基于CDIO理念的化学工程与工艺专业实践教学体系的构建

陈培珍，刘俊劭，范荣玉

（1.武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300；2.福建省高校绿色化工技术重点实验室，福建武夷山354300）

基于CDIO理念的化学工程与工艺专业实践教学体系的构建

陈培珍，刘俊劭，范荣玉

（1.武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300；2.福建省高校绿色化工技术重点实验室，福建武夷山354300）

以培养具有实践创新能力和工程设计能力的应用型人才为导向，在化学工程与工艺专业实践教学中引入CDIO工程教育理念，围绕“项目驱动、能力核心、产教融合”来构建CDIO三级项目实践教学体系，讨论了实践教学的保障机制，并采用多样化教学模式，以期在实践教学方面有所突破，从而实现蕴含CDIO教育理念的教学目标，提高学生的工程实践能力和研究创新能力，实现人才培养与企业需求的“无缝对接”。

CDIO；实践教学；工程实践能力；化学工程与工艺

化学工程与工艺作为化学工业的主要学科领域，担负着促进化学工业及相关行业发展与进步的重要使命。随着工业化进程加快及生产规模日益扩大，国内培养的化学工程与工艺专业的工程师数量虽然大幅度提高，但社会对化学工程与工艺专业类人才需求的结构已经发生改变。当前企业需要更多的应用型人才，即要求化学工程与工艺专业本科生毕业生的工程实践能力必须不断加强，以满足新形势下的就业条件，从而在激烈的人才市场竞争中获胜。从当前国内外的发展来看，我校化学工程与工艺专业的工程教育还存在着许多问题，例如学生明显缺少在项目或团队合作方面的实际训练、工程实践训练不足、实践能力差。而实践教学是培养具有创新能力和创新意识的高素质工程技术人员的重要环节[1]，是提高学生综合素质和实践能力必不可少的环节，也是培养学生创新精神和工程实践能力的有效途径。

CDIO工程教育理念代表了构思(conceive)-设计(design)-实施(implement)-运作(operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生从产品的调研、设计、制造、试验及验收的整个生命周期阶段以主动实践的方式学习工程知识[2]。全面培养学生的工程实践和创新能力是CDIO工程教育的主要思想，此外学生的终生学习能力、对象的调控能力、团队的协作能力和个人的工程知识等也是不可忽视的方面[3]。CDIO理念提出了系统的能力培养、全面的实施指导以及实施检验的12条标准[4]，体现了课程计划的设计、学生学习经验、教学环境、教师发展、教学考核等方面的统一的系统性的要求，具有可操作性和较强的指导性。

借鉴国际流行的CDIO工程教育理念，化学工程与工艺专业围绕“项目驱动、能力核心、产教融合”来构建CDIO三级项目实践教学体系，以全面体现工程化能力培养的思路，实现人才培养与企业需求的“无缝对接”。

1 以社会需求为目的，构建基于CDIO理念的实践教学目标

实践教学目标是实践教学体系构建的基础。CDIO认为，应用型工程教育有4个重要的利益相关者集团：学生、工业界、大学教师和社会，专业人才培养目标和培养方案的确定依赖于对所有利益相关者需求的全面分析和调查[5]。我们通过座谈和问卷调查方式了解毕业生就业状况及素质、实践、创新能力，邀请相关企业、高校专家来校提建议，还通过问卷调查了解用人单位对毕业生就业能力和素质的综合评价，了解社会对该专业人才知识、技能和素质等方面的实际需要。以CDIO能力大纲为指导纲领，构建“项目驱动、能力核心、产教融合”的化学工程与工艺专业实践课程教学体系与实践项目核心，突出实践能力、创新能力的培养，注重学生对实验（实践）方案的自主设计，使学生具有对化工生产过程进行控制、工艺设计和优化，对化工新产品、新技术进行开发与应用的基本能力，能在化工相关行业从事生产控制、工艺优化、质量管理、安全管理和技术开发等工作的应用型化工技术人才。

2 以CDIO项目为主导，构建知识和能力培养一体化的实践教学体系

CDIO的标准3是集成化课程设置，标准7是集成化教学过程，因此，按照CDIO标准要求，化学工程与工艺专业的实践教学体系可采用一体化课程计划，以项目为载体实现多学科知识整合，学生以个人或者团队合作的形式，利用实践过程中的项目引出工程问题，在解决工程问题中强化自己的个人、人际交往能力与产品、过程和系统构建-设计-实施-运作(CDIO)能力。

