基于CDIO模式的實(shí)踐教學(xué)改革
——以“原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)”為例

鄖海麗 孫翠紅 任 蕾 雷 霓 張媛媛 王文雅

1.石家莊學(xué)院化工學(xué)院 河北石家莊 050035；2.石家莊幼兒師范高等?？茖W(xué)校 河北石家莊 050228

CDIO模式是一種適用于工程教學(xué)模式，將對學(xué)生的理論教育與實(shí)踐教育融合在一起，源自于杜威“做中學(xué)”的教學(xué)理念，包含構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實(shí)施(Implement)、運(yùn)行(Operate)四大板塊[1-2]。在構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行四大板塊中，重點(diǎn)突出以學(xué)生為主體，以工程為學(xué)習(xí)中心，以項(xiàng)目為目的驅(qū)動，面向工程實(shí)際問題，提出解決問題的綜合設(shè)計方案，以學(xué)生積極、主動、實(shí)踐性的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的創(chuàng)造能力和綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的協(xié)同創(chuàng)作精神[3-5]。本文以“原子吸收光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)”為例，討論在工科學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具體針對工科學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

將CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于高校本科學(xué)生的原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)中，開展項(xiàng)目式教學(xué)模式，有利于從理論基礎(chǔ)、個人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面對學(xué)生能力進(jìn)行綜合培養(yǎng)，有助于培養(yǎng)應(yīng)用型、綜合型專業(yè)人才[6-7]。

1 原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目前狀況

原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)是高校儀器分析實(shí)驗(yàn)中一項(xiàng)重要的儀器分析內(nèi)容，是化學(xué)、化工、食品、生物等多個專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。原子吸收光譜分析是借助于原子吸收光譜儀對物質(zhì)里的微量或痕量的金屬元素進(jìn)行定性或定量的分析，廣泛應(yīng)用于化工、食品、生物、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域。原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)作為儀器分析實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開設(shè)時間較長，目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展過程中存在一些問題。

1.1 教學(xué)模式單一

原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用傳統(tǒng)的“教師講”“學(xué)生聽”的單一教學(xué)模式，這種教學(xué)模式是以教師為主體，學(xué)生處于被動聽講地位，弱化學(xué)生主體，學(xué)生缺少參與課堂的積極能動性。在課堂教學(xué)中，學(xué)生主要依賴教師講授，課程教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量均難以提高，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和發(fā)現(xiàn)問題的能力。在完成實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生機(jī)械地重復(fù)教師演示的操作，缺少積極的思考，不利于激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和解決問題能力。

1.2 缺乏專業(yè)特色

原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)最早開設(shè)時受儀器資源匱乏、試劑耗材昂貴等因素影響，開設(shè)專業(yè)有限，課堂內(nèi)容單一，開設(shè)內(nèi)容多為演示型、驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕亲寣W(xué)生了解原子吸收光譜儀的主要構(gòu)造及操作方法、原子吸收光譜分析的原理，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)講義的具體步驟完成實(shí)驗(yàn)操作。作為多個專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，原子吸收光譜分析不能很好地適應(yīng)各個不同專業(yè)，更好地服務(wù)于各學(xué)科的發(fā)展建設(shè)。實(shí)驗(yàn)過程中，難以將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)際相結(jié)合，脫離企業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，不利于激發(fā)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)造能力。

1.3 評價體系單一

在原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要依靠學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行學(xué)習(xí)質(zhì)量評價。對于驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺少主觀積極性，容易養(yǎng)成學(xué)習(xí)的惰性。對于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只能簡單重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，機(jī)械記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，缺乏對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)與考察，評價體系缺乏全面性和科學(xué)性，達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[8]。

