基于CDIO工程教育的材料化学课程教学改革思考

郝凌云，陈晓玉，杨晓莉，陈晓宇，张小娟，韦鹏飞

(金陵科技学院 材料工程学院，江苏 南京 211169)

基于CDIO工程教育的材料化学课程教学改革思考

郝凌云，陈晓玉，杨晓莉，陈晓宇，张小娟，韦鹏飞

(金陵科技学院 材料工程学院，江苏 南京 211169)

为适应新材料产业的高速发展、特别是现代工程教育的发展潮流，培养材料科学与工程专业高素质创新性人才，本文把CDIO工程教育模式引入到材料化学课程的教学体系中，以提高课程教学质量和效果，培养学生的综合能力、创新能力和团队合作能力。

CDIO工程教育模式;材料化学课程;材料科学与工程专业

CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的缩写。作为近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO模式更加注重对学生扎实的工程基础理论和专业知识的培养，将工科学生的培养目标分成工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面。通过贯穿整个人才培养过程的团队设计和创新实践环节的训练，在培养学生扎实的基础理论和专业知识的同时，将教育过程放到工程领域的具体情境中。研究表明，目前中国工程类大学生符合国际化要求的比例小于10%，为了将CDIO理念与我国的实际工程教育情况相结合，汕头大学工学院在CDIO的基础上，首次提出了EIPCDIO培养模式［1］。在2010年4月和12月分别召开全国CDIO试点工作组工作会议之后，2011年教育部又举办了全国CDIO工程教育改革会议暨教育部CDIO高级研修班，更是从教育部层面上对这一教育理念予以倡导和推行。

课程教学改革是高校质量工程建设的核心，只有做好每一门课程、每一个课程群的教学改革，才能真正培养出高素质的应用型人才［2］。迄今国内很多高校和专家在不同工程类专业及课程中做了许多有益探索，如同济大学软件学院推行的J2EE课程项目［3］;合肥工业大学基于CDIO理念下的化工原理课程项目探索［4］;徐建平等在化学化工专业教学引入CDIO模式以提高化学化工专业毕业生工程素质［5］;机械工程专业的《液压与气动》也开始了CDIO模式的课程改革［6］等。

《材料化学》是材料科学与工程专业从基础课程向专业类课程过渡的桥梁课程之一，课程内容涉及到材料学科中化学问题以及材料与化学两大学科的交叉知识。面向CDIO工程教育，材料化学课程要如何对非常广泛的教学内容进行选择、安排与衔接，如何培养学生综合运用知识和技能解决实际问题的能力等还有待研究。作为一门专业基础课程，培养学生工程观点、工程思维和工程能力的建立是本课程教学改革的努力方向。

一 材料化学课程现状分析及思考

1、课程教学缺乏对学生工程意识培养

《材料化学》是从化学视角讲授材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的课程，但材料的类型及应用领域众多，生产过程复杂，需要具体问题具体分析，而问题通常又很难在传统课程教学中找到对应性答案，因此缺乏实践经验的学生在学习中就会有理论与实际相脱节的错觉，不容易形成工程概念。而且由于学时的限制，很多材料化学教科书对各类材料的物理化学原理介绍较多，材料生产过程较少提及，教学上容易出现重知识理解、轻工程思考的现象，致使学生的工程技术意识淡薄。学生往往习惯于理解掌握书本知识，而不太关注解决问题的思维方法，如方案设计、工程实施的可行性、环保性、经济性等问题。

2.固定体系的课程内容有待丰富更新

材料科学基础理论和材料物理化学原理构成材料化学课程教学两大板块。虽然教材种类很多，但随着材料相关产业及工业体系的快速发展，尤其是新材料产业的创新提升，材料化学教学内容和体系没有实质性的改变和进展，课程相关内容落后于产业技术的发展水平，一定程度上限制了教师和学生的工程思维。现有课程内容与体系是建立在理论知识的系统性和完整性之上的，在知识点的选择和安排上没有脱离传统的教学理念，新材料、新技术、新工艺方面知识点增加缓慢，所用教材与生产实际所要求课程的内容或知识点的编排存在一定的差距，不利于学生深层次理解材料工程实施过程所涉原理的内涵。

3.课程实训内容未构成工程应用能力训练体系

现有课程实验内容对教学中所涉理论知识的应用拓展较小。课程内容基于验证性和演示性的实验教学体系内容，限制了学生的创新思维和动手能力的培养，学生自己动手设计和动脑思考的机会仍显不足，缺乏对各知识点之间的相互贯通，更无法将所学习的知识点与分析、解决生产实际问题相联系。