以武夷学院化学工程与工艺专业为例，在人才培养方案制定过程中，实践课程体系主要由三级项目构成（图1），一级项目从基础实验与设计、专业实验与设计到工程实践与设计，使学生系统地得到构建-设计-实施-运作(CDIO)的整体训练，贯穿于本科段教学[6]；二级项目包含基础实践、专业实践、创新实践和工程实践项目，作为一级项目的支撑，主要培养学生综合应用相关课程群知识解决实际工程问题的能力，以及学习能力、创新能力；三级项目主要以单门专业课程为基础，根据专业课程学习的需要设立的具体实验课程和基于CDIO理念的实践项目的互补[5]，以加深学生对课程内容的理解与应用。该教学体系中从左到右表示项目的时间进度安排，从上到下表示同时开展的实践教学课程，带箭头的飘带和虚线箭头代表人文与素质拓展实践课程。整个实践教学体系从知识结构、实践能力和创新教育出发，打破传统课程间的壁垒，使实践项目有机融合、互相促进[7]，实现理论教学与实践教学相结合、能力培养与素质教育于一体的教学目标。具体内容如下：

（1）基础实践项目：以独立基础实验课程为主体，以验证、认知、设计实验项目为支撑，包括大学物理实验、大学化学实验、金工实习及高级分析工与分析技师的培训和考试，旨在培养学生的认知能力、实验操作技能、初步设计能力和严谨的科学态度。

（2）专业实践项目：以独立专业实验、设计类课程为主体，属于必做和选做相结合实践项目，包括一门仿真实验（化工仿真实验与实习）、二门专业基础实验（化工原理、化工仪表与自动化）和三门课程设计（化工原理、CAD、化工设计），旨在强化专业知识和工程技能，培养学生初步的综合设计能力。

（3）创新实践项目：以独立创新类实验课程为主体，为设计、探究、研发型实验，包括一门综合专业实验（化学工程与工艺专业实验）、一个学科竞赛（化工设计大赛）、一批大学生创新创业训练项目和一串第二课堂科技活动，是对应若干门关联的课程知识构建的课程群实践项目，鼓励学生“自选项目、自主设计、自已动手、自由探索”[8]，通过实践增强学生的动手能力、沟通与协作能力以及创新意识，挖掘学生的学习潜能和创新能力，增强学生的成就感。

（4）工程实践项目：学生通过毕业论文（设计）、专业实习、毕业实习等方式参与企业化工产品过程开发，能综合应用所学的化工理论知识与工程项目融为一体，通过选题—查阅文献资料—确定设计方案—设计计算—设计方案的实施—分析总结—设计图纸及报告—答辩等环节的锻炼，训练了学生自主研发能力、创新能力和设计能力，达到全面、系统的工程训练目的，提升了学生的工程实践能力，实现人才培养与企业需求的“无缝对接”。

图1 CDIO工程教育理念的化学工程与工艺专业实践教学体系

3 以工程能力培养为核心，构建实践教学的保障机制

应用技术型大学人才培养方案能否取得好的效果，很大程度上取决于实践教学体系的执行力度，因此，构建实践教学体系的保障机制就显得特别重要。

3.1 打造“双师双能型”教学团队

CDIO强调，如果希望教师能够讲授融合了学科知识的个人、人际交往能力以及产品、过程和系统建造能力的课程，那么他们自己必须熟练地掌握这些能力，而且需要有在工业环境中的工程实践经验，有完成一个实际产品或系统的构思、设计、实施和运行的经历[5]。按照这一理念，我校出台了“双师双能”型师资队伍建设的文件，从以下几方面来提高教师的工程实践能力：

（1）有计划地选派教师到企业、科研院所、实践基地等生产一线进行实践操作、实践教学、技术指导、技能培训，同时教师可积极参与到企业的科技攻关和项目研发工作中，在实践中培养教师的实践工程能力；同时将具有一定工程背景的优秀人才请进学校充实专任教师队伍，进行理论课题研究和横向项目研发。

