STEM通往CDIO的一種途徑：論現(xiàn)代分析技術(shù)在工科卓越創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用

何亞群，謝衛(wèi)寧，石 美，路 瑤，王海鋒

一、從STEM 到CDIO:工程教育的變革及其邏輯

以美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）1884年成立為起點，至1986年，工程教育一百多年來經(jīng)歷了六次重大變革［1］。第一，20世紀(jì)中葉斯坦福大學(xué)工程學(xué)院用現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)課程取代傳統(tǒng)測量與繪圖課程，從早期的經(jīng)驗教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谢A(chǔ)知識理論指導(dǎo)的教學(xué)；第二，美國工程技術(shù)認(rèn)證委員會為工程教育提供質(zhì)量監(jiān)控，將課程設(shè)置從雜亂、隨意的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂匈|(zhì)量控制要求的狀態(tài)；第三，學(xué)生由被動接受知識轉(zhuǎn)向積極參與工程實踐的工程回歸，使得滿堂灌式的、被動的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥墓こ淘O(shè)計與實踐教學(xué)；第四，基于問題與項目學(xué)習(xí)模式的出現(xiàn)，將固定課題的實訓(xùn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥栴}導(dǎo)向、項目驅(qū)動的工程能力訓(xùn)練方法；第五，基于通訊、計算機、大型精密儀器設(shè)備的現(xiàn)代化教育手段運用于工程教育之中，并帶來教育時空觀、主體觀及教育方式的轉(zhuǎn)變；第六，國際化視野理念的提出，使得工程教育的人才培養(yǎng)由面向國內(nèi)、區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥蚋偁幜Φ膭?chuàng)新人才［2，3］。從上述六次轉(zhuǎn)變我們不難看出一百多年來高等工程教育面對產(chǎn)業(yè)變革與市場需求變化的自演式進(jìn)化。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異發(fā)展與產(chǎn)業(yè)革命的迅猛而至，各國對創(chuàng)新人才需求與培養(yǎng)的重視上升到了前所未有的高度。美國在1986年開啟了工程教育的STEM 革新，到2000年后STEM 工程教育范式的研究得到學(xué)術(shù)界的進(jìn)一步聚焦，即強調(diào)“科學(xué)”（Science）、“技術(shù)”（Technology）、“工程”（Engineering）、“數(shù)學(xué)”（Mathematics）在工程教育中突出地位。STEM工程教育范式具有三個明顯的特征：首先它具有跨學(xué)科的特征，該教育模式認(rèn)為工程師應(yīng)該超越單一學(xué)科的固有思維，通過整合不同學(xué)科的理論與實踐，尋求解決復(fù)雜問題的方法［4］。其次STEM 注重創(chuàng)意的培養(yǎng)與教育。其主要邏輯是：創(chuàng)意是創(chuàng)新的源泉，創(chuàng)新在未來將創(chuàng)造新的技術(shù)、新的產(chǎn)業(yè)，而藝術(shù)又是創(chuàng)意產(chǎn)生的關(guān)鍵，學(xué)生可以在文學(xué)、音樂、繪畫等作品中獲得靈感，汲取工程設(shè)計與創(chuàng)作的源泉。為此，雅克曼（G.Yakman）等人將藝術(shù)學(xué)科融合到STEM 工程教育之中并提出STEAM 工程教育范式［5］，“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)造”循環(huán)鏈的形成是STEAM 工程教育范式的重大突破。第三是STEM 將社會責(zé)任感的培養(yǎng)作為高等工程教育的重要使命，強調(diào)技術(shù)發(fā)展和社會進(jìn)步的邏輯關(guān)系。

