呂海霞， 李寧慧， 陳明杰， 程 捷， 尚龍安

(浙江大學寧波理工學院 生物與化學工程學院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

現(xiàn)階段，化學工業(yè)逐步向精細化工、生物醫(yī)藥化工、高新材料等新領域擴展，浙江省這些新興領域的化工產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)處于領先地位，其中許多產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模小、生命周期短、進入市場時間要快，并對市場反應敏捷。普林斯頓大學的Wei和明尼蘇達大學的Cussler等針對當前化學工業(yè)的變化趨勢，早在2000年提出化學產(chǎn)品工程是以產(chǎn)品為導向的化學工程科學，解決生產(chǎn)何種產(chǎn)品及如何生產(chǎn)以滿足市場要求。他們認為，產(chǎn)品工程成為化學工程學科發(fā)展的一個新的研究范式，為化學工業(yè)提供技術推進和新的經(jīng)濟增長點[1]。我國學者認為，化學產(chǎn)品工程也是方法學，目的在于提高產(chǎn)品設計水平，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提升產(chǎn)品性能；產(chǎn)品工程是化學工程研究中具有廣闊發(fā)展前景的方向之一，應以此為原則重新規(guī)劃化學工程學科的研究和教學[2]。因此如何在產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略推進的新形勢下培養(yǎng)區(qū)域經(jīng)濟需要的精細化工、生物醫(yī)藥化工、高新材料等領域的應用型人才是高校必須深思和解決的問題。

1 國內(nèi)CDIO工程教育模式概況

提到工程人才培養(yǎng)離不開目前被國際上眾多教育機構采納并證明行之有效的CDIO工程教育模式。麻省理工學院等4所大學合作開發(fā)的CDIO工程教育模式繼承并發(fā)展了歐美20多年來工程教育重大改革的理念，代表了目前工程教育的發(fā)展趨勢。國內(nèi)汕頭大學2005年首先開始研究實施CDIO模式，繼而成為我國第一個CDIO國際合作組織成員[3-6]。在教育部的積極推動下，近40所高校在機械類、電氣類、化工類、土木類專業(yè)試點CDIO工程教育模式[7-8]。2016年1月“全國CDIO工程教育聯(lián)盟”成立，CDIO工程教育理念逐步深入國內(nèi)工程教育。國內(nèi)CDIO工程教育的實施和發(fā)展呈現(xiàn)從改革本身到教學方法、從引進模仿到本土化特色化、從理論探討到課程體系開發(fā)、從學生能力到教師能力4個方面的轉向[9]。CDIO工程教育模式正成為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才的新途徑。本文將CDIO模式用于生物與化學工程專業(yè)實驗課群的教改實踐，開發(fā)適合應用型人才的課程體系，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 基于CDIO理念的專業(yè)實驗教學改革

2.1 教學現(xiàn)狀

專業(yè)實驗教學是本科實驗教學環(huán)節(jié)中最重要的部分，是實現(xiàn)專業(yè)教學目標的重要載體，通過綜合運用本專業(yè)核心課程及相關領域的知識及實驗技能培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力[10]，為培養(yǎng)具有自主創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應用型人才提供保障。我校生物與化學工程實驗教學中心(以下簡稱“中心”)承擔生物工程、制藥工程、高分子材料與工程、化學工程與工藝4個專業(yè)的專業(yè)實驗課程，主要存在以下共性問題：課程缺乏整體設計，實驗項目知識銜接不緊密，“照方抓藥”型實驗較多，學生在實驗課學習過程中始終處于被動地位，致使學生普遍動手能力差，工程素質(zhì)弱，綜合素質(zhì)低，無法適應社會及行業(yè)發(fā)展的需要。所以專業(yè)實驗課教改勢在必行。

2.2 改革教學內(nèi)容

針對實驗教學現(xiàn)狀，以建設省重點實驗教學示范中心為契機，中心基于“產(chǎn)品工程”和CDIO工程教育理念，以“產(chǎn)品”為導向整合教學內(nèi)容，以CDIO課程模式組織設計教學過程，深化專業(yè)實驗課群教改探索實踐。

以化工“產(chǎn)品”為導向重構專業(yè)實驗的教學內(nèi)容，明確專業(yè)培養(yǎng)目標，考慮從化工產(chǎn)品研發(fā)開始到產(chǎn)品使用的整個生命周期來精選合適的“產(chǎn)品”，圍繞該“產(chǎn)品”的實驗內(nèi)容要體現(xiàn)專業(yè)教學的整體性和系統(tǒng)性，盡量涵蓋本專業(yè)核心課程的知識要點。突出課程之間的關聯(lián)性，打破理論課程之間和教師之間的壁壘，避免不必要的重復，讓學生通過自主學習有機貫通專業(yè)知識體系來完成相關“產(chǎn)品”的實驗項目，既強化基礎知識和專業(yè)理論的學習，又注重實驗實踐訓練，并學習解決綜合問題[11]。經(jīng)典實驗積累了歷年教學過程的經(jīng)驗，其內(nèi)涵和技術上有時間的積淀，能保證教改探索的空間和教學的長遠性。中心在改革創(chuàng)新原有經(jīng)典實驗項目的基礎上，適當從教師先進的科研成果中選擇新“產(chǎn)品”引入專業(yè)實驗，優(yōu)化更新教學內(nèi)容。

