基于C D I O的安全工程课程教学改革研究——以《工业通风》为例

易灿南副教授 胡 鸿副教授 刘美英副教授 张一夫 皮子坤

（湖南工学院 安全与环境工程学院，湖南 衡阳 421002）

0 引言

培养符合社会发展需求的安全工程人才是促进社会持续稳定发展的基本保障，国家非常重视安全工程人才的培养，2011年3月8日，国务院学位委员会正式确立“安全科学与工程”为一级学科[1]。自工程教育专业认证在中国开展以来，安全工程专业迅速投入到专业认证工作中来，2007年，高等学校安全工程学科教学指导委员会研究制定了《安全工程专业本科教育认证标准》[2-3]，2008年安全工程专业被列为教育部10个认证专业范围，在中国矿业大学（北京）开始了首次认证工作，全国已有34所高校安全工程专业通过了认证[4]。工程教育专业认证工作的执行，使得各校安全工程专业人才培养体系更为完善，促进安全工程专业特色教育发展，满足了安全工作的行业特征，为矿山、化工、建筑等行业培养了大量安全工程人才[5]。

2016年，教育部提出“新工科”建设目标，并于2017年形成了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”，以“新工科”建设为主题的工程教育改革进入一个崭新的阶段，新工科建设与发展研究已经成为我国教育研究重要课题[6]。新工科要求培养有过硬的专业知识，还要求具有全球视野、工程伦理意识、创新意识、合作意识、发展意识和服务意识，要培养具备跨界创新能力的创新型工程人才[7]。

课程教学改革是促进工程教育专业认证毕业要求达成的重要核心手段[8]，也是促进新工科人才培养的关键途径[9]。CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate) 强调以主动的、实践的方式学习[10]，认为应经过合理设计与安排，让学生在工程实践的真实环境中进行学习，参与从工程构思、工程设计、工程实现到工程运作的全过程[11]，其关于能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准是培养符合社会发展需求人才的关键。CDIO是促进课程教学改革和能力培养的重要模式：采用CDIO工程教育模式，并通过其专业认证，是申请加入《华盛顿协议》的必要条件[12-13]；基于CDIO的工程教育改革是新工科人才培养常采用的有效方法[14-15]。因此，以能力培养为目标，基于CDIO教学模式，深入进行课堂教学改革，是实现新工科人才培养和工程教育国际化的重要手段。

基于此，为培养符合我国经济发展需求的安全工程人才，以《工业通风》为例，谈谈CDIO教学模式在安全工程课程教学改革中的应用。

1 《工业通风》课程特征

安全工程的主要研究对象是人类生产、生活活动中发生的各种事故，而由于工业场所环境污染问题，尤其是污染控制水平不达标而造成的空气污染问题是我国企业职工职业病的重要原因之一，因此，了解并掌握工业场所职业危害控制是安全工程师的重要专业能力之一。虽然我国各高校由于其行业特色，在课程体系上存在很大差异[16]，但《工业通风》相关课程是全国所有安全工程专业均开设的专业核心课程：有些学校安全工程专业为矿山安全方向，开设《矿井通风工程》[17]，其他学校开设《通风安全学》[18]、《通风与除尘》[19]《通风工程》[20]或《工业通风》[21]，虽然这些学校课程名称不一样，其教学目的都是培养学生污染源辨识并设计通风系统以控制污染。

2 基于CDIO的《工业通风》课程能力训练项目模块

CDIO倡导通过工程项目设计培养工程能力，《工业通风》课程具有很强的理论性也具有很强的实践性，可通过项目设计将整个课程知识体系有机结合。依据《工业通风》人才培养目标及其内容体系，按照工程项目设计基本思路，将该课程划分为7个教学模块，如图1。图中主支路上包含7个教学模块，这些模块存在内在逻辑关系，按照该图顺序进行教学有利于学生掌握课程内容体系；每个教学模块对应一个能力训练项目，通过该模块训练，要求达到如图所示能力要求；7个教学模块所引出箭头两侧的小支路引出每个知识模块应该了解、理解或掌握的重点知识内容体系，是能力训练项目需要达成的基本目标，基本能力训练项目1-6为工程设计各教学模块教学任务完成之后展开，能力训练项目7为综合性训练，在课程设计环节开展。

（1）能力训练项目1。此项目主要训练学生根据生产工艺特征、明确污染源及危害途径并制定综合控制措施的能力，主要在绪论教学环节开展。教学过程中结合学生生活、实习经历或者通过多媒体展示具体生产工艺场所，辨识污染源及危害途径，并引导学生从人、机、环、管4个方面制定综合污染控制措施。此环节理论教学完成后，要求学生辨识不同生产场所（如抛光车间、电镀车间以及电焊车间等）污染源及其传播途径并尝试提出综合控制措施。

（2）能力训练项目2。此项目主要训练学生综合工艺、建筑结构特征及环境要求确定合适的通风方案的能力，主要在通风方案教学环节开展。教学过程中通过教室、工厂等情景展示，引导学生思考不同环境以及生产工艺对通风的要求，并确定具体的通风方案。此环节理论教学完成后，要求学生综合考虑不同生产工艺、建筑结构特征及环境要求，确定不同生产场所的通风方案，此环节可延续能力训练项目1中的课题进行训练。

