基于CDIO模式的实践教学改革——以“原子吸收光谱分析实验”为例

郧海丽 孙翠红 任 蕾 雷 霓 张媛媛 王文雅

1.石家庄学院化工学院 河北石家庄 050035；2.石家庄幼儿师范高等专科学校 河北石家庄 050228

CDIO模式是一种适用于工程教学模式，将对学生的理论教育与实践教育融合在一起，源自于杜威“做中学”的教学理念，包含构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)、运行(Operate)四大板块[1-2]。在构思、设计、实施和运行四大板块中，重点突出以学生为主体，以工程为学习中心，以项目为目的驱动，面向工程实际问题，提出解决问题的综合设计方案，以学生积极、主动、实践性的学习，培养学生解决实际问题的创造能力和综合能力，培养学生团队的协同创作精神[3-5]。本文以“原子吸收光谱学实验”为例，讨论在工科学生实验教学中，具体针对工科学生的专业特点，进行实验教学改革。

将CDIO教学模式应用于高校本科学生的原子吸收光谱分析实验中，开展项目式教学模式，有利于从理论基础、个人能力、团队协作能力和工程系统能力四个层面对学生能力进行综合培养，有助于培养应用型、综合型专业人才[6-7]。

1 原子吸收光谱分析实验教学的目前状况

原子吸收光谱分析实验是高校仪器分析实验中一项重要的仪器分析内容，是化学、化工、食品、生物等多个专业开设的基础实验项目。原子吸收光谱分析是借助于原子吸收光谱仪对物质里的微量或痕量的金属元素进行定性或定量的分析，广泛应用于化工、食品、生物、医药等多个领域。原子吸收光谱分析实验作为仪器分析实验中的经典实验项目，开设时间较长，目前在实验教学开展过程中存在一些问题。

1.1 教学模式单一

原子吸收光谱分析实验教学多采用传统的“教师讲”“学生听”的单一教学模式，这种教学模式是以教师为主体，学生处于被动听讲地位，弱化学生主体，学生缺少参与课堂的积极能动性。在课堂教学中，学生主要依赖教师讲授，课程教学质量、学生学习质量均难以提高，不利于激发学生的创造能力和发现问题的能力。在完成实验过程中，学生机械地重复教师演示的操作，缺少积极的思考，不利于激发学生的独立思考能力和解决问题能力。

1.2 缺乏专业特色

原子吸收光谱分析实验最早开设时受仪器资源匮乏、试剂耗材昂贵等因素影响，开设专业有限，课堂内容单一，开设内容多为演示型、验证型的实验，实验目的主要是让学生了解原子吸收光谱仪的主要构造及操作方法、原子吸收光谱分析的原理，学生按照实验讲义的具体步骤完成实验操作。作为多个专业开设的基础实验项目，原子吸收光谱分析不能很好地适应各个不同专业，更好地服务于各学科的发展建设。实验过程中，难以将实验项目与专业工程项目实际相结合，脱离企业对人才培养的需求，不利于激发学生的工程能力和创造能力。

1.3 评价体系单一

在原子吸收光谱分析实验教学中，主要依靠学生的课堂表现、实验操作、实验报告进行学习质量评价。对于验证型的实验，学生缺少主观积极性，容易养成学习的惰性。对于实验内容，只能简单重复实验操作，机械记录实验数据，根据公式计算实验结果。在整个实验过程中，缺乏对学生综合能力的培养与考察，评价体系缺乏全面性和科学性，达不到预期的实验教学效果[8]。

2 基于CDIO模式的原子吸收光谱分析实验教学改革

根据CDIO模式的工程教学理念，在教学过程中要从理论基础、个人能力、团队协作能力和工程系统能力四个层面对学生进行综合能力的培养，其核心是以学生为学习主体，让学生积极主动参与到课程学习中，在课程项目设计和项目实施运作中，发挥自己的主观能动性，主观独立地解决问题[9-11]。原子吸收光谱分析实验是化学、化工、食品、药剂等多个专业开设的基础实验项目，服务于各专业学科的发展与建设，基于这样的理念，针对不同的教学内容板块采取不同的改革措施。

2.1 课程教学模式改革

2.1.1 验证性实验教学改革

改变以往传统的实验教学模式，针对不同的专业需求及特色开设不同的实验内容，适应不同专业的发展需求，更好地服务于各个专业。对于药物制剂和制药工程专业，将药物质量评价与原子吸收光谱分析更好地结合在一起，检测分析原料药和药物的重金属限度；对于食品专业，将食品营养与卫生融入原子吸收光谱实验中，检测食品中的人体所需微量元素含量。与传统教学内容相比，改革后的实验教学更好地与所学专业相结合，实验内容更加多元化，有助于学生更好地理解和融入专业工程项目中，培养学生的专业能力。