2 基于CDIO模式的原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

根據(jù)CDIO模式的工程教學(xué)理念，在教學(xué)過程中要從理論基礎(chǔ)、個人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面對學(xué)生進(jìn)行綜合能力的培養(yǎng)，其核心是以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，讓學(xué)生積極主動參與到課程學(xué)習(xí)中，在課程項(xiàng)目設(shè)計和項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)作中，發(fā)揮自己的主觀能動性，主觀獨(dú)立地解決問題[9-11]。原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)是化學(xué)、化工、食品、藥劑等多個專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，服務(wù)于各專業(yè)學(xué)科的發(fā)展與建設(shè)，基于這樣的理念，針對不同的教學(xué)內(nèi)容板塊采取不同的改革措施。

2.1 課程教學(xué)模式改革

2.1.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

改變以往傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，針對不同的專業(yè)需求及特色開設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，適應(yīng)不同專業(yè)的發(fā)展需求，更好地服務(wù)于各個專業(yè)。對于藥物制劑和制藥工程專業(yè)，將藥物質(zhì)量評價與原子吸收光譜分析更好地結(jié)合在一起，檢測分析原料藥和藥物的重金屬限度；對于食品專業(yè)，將食品營養(yǎng)與衛(wèi)生融入原子吸收光譜實(shí)驗(yàn)中，檢測食品中的人體所需微量元素含量。與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容相比，改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地與所學(xué)專業(yè)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加多元化，有助于學(xué)生更好地理解和融入專業(yè)工程項(xiàng)目中，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力。

2.1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

原子吸收光譜分析除服務(wù)于高校本科生教學(xué)之外，還要服務(wù)于高校教師和學(xué)生的科研項(xiàng)目，基于科研項(xiàng)目開展的原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力。從本科一年級開始，各專業(yè)學(xué)生積極參與到教師的科研團(tuán)隊(duì)中，實(shí)際參與到科研項(xiàng)目的開展實(shí)施過程中，在目的性更強(qiáng)的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生參與的興趣更為濃厚，更好地體現(xiàn)了學(xué)生的積極性、主觀能動性，真正鍛煉了學(xué)生的解決問題能力和工程能力。與科研項(xiàng)目相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)大大提高了大型分析測試儀器的使用率，學(xué)生有機(jī)會充分利用大型分析測試儀器，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更具專業(yè)性、綜合性和先進(jìn)性，為培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)生奠定了基礎(chǔ)。以“原子吸收光譜法測定覆盆子中四種金屬元素”項(xiàng)目為例[12]，說明綜合性實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施過程。

(1)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)思。確定了“原子吸收光譜法測定覆盆子中的金屬元素”這一題目后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)為主體，認(rèn)真查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)原子吸收光譜分析的理論知識及數(shù)據(jù)處理，討論實(shí)驗(yàn)方案思路，最終確定鐵、鎂、鈉、鋅等四種元素為測定元素，并根據(jù)所學(xué)原子吸收光譜的理論知識，確定鐵、鎂、鋅元素采用原子吸收光譜測定，而鈉原子測定因具特殊性，采用原子發(fā)射光譜法測定。

(2)實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計。學(xué)生團(tuán)隊(duì)確定了實(shí)驗(yàn)題目及測定內(nèi)容后，對實(shí)驗(yàn)過程細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，包括藥材覆盆子的樣品前處理方案、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制計劃等內(nèi)容。并將設(shè)計方案與指導(dǎo)教師進(jìn)行溝通，指導(dǎo)教師對擬定實(shí)施方案進(jìn)行論證，確保學(xué)生團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計正確合理。

(3)實(shí)驗(yàn)過程操作。經(jīng)過指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)方案確認(rèn)及前期實(shí)驗(yàn)理論、操作指導(dǎo)后，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，包括藥材覆盆子的干燥、消解、溶液配制，標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制，各元素測定條件的優(yōu)化，金屬元素的測定等內(nèi)容。

(4)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行。金屬元素含量測定結(jié)束后，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析，將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)材料歸納總結(jié)，完成論文撰寫，項(xiàng)目結(jié)題。