但是從總體上看，STEM 工程教育范式仍屬于科學(xué)范式的范疇。進(jìn)入21世紀(jì)后，迅猛發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)+、工業(yè)4.0、信息技術(shù)革命，以及產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟(jì)模式的變革，一方面使得知識產(chǎn)生、擴散、流動與應(yīng)用更多地出現(xiàn)在不同領(lǐng)域?qū)W科的交叉地帶，迫切需要解決由于科技發(fā)展形成跨越傳統(tǒng)領(lǐng)域界限的復(fù)雜問題；另一方面，學(xué)科之間的界限越來越模糊，科學(xué)技術(shù)研究已不再用原來建立起來的固定學(xué)科范疇，而是以產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向所產(chǎn)生的知識流動和擴散帶來的新組織結(jié)構(gòu)中各種不同元素的重新結(jié)合作為研究依據(jù)［6，7］。在此情況下，傳統(tǒng)的高等工程教育模式中的學(xué)科壁壘制約了現(xiàn)代工程人才培養(yǎng)的知識體系，專業(yè)藩籬壓縮了工程人才的大工程視野，本碩博教育的不連貫導(dǎo)致人才培養(yǎng)效率低下，書本知識滯后于實際工程應(yīng)用需求降低了人才的適應(yīng)性，師生關(guān)系的隔閡壓制了工程人才培養(yǎng)氛圍［8］。因此，必須通過理念與方法創(chuàng)新，以系統(tǒng)的、靈活的、具有適應(yīng)性的手段處理復(fù)雜的工程技術(shù)問題。

為了彌補傳統(tǒng)高等工程教育的不足，美國麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)等四所大學(xué)提出了一個創(chuàng)新性的工程教育范式——CDIO。CDIO 范式旨在培養(yǎng)下一代工程領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，并為工科學(xué)生提供了一個強調(diào)在構(gòu)思（Con?ceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運行（Operate）當(dāng)今社會的復(fù)雜系統(tǒng)和企業(yè)生產(chǎn)過程來學(xué)習(xí)工程理論和強化工程實踐，比較完整地體現(xiàn)了現(xiàn)代高等工程教育在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才方面的綜合教育思想體系、教育環(huán)境、培養(yǎng)模式和創(chuàng)新實踐［9］。具體來說，CDIO 范式借助建立一體化相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系，促使學(xué)生以主動的、實踐的方式學(xué)習(xí)工程，并以此提升學(xué)生的工程專業(yè)技術(shù)水平，培養(yǎng)學(xué)生的個人工作能力、職業(yè)素養(yǎng)、團(tuán)隊精神和交流能力，較好地實現(xiàn)了工程教育的主體性、實踐性，以及課程之間的連續(xù)性。可以說，CDIO 使工程教育完成了從科學(xué)范式向工程回歸范式的轉(zhuǎn)換。CDIO 工程回歸范式體現(xiàn)出以下創(chuàng)新特征：一是課程教學(xué)與實踐教育環(huán)節(jié)深度融合，利用學(xué)生參與項目、設(shè)計導(dǎo)向、體驗式教學(xué)等實踐教育手段，豐富課程教學(xué)內(nèi)容、拓展課程教學(xué)空間；二是通過一體化教育模式，在關(guān)注知識學(xué)習(xí)的同時，還關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、溝通協(xié)調(diào)和整合能力，使之適應(yīng)大工程、大產(chǎn)業(yè)、國際化的發(fā)展需求；三是注重場景重構(gòu)，以及基于實踐場景的再思考（Rethink），促使學(xué)生在強調(diào)知識吸收的同時，更注重知識的遷移與創(chuàng)新；四是注重多方參與和資源整合，通過產(chǎn)教融合、建立企業(yè)實踐基地等模式突破行業(yè)與地域的限制［10］。

