“化工原理”課程OBE-CDIO教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施*

胡 丹，馮旭東，朱秋鋒，展 俠，葉 宏，李雙陽(yáng)

(北京工商大學(xué) 輕工科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100048)

2017年2月，教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》，通知中指出我國(guó)現(xiàn)階段需要深化工程教育理念，建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)。當(dāng)前，國(guó)家提倡科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略思想，大力發(fā)揚(yáng)自力更生精神，研發(fā)生產(chǎn)自主品牌形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)國(guó)家繁榮富強(qiáng)?？萍紕?chuàng)新的戰(zhàn)略思想和當(dāng)前國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)態(tài)離不開(kāi)高水平工程科技人才，因此迫切需要加快工程教育的創(chuàng)新改革。依據(jù)國(guó)家當(dāng)前發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)工科人才的極大需求，各個(gè)工科院校應(yīng)承擔(dān)起為國(guó)家培養(yǎng)人才的重任，根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和趨勢(shì)對(duì)工程教育的方法、模式、理念和評(píng)價(jià)體系進(jìn)行全方位改革，建設(shè)“新工科”人才培養(yǎng)的模式。培養(yǎng)“新工科”人才需要在以往掌握工程知識(shí)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)自主分析問(wèn)題能力，并學(xué)習(xí)自主解決問(wèn)題的能力，即靈活使用和融會(huì)貫通的能力?！靶鹿た啤比瞬乓袆?chuàng)新能力，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技術(shù)解決工程上的問(wèn)題，并處理未來(lái)發(fā)展可能出現(xiàn)的問(wèn)題，具有行業(yè)和技術(shù)引領(lǐng)能力，是集合適應(yīng)能力、實(shí)踐能力、領(lǐng)導(dǎo)能力等為一體的高素質(zhì)復(fù)合型人才[1]。

“化工原理”課程是化工類專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。它涉及化工生產(chǎn)過(guò)程中各種常見(jiàn)的單元操作的理論知識(shí)。需要學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，并將這些理論知識(shí)與工程問(wèn)題結(jié)合，分析和設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種操作。它既需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，又引領(lǐng)學(xué)生步入工程實(shí)踐，是一座連接理論與技術(shù)的橋梁[2]。由于該課程集合了理論與工程，具有很強(qiáng)的工程背景，為學(xué)生傳遞工程觀念并培養(yǎng)工程能力，兼顧理論課程、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)于一體，是“新工科”人才培養(yǎng)的代表型課程，因此可以說(shuō)“化工原理”教學(xué)水平對(duì)工科學(xué)生的工程理論素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用。

但是，目前許多高校非“大化工”專業(yè)的“化工原理”課程在培養(yǎng)“新工科”人才方面還存在諸多的問(wèn)題，其理論知識(shí)內(nèi)容依靠教師課堂講解，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要基于化工原理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容與實(shí)際工程項(xiàng)目還有差距。教師和學(xué)校對(duì)學(xué)生的工程能力評(píng)估完全依賴于考試結(jié)果。由于學(xué)生對(duì)工程概念的了解完全來(lái)自課堂上老師的講解，課程中真正接觸到的工程實(shí)踐內(nèi)容少，缺乏對(duì)工程概念的認(rèn)知。從課程模式上，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程缺乏互動(dòng)，沒(méi)有團(tuán)隊(duì)協(xié)作概念。課程評(píng)價(jià)體系中，僅考慮考試成績(jī)忽視工程能力的評(píng)價(jià)，考核體系過(guò)于單一，這些教育過(guò)程存在的問(wèn)題與“新工科”人才的培養(yǎng)要求還相差甚遠(yuǎn)，迫切需要研究和解決。此外，對(duì)于現(xiàn)階段的工程教育集中在知識(shí)點(diǎn)灌輸，缺少對(duì)知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用能力的培養(yǎng)，缺乏創(chuàng)新能力的鍛煉。因此，探索合理的教學(xué)方式提升學(xué)生的工程能力對(duì)于培養(yǎng)“新工科”人才具有重要意義。