4.教师工程背景薄弱

具有工程化实践经验的教师队伍建设是增强材料科学与工程专业工程化教学的基础和保障［7］。很多高校毕业生直接进入应用型本科高校担任教师的角色，具有企业及成果工业转化经验的教师很少，远不能满足工程化专业课程教学的要求。

二 基于CDIO工程教育模式的材料化学课程建设

课程是专业人才培养的主要载体。在新建应用型工科院校《材料化学》课程建设中，我们密切结合地方材料领域当前社会需求和产业发展需要，将“创新型应用型人才”具化为适应材料行业发展需要并侧重在研发、生产一线的工程技术人员。

《材料化学》课程以有效衔接前期物理、化学类基础课程和后续高分子、金属、无机非金属等材料专业课程为宗旨，调整课程教学体系和内容。将教学内容划分出材料结构与性能、材料制备(合成)、材料加工及工艺三大板块，结合材料行业最新发展动态和新材料应用前景，在奠定学生基本理论和基本实验技能的同时，拓展学生在材料科学领域的视野。密切跟踪行业发展，构建真实或类似工程情景的课程教学内容，促进学生将基础理论与工程应用结合，探索CDIO工程教育模式。

(一)更新理论教学理念和教学内容

工程教育模式［8］要以学生为中心，即在教学中要以学生为主体，教师为主导。通过丰富的设计性和综合性实验项目，教师引导学生主动学习，提供给学生更多的动手实践机会。既保证学生系统地获得基础知识，基本方法和基本技能，又能激发学生对专业知识的兴趣，可充分发挥学生的个性和潜力，体现学生工程应用个人能力培养的要求。

根据课程理论知识点，我们调整增加材料的合成、制备、表征等综合性实验，力求内容上尽可能多地反映前沿科技成果，拓宽应用内涵和工程广度，有利于学生的在复杂工程环境中创造性思维的形成。因此在课程教学中，我们基于工程过程导向教学的设计理念，注重着手从典型实例的剖析中提炼出若干重要的工程观点，及时优化教学内容、改革教学方法。例如，以“聚乙烯项目可行性报告”项目论证分析为载体，从产品研发到运行的生命周期过程，加强对工程高分子材料的合成途径、制备工艺、投资预测及背景分析进行完整设计与阐述，强化学生的工程意识。

(二)建立双师型教师队伍

要提高学生主动学习和运用等方面的能力，就要依靠很多具有工程经验的优秀教师，这就要求在校的教师需主动参与到工程项目中，提升自身产业经验。因为只有教师明确了材料化学课程在本专业知识结构中的地位和作用，特别是相关知识和能力与实践的有机联系，才能引导学生从工程需求中发现思考问题，以及应用所学知识探究、创新的能力。

《材料化学》教学团队采用“走出去，请进来”的方式，致力于“双师型”队伍建设。走出去是指带领学生到企业去听去看，甚至把课堂搬到企业，而请进来是指将有实际经验的工程师请来给学生上课，聘请合作企业工程师开设课程指导。我们与南京斯瑞奇医用有限公司、南京沙宁申光伏有限公司、南京漆桥建筑材料有限公司等多家企业密切合作，通过与行业企业专家共同进行课程分析、制定教学大纲、融入职业元素、设计教学环节、研究授课方案、提出质量标准和考核方法，使教学内容贴近实际、实践案例吸引学生、考核方法体现能力的目标。

(三)开展以项目为中心的多样化教学改革

1.开展探究性课堂教学

注重课程中材料物理化学知识与材料实际应用的关联。课堂教学中，首先，以一个科学现象或工程应用开篇，引入每章知识的讲述，并在相关知识讲授后进行解答。其次，针对某些具体知识点，设置专门的设计题，在每章小结后开展讨论。最后，选择与实际应用相结合的例子、例题达到“应用知识、拓展视野、体现方法”三个目的。例如，以介绍我国“十一五”863计划项目“激光晶体、非线性晶体材料工程技术开发”成果作为第一章晶体基础的开篇，以“水热法合成人工合成宝石”作为该章节的课外实践的设计题目，学生通过水热法合成了刚玉类晶体，并结合现代材料检测技术进行表征和鉴别，扎实掌握了晶体合成及结构分析技术，把抽象的结晶学知识与工程应用相联系。

教学的基本思路是在CDIO理念的基础上，通过解剖现实产品的组成、设计、原理及工艺，使学生在增加感性认识的同时了解课堂知识与实际产品之间的对应关系。这种模拟一个具体材料的应用背景、构思设计、生产加工的过程，可以将课堂教学过程与课外具体的工作项目充分地融为一体。如，通过“新型变色镜片的生产工艺研发”，掌握光学材料中关于光致变色新材料的变色原理、材料制备技术，并结合第五章高分子材料的性能，将知识理解转化为实际运用，激发学生的专业兴趣和创新思维。