（3）能力训练项目3。此项目主要训练学生根据污染物特征及控制要求设计合理的局部排风罩/送排风口的能力，设计结构尺寸并确定风量，主要在局部排风罩/送排风口设计教学环节开展。教学过程中一方面应明确每种局部排风罩/送排风口的工作原理、优缺点，重点讲解其风量计算的基本物理含义，并且引导学生思考不同污染发生源下可采用的送排风形式及优缺点；另一方面结合学生生活、实习等经历，引导学生思考应该选择何种排风罩或确定送排风口位置。在此部分理论教学完成后，延续能力训练项目1和2集中设计不同生产场所污染源控制题目，要求学生选择合适的局部排风罩/送排风口并计算风量。

（4）能力训练项目4。此项目主要训练学生根据污染物特征及处理要求确定合适净化装置的能力，主要在净化装置确定教学环节开展。教学过程中一方面重点讲解净化装置的净化原理、优缺点及适用范围，引导学生思考并总结各种净化装置的适用对象；另一方面以学生生活、实习等经历为基础，通过情景设定引导学生思考如何根据污染物特征及净化要求选择合适的净化装置。此部分理论教学完成后，延续能力训练项目1-3课题，要求学生确定不同生产场合下合适的净化装置。

（5）能力训练项目5。此项目主要训练学生综合通风、建筑及环境要求来设计通风管网的能力，主要在管网设计教学环节开展。教学过程中需要引导学生思考通风管网设计中需要注意的问题，如阻力平衡问题、管道倾斜角度以及敷设等，再以教室或者实际工厂场景为例，要求学生设计最优管网。此部分理论教学完成后，延续能力训练1-4课题，确定不同生产场合下的通风管网形式。

（6）能力训练项目6。此项目主要训练学生根据系统排风量要求及管网布置情况进行水力计算并选择合适风机的能力，主要在水力计算并选择风机教学环节开展。明确水力计算的基本计算过程以及风机运行特性曲线，引导学生思考如何选择风机才可以满足污染控制要求。此部分理论教学完成后，延续能力训练1-5中所设计的能力训练项目，进行此项训练。

（7）能力训练项目7。此项目主要训练学生局部排风/全面通风系统设计的能力，在《工业通风》理论教学完成后进行，以生产实际为依据，设计不同生产线污染控制课题，综合训练学生通风方案选择并设计的能力。

因此，图1描述了安全工程专业《工业通风》课程基于CDIO的课程教学体系改革模式，以专业能力培养为核心，通过模块式教学过程组织，并注意每个模块之间的相互关联性，通过6个基本能力训练项目和1个以课程设计为载体的综合能力训练项目，是培养符合新工科人才能力要求以及工程教育专业认证要求的安全工程毕业生的有效途径。

3 基于CDIO的教学方法改革

《工业通风》传统教学一般按照通风系统设计思路而展开，并在课程结束后进行课程设计以训练学生的设计能力。如果按照传统教学方法，难以实现图1所示能力训练目标。基于CDIO理念，提出层次教学法：第一层次为基本教学内容讲解，围绕图1中7个教学模块展开，其目的是实现图1中教学目标，在此层次，主要由教师运用案例、探究式等方法进行课堂讲授，让学生理解和掌握每个模块核心知识内容；第二层次为6个基本能力训练项目，需要教师围绕其设计相关能力训练题目，实现学生综合运用所学知识去解决实际问题的能力。在此环节，可根据训练题目的难度，由学生单独或者分组组队的方式完成；第三层次为综合能力训练项目7，也就是课程设计环节，合理设计课程设计题目，以实现学生综合利用所学知识提出某场所污染控制的通风方案并设计合适的通风系统，并绘制相关图纸。经过3个层次的课程教学，促使学生全面掌握工业通风系统设计相关方法。

4 课程考核方法改革

促进基于CDIO的能力训练项目开展的关键在于加重能力训练项目成绩在课程考核体系中所占的比例。《工业通风》课程教学一般包括3个方面：理论教学，实验教学以及课程设计。考核方式一般包括两类：包含理论知识考核、实验教学过程考核、出勤以及作业等的《工业通风》课程考核；针对通风系统设计能力的《工业通风课程设计》考核。虽然综合能力训练项目在课程设计环节开展，但6个基本能力训练项目在理论教学环节开展，因此，应加重该6个项目的参与度以及成果的评价。由于6个基本能力训练项目均采取学生课外自行查阅相关文献与资料来完成的方式来进行，并需要形成PPT文档进行汇报，可不再安排其他作业。6个训练模块中，能力训练项目1和2主要训练学生污染识别、控制并提出通风方案的能力，建议独立完成，能力训练项目3-6相对较复杂，需要对比不同排风罩、净化装置、管网等对污染控制效果的差异，建立以2-3人为一小组的形式完成。由于能力训练项目难度较大，能力训练项目在课程考核中所占比重设置为50%（6个能力项目依次占比5%、5%、10%、10%、10%和10%），实验、出勤和期末考试成绩分别占比10%、5%和35%。同时，对于需要分工合作完成的能力训练项目而言，需强化小组内每个成员的参与度与贡献，因此将采取小组成员互评、教师评价的多方评价方式，以实现客观评价。

5 结论

（1）基于通风系统设计基本过程以及CDIO教学模式，提出《工业通风》课程的7大教学模块以及相对应的7大能力训练项目，为学生整体把握课程内容体系并培养其通风系统设计能力奠定基础。

（2）基于《工业通风》课程培养目标，提出了基于3个层次的教学方法改革：基础理论知识教学、6个基本能力训练项目教学以及1个综合能力训练项目教学。有利于夯实通风基础知识，并通过基本项目能力训练实现综合能力培养。

（3）为促进学生积极主动参与能力训练项目，可加重对其参与程度的考核，将其考核比重设置为 50%。