1 CDIO教學(xué)模式

CDIO教學(xué)模式是在2000年由美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)和瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院四所大學(xué)提出并確立。CDIO分別代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)行(Operate)[3]，注重產(chǎn)品研發(fā)至上市整個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí)。CDIO教學(xué)模式是符合工科教育教學(xué)培養(yǎng)的模式，能夠讓學(xué)生更深入的體會(huì)工程思維和工程應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題。CDIO模式本質(zhì)上是集合了案例教學(xué)、問(wèn)題教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、自主學(xué)習(xí)、產(chǎn)學(xué)研合作和團(tuán)隊(duì)合作的一種多維度的教學(xué)方式，綜合考慮了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、工程認(rèn)識(shí)、個(gè)人和職業(yè)技能以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在此教學(xué)模式下，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)理論知識(shí)，更掌握了知識(shí)的運(yùn)用和實(shí)踐，對(duì)于培養(yǎng)工程思維起到了非常大的影響[4]。目前，基于CDIO理念結(jié)合“化工原理”課程教學(xué)的應(yīng)用已在多所學(xué)校得以開(kāi)展。其中，沈陽(yáng)藥科大學(xué)制藥工程學(xué)院基于CDIO理念構(gòu)建了多元化的“化工原理”課程，包含了理論課程的多元、實(shí)驗(yàn)課程的多元和課程設(shè)計(jì)的多元[5]。通過(guò)這些方式將CDIO理念與“化工原理”課程教學(xué)的有機(jī)融合在工程實(shí)踐方面確實(shí)取得了很大的進(jìn)展，但是多數(shù)基于CDIO理念教學(xué)過(guò)程都是在原本的教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上增加一些課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，或者參與化工設(shè)計(jì)大賽等。無(wú)論是課程設(shè)計(jì)還是化工設(shè)計(jì)大賽都是獨(dú)立于理論教學(xué)內(nèi)容的，工程項(xiàng)目案例的綜合性過(guò)高，與課程的知識(shí)點(diǎn)的直接關(guān)聯(lián)度體現(xiàn)得不明顯，理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容的結(jié)合性不足，因此CDIO理念與教學(xué)過(guò)程的融合方式還有待提高。

2 OBE教學(xué)理念

OBE(Outcomes-Based Education，成果導(dǎo)向教育)理念是由美國(guó)學(xué)者Spady[6]等人最早提出，之后被廣泛運(yùn)用在歐美地區(qū)的教育教學(xué)過(guò)程。OBE理念與以往的教師教什么，學(xué)生就學(xué)什么的教育思維相反，是從學(xué)生得到什么教育成果的角度出發(fā)，反向設(shè)置教育教學(xué)內(nèi)容和講授模式的一種教育理念。當(dāng)今學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的目的性和知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值更為關(guān)注，對(duì)待學(xué)習(xí)的熱情與學(xué)習(xí)內(nèi)容和實(shí)際效益緊密關(guān)聯(lián)。因此，將教育的結(jié)果和實(shí)踐結(jié)果前置，導(dǎo)向?qū)W生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，更加符合當(dāng)代學(xué)生的接受教育的理念，也更適用于當(dāng)代教育教學(xué)工作。近些年OBE理念被應(yīng)用在諸多高校的課程改革中，包含在線課程、實(shí)踐課程和專業(yè)人才培養(yǎng)模式[7-9]。在OBE理念的指導(dǎo)下開(kāi)展教育教學(xué)工作，不僅可以提高教學(xué)工作的品質(zhì)，同時(shí)也能優(yōu)化教師的授課水平。對(duì)于學(xué)生來(lái)講，基于這種教學(xué)模式下學(xué)習(xí)，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的掌握，而且有助于引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的提升也有很大的幫助。