從教學(xué)模式來看，CDIO 著重強調(diào)了實踐教育在工程教育范式中的重要性，其教學(xué)方法手段的轉(zhuǎn)變主要體現(xiàn)在從傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥栴}為導(dǎo)向的、學(xué)生自主選擇項目和方法的模式［11，12］。即，工程教育要全過程地體現(xiàn)學(xué)生的主體意識，由學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題并設(shè)計實踐內(nèi)容，而不是按照教師規(guī)定的實驗內(nèi)容進(jìn)行實踐活動［13，14］；要將實踐意識成為一種自然反應(yīng)，而并不是將實踐固定在幾個時間節(jié)點上，這就需要使實踐常態(tài)化并構(gòu)建與之相適應(yīng)的實踐空間。實踐空間不應(yīng)只是在校園內(nèi)的實驗室或與本專業(yè)相關(guān)的企業(yè)，而是應(yīng)該拓展到與本領(lǐng)域相關(guān)的所有實踐環(huán)境，應(yīng)該走向社會，從社會需求中發(fā)現(xiàn)問題并產(chǎn)生創(chuàng)新的靈感。在實踐方法手段上，計算機及互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果將有助于現(xiàn)代工程教育實現(xiàn)實踐方法的創(chuàng)新?？傊?，實踐模式的轉(zhuǎn)換是STEM 工程范式向CDIO 范式轉(zhuǎn)變的重要途徑。我國近年來“新工科”建設(shè)提出的基于融合創(chuàng)新的“回歸工程”教育理念內(nèi)涵與CDIO 有著很強的內(nèi)部一致性。或者說，CDIO 已經(jīng)成為我國“新工科”教育理念的實踐性思路［15，16］，成為推進(jìn)我國高等工程教育改革、提升工程人才培養(yǎng)質(zhì)量、促進(jìn)工程專業(yè)論證的重要手段。

二、現(xiàn)代分析技術(shù)融入工程教育體系的必然性

作為國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施的大型科研儀器是用于探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)技術(shù)變革的復(fù)雜科學(xué)研究系統(tǒng)，是突破科學(xué)前沿、解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全重大科技問題的技術(shù)基礎(chǔ)和重要手段［17］。近年來，隨著“雙一流”建設(shè)的深入，在學(xué)科建設(shè)經(jīng)費及教育部改善基本辦學(xué)條件專項等經(jīng)費的支持下，高校大型儀器設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量迅速提升，甚至在有些方面已經(jīng)超過發(fā)達(dá)國家。這些大型儀器設(shè)備以其卓越的性能、超高的精確性、靈敏度和分辨率，對于激發(fā)學(xué)生探索未知、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、解決跨領(lǐng)域復(fù)雜工程技術(shù)問題的熱情具有不可替代的作用，同時也是實現(xiàn)向CDIO 工程范式轉(zhuǎn)換的一種必要途徑。

然而，由于大型儀器設(shè)備價格昂貴，操作要求高，總體配置數(shù)量比較少，維護(hù)與使用需要扎實的理論知識與較強的專業(yè)實驗技能，往往由專門人員負(fù)責(zé)運行，加之對大型儀器設(shè)備應(yīng)用實踐在工程教育中的價值認(rèn)識不足，導(dǎo)致在普通工科本科培養(yǎng)方案中大型儀器分析理論及實踐教育體系缺失。具體來說，一方面本科學(xué)生對于現(xiàn)代分析技術(shù)理論知識的學(xué)習(xí)比較零散；另一方面，由于大型儀器設(shè)備的臺套數(shù)及操作的專業(yè)性限制，學(xué)生的先進(jìn)分析測試方法實踐環(huán)節(jié)更是走過場，很難實現(xiàn)真正意義上的實驗操作訓(xùn)練［18，19］。因此，如何以問題和項目為導(dǎo)向，有效利用大型科研儀器，重構(gòu)我國符合未來卓越創(chuàng)新人才培養(yǎng)的工程教育體系，是我國高校面臨的普遍課題。

