把課堂搬到企業(yè)，而請(qǐng)進(jìn)來是指將有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的工程師請(qǐng)來給學(xué)生上課，聘請(qǐng)合作企業(yè)工程師開設(shè)課程指導(dǎo)。我們與南京斯瑞奇醫(yī)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(yè)密切合作，通過與行業(yè)企業(yè)專家共同進(jìn)行課程分析、制定教學(xué)大綱、融入職業(yè)元素、設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)、研究授課方案、提出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和考核方法，使教學(xué)內(nèi)容貼近實(shí)際、實(shí)踐案例吸引學(xué)生、考核方法體現(xiàn)能力的目標(biāo)。

(三)開展以項(xiàng)目為中心的多樣化教學(xué)改革

1.開展探究性課堂教學(xué)

注重課程中材料物理化學(xué)知識(shí)與材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)。課堂教學(xué)中，首先，以一個(gè)科學(xué)現(xiàn)象或工程應(yīng)用開篇，引入每章知識(shí)的講述，并在相關(guān)知識(shí)講授后進(jìn)行解答。其次，針對(duì)某些具體知識(shí)點(diǎn)，設(shè)置專門的設(shè)計(jì)題，在每章小結(jié)后開展討論。最后，選擇與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的例子、例題達(dá)到“應(yīng)用知識(shí)、拓展視野、體現(xiàn)方法”三個(gè)目的。例如，以介紹我國“十一五”863計(jì)劃項(xiàng)目“激光晶體、非線性晶體材料工程技術(shù)開發(fā)”成果作為第一章晶體基礎(chǔ)的開篇，以“水熱法合成人工合成寶石”作為該章節(jié)的課外實(shí)踐的設(shè)計(jì)題目，學(xué)生通過水熱法合成了剛玉類晶體，并結(jié)合現(xiàn)代材料檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行表征和鑒別，扎實(shí)掌握了晶體合成及結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，把抽象的結(jié)晶學(xué)知識(shí)與工程應(yīng)用相聯(lián)系。

教學(xué)的基本思路是在CDIO理念的基礎(chǔ)上，通過解剖現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的組成、設(shè)計(jì)、原理及工藝，使學(xué)生在增加感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)了解課堂知識(shí)與實(shí)際產(chǎn)品之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種模擬一個(gè)具體材料的應(yīng)用背景、構(gòu)思設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工的過程，可以將課堂教學(xué)過程與課外具體的工作項(xiàng)目充分地融為一體。如，通過“新型變色鏡片的生產(chǎn)工藝研發(fā)”，掌握光學(xué)材料中關(guān)于光致變色新材料的變色原理、材料制備技術(shù)，并結(jié)合第五章高分子材料的性能，將知識(shí)理解轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新思維。

2.拓展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

突出工程能力培養(yǎng)，注重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用。以調(diào)研材料科技發(fā)展前沿成果以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求為基礎(chǔ)，我們開設(shè)了一系列設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)與相關(guān)訓(xùn)練后，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，選擇與實(shí)際的某個(gè)應(yīng)用相結(jié)合的例子，在教師指導(dǎo)下完成一個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)用等全過程的課程項(xiàng)目訓(xùn)練，包括項(xiàng)目構(gòu)思、項(xiàng)目設(shè)立、項(xiàng)目實(shí)施演示和必要的比較和分析。如涂裝車間油漆環(huán)保指標(biāo)的測(cè)定和評(píng)價(jià)，(NALC)廢料優(yōu)化改性工藝及其環(huán)境友好性能評(píng)估和應(yīng)用研發(fā)等。訓(xùn)練過程包含系統(tǒng)構(gòu)建的生命周期，力圖體現(xiàn)CDIO提倡的構(gòu)想—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)作理念。

