基于CDIO培養(yǎng)模式的高等農(nóng)業(yè)院校儀器分析教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

王宇昕， 付 穎， 高 爽， 許 晶， 白靖文， 邢志勇

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引 言

儀器分析是高等農(nóng)業(yè)院校中很多專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，更是一門實(shí)用性強(qiáng)的工具課[1]。它的目標(biāo)是培養(yǎng)具有良好綜合素質(zhì)，熟練掌握現(xiàn)代分析儀器基本原理、分析方法、使用與維護(hù)的應(yīng)用型人才。但是目前，該課程存在的主要問(wèn)題是:①課時(shí)少、知識(shí)點(diǎn)多而散，多學(xué)科交叉、原理晦澀難懂[2]；②大型儀器少，缺乏項(xiàng)目導(dǎo)向性的實(shí)驗(yàn)，很難培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)；③實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作項(xiàng)目。儀器分析課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式多以教師為中心，過(guò)分強(qiáng)調(diào)了課程內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，忽略了對(duì)學(xué)生歸納、分析和滲透綜合能力的培養(yǎng)，學(xué)生完全喪失了拓展思維的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高、創(chuàng)造性沒(méi)有得到充分發(fā)揮。加之課程的設(shè)置缺乏多人合作的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性項(xiàng)目試驗(yàn)，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的探索精神，更不利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力和溝通能力的培養(yǎng)。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，以微課興起為契機(jī)，結(jié)合CDIO教學(xué)理念和整合性思維探索新的教學(xué)模式，依托數(shù)字化校園建設(shè)，對(duì)儀器分析教學(xué)體系進(jìn)行“五學(xué)互補(bǔ)、五位一體”的教學(xué)改革。

1 運(yùn)用CDIO教學(xué)模式，構(gòu)建儀器分析課程“五學(xué)互補(bǔ)、五位一體”的教學(xué)新模式

(1) 依托數(shù)字化校園建設(shè)，構(gòu)建儀器分析立體化教學(xué)資源。①根據(jù)近幾年的教學(xué)反饋，綜合考慮儀器發(fā)展的前沿內(nèi)容以及相關(guān)儀器的普及程度，增加了專業(yè)課學(xué)時(shí)，并針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，修整和完善多媒體教學(xué)課件，使之與教材高度匹配，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。②依托數(shù)字化校園建設(shè)，借助網(wǎng)絡(luò)已有的微課和精品課資源，重新規(guī)劃和整合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)(http://202.118.167.91/dahua/kcsz/yqfxgg/default.asp和http://202.118.167.67/eol/jpk/course/layout/default/index.jsp?courseId=1142)[3-6]，及時(shí)更新國(guó)內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站網(wǎng)址和知識(shí)拓展等鏈接，并按章節(jié)上傳授課資料，包括：教案、大綱、PPT、重點(diǎn)與難點(diǎn)解析、章節(jié)練習(xí)、自測(cè)習(xí)題、模擬試題和答案以及微課單元的鏈接，逐步建立和完善立體化教學(xué)資源體系，指導(dǎo)并督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。最后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的答疑信箱、微信和QQ等高時(shí)效性的溝通式方及時(shí)與學(xué)生交流，促進(jìn)師生間的雙向互動(dòng)，進(jìn)而提高教學(xué)有效性。

(2) 運(yùn)用CDIO教學(xué)模式，將教學(xué)過(guò)程階段化?！癈DIO”系指構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，是由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家理工學(xué)院和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)聯(lián)合研究提出的一種新型工程教育模式[7-8]，目前已在工程教育領(lǐng)域獲得較好的教學(xué)效果。儀器分析課程也具有項(xiàng)目導(dǎo)向及實(shí)踐特性，因此根據(jù)應(yīng)用型復(fù)合人才的培養(yǎng)方案，基于CDIO教學(xué)模式重新修訂教學(xué)大綱，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，增加綜合實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，增設(shè)大型儀器的設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)，以CDIO項(xiàng)目導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)將儀器分析課程整體分為：課堂教學(xué)、仿真模擬、基礎(chǔ)實(shí)踐(即基石項(xiàng)目)和實(shí)訓(xùn)拓展(項(xiàng)目導(dǎo)向)4個(gè)階段(見(jiàn)圖1)。

在課堂教學(xué)階段，結(jié)合CDIO的“情境教學(xué)法”，通過(guò)貼近實(shí)際生活的案例導(dǎo)入新課，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生深入思考并自主提問(wèn)。仿真模擬階段，引進(jìn)大連理工大學(xué)研制的“現(xiàn)代儀器分析模擬實(shí)驗(yàn)室”和西北工業(yè)大學(xué)研制的“現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)”智能仿真課件，輔助學(xué)生鞏固理論知識(shí)并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。課件包括理論教學(xué)中的各種分析方法，每種方法都由基本原理、操作演示、模擬實(shí)驗(yàn)和注意事項(xiàng)構(gòu)成統(tǒng)一整體，最大程度緩解理論知識(shí)相對(duì)滯后實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的矛盾。課件通過(guò)動(dòng)畫、視頻等方式形象生動(dòng)地展示了分析原理、儀器構(gòu)造和基本操作，借助人