中國礦業(yè)大學(xué)“礦物加工工程”是國家重點學(xué)科，“礦物加工工程”專業(yè)為國家特色專業(yè)，同時也是“985 工程優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺”與“雙一流”建設(shè)學(xué)科。該學(xué)科以我國基礎(chǔ)能源煤炭資源加工利用與潔凈煤技術(shù)為特色，在國內(nèi)外有較高學(xué)術(shù)地位與影響，已形成一批具有國際領(lǐng)先水平的研究成果，成為我國礦物加工工程學(xué)科人才培養(yǎng)與科學(xué)研究重要平臺［20］。中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心是校級共享基礎(chǔ)科學(xué)研究實驗平臺，目前已形成以微觀結(jié)構(gòu)、超微形貌、表面成分分析為主的配套完善、管理服務(wù)水平高、設(shè)備性能指標(biāo)在國內(nèi)領(lǐng)先的多學(xué)科分析測試公共平臺。中國礦業(yè)大學(xué)礦物加工工程專業(yè)在2020 版培養(yǎng)方案的修訂中，以中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心為實踐平臺，將現(xiàn)代分析技術(shù)理論與實踐融入CDIO 工程教育范式的相應(yīng)環(huán)節(jié)，重視拓展本科生的科學(xué)視野、學(xué)術(shù)境界與創(chuàng)新能力。

三、基于現(xiàn)代分析技術(shù)的課程體系建設(shè)與實施

為了將現(xiàn)代分析測試技術(shù)融入工科人才培養(yǎng)體系，進(jìn)行高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式及課程體系改革，構(gòu)建體現(xiàn)CDIO 主體性、實踐性與課程體系一致性的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，中國礦業(yè)大學(xué)“礦物加工工程”專業(yè)在制定培養(yǎng)方案前實施了多項教育教學(xué)改革課題研究，以期回應(yīng)以下問題：（1）在工科創(chuàng)新人才與科技和行業(yè)發(fā)展存在差異化背景下，如何將工科人才培養(yǎng)理論課程與實踐課程體系同現(xiàn)代分析技術(shù)交叉融合；（2）通過虛擬與現(xiàn)實并舉的分析測試儀器共享平臺建設(shè)，如何提升高層次工科人才的創(chuàng)新能力并探索其驅(qū)動機制；（3）如何通過激勵驅(qū)動以提升工科學(xué)生的創(chuàng)新協(xié)作能力和培養(yǎng)國際視野與全球競爭力。在此基礎(chǔ)上，就人才培養(yǎng)方案的制定開展了如下一系列的工作。

1.構(gòu)建融合現(xiàn)代分析技術(shù)的課程體系

具體做法是，以礦物加工工程類工科本、碩貫通課程“現(xiàn)代儀器分析理論與實踐”“現(xiàn)代分析儀器II”為依托，進(jìn)行了理論與實踐課程體系改革，解決了課程體系同現(xiàn)代分析技術(shù)的交叉融合問題，大大減小了工科創(chuàng)新人才與科技和行業(yè)發(fā)展的差異化。該課程體系的特點是：首先，突出了礦業(yè)特色，著重加強了X 射線光電子能譜（XPS）、電子探針（EPMA）和高分辨三維X 射線顯微成像系統(tǒng)（3D-XRM）等與礦業(yè)工程科學(xué)研究關(guān)系密切的大型儀器設(shè)備應(yīng)用實例，并突出它們在礦業(yè)、礦物、資源、能源和安全領(lǐng)域中的特色，對原先偏重化學(xué)、化工、生物等內(nèi)容的理工科通用的課程體系進(jìn)行改革。其次，加強了實訓(xùn)的內(nèi)容和理論指導(dǎo)性，編寫了針對性和專業(yè)性的實訓(xùn)講義《現(xiàn)代分析儀器應(yīng)用技術(shù)實踐》，添加了具有鮮明礦業(yè)特色的綜合應(yīng)用實例，改革了原先課程體系重理論輕實踐的矛盾。第三，對實驗教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)改革，借助自主開發(fā)的大型儀器操作虛擬仿真軟件，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)及操作能力，使學(xué)生掌握儀器的原理及操作方法，為日后的自主測試及科研創(chuàng)新提供了先導(dǎo)平臺。第四，在教學(xué)中采用中英雙語教學(xué)模式，并引入國外先進(jìn)儀器使用操作及實用分析案例，拓展學(xué)生的國際視野，達(dá)到了提高工科學(xué)生綜合素質(zhì)及國際競爭力的目的。第五，通過自主測試預(yù)約模塊，并結(jié)合實踐環(huán)節(jié)的觀摩、監(jiān)督和指導(dǎo)，對學(xué)生進(jìn)行資質(zhì)考核，考核合格后取得上機操作資質(zhì)，在此基礎(chǔ)上學(xué)生可上機自主測試，為學(xué)生的科研創(chuàng)新活動提供了支撐，解決以往本科學(xué)生很難完成在大型儀器設(shè)備獨立操作實驗的問題。