以項(xiàng)目引領(lǐng)學(xué)習(xí)，可以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過讓學(xué)生以小組的形式共同解決一些模擬實(shí)際科技研發(fā)中的問題為學(xué)習(xí)途徑，提高學(xué)生對(duì)行業(yè)中存在的實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)和解決能力，是一種將課程基本知識(shí)和基本操作與未來職業(yè)所需技能對(duì)應(yīng)起來的綜合性訓(xùn)練。為了培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)解決實(shí)際項(xiàng)目中疑難問題的能力，我們鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生參與企業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)。項(xiàng)目主要來源于與課程相關(guān)的合作企業(yè)需求或教師對(duì)外承接課題，如苯并環(huán)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(yīng)用推廣等。這些項(xiàng)目通過教師圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，依據(jù)項(xiàng)目調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、組織教學(xué)，模擬出與實(shí)際工程環(huán)境同步的平臺(tái)，為學(xué)生今后到對(duì)應(yīng)企業(yè)工作打下良好的基礎(chǔ)。

3.實(shí)施創(chuàng)新型實(shí)訓(xùn)計(jì)劃

新材料產(chǎn)業(yè)已成為21世紀(jì)初發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，并與信息、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、交通、建筑等產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。這使得學(xué)生有很多機(jī)會(huì)能夠直接參與企業(yè)開發(fā)的項(xiàng)目，也給材料化學(xué)課程教學(xué)的改革提供了一個(gè)很大的背景與平臺(tái)。

培養(yǎng)學(xué)生研究與探索的精神，指導(dǎo)學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)大賽，如教師指導(dǎo)學(xué)生組建南京德瑞醫(yī)藥科技有限公司創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，在進(jìn)行“南京德瑞醫(yī)藥科技有限公司規(guī)劃”的同時(shí)，開展抗腫瘤磁靶向藥物、長(zhǎng)期眼藥緩解釋用仿生角膜接觸鏡等材料研究。學(xué)生逐一開展項(xiàng)目的調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施和最終產(chǎn)品的運(yùn)行等各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了項(xiàng)目組成員的組織和管理能力，及在整個(gè)過程中的溝通能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

為了確保學(xué)生開發(fā)項(xiàng)目的規(guī)范性，使用技術(shù)的先進(jìn)性，我們聘請(qǐng)優(yōu)秀畢業(yè)生定期回校指導(dǎo)，同時(shí)，也聘請(qǐng)企業(yè)技術(shù)骨干擔(dān)任顧問，使項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作既符合CDIO教育理念，也符合企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的要求與標(biāo)準(zhǔn)。

三 結(jié)語

高等教育的教學(xué)改革包涵了教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，而課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新是當(dāng)代高校教育改革的必需。要想實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新，首先必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新性分析與理解，把行業(yè)的要求和職業(yè)崗位能力的要求融合到課程的大綱中去?！恫牧匣瘜W(xué)》課程是在基礎(chǔ)物理、化學(xué)課程基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)的發(fā)展及專業(yè)人才培養(yǎng)方向而開設(shè)的課程，我們通過將CDIO理念提出的培養(yǎng)工程能力理念與課程改革相結(jié)合，課程建設(shè)質(zhì)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(xué)工程教育與人才培養(yǎng)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(yǎng)應(yīng)用型本科人才——理論思考與南京工程學(xué)院的實(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)中的運(yùn)用［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010，8(11):120 －124.

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

［5］徐建平，陳福山，嚴(yán) 平.CDIO模式和地方高校化學(xué)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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?wù)凜DIO模式下《液壓傳動(dòng)與控制》課程的教學(xué)改革［J］.液壓與氣動(dòng)，2010，33(8):14－16.

［7］丁 浩，杜高翔，鄧雁希，等.材料科學(xué)與工程專業(yè)增強(qiáng)工程化教學(xué)的研究探索［J］.中國地質(zhì)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(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)院材料科學(xué)與工程卓越工程師計(jì)劃(2010JGXM－01－6);金陵科技學(xué)院精品課程《材料化學(xué)》建設(shè)項(xiàng)目

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

(責(zé)任編校 羅 淵)