基于CDIO培养模式的高等农业院校仪器分析教学改革的研究与实践

王宇昕， 付 颖， 高 爽， 许 晶， 白靖文， 邢志勇

(东北农业大学 理学院，哈尔滨 150030)

0 引 言

仪器分析是高等农业院校中很多专业的重要基础课，更是一门实用性强的工具课[1]。它的目标是培养具有良好综合素质，熟练掌握现代分析仪器基本原理、分析方法、使用与维护的应用型人才。但是目前，该课程存在的主要问题是:①课时少、知识点多而散，多学科交叉、原理晦涩难懂[2]；②大型仪器少，缺乏项目导向性的实验，很难培养学生的职业素养；③实验教学缺乏团队协作项目。仪器分析课程的传统教学模式多以教师为中心，过分强调了课程内容的系统性和完整性，忽略了对学生归纳、分析和渗透综合能力的培养，学生完全丧失了拓展思维的机会，导致学生学习的积极性不高、创造性没有得到充分发挥。加之课程的设置缺乏多人合作的设计创新性项目试验，无法激发学生的探索精神，更不利于学生团队协作能力、创新能力和沟通能力的培养。

针对以上存在的问题，以微课兴起为契机，结合CDIO教学理念和整合性思维探索新的教学模式，依托数字化校园建设，对仪器分析教学体系进行“五学互补、五位一体”的教学改革。

1 运用CDIO教学模式，构建仪器分析课程“五学互补、五位一体”的教学新模式

(1) 依托数字化校园建设，构建仪器分析立体化教学资源。①根据近几年的教学反馈，综合考虑仪器发展的前沿内容以及相关仪器的普及程度，增加了专业课学时，并针对学生学习的重点和难点，修整和完善多媒体教学课件，使之与教材高度匹配，便于学生学习。②依托数字化校园建设，借助网络已有的微课和精品课资源，重新规划和整合网络教学平台(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]，及时更新国内外相关网站网址和知识拓展等链接，并按章节上传授课资料，包括：教案、大纲、PPT、重点与难点解析、章节练习、自测习题、模拟试题和答案以及微课单元的链接，逐步建立和完善立体化教学资源体系，指导并督促学生进行课前预习和课后复习，加强学生自主学习的能动性。最后，通过网络平台的答疑信箱、微信和QQ等高时效性的沟通式方及时与学生交流，促进师生间的双向互动，进而提高教学有效性。

(2) 运用CDIO教学模式，将教学过程阶段化。“CDIO”系指构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，是由麻省理工学院、瑞典皇家理工学院和瑞典查尔姆斯理工大学联合研究提出的一种新型工程教育模式[7-8]，目前已在工程教育领域获得较好的教学效果。仪器分析课程也具有项目导向及实践特性，因此根据应用型复合人才的培养方案，基于CDIO教学模式重新修订教学大纲，调整教学内容和进度，增加综合实验学时，增设大型仪器的设计研究型实验，以CDIO项目导向为目标将仪器分析课程整体分为：课堂教学、仿真模拟、基础实践(即基石项目)和实训拓展(项目导向)4个阶段(见图1)。

在课堂教学阶段，结合CDIO的“情境教学法”，通过贴近实际生活的案例导入新课，充分调动学生的学习积极性，引导学生深入思考并自主提问。仿真模拟阶段，引进大连理工大学研制的“现代仪器分析模拟实验室”和西北工业大学研制的“现代化学分析技术”智能仿真课件，辅助学生巩固理论知识并对实验内容进行课前预习。课件包括理论教学中的各种分析方法，每种方法都由基本原理、操作演示、模拟实验和注意事项构成统一整体，最大程度缓解理论知识相对滞后实验进程的矛盾。课件通过动画、视频等方式形象生动地展示了分析原理、仪器构造和基本操作，借助人

图1 CDIO教学模式下四阶段化的教学过程

机交互性强的特性，学生在实验前通过软件自主模拟反复操作训练，通过模拟时的相关数据和图像变化形成初步的感性认识[9-11]，这样既能实现在现有实验条件和学时下无法进行的实验条件优化过程，又能获得与操作真实仪器一样的丰富经验，并以“分析-判断-解决”为目标设置思考题，大大提高学生分析问题、解决问题的能力。基础实践阶段，根据课堂教学和仿真模拟的内容，教师布置相应的实验任务，学生2或3人一组，以小组协作的方式完成。例如：课堂教学讲授原子吸收光谱法，仿真模拟原子吸收光谱法测定试样中的铅含量，基础实践使用原子吸收光谱仪测定样品中的铜和钙的含量(即基石项目)。实训拓展阶段通常安排在学期末，学生理论知识储备充足，各种仪器掌握熟练。根据学生自身特点，将5～7人组成团队，根据教师布置的题目统一进行样品分析(即项目导向阶段-研究性设计实验阶段)，如天然产物中功能活性成分的分离与测定(如丁香酚的提取与测定)。团队内自行选定领队和分析测试方法，分工合作，通过查阅相关文献，自主设计实验方案[12]，实验前两周先提交设计报告由教师进行批改修正，实验结束后制作实验档案卡，将主要样品的前处理、操作步骤、数据处理方法和实验结果统计、实验出现的问题及改进措施和注意事项等均记录在案。这是一个贯穿了构思、设计、实施、改进、运行等环节的工作流程，这个学习过程需要学生具备理论、实践和人际交往技能方面的综合能力，非常符合CDIO教育模式的要求。