（2）聘请有工程背景、设计经验的设计院/企业老总、总工作为客座教师承担部分教学任务，到学校为学生举办讲座，传授化工过程的设计经验、介绍化工产品的研发方法、讲解最新的化工行业需求，使学生感受专业前沿知识，拓宽学生专业知识面，培养学生的职业精神，提升工程能力。

（3）加强科技合作平台的共建，通过科学研究、技术服务、技术开发等方式带动一批教师参与工程实践、技术开发、产品研发，提高教师的工程实践和产学研合作能力。

（4）对符合学校教学工作岗位需要，且具备“双师双能”型资格条件的教师，学校将在岗位聘任、职称评聘、项目申报等方面给予优先考虑。

3.2 构建多元化实践教学基地

实践教学基地是实施实践教学、提高学生实践能力和创新能力的基本条件[9]。根据“渗透融合”的理念，以建设教学示范中心和重点实验室为契机，整合校内外教学资源，构建多元化实践教学基地。

（1）实验室建设：基础实验依托武夷学院福建省基础化学实验教学示范中心开展；专业实验依托福建省高校绿色化工技术重点实验室、福建省高校化学工程与工艺特色专业等学科平台开展，主要有2个模块（化工原理实验、化学工程与工艺专业实验），包括基础数据测试实验、分离工程实验、反应工程实验和化工工艺实验，建设重点放在专业实验开发，逐步提高综合性、设计性实验的数量。通过实验室开放学生可自主选择参加教师的科研项目或大学生创新创业训练项目和第二课堂课外科技活动项目，让学生在教师指导下自主选题、自主研究，为学生提供研究、实验、发明创造的空间，增强学生的合作和团队意识。

（2）化工过程模拟与仿真实验中心建设：由于化工专业的实验装置通常都具有设备体积大、流程复杂、物料和设备的损耗较大等特点，所以实验套数一般较少，同一实验项目通常在2套左右。而且，考虑到化学物料的易燃、易爆和毒性问题，以及高压高温设备的强度问题，许多与实践结合十分紧密的实验项目也无法开设[10]。建设化工过程模拟与仿真实验教学中心，构建高度仿真的虚拟实验环境，可以提供可靠、安全和经济的实验项目，实现真实实验难以完成的教学功能。该平台包括化工虚拟现实开发与应用、化工过程模拟与仿真、化工工艺模拟与优化、化工过程运行与控制、化工设计与分析等项目，学生在这种虚拟环境中，可以更好地完成从学科基础课到专业基础课以至专业课的学习，实验内容更加贴近工程实践，学生动手实验的机会多，对课本知识与工程实践相结合的体会也较深，可以更好地达到人才培养方案所要求的教学效果。该平台还可扩展为网络虚拟化工实习平台，用于辅助学生实习，学生在虚拟化工厂中漫游，通过视觉、触觉及听觉等多感官“真实”感受化工厂中常见关键操作、安全隐患、故障设置，深化所学化工知识、学会故障排除[11]，脱离了校外见习的诸多限制，实现校内外化工专业见习一体化，为毕业前的生产实习打下良好基础。

（3）校企共建实训基地：为共同培养闽北地方经济发展需要的应用型化工专业人才，促进产业与教育的融合，校企双方本着“互相支持、互相渗透、双向介入、优势互补、资源利用、利益共享”的原则，我校与福建青松股份有限公司等8家企业建立了稳定的合作关系，合作共建实验室1个。实现由“参观型”向“顶岗型”逐步转变，提升了学生的工程实践能力、研究设计能力、综合开发能力和创新创业能力。

4 以提高学生综合素质为目的，采用多样化的教学模式

CDIO工程教育理念要求教师以学生为中心，引导学生积极思考、不断探索、努力创新、沟通协作，因此，不同层次的实践项目要采用不同的教学模式。

（1）课程实验教学多采用项目驱动法，学生根据实验任务和基本要求，预先撰写详细的实验预习报告，并经实验指导老师确认，在整个实验过程中学生自主实验，遇到问题可以通过与教师、同学交流来解决，学生完成实验后现场提交实验报告，通过项目驱动充分调动了学生学习主动性和学习兴趣，提高了学生动手能力和分析问题的能力。