圖1 CDIO教學(xué)模式下四階段化的教學(xué)過(guò)程

機(jī)交互性強(qiáng)的特性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過(guò)軟件自主模擬反復(fù)操作訓(xùn)練，通過(guò)模擬時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像變化形成初步的感性認(rèn)識(shí)[9-11]，這樣既能實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)時(shí)下無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化過(guò)程，又能獲得與操作真實(shí)儀器一樣的豐富經(jīng)驗(yàn)，并以“分析-判斷-解決”為目標(biāo)設(shè)置思考題，大大提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。基礎(chǔ)實(shí)踐階段，根據(jù)課堂教學(xué)和仿真模擬的內(nèi)容，教師布置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生2或3人一組，以小組協(xié)作的方式完成。例如：課堂教學(xué)講授原子吸收光譜法，仿真模擬原子吸收光譜法測(cè)定試樣中的鉛含量，基礎(chǔ)實(shí)踐使用原子吸收光譜儀測(cè)定樣品中的銅和鈣的含量(即基石項(xiàng)目)。實(shí)訓(xùn)拓展階段通常安排在學(xué)期末，學(xué)生理論知識(shí)儲(chǔ)備充足，各種儀器掌握熟練。根據(jù)學(xué)生自身特點(diǎn)，將5～7人組成團(tuán)隊(duì)，根據(jù)教師布置的題目統(tǒng)一進(jìn)行樣品分析(即項(xiàng)目導(dǎo)向階段-研究性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段)，如天然產(chǎn)物中功能活性成分的分離與測(cè)定(如丁香酚的提取與測(cè)定)。團(tuán)隊(duì)內(nèi)自行選定領(lǐng)隊(duì)和分析測(cè)試方法，分工合作，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案[12]，實(shí)驗(yàn)前兩周先提交設(shè)計(jì)報(bào)告由教師進(jìn)行批改修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后制作實(shí)驗(yàn)檔案卡，將主要樣品的前處理、操作步驟、數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題及改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)等均記錄在案。這是一個(gè)貫穿了構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、改進(jìn)、運(yùn)行等環(huán)節(jié)的工作流程，這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程需要學(xué)生具備理論、實(shí)踐和人際交往技能方面的綜合能力，非常符合CDIO教育模式的要求。

(3) 構(gòu)建 “五學(xué)互補(bǔ)、五位一體” 的教學(xué)新模式。以CDIO教學(xué)模式為基礎(chǔ)，以其項(xiàng)目導(dǎo)向?yàn)榻K極培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建“五學(xué)-五位”的教學(xué)新模式，即在教學(xué)的組織安排上，按照“教→學(xué)→做→創(chuàng)→評(píng)”一體化的教學(xué)模式[13]，在階段化教學(xué)過(guò)程中，采取“翻轉(zhuǎn)課堂+難點(diǎn)解析→重點(diǎn)訓(xùn)練→自主操作實(shí)踐→項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)→總結(jié)與評(píng)估”的順序來(lái)組織教學(xué)；并依托數(shù)字化校園提供的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)通過(guò)“導(dǎo)學(xué)-督學(xué)-自學(xué)-輔學(xué)-互學(xué)”的五學(xué)互補(bǔ)模式輔助課堂教學(xué)。新模式的構(gòu)建將翻轉(zhuǎn)課堂和混合式學(xué)習(xí)形式融入傳統(tǒng)教學(xué)，充分利用豐富的微課資源，形成強(qiáng)調(diào)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師教學(xué)為輔的雙向互動(dòng)的混合式教學(xué)模式。教師的教建立在學(xué)生的學(xué)的基礎(chǔ)上，充分起到引導(dǎo)、輔助和提升的作用，促使教學(xué)模式的轉(zhuǎn)型，真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為本”的教育理念。

2 多步序列進(jìn)階化教學(xué)內(nèi)容

(1) 理論教學(xué)模塊化進(jìn)階。將理論課分成三大板塊，電化學(xué)→光譜學(xué)→色譜學(xué)。以電化學(xué)為基點(diǎn)(普化和分析課程中略有涉及)，以光譜學(xué)為主線(科研和企事業(yè)單位的常規(guī)儀器)，以色譜學(xué)和核磁共振為難點(diǎn)拔高，采用案例式教學(xué)方法，從淺入深、由易到難進(jìn)行講解。每章結(jié)束后針對(duì)知識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行小測(cè)，及時(shí)反饋學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和混淆點(diǎn)，完善課堂教學(xué)。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)多步序列化進(jìn)階。把前后關(guān)聯(lián)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成一個(gè)由簡(jiǎn)到繁的系列，以便將理論知識(shí)和儀器構(gòu)造流程系統(tǒng)化到序列實(shí)驗(yàn)中。例如：紫外光譜試驗(yàn)序列項(xiàng)目：水中總酚含量測(cè)定(采用單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì))→混合液中Co2+和Cr3+的含量測(cè)定→不同溶劑中苯酚紫外光譜的研究(采用雙光束分光光度計(jì))→鄰二氮菲測(cè)定鐵含量。試驗(yàn)項(xiàng)目按進(jìn)階序列進(jìn)行，逐步鞏固理論知識(shí)系統(tǒng)中單組份定量→多組份定量→溶劑影響→反應(yīng)條件選擇等相應(yīng)內(nèi)容，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中理解消化儀器類型和組件等相關(guān)知識(shí)。

