“化工原理”课程OBE-CDIO教学模式的构建与实施*

胡 丹，冯旭东，朱秋锋，展 侠，叶 宏，李双阳

(北京工商大学 轻工科学技术学院，北京 100048)

2017年2月，教育部高等教育司发布了《关于开展“新工科”研究与实践的通知》，通知中指出我国现阶段需要深化工程教育理念，建设工程教育强国。当前，国家提倡科技创新驱动经济发展战略思想，大力发扬自力更生精神，研发生产自主品牌形成核心竞争力，推动国家繁荣富强。科技创新的战略思想和当前国家经济发展动态离不开高水平工程科技人才，因此迫切需要加快工程教育的创新改革。依据国家当前发展战略对工科人才的极大需求，各个工科院校应承担起为国家培养人才的重任，根据现阶段国家经济发展需求和趋势对工程教育的方法、模式、理念和评价体系进行全方位改革，建设“新工科”人才培养的模式。培养“新工科”人才需要在以往掌握工程知识的基础上，加强自主分析问题能力，并学习自主解决问题的能力，即灵活使用和融会贯通的能力。“新工科”人才要有创新能力，能够运用所学知识和技术解决工程上的问题，并处理未来发展可能出现的问题，具有行业和技术引领能力，是集合适应能力、实践能力、领导能力等为一体的高素质复合型人才[1]。

“化工原理”课程是化工类专业学生的一门重要专业基础课。它涉及化工生产过程中各种常见的单元操作的理论知识。需要学生综合运用化学、物理、数学等基础理论知识，并将这些理论知识与工程问题结合，分析和设计工业生产过程中的各种操作。它既需要学生具备扎实的基础理论知识，又引领学生步入工程实践，是一座连接理论与技术的桥梁[2]。由于该课程集合了理论与工程，具有很强的工程背景，为学生传递工程观念并培养工程能力，兼顾理论课程、实验科学和实验教学于一体，是“新工科”人才培养的代表型课程，因此可以说“化工原理”教学水平对工科学生的工程理论素质和工程能力的培养有着至关重要的作用。

但是，目前许多高校非“大化工”专业的“化工原理”课程在培养“新工科”人才方面还存在诸多的问题，其理论知识内容依靠教师课堂讲解，实践环节主要基于化工原理实验，学生参与实验操作内容与实际工程项目还有差距。教师和学校对学生的工程能力评估完全依赖于考试结果。由于学生对工程概念的了解完全来自课堂上老师的讲解，课程中真正接触到的工程实践内容少，缺乏对工程概念的认知。从课程模式上，学生学习过程缺乏互动，没有团队协作概念。课程评价体系中，仅考虑考试成绩忽视工程能力的评价，考核体系过于单一，这些教育过程存在的问题与“新工科”人才的培养要求还相差甚远，迫切需要研究和解决。此外，对于现阶段的工程教育集中在知识点灌输，缺少对知识转化为应用能力的培养，缺乏创新能力的锻炼。因此，探索合理的教学方式提升学生的工程能力对于培养“新工科”人才具有重要意义。

1 CDIO教学模式

CDIO教学模式是在2000年由美国麻省理工学院、瑞典皇家技术学院、瑞典林克平大学和瑞典查尔姆斯技术学院四所大学提出并确立。CDIO分别代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运行(Operate)[3]，注重产品研发至上市整个过程的学习。CDIO教学模式是符合工科教育教学培养的模式，能够让学生更深入的体会工程思维和工程应用过程中的问题。CDIO模式本质上是集合了案例教学、问题教学、项目教学、自主学习、产学研合作和团队合作的一种多维度的教学方式，综合考虑了专业基础知识、工程认识、个人和职业技能以及团队协作能力。在此教学模式下，学生不仅可以学习理论知识，更掌握了知识的运用和实践，对于培养工程思维起到了非常大的影响[4]。目前，基于CDIO理念结合“化工原理”课程教学的应用已在多所学校得以开展。其中，沈阳药科大学制药工程学院基于CDIO理念构建了多元化的“化工原理”课程，包含了理论课程的多元、实验课程的多元和课程设计的多元[5]。通过这些方式将CDIO理念与“化工原理”课程教学的有机融合在工程实践方面确实取得了很大的进展，但是多数基于CDIO理念教学过程都是在原本的教学大纲的基础上增加一些课程设计内容，或者参与化工设计大赛等。无论是课程设计还是化工设计大赛都是独立于理论教学内容的，工程项目案例的综合性过高，与课程的知识点的直接关联度体现得不明显，理论知识和实践内容的结合性不足，因此CDIO理念与教学过程的融合方式还有待提高。

2 OBE教学理念

OBE(Outcomes-Based Education，成果导向教育)理念是由美国学者Spady[6]等人最早提出，之后被广泛运用在欧美地区的教育教学过程。OBE理念与以往的教师教什么，学生就学什么的教育思维相反，是从学生得到什么教育成果的角度出发，反向设置教育教学内容和讲授模式的一种教育理念。当今学生对学习的目的性和知识的应用价值更为关注，对待学习的热情与学习内容和实际效益紧密关联。因此，将教育的结果和实践结果前置，导向学生的学习内容，更加符合当代学生的接受教育的理念，也更适用于当代教育教学工作。近些年OBE理念被应用在诸多高校的课程改革中，包含在线课程、实践课程和专业人才培养模式[7-9]。在OBE理念的指导下开展教育教学工作，不仅可以提高教学工作的品质，同时也能优化教师的授课水平。对于学生来讲，基于这种教学模式下学习，可以提升学生的学习积极性，促进对知识的掌握，而且有助于引导学生的自主学习能力，对学生的实践能力的提升也有很大的帮助。