3 基于“OBE-CDIO”理念的“化工原理”課程教學(xué)模式

CDIO理念對(duì)于培養(yǎng)新工科人才具有顯著裨益，而OBE理念在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方面具有優(yōu)勢(shì)，將二者結(jié)合起來(lái)，通過(guò)開(kāi)發(fā)合理的項(xiàng)目任務(wù)，以先導(dǎo)的方式引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入工程實(shí)踐過(guò)程，有助于激發(fā)學(xué)生的工程學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，是培養(yǎng)新工科人才的有效手段?；谝陨侠碚摚_(kāi)發(fā)OBE-CDIO理念對(duì)“化工原理”課程進(jìn)行教學(xué)改革，具體方案如圖1所示。

圖1 OBE結(jié)合CDIO理念的化工原理課程實(shí)施方案

首先，根據(jù)CDIO理念和教學(xué)大綱的內(nèi)容，開(kāi)發(fā)多個(gè)項(xiàng)目案例，項(xiàng)目的解決方案涉及到“化工原理”所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。然后采用OBE理念，在正式授課之前，先把學(xué)習(xí)目標(biāo)給學(xué)生們確立，即解決某個(gè)項(xiàng)目案例。最后，通過(guò)講授課程知識(shí)，學(xué)生們嘗試獨(dú)立或團(tuán)隊(duì)解決項(xiàng)目案例，從中獲得成就感。在項(xiàng)目案例的解決過(guò)程中，可以彌補(bǔ)課堂上學(xué)習(xí)的缺漏，也能夠使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過(guò)程中更有目的性，提高學(xué)習(xí)的效率。具體實(shí)施內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面：

3.1 工程案例的篩選和設(shè)計(jì)

工程案例的合理選取和設(shè)計(jì)是OBE-CDIO理念的“化工原理”教學(xué)改革的關(guān)鍵問(wèn)題。由于項(xiàng)目案例是用于輔助課堂教學(xué)，并拓展教學(xué)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，因此在選取和設(shè)計(jì)上應(yīng)不同于傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的“化工原理”課程設(shè)計(jì)具有獨(dú)立學(xué)時(shí)，學(xué)生在完全結(jié)束了“化工原理”課程之后集中時(shí)間進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)。這與本文所述的項(xiàng)目設(shè)計(jì)有所不同。本文采用的項(xiàng)目案例需基于學(xué)習(xí)進(jìn)度適時(shí)地調(diào)整，比如在講授流體和流體輸送機(jī)械之后，可以設(shè)計(jì)一個(gè)小的案例，需要學(xué)生根據(jù)物料特性和運(yùn)輸條件選則合適的輸送機(jī)械進(jìn)行輸送。當(dāng)課程學(xué)習(xí)到傳熱章節(jié)之后，可以選取案例包含換熱器的設(shè)計(jì)同時(shí)也需要根據(jù)冷熱流體的流量設(shè)計(jì)泵。這樣不僅結(jié)合了前面所學(xué)的知識(shí)，讓學(xué)生自主復(fù)習(xí)已學(xué)過(guò)的知識(shí)，還能加強(qiáng)知識(shí)體系的運(yùn)用能力。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例的同時(shí)，還可以結(jié)合專業(yè)特色，設(shè)計(jì)符合專業(yè)方向的工程案例。比如對(duì)于釀酒專業(yè)，在設(shè)計(jì)案例時(shí)，可以考慮輸送酒品原料進(jìn)入發(fā)酵罐和對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品的分離純化。關(guān)于酒的密度、粘度等物理特性則需要學(xué)生自己去翻閱資料查找。這樣一方面加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)知，使學(xué)生掌握本專業(yè)的基本概念；另一方面提高學(xué)生查閱資料，自主學(xué)習(xí)的能力。