3 構(gòu)建多元化、多層次的考評(píng)方式

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求和目標(biāo)，在課程考核方式上引入答辯式考核模式，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)答辯代替答卷，既培養(yǎng)了學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+書本”解決實(shí)際難題的技能，又著重考核了學(xué)生應(yīng)用知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力。

(1) 理論教學(xué)考核。學(xué)生自組團(tuán)隊(duì)，抽取答辯題目，自主分工，查閱文獻(xiàn)，收集資料并制作匯報(bào)PPT。小組推薦主答辯人陳述，其他小組同學(xué)作為答辯委員會(huì)成員對(duì)答辯內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)并對(duì)該組答辯情況進(jìn)行評(píng)定，提問(wèn)同學(xué)可以得到適當(dāng)加分直接計(jì)入總成績(jī)。答辯小組成員都要回答問(wèn)題，每位學(xué)生都要撰寫一篇相應(yīng)內(nèi)容的論文。期末答辯成績(jī)采用百分制，其中主答辯為70分，個(gè)人回答問(wèn)題為30分。根據(jù)主答辯表現(xiàn)評(píng)定的成績(jī)?yōu)樾〗M成員基本成績(jī)，個(gè)人回答問(wèn)題的成績(jī)加上小組基本成績(jī)?yōu)閭€(gè)人答辯成績(jī)。理論總成績(jī)=答辯成績(jī)(50%)+論文(20%)+平時(shí)章節(jié)小測(cè)(30%)。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分組收集素材進(jìn)行預(yù)習(xí)，上課時(shí)教師隨機(jī)指定組內(nèi)學(xué)生試講，有遺漏的地方同組同學(xué)可以進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充，有錯(cuò)誤的地方同組同學(xué)進(jìn)行更正。實(shí)驗(yàn)總成績(jī)=試講+操作+衛(wèi)生+出勤+報(bào)告+綜合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)試驗(yàn)重點(diǎn)評(píng)價(jià)以下內(nèi)容：外文文獻(xiàn)查閱能力、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的合理性、儀器的選用和使用情況、數(shù)據(jù)處理和分析改進(jìn)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。

4 培養(yǎng)“雙師型”教師

CDIO教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐和項(xiàng)目導(dǎo)向的作用，教師是貫穿這些環(huán)節(jié)的關(guān)鍵連接點(diǎn)，因此“雙師型”教師成為應(yīng)用型本科院校教師培養(yǎng)的最佳途徑[14]。“雙師型”教師是指即具備良好的師德修養(yǎng)、教學(xué)與科研的能力，又具備良好的職業(yè)態(tài)度、知識(shí)、技能和實(shí)際操作能力的專業(yè)教師[15]。采取的培養(yǎng)措施主要如下：增設(shè)實(shí)習(xí)基地，利用不同項(xiàng)目的實(shí)習(xí)基地對(duì)教師進(jìn)行各種實(shí)踐技能的培訓(xùn)；到企事業(yè)單位參觀、培訓(xùn)或參加實(shí)踐鍛煉，提升教師自身素養(yǎng)；積極參加各類講座、會(huì)議，開闊教師視野；積極申報(bào)和參與國(guó)家、省(部)級(jí)科研課題，帶動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研”教學(xué)模式的發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

將CDIO培養(yǎng)模式運(yùn)用到儀器分析教學(xué)中，以其為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)體系地改革創(chuàng)新，這樣既關(guān)注了學(xué)生系統(tǒng)扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)地學(xué)習(xí)與儲(chǔ)備，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了能力為本的教育，培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)際統(tǒng)一整合。通過(guò)項(xiàng)目主導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生未來(lái)長(zhǎng)期的可持續(xù)發(fā)展以及進(jìn)入社會(huì)和未來(lái)市場(chǎng)就業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在該教學(xué)模式下，以基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高為培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生在提升自我能力的前提下，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成項(xiàng)目任務(wù)，在熟練掌握專業(yè)技能的同時(shí)，全面培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、溝通表達(dá)能力和綜合職業(yè)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力與素質(zhì)培養(yǎng)地有效結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”和與社會(huì)需求的無(wú)縫對(duì)接，做到“落地開花”。