3 基于“OBE-CDIO”理念的“化工原理”课程教学模式

CDIO理念对于培养新工科人才具有显著裨益，而OBE理念在提升学生学习兴趣，引领学生自主学习的方面具有优势，将二者结合起来，通过开发合理的项目任务，以先导的方式引领学生进入工程实践过程，有助于激发学生的工程学习热情，培养学生分析问题解决问题的能力，是培养新工科人才的有效手段。基于以上理论，开发OBE-CDIO理念对“化工原理”课程进行教学改革，具体方案如图1所示。

图1 OBE结合CDIO理念的化工原理课程实施方案

首先，根据CDIO理念和教学大纲的内容，开发多个项目案例，项目的解决方案涉及到“化工原理”所学习的知识点。然后采用OBE理念，在正式授课之前，先把学习目标给学生们确立，即解决某个项目案例。最后，通过讲授课程知识，学生们尝试独立或团队解决项目案例，从中获得成就感。在项目案例的解决过程中，可以弥补课堂上学习的缺漏，也能够使学生在课堂学习过程中更有目的性，提高学习的效率。具体实施内容包含以下几个方面：

3.1 工程案例的筛选和设计

工程案例的合理选取和设计是OBE-CDIO理念的“化工原理”教学改革的关键问题。由于项目案例是用于辅助课堂教学，并拓展教学知识的实践应用，因此在选取和设计上应不同于传统的课程设计。传统的“化工原理”课程设计具有独立学时，学生在完全结束了“化工原理”课程之后集中时间进行沉浸式学习。这与本文所述的项目设计有所不同。本文采用的项目案例需基于学习进度适时地调整，比如在讲授流体和流体输送机械之后，可以设计一个小的案例，需要学生根据物料特性和运输条件选则合适的输送机械进行输送。当课程学习到传热章节之后，可以选取案例包含换热器的设计同时也需要根据冷热流体的流量设计泵。这样不仅结合了前面所学的知识，让学生自主复习已学过的知识，还能加强知识体系的运用能力。

在设计项目案例的同时，还可以结合专业特色，设计符合专业方向的工程案例。比如对于酿酒专业，在设计案例时，可以考虑输送酒品原料进入发酵罐和对发酵产品的分离纯化。关于酒的密度、粘度等物理特性则需要学生自己去翻阅资料查找。这样一方面加强学生对专业领域的认知，使学生掌握本专业的基本概念；另一方面提高学生查阅资料，自主学习的能力。

对于工程案例的选取，还应避免与作业习题雷同。工程性案例应该更贴近实际生产需求，可以是产品生产周期内的一个环节，也可以是一个目前需要解决的生产方案设计。案例任务书应尽可能的涉及开放性问题，鼓励学生采用多种途径、运用不同手段和知识体系去解决问题。引导学生观察生活周边，大胆合理假设未知条件，提出合理可行的实施方案。

3.2 教学方案的改进

基于OBE-CDIO理念的教学方案需要将教学内容与案例项目建立关系网络，如图2所示。首先，详细分析每个工程项目案例涉及到的相关知识点，将这些知识点与课程内容相结合，在合适的课程进度时发布案例。然后，在课程讲解之初将案例任务书通过雨课堂在线布置给学生，引发学生思考并提出问题。在还没学习相关知识的前提下引导学生思考解决任务书内容所需的知识或方法，建立学习目标。之后，将项目案例解决方案里涉及到的知识点进行系统梳理，按照课时划分知识内容，在课堂讲解过程中要及时提及本知识点内容与项目案例之间的关系，引导学生利用所学习的知识去完成项目案例。最后，在系统地讲解过案例所需的全部知识点后，结合项目任务书，为学生梳理任务书的解决思路，加深对知识点理解的同时，帮助学生顺利完成项目设计内容。

图2 教学内容与工程案例关系网络

3.3 项目成果的展示及评价标准

当阶段性的项目任务完成之后，可以通过评阅项目设计书文本进行查验项目完成情况。当学期末的时候，可以设计综合性较强的项目内容，通过评阅项目设计书文本和采用口头汇报的方式评价项目作业。具体的考核指标包含项目预习情况、项目完成度、设计书撰写情况、汇报展示效果、项目方案合理性、项目方案的创新性等几个方面进行考察。重点考察学生对开放性问题的解决思路和创新手段，鼓励学生自主探索新的方案途径。对项目成果的评价体系应尽可能全面，项目任务占课程总成绩的权重应适当加大。建立系统的量化指标如表1所示，加强学生对项目作业的重视程度。

表1 化工原理项目作业考核指标体系

4 结论

通过将OBE理念和CDIO理念有机结合，建立具有专业特色、贴合实际生产需求、具有开放性问题的案例库，将项目案例作为学习目标引导课程学习内容，是提高“化工原理”课程教学水平的有效措施。基于此理念的教学改革一方面提高工科学生的工程认知，另一方面提高学习的积极性，使学习兴趣和学习效率同时提高，为培养“新工科”人才奠定了良好的基础。