(3) 构建 “五学互补、五位一体” 的教学新模式。以CDIO教学模式为基础，以其项目导向为终极培养目标，构建“五学-五位”的教学新模式，即在教学的组织安排上，按照“教→学→做→创→评”一体化的教学模式[13]，在阶段化教学过程中，采取“翻转课堂+难点解析→重点训练→自主操作实践→项目实训→总结与评估”的顺序来组织教学；并依托数字化校园提供的网络教学平台通过“导学-督学-自学-辅学-互学”的五学互补模式辅助课堂教学。新模式的构建将翻转课堂和混合式学习形式融入传统教学，充分利用丰富的微课资源，形成强调以学生自主学习为主，教师教学为辅的双向互动的混合式教学模式。教师的教建立在学生的学的基础上，充分起到引导、辅助和提升的作用，促使教学模式的转型，真正实现“以学生为本”的教育理念。

2 多步序列进阶化教学内容

(1) 理论教学模块化进阶。将理论课分成三大板块，电化学→光谱学→色谱学。以电化学为基点(普化和分析课程中略有涉及)，以光谱学为主线(科研和企事业单位的常规仪器)，以色谱学和核磁共振为难点拔高，采用案例式教学方法，从浅入深、由易到难进行讲解。每章结束后针对知识节点进行小测，及时反馈学生学习的难点和混淆点，完善课堂教学。

(2) 实验教学多步序列化进阶。把前后关联的几个实验构成一个由简到繁的系列，以便将理论知识和仪器构造流程系统化到序列实验中。例如：紫外光谱试验序列项目：水中总酚含量测定(采用单波长单光束分光光度计)→混合液中Co2+和Cr3+的含量测定→不同溶剂中苯酚紫外光谱的研究(采用双光束分光光度计)→邻二氮菲测定铁含量。试验项目按进阶序列进行，逐步巩固理论知识系统中单组份定量→多组份定量→溶剂影响→反应条件选择等相应内容，并在实验过程中理解消化仪器类型和组件等相关知识。

3 构建多元化、多层次的考评方式

根据应用型人才培养的要求和目标，在课程考核方式上引入答辩式考核模式，以任务驱动答辩代替答卷，既培养了学生“互联网+书本”解决实际难题的技能，又着重考核了学生应用知识分析解决问题的能力。

(1) 理论教学考核。学生自组团队，抽取答辩题目，自主分工，查阅文献，收集资料并制作汇报PPT。小组推荐主答辩人陈述，其他小组同学作为答辩委员会成员对答辩内容进行提问并对该组答辩情况进行评定，提问同学可以得到适当加分直接计入总成绩。答辩小组成员都要回答问题，每位学生都要撰写一篇相应内容的论文。期末答辩成绩采用百分制，其中主答辩为70分，个人回答问题为30分。根据主答辩表现评定的成绩为小组成员基本成绩，个人回答问题的成绩加上小组基本成绩为个人答辩成绩。理论总成绩=答辩成绩(50%)+论文(20%)+平时章节小测(30%)。

(2) 实验教学考核方式。实验前学生按实验内容分组收集素材进行预习，上课时教师随机指定组内学生试讲，有遗漏的地方同组同学可以进行适当补充，有错误的地方同组同学进行更正。实验总成绩=试讲+操作+卫生+出勤+报告+综合设计试验。综合设计试验重点评价以下内容：外文文献查阅能力、实验方法设计的合理性、仪器的选用和使用情况、数据处理和分析改进以及团队协作等能力。

4 培养“双师型”教师

CDIO教学模式强调了实践和项目导向的作用，教师是贯穿这些环节的关键连接点，因此“双师型”教师成为应用型本科院校教师培养的最佳途径[14]。“双师型”教师是指即具备良好的师德修养、教学与科研的能力，又具备良好的职业态度、知识、技能和实际操作能力的专业教师[15]。采取的培养措施主要如下：增设实习基地，利用不同项目的实习基地对教师进行各种实践技能的培训；到企事业单位参观、培训或参加实践锻炼，提升教师自身素养；积极参加各类讲座、会议，开阔教师视野；积极申报和参与国家、省(部)级科研课题，带动“产学研”教学模式的发展。

5 结 语

将CDIO培养模式运用到仪器分析教学中，以其为导向进行教学体系地改革创新，这样既关注了学生系统扎实的基础理论知识地学习与储备，同时也实现了能力为本的教育，培养学生将理论与实际统一整合。通过项目主导实际应用，强化学生解决实际问题的实践能力和创新能力，为学生未来长期的可持续发展以及进入社会和未来市场就业奠定坚实基础。在该教学模式下，以基础扎实、知识面宽、能力强、素质高为培养目标，学生在提升自我能力的前提下，以团队协作的方式完成项目任务，在熟练掌握专业技能的同时，全面培养了学生的团队协作能力、创新能力、沟通表达能力和综合职业素养，实现知识、能力与素质培养地有效结合，真正实现“学以致用”和与社会需求的无缝对接，做到“落地开花”。