在“原子吸收光譜法測定覆盆子中的金屬元素”項(xiàng)目整個實(shí)施過程中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)作為項(xiàng)目完成的主體，自主完成項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施、運(yùn)行等四大板塊，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體”“做中學(xué)”的CDIO理念，在項(xiàng)目整個實(shí)施過程中，學(xué)生完美結(jié)合了無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析等學(xué)科的理論知識和樣品前處理、溶液配制、原子吸收光譜儀使用等實(shí)驗(yàn)操作，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主思考能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等多種能力，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到明顯提高。

2.1.3 開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

開放性原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)主要針對參與各項(xiàng)競賽的學(xué)生團(tuán)隊(duì)開設(shè)。開放性實(shí)驗(yàn)采用項(xiàng)目式教學(xué)手段，按照學(xué)生所擬訂的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)施，包括整個項(xiàng)目的方案構(gòu)思、產(chǎn)品準(zhǔn)備、儀器使用、問題解決、數(shù)據(jù)處理等多方面。在整個項(xiàng)目實(shí)施過程中，遵循“構(gòu)思—設(shè)計—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行”的CDIO工程思路，融合理論基礎(chǔ)、個人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，體現(xiàn)杜威“做中學(xué)”的理念，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)造能力、解決問題能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力[13-14]。參加各項(xiàng)競賽更有助于激發(fā)學(xué)生濃厚的實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力。我校開設(shè)校級“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目”，推薦優(yōu)秀學(xué)生參加省級、國家級“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目”，院系和實(shí)驗(yàn)中心開設(shè)“學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目基金”，鼓勵學(xué)生積極參與創(chuàng)新研究，充分調(diào)動個人和團(tuán)隊(duì)的積極性、創(chuàng)造性，更好地達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的。

2.2 課程評價體系改革

不同于傳統(tǒng)授課方式的評價體系，CDIO教學(xué)模式從理論基礎(chǔ)、個人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力四個層面對學(xué)生能力進(jìn)行綜合評價，評價貫穿于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的整個過程。

(1)理論基礎(chǔ)。理論基礎(chǔ)的評價主要側(cè)重于對原子吸收光譜理論知識的掌握，包括原子吸收光譜原理、郎伯比爾定律、工作曲線法和標(biāo)準(zhǔn)加入法等基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，考查學(xué)生知識點(diǎn)的掌握情況。

(2)個人能力。個人能力的評價主要側(cè)重于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中的其他能力?？疾閷W(xué)生對各類文獻(xiàn)資料的搜集整理能力，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)操作的掌握能力，根據(jù)理論原理提出實(shí)施方案的獨(dú)立思考能力，以及實(shí)驗(yàn)過程中處理問題的創(chuàng)新能力。

(3)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力主要考查學(xué)生團(tuán)隊(duì)互相之間的配合與合作能力。整個實(shí)驗(yàn)過程中，既有學(xué)生的個人操作，又有小組整體的分工、交流、協(xié)調(diào)、合作。采用教師評價和學(xué)生互評相結(jié)合的方法對學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力進(jìn)行評價。

(4)工程系統(tǒng)能力。工程系統(tǒng)能力主要考查學(xué)生的綜合能力，包括對項(xiàng)目實(shí)施的具體設(shè)計思路、實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)掌握程度、對實(shí)驗(yàn)原理的掌握和綜合運(yùn)用、實(shí)驗(yàn)實(shí)施具體操作過程、實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)及解決問題等多種能力的綜合。在項(xiàng)目整個實(shí)施過程中，學(xué)生從“學(xué)明白”到“想明白”到“做明白”，再到“說明白”[15-17]。

結(jié)語

實(shí)踐證明，基于CDIO理念改革原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)是切實(shí)可行的，對于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高是有幫助的。改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，突出“做中學(xué)”的理念，有利于提高學(xué)生的動手能力、獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等綜合能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，學(xué)生更加善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。