2.建立自主學(xué)習(xí)的虛擬仿真教學(xué)模塊

以中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心大型分析測試儀器為樣本，以真實應(yīng)用場景與真實測試任務(wù)為藍(lán)本，采用虛擬現(xiàn)實、計算機仿真與數(shù)字孿生技術(shù)等，構(gòu)建了包含透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和X 射線衍射儀（XRD）等多種與中心大型分析測試儀器型號一致的針對性虛擬仿真教學(xué)和自主測試軟件。軟件設(shè)計采用知識圖譜梳理方法，將大型分析測試儀器應(yīng)用背景下的現(xiàn)代分析測試技術(shù)與新工科專業(yè)基礎(chǔ)知識相互融合，形成知識網(wǎng)絡(luò)與脈絡(luò)并融入數(shù)字場景當(dāng)中，將儀器的結(jié)構(gòu)原理以數(shù)字化、可視化、虛擬化的形式展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者可通過在數(shù)字場景中探索、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)、應(yīng)用等完成知識學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練。同時，依據(jù)信息時代教育形態(tài)特征，基于“差異化、個性化、泛在化、體驗式、重創(chuàng)造應(yīng)用”的教學(xué)理念，形成了以學(xué)習(xí)者為主體、以創(chuàng)新培養(yǎng)為中心、以信息化教育為手段、重視數(shù)字化學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的培訓(xùn)模式?？傊ㄟ^線上與線下、虛擬與現(xiàn)實的實踐教學(xué)手段，使學(xué)生對大型儀器設(shè)備的實踐操作能力有了很大提高，也彌補了課堂教學(xué)學(xué)時不足的矛盾。

3.建設(shè)自主測試的大型儀器開放共享平臺

大型儀器設(shè)備的開放共享已經(jīng)成為人們的共識，開放共享系統(tǒng)的應(yīng)用也已經(jīng)在高校分析測試平臺廣泛實施。然而，國內(nèi)具有預(yù)約與門禁聯(lián)動、遠(yuǎn)程監(jiān)控輔導(dǎo)、自主測試、可用于本科生教學(xué)的開放共享平臺鮮有報道。通過分析大型儀器設(shè)備使用和管理過程中的共性特點，并歸納總結(jié)優(yōu)化儀器設(shè)備主要業(yè)務(wù)工作和管理流程的基礎(chǔ)上，以安全規(guī)范、方便共享、深度開放為原則自主設(shè)計并開發(fā)了中國礦業(yè)大學(xué)大型儀器開放共享平臺。該平臺通過“網(wǎng)絡(luò)預(yù)約—軟硬件聯(lián)動—自主測試—遠(yuǎn)程管理”的學(xué)生自主測試模式，實現(xiàn)教學(xué)中現(xiàn)代儀器分析理論課、實踐課，以及大學(xué)生的各類科研創(chuàng)新活動的充分融合。