2.拓展设计性实验项目

突出工程能力培养，注重引导学生对知识的综合运用。以调研材料科技发展前沿成果以及相关产业实际需求为基础，我们开设了一系列设计性实验项目，要求学生在完成课程学习与相关训练后，运用所学的知识，选择与实际的某个应用相结合的例子，在教师指导下完成一个产品项目构思、设计、实现、运用等全过程的课程项目训练，包括项目构思、项目设立、项目实施演示和必要的比较和分析。如涂装车间油漆环保指标的测定和评价，(NALC)废料优化改性工艺及其环境友好性能评估和应用研发等。训练过程包含系统构建的生命周期，力图体现CDIO提倡的构想—设计—实施—运作理念。

以项目引领学习，可以加强对学生实践能力和创新能力的培养。通过让学生以小组的形式共同解决一些模拟实际科技研发中的问题为学习途径，提高学生对行业中存在的实际问题的认识和解决能力，是一种将课程基本知识和基本操作与未来职业所需技能对应起来的综合性训练。为了培养学生运用学过的知识解决实际项目中疑难问题的能力，我们鼓励并指导学生参与企业项目的设计与开发。项目主要来源于与课程相关的合作企业需求或教师对外承接课题，如苯并环丁烯单体及其树脂的合成研究、改性凹凸棒土吸附材料的制备及应用推广等。这些项目通过教师围绕课程教学目标，依据项目调整教学内容、组织教学，模拟出与实际工程环境同步的平台，为学生今后到对应企业工作打下良好的基础。

3.实施创新型实训计划

新材料产业已成为21世纪初发展最快的高新技术产业之一，并与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业联系紧密，应用领域十分广泛。这使得学生有很多机会能够直接参与企业开发的项目，也给材料化学课程教学的改革提供了一个很大的背景与平台。

培养学生研究与探索的精神，指导学生开展大学生创新创业设计大赛，如教师指导学生组建南京德瑞医药科技有限公司创业团队，在进行“南京德瑞医药科技有限公司规划”的同时，开展抗肿瘤磁靶向药物、长期眼药缓解释用仿生角膜接触镜等材料研究。学生逐一开展项目的调研、方案设计、实施和最终产品的运行等各环节，培养了项目组成员的组织和管理能力，及在整个过程中的沟通能力和团队意识。

为了确保学生开发项目的规范性，使用技术的先进性，我们聘请优秀毕业生定期回校指导，同时，也聘请企业技术骨干担任顾问，使项目的构思、设计、实现与运作既符合CDIO教育理念，也符合企业项目开发的要求与标准。

三 结语

高等教育的教学改革包涵了教学模式的改革和创新，而课堂教学模式的创新是当代高校教育改革的必需。要想实现课堂教学模式的创新，首先必须对教学内容进行创新性分析与理解，把行业的要求和职业岗位能力的要求融合到课程的大纲中去。《材料化学》课程是在基础物理、化学课程基础上，结合专业的发展及专业人才培养方向而开设的课程，我们通过将CDIO理念提出的培养工程能力理念与课程改革相结合，课程建设质量明显提升。

［1］顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP－CDIO一汕头大学工程教育与人才培养模式探索［J］.高等工程教育研究，2008，25(1):12 －19.

［2］陈小虎.校企融合，培养应用型本科人才——理论思考与南京工程学院的实践［J］.高等工程教育研究，2009，26(2):6 －11.

［3］金伟祖，潘 璐，黄 杰.CDIO教育理念在课程项目设计中的运用［J］.计算机教育，2010，8(11):120 －124.

［4］姚运金，徐菲菲.基于CDIO理念下的化工原理课程项目探索［J］.化工高等教育，2010，113(3):34 －38.

［5］徐建平，陈福山，严 平.CDIO模式和地方高校化学化工专业实验教学的融合探索［J］.广东化工，2011，38(224):178－179.

［6］张平格，赵月罗，卢军民.谈谈CDIO模式下《液压传动与控制》课程的教学改革［J］.液压与气动，2010，33(8):14－16.

［7］丁 浩，杜高翔，邓雁希，等.材料科学与工程专业增强工程化教学的研究探索［J］.中国地质教育，2008，16(4):135－137.

［8］吴宝华，张 艳，车成彬，等.基于CDIO工程教育模式的高校化学实验教学改革的探索［J］.黑龙江科技信息，2010，13(35).

G642.3

A

1674－5884(2012)07－0043－03

2012－05－05

金陵科技学院材料科学与工程卓越工程师计划(2010JGXM－01－6);金陵科技学院精品课程《材料化学》建设项目

郝凌云(1966－)，女，安徽临泉人，教授，博士，主要从事材料化学教学与功能材料研究。

(责任编校 罗 渊)