對(duì)于工程案例的選取，還應(yīng)避免與作業(yè)習(xí)題雷同。工程性案例應(yīng)該更貼近實(shí)際生產(chǎn)需求，可以是產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)的一個(gè)環(huán)節(jié)，也可以是一個(gè)目前需要解決的生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)。案例任務(wù)書(shū)應(yīng)盡可能的涉及開(kāi)放性問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生采用多種途徑、運(yùn)用不同手段和知識(shí)體系去解決問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生觀察生活周邊，大膽合理假設(shè)未知條件，提出合理可行的實(shí)施方案。

3.2 教學(xué)方案的改進(jìn)

基于OBE-CDIO理念的教學(xué)方案需要將教學(xué)內(nèi)容與案例項(xiàng)目建立關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。首先，詳細(xì)分析每個(gè)工程項(xiàng)目案例涉及到的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，將這些知識(shí)點(diǎn)與課程內(nèi)容相結(jié)合，在合適的課程進(jìn)度時(shí)發(fā)布案例。然后，在課程講解之初將案例任務(wù)書(shū)通過(guò)雨課堂在線布置給學(xué)生，引發(fā)學(xué)生思考并提出問(wèn)題。在還沒(méi)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的前提下引導(dǎo)學(xué)生思考解決任務(wù)書(shū)內(nèi)容所需的知識(shí)或方法，建立學(xué)習(xí)目標(biāo)。之后，將項(xiàng)目案例解決方案里涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，按照課時(shí)劃分知識(shí)內(nèi)容，在課堂講解過(guò)程中要及時(shí)提及本知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容與項(xiàng)目案例之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)習(xí)的知識(shí)去完成項(xiàng)目案例。最后，在系統(tǒng)地講解過(guò)案例所需的全部知識(shí)點(diǎn)后，結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)書(shū)，為學(xué)生梳理任務(wù)書(shū)的解決思路，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的同時(shí)，幫助學(xué)生順利完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖2 教學(xué)內(nèi)容與工程案例關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

3.3 項(xiàng)目成果的展示及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)階段性的項(xiàng)目任務(wù)完成之后，可以通過(guò)評(píng)閱項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)文本進(jìn)行查驗(yàn)項(xiàng)目完成情況。當(dāng)學(xué)期末的時(shí)候，可以設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，通過(guò)評(píng)閱項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)文本和采用口頭匯報(bào)的方式評(píng)價(jià)項(xiàng)目作業(yè)。具體的考核指標(biāo)包含項(xiàng)目預(yù)習(xí)情況、項(xiàng)目完成度、設(shè)計(jì)書(shū)撰寫情況、匯報(bào)展示效果、項(xiàng)目方案合理性、項(xiàng)目方案的創(chuàng)新性等幾個(gè)方面進(jìn)行考察。重點(diǎn)考察學(xué)生對(duì)開(kāi)放性問(wèn)題的解決思路和創(chuàng)新手段，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索新的方案途徑。對(duì)項(xiàng)目成果的評(píng)價(jià)體系應(yīng)盡可能全面，項(xiàng)目任務(wù)占課程總成績(jī)的權(quán)重應(yīng)適當(dāng)加大。建立系統(tǒng)的量化指標(biāo)如表1所示，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目作業(yè)的重視程度。

表1 化工原理項(xiàng)目作業(yè)考核指標(biāo)體系

4 結(jié)論

通過(guò)將OBE理念和CDIO理念有機(jī)結(jié)合，建立具有專業(yè)特色、貼合實(shí)際生產(chǎn)需求、具有開(kāi)放性問(wèn)題的案例庫(kù)，將項(xiàng)目案例作為學(xué)習(xí)目標(biāo)引導(dǎo)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，是提高“化工原理”課程教學(xué)水平的有效措施。基于此理念的教學(xué)改革一方面提高工科學(xué)生的工程認(rèn)知，另一方面提高學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率同時(shí)提高，為培養(yǎng)“新工科”人才奠定了良好的基礎(chǔ)。