自主測試系統(tǒng)的門禁單元集成了電子門牌與電子密碼鎖。電子門牌可詳細(xì)展示儀器功能與信息、近期預(yù)約人員信息及儀器管理人員信息；電子鎖集成了人臉識別、指紋識別、密碼開鎖、校園卡解鎖等門禁開啟硬件?？紤]到大型儀器設(shè)備使用的安全性，以及學(xué)生可能出現(xiàn)的對操作設(shè)備提出的情況咨詢，系統(tǒng)還包含了兩套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。除了安保視頻監(jiān)控之外，針對實驗室每臺大型貴重精密儀器，還專門配置高分辨率長變焦360 度無死角攝像頭，可直接在網(wǎng)絡(luò)觀察設(shè)備操作的細(xì)節(jié)。當(dāng)自主測試學(xué)生在非工作時間使用設(shè)備遇到操作困難或問題時，實驗室管理人員可通過監(jiān)控了解現(xiàn)場情況，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實時遠(yuǎn)程指導(dǎo)。在上述大型儀器預(yù)約開放及自主測試系統(tǒng)中，我們還嵌入了儀器操作的虛擬仿真學(xué)習(xí)模塊，便于學(xué)生課后學(xué)習(xí)與熟練設(shè)備操作步驟。由此，通過我們構(gòu)建的“網(wǎng)絡(luò)預(yù)約—軟硬件聯(lián)動—自主測試—遠(yuǎn)程管理”的學(xué)生自主測試模式，實現(xiàn)了工科學(xué)生全天候24 小時自主測試功能。

四、基于CDIO 范式的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式

模式構(gòu)建的總體思路是：在CDIO 教育范式的指導(dǎo)下，探索現(xiàn)代分析技術(shù)與方法在工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的內(nèi)在聯(lián)系與外部傳導(dǎo)機制，架構(gòu)完善的課程體系和課外創(chuàng)新實踐模式，夯實礦物加工工程專業(yè)的學(xué)生對現(xiàn)代分析技術(shù)與方法的認(rèn)知，促成學(xué)生借助現(xiàn)代分析儀器完成各級別“大創(chuàng)”及競賽項目，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維并予以基金支持，提升學(xué)生在專業(yè)知識學(xué)習(xí)和現(xiàn)代分析技術(shù)運用間的協(xié)同融合能力（見圖1）。

圖1 基于現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的工科人才培養(yǎng)體系框架

1.明確以CDIO 工程教育范式為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)目標(biāo)

首先，以CDIO 工程教育范式的理工科總體培養(yǎng)框架為基礎(chǔ)，思考新經(jīng)濟(jì)環(huán)境與新業(yè)態(tài)下適應(yīng)我國國情的高等教育發(fā)展改革方向，認(rèn)識我國工科教育所實施的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”及“新工科”建設(shè)內(nèi)涵，掌握工程教育系統(tǒng)觀的理論基礎(chǔ)脈絡(luò)。其次，應(yīng)用大學(xué)教育范式轉(zhuǎn)換與工程教育范式的映射關(guān)系，通過解剖“回歸工程”范式向“融合創(chuàng)新”范式的演進(jìn)路徑，明確現(xiàn)代分析測試?yán)碚撆c方法在理工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力體系構(gòu)建中的科學(xué)依據(jù)與理論基礎(chǔ)。再者，通過發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代分析測試技術(shù)在理論課程、實踐教學(xué)、創(chuàng)新訓(xùn)練，以及創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的傳導(dǎo)機制，建立以大型儀器開放共享平臺為基礎(chǔ)，以虛擬仿真學(xué)習(xí)模塊和自主測試訓(xùn)練模塊為方法手段，以理論課程體系改革、實踐課程體系改革和學(xué)生科研創(chuàng)新活動為抓手的高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。最后，以CDIO 工程教育范式為導(dǎo)向，基于現(xiàn)代分析技術(shù)理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在全校工科本碩博學(xué)生中開展了教育教學(xué)改革，建立了線上與線下融合、虛擬與現(xiàn)實并舉、軟件與硬件聯(lián)動的大型分析測試儀器共享平臺，構(gòu)建了虛擬教學(xué)方法和自主測試實踐協(xié)同發(fā)展機制，通過現(xiàn)代分析技術(shù)和項目課題激勵創(chuàng)新，形成了“理論教學(xué)—虛擬實踐—自主測試—科技創(chuàng)新”傳導(dǎo)驅(qū)動機制，以達(dá)到培養(yǎng)具有國際視野和全球競爭能力、理論與實踐并舉的創(chuàng)新型工科人才的目標(biāo)。