2.1.2 综合性实验教学改革

原子吸收光谱分析除服务于高校本科生教学之外，还要服务于高校教师和学生的科研项目，基于科研项目开展的原子吸收光谱分析实验教学，能更有效地培养学生的发现问题、解决问题、团队协作等能力。从本科一年级开始，各专业学生积极参与到教师的科研团队中，实际参与到科研项目的开展实施过程中，在目的性更强的综合性实验教学过程中，学生参与的兴趣更为浓厚，更好地体现了学生的积极性、主观能动性，真正锻炼了学生的解决问题能力和工程能力。与科研项目相结合的综合性实验大大提高了大型分析测试仪器的使用率，学生有机会充分利用大型分析测试仪器，实验教学内容更具专业性、综合性和先进性，为培养高素质学生奠定了基础。以“原子吸收光谱法测定覆盆子中四种金属元素”项目为例[12]，说明综合性实验具体实施过程。

(1)实验方案构思。确定了“原子吸收光谱法测定覆盆子中的金属元素”这一题目后，学生团队为主体，认真查阅相关文献资料，学习原子吸收光谱分析的理论知识及数据处理，讨论实验方案思路，最终确定铁、镁、钠、锌等四种元素为测定元素，并根据所学原子吸收光谱的理论知识，确定铁、镁、锌元素采用原子吸收光谱测定，而钠原子测定因具特殊性，采用原子发射光谱法测定。

(2)实验过程设计。学生团队确定了实验题目及测定内容后，对实验过程细节进行设计，包括药材覆盆子的样品前处理方案、标准溶液配制计划等内容。并将设计方案与指导教师进行沟通，指导教师对拟定实施方案进行论证，确保学生团队的实验过程设计正确合理。

(3)实验过程操作。经过指导教师对实验方案确认及前期实验理论、操作指导后，学生分组进行实验操作，包括药材覆盆子的干燥、消解、溶液配制，标准溶液的配制，各元素测定条件的优化，金属元素的测定等内容。

(4)实验项目运行。金属元素含量测定结束后，学生对实验记录及数据进行整理汇总，并对实验结果进行讨论分析，将所有实验数据材料归纳总结，完成论文撰写，项目结题。

在“原子吸收光谱法测定覆盆子中的金属元素”项目整个实施过程中，学生团队作为项目完成的主体，自主完成项目的构思、设计、实施、运行等四大板块，真正体现了“以学生为主体”“做中学”的CDIO理念，在项目整个实施过程中，学生完美结合了无机化学、分析化学、仪器分析等学科的理论知识和样品前处理、溶液配制、原子吸收光谱仪使用等实验操作，锻炼了学生的创新能力、自主思考能力、实验操作能力、团队协作能力等多种能力，学生的综合素质得到明显提高。

2.1.3 开放性实验教学改革

开放性原子吸收光谱分析实验主要针对参与各项竞赛的学生团队开设。开放性实验采用项目式教学手段，按照学生所拟订的项目进行实施，包括整个项目的方案构思、产品准备、仪器使用、问题解决、数据处理等多方面。在整个项目实施过程中，遵循“构思—设计—实现—运行”的CDIO工程思路，融合理论基础、个人能力、团队协作能力和工程系统能力四个层面，体现杜威“做中学”的理念，培养学生的独立思考能力、创造能力、解决问题能力和团结协作能力[13-14]。参加各项竞赛更有助于激发学生浓厚的实验兴趣，提高学生的实践动手能力。我校开设校级“大学生创新创业项目”，推荐优秀学生参加省级、国家级“大学生创新创业项目”，院系和实验中心开设“学生创新创业项目基金”，鼓励学生积极参与创新研究，充分调动个人和团队的积极性、创造性，更好地达到培养学生综合能力的目的。

2.2 课程评价体系改革

不同于传统授课方式的评价体系，CDIO教学模式从理论基础、个人能力、团队协作能力和工程系统能力四个层面对学生能力进行综合评价，评价贯穿于学生实验的整个过程。

(1)理论基础。理论基础的评价主要侧重于对原子吸收光谱理论知识的掌握，包括原子吸收光谱原理、郎伯比尔定律、工作曲线法和标准加入法等基础知识和实验数据的处理，考查学生知识点的掌握情况。

(2)个人能力。个人能力的评价主要侧重于学生的实验操作能力和在实验实施过程中的其他能力。考查学生对各类文献资料的搜集整理能力，基础性实验操作的掌握能力，根据理论原理提出实施方案的独立思考能力，以及实验过程中处理问题的创新能力。

(3)团队协作能力。团队协作能力主要考查学生团队互相之间的配合与合作能力。整个实验过程中，既有学生的个人操作，又有小组整体的分工、交流、协调、合作。采用教师评价和学生互评相结合的方法对学生的团队协作能力进行评价。

(4)工程系统能力。工程系统能力主要考查学生的综合能力，包括对项目实施的具体设计思路、实验过程中的关键技术掌握程度、对实验原理的掌握和综合运用、实验实施具体操作过程、实验过程中发现及解决问题等多种能力的综合。在项目整个实施过程中，学生从“学明白”到“想明白”到“做明白”，再到“说明白”[15-17]。

结语

实践证明，基于CDIO理念改革原子吸收光谱分析实验是切实可行的，对于学生综合能力的培养和综合素质的提高是有帮助的。改革后的实验教学，强调学生的学习主体作用，突出“做中学”的理念，有利于提高学生的动手能力、独立思考能力、创新能力、工程实践能力、团队协作能力等综合能力。实验教学改革后，学生更加善于发现问题、提出问题和解决问题，为应用型人才的培养奠定了坚实的基础。