（2）课程设计采用“四化”教学模式，即设计内容真实化、设计手段现代化、设计任务协作化、成绩评定多化，该模式不仅能充分调动学生的学习积极性与主动性，提高教学效果，对学生团结协作精神的培养，综合应用所学知识分析和解决工程实际问题能力以及计算机应用能力的提高也具有很好的促进作用[12]。

（3）毕业论文（设计）课题的开发，即将毕业的学生直接进入企业做实习，在企业中完成毕业论文或设计，同时接受真实的生产操作锻炼，提前完成“试用期”；校企合作学生毕业论文（设计）的指导采用“双导师制”，这种“学校教师+产业导师”培养模式是一种在现实条件下比较好的、更能培养学生综合实践能力的培养新模式。

（4）化工仿真实验与实习依托合作企业的资源优势，利用虚拟现实、仿真装备与多媒体技术，融合多种互动硬件与数据库，对化工过程、化工工艺及化工设备的真实环节进行模拟仿真，形成具有特色的“三模式、四梯度、五结合”的虚拟仿真实验教学体系，采用“虚拟实验、仿真优化、实践创新”三种教学模式，通过“理论强化、现场认知、模拟仿真、工程实训”四个训练梯度，遵循“理论与实践、实验与生产、模拟与仿真、教学与科研、学校与企业”的五结合原则，实现学生工程能力与创新能力的提高，实现了化工过程模拟与仿真实验中心与企业共同建设的良好模式[13]。

（5）专业见习、生产实习采用合作学习模式，4人一组，组内学生自行分工、彼此合作，共同完成实习内容，考核按团队进行。实习前学生必须完成实习预报告，使学生对实习课题有初步了解，实习结束后学生对实习实训内容进行总结，撰写出实习报告并进行现场答辩。答辩采取分组答辩，由小组推选代表汇报实习成果后，教师随机抽取学生回答问题，这样既了解团队的整体实习情况，对于团队内各成员的表现也可以做出客观评定。实习团队的设置充分调动了学生的积极性，增强了学生的团队意识，而答辩环节则克服了团队考核可能导致的评价不公，极大促进学生实习动力的同时也强化了对实习的管理[14]。

5 结束语

实践教学是一个复杂的过程，有很多规律要探索。我们通过多年的探索与实践，依托教学示范中心、重点实验室等学科平台，整合教学、科研和企业三方面的资源，构建了基于CDIO理念的化学工程与工艺实践教学体系，建设了融学生专业学习、科学研究、第二课程科技活动和实习实训于一体的实践教学基地，采用多样化教学模式以实现学生综合素质的全面提高。实践结果表明，经过该实践教学体系培养的学生具有较强的工程实践能力，近三年来有10多名学生成为省级、国家级大学生创新性实践项目负责人，“挑战杯”全国大学生课外科技作品（福建赛区）竞赛获得三等奖1项、优秀奖1项，“挑战杯”福建大学生创业计划竞赛获得铜奖1项、优秀奖1项；近三年毕业生的签约率一直稳定在80%以上，15名学生成为校企合作办学“青松定向班”学员。但本项目的评价机制尚需进一步研究，各实践环节的内容与规范需进一步完善。

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（责任编辑：华伟平）

Construction of Practice Teaching System in Chem ical Engineering and Technology Based on CDIO Idea

CHEN Peizhen,LIU Junshao,FAN Rongyu
(1.School of Ecological and Resource Engineering,Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300; 2.Key Laboratory for Green Chemical Technology of Fujian Higher Education,Wuyishan,Fujian 354300）

In order to cultivate practical personnel who possesses ability of practical innovation engineering design,the paper introduces the concept of CDIO engineering education in the practice teaching of chemical engineering and technology,and constructs three level project practice teaching system of the CDIO around the“project driven,ability core,production and education integration”.The paper also discusses the guarantee mechanism of practical teaching,and uses a variety of teaching mode.All those are done to have a breakthrough in the practical teaching,realize the teaching goal of CDIO education concept,improving students' ability of engineering practice and research innovation,realize the“seam less connection”between talents training and enterprise needs.

CDIO;practice teaching;engineering practice ability;chemical engineering and technology

G642.0

A

1674－2109(2016)09－0086－05

2016-07-09

福建省本科高校教育教学改革研究项目（sj2014004）

陈培珍（1968-），女，汉族，副教授，主要从事基础化学课的教学和功能高分子研究。