2.提升學(xué)生基于虛擬現(xiàn)實與自主測試的創(chuàng)新能力

以自主開發(fā)的大型分析測試儀器虛擬現(xiàn)實（VR）教學(xué)模塊和構(gòu)架為基礎(chǔ)，通過大型儀器設(shè)備開放共享平臺和虛擬仿真學(xué)習(xí)與自主測試訓(xùn)練模塊，實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)預(yù)約—軟硬件聯(lián)動—在線監(jiān)控與指導(dǎo)”的自主測試學(xué)習(xí)平臺，構(gòu)建可實現(xiàn)全天候24 小時開放測試與分析技能訓(xùn)練的大型分析測試儀器開放共享系統(tǒng)為全校學(xué)生開放服務(wù)，創(chuàng)建了手機APP 移動版自主測試開放系統(tǒng)，為現(xiàn)代分析技術(shù)驅(qū)動卓越人才培養(yǎng)提供硬件和環(huán)境支持，促進(jìn)學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)、國際化視野和創(chuàng)新能力的提升。工科本科學(xué)生在通過現(xiàn)代分析技術(shù)理論課學(xué)習(xí)掌握一定理論知識的基礎(chǔ)上，可參見每學(xué)期舉辦兩次的大型儀器設(shè)備自主測試培訓(xùn)，培訓(xùn)結(jié)束并通過大型儀器設(shè)備操作考核后可獲得自主測試資質(zhì)證書，學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)和科研訓(xùn)練中就可以選擇自主測試方式。這種模式大大激發(fā)了學(xué)生探索未知、發(fā)現(xiàn)科學(xué)真理的熱情，對于工科人才創(chuàng)新能力的提升有重要的意義。自主開發(fā)的透射電子顯微鏡（TEM）等儀器設(shè)備的虛擬仿真教學(xué)軟件已經(jīng)上線，學(xué)生在網(wǎng)站注冊為正式用戶，即可在線上學(xué)習(xí)使用大型儀器設(shè)備虛擬仿真教學(xué)課件。此教學(xué)手段既解決了大型儀器設(shè)備臺套數(shù)少，很難滿足學(xué)生上機操作的矛盾，又解決了遇到疫情、網(wǎng)絡(luò)擁堵等特殊原因?qū)W生無法集中上課的矛盾，在教學(xué)實踐中取得了很好的效果。目前，我?，F(xiàn)代分析與計算中心注冊人數(shù)已達(dá)2 856 人，參加虛擬仿真實踐650 人，通過實訓(xùn)考核并獲得自主測試資質(zhì)368 人，為高素質(zhì)工科人才培養(yǎng)的實踐創(chuàng)新及各類項目的開展提供了有力保障。

3.建立多管齊下的實踐創(chuàng)新機制

多元協(xié)同參與的人才培養(yǎng)模式是CDIO 工程教育范式的一個重要特征，也是理論與實踐，以及與工程應(yīng)用結(jié)合的必要途徑。為實現(xiàn)工科高素質(zhì)人才培養(yǎng)與工程和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的融合，高校與企業(yè)、科研院所的合作培養(yǎng)機制尤為重要。其主要做法是：一是在學(xué)校導(dǎo)師與現(xiàn)場工程技術(shù)人員主導(dǎo)下，學(xué)生通過觀摩、實習(xí)、合作項目等方式定期與企業(yè)工程師交流；二是邀請企業(yè)專家聯(lián)合指導(dǎo)，開設(shè)企業(yè)導(dǎo)師課程，進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，將現(xiàn)代分析技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用融入到創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中。中國礦業(yè)大學(xué)與國外大型儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家島津（中國）企業(yè)管理公司、泰斯肯（中國）公司等建立了聯(lián)合實驗室、與“安世亞太”成立了ANSYS 技術(shù)支持中心，進(jìn)一步拓展了與國際知名儀器生產(chǎn)企業(yè)的合作。此外，中國礦業(yè)大學(xué)先后與江蘇浩通新材料科技股份有限公司、江蘇華宏科技股份有限公司、深圳恒創(chuàng)睿能環(huán)保股份有限公司等建立產(chǎn)學(xué)研工作站，用以協(xié)同培養(yǎng)適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新人才，促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研、創(chuàng)四位一體的融通式培養(yǎng)機制。

引導(dǎo)本科生參加科研訓(xùn)練及各類競賽活動是實現(xiàn)CDIO 范式的重要途徑。首先，將現(xiàn)代分析技術(shù)理論教學(xué)、實驗教學(xué)、科研項目、競賽環(huán)節(jié)融合貫通，旨在強化理論知識和科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，在實踐中訓(xùn)練學(xué)生的工程能力，在項目中培養(yǎng)科研能力，在競賽中提高創(chuàng)新協(xié)作能力及國際競爭力。其次，采用激勵與雙向驅(qū)動的方法，促進(jìn)包括課程學(xué)習(xí)、自主測試、大學(xué)生創(chuàng)新項目、學(xué)科專業(yè)競賽、課外興趣小組、參與導(dǎo)師項目等在內(nèi)的各類實踐活動的融合，并力求打破學(xué)科專業(yè)壁壘，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神、崇高的學(xué)術(shù)品質(zhì)。再者，通過組織實施中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計算中心設(shè)立的“非同凡‘想’”本科創(chuàng)新基金，鼓勵并培植具有原創(chuàng)性、顛覆性思想的研究項目，使學(xué)生有可能開展之前不敢想、不敢做的探索未知世界的科學(xué)研究，為現(xiàn)代分析測試儀器開放共享對本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的驅(qū)動與反哺提供條件?？傊?，工科學(xué)生通過多管齊下的實踐訓(xùn)練與科研活動，在科學(xué)素養(yǎng)、工程能力、協(xié)作能力，以及解決復(fù)雜科學(xué)問題的能力和國際競爭力方面都會有較大的提升。

五、結(jié)論

本文至少在以下方面取得研究成果：一是通過分析高等工程教育范式的歷次變革，闡述了STEM 工程教育范式向CDIO 范式轉(zhuǎn)變的邏輯與必然趨勢。二是圍繞高等工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革、“雙一流”建設(shè)以及“新工科”的背景與內(nèi)涵要求，在CDIO 范式框架內(nèi)提出了現(xiàn)代分析技術(shù)融入工程教育體系的必然性。三是將現(xiàn)代分析技術(shù)與工科現(xiàn)有課程體系進(jìn)行有效銜接、融入，以CDIO 工程教育范式為導(dǎo)向，促進(jìn)學(xué)科交叉融合，提出了基于大型儀器設(shè)備與課程體系融合的、具有資源能源特色的高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式設(shè)想。四是以2020 版本科生培養(yǎng)方案制定的“五個融合”原則形成“理論教學(xué)—虛擬實踐—自主測試—科技創(chuàng)新”傳導(dǎo)驅(qū)動機制，轉(zhuǎn)變現(xiàn)有實踐教育模式，引導(dǎo)學(xué)生以主動的、實踐的方式學(xué)習(xí)，更好地體現(xiàn)工程教育的主體性、實踐性、連貫性?？傊么笮头治鰞x器時行教學(xué)改革是一個重要的途徑，是一個趨勢，是在現(xiàn)有環(huán)境與條件下所做出的一種創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的探索。但是需要說明的是，該模式是一個需要整合校內(nèi)資源的系統(tǒng)工程，是一個長期且具有創(chuàng)新性的工程，其人才培養(yǎng)質(zhì)量需要在較長的時間內(nèi)才能體現(xiàn)出來，需要改革的持續(xù)跟進(jìn)與不斷調(diào)整。