2.3 教學過程設計

產(chǎn)品工程認為大部分精細化學產(chǎn)品的設計開發(fā)主要分為需求、創(chuàng)意、篩選、制造等4個步驟，這與CDIO代表的構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate) 的工程教育模式完全吻合。推行以“產(chǎn)品”為導向的專業(yè)實驗教學改革，核心是圍繞一個產(chǎn)品完整地開展構思、設計、實現(xiàn)、運作過程，即按照CDIO工程項目的實施組織設計教學，保證實驗項目具有合理性和可行性，系統(tǒng)地指導學生完成產(chǎn)品的整個開發(fā)過程。將選定“產(chǎn)品”的相關實驗項目重新設計或優(yōu)化整合，使實驗教學內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，各個實驗項目之間既相互獨立又相互銜接，全部實驗項目組合在一起形成一個完整的化工產(chǎn)品的開發(fā)過程。每個實驗項目要有各自明確的實驗目的和能力培養(yǎng)目標，對應相關專業(yè)核心課程知識點，使各實驗項目由點到面有機融合相關專業(yè)知識，循序漸進提高學生不同層次的能力[12]。

圍繞每個“產(chǎn)品”，實驗項目的教學過程設計要體現(xiàn)C、D、I、O 4個階段。

構思階段需要明確功能符合市場或用戶需求的這一“產(chǎn)品”是什么。通過大量文獻調(diào)研找到何種產(chǎn)品能滿足性能、環(huán)境等要求或設計產(chǎn)品功能結構。加深學生對“產(chǎn)品”的認識，化工產(chǎn)品從大批量、連續(xù)化的基礎化學品到小批量、多品種、個性化的專用化學品，涉及生產(chǎn)生活的各個領域。

設計階段要求學生完成從原料到產(chǎn)品的實現(xiàn)路徑，具體包括原料、生產(chǎn)工藝、設備、操作條件的選定等。在教師的指導下，師生共同對每個過程進行可行性分析，不合理的部分重新設計，直至確定利用現(xiàn)有實驗室條件能實現(xiàn)的完整的設計方案。指導學生為下一環(huán)節(jié)做充分的實驗準備和技術討論等。

實現(xiàn)環(huán)節(jié)是圍繞“產(chǎn)品”的實驗操作過程，一般包括原料的測試與預處理、化學反應合成、粗產(chǎn)品分離精致、產(chǎn)品分析測試等。這個階段的工作必須在實驗室完成，是教改的核心環(huán)節(jié)，著力培養(yǎng)學生的實驗操作技能、綜合創(chuàng)新能力。這類綜合創(chuàng)新實驗的時間遠遠超出傳統(tǒng)課時安排，所以要靈活合理地增加實驗課時，采用開放實驗的管理方式，除了教師和實驗員適當引入研究生助教，給學生留足實驗探索空間。

運作階段對產(chǎn)品進行實際應用，檢測產(chǎn)品的性能是否達到構思階段的預設。為產(chǎn)品的改進和再生產(chǎn)提供指導。這個環(huán)節(jié)也可以做工廠調(diào)研，跟蹤用戶對產(chǎn)品的使用情況或反饋，積累生產(chǎn)經(jīng)驗。加深學生對產(chǎn)業(yè)上下游供應鏈的了解。

3 教學實踐

每個專業(yè)根據(jù)教學實際新增2～3個成熟的“產(chǎn)品工程”實驗項目，使實驗內(nèi)容更加綜合化和系統(tǒng)化，全面反映專業(yè)工程特色。通過每個“產(chǎn)品”的CDIO工程項目的訓練強化學生基本實驗技能、工程實踐能力、綜合創(chuàng)新能力，實現(xiàn)對學生專業(yè)知識、工程實踐能力和團隊協(xié)作能力的整體培養(yǎng)。

生物工程專業(yè)實驗原有涵蓋生物產(chǎn)業(yè)上、中、下游產(chǎn)品的綜合設計性實驗，但是產(chǎn)物分離效果差，加之生物工程專業(yè)已升級為一本專業(yè)，教改迫在眉睫。中心緊密圍繞生物產(chǎn)業(yè)的4大類“生物產(chǎn)品” 更新實驗教學內(nèi)容。比如改革原有的堿性磷酸酶實驗，圍繞該“生物產(chǎn)品”開發(fā)相應的實驗：① 大腸桿菌堿性磷酸酶基因工程菌的構建和鑒定；② 大腸桿菌堿性磷酸酶基因工程菌發(fā)酵實驗；③ 親和層析技術分離純化堿性磷酸酶融合蛋白。通過這3個獨立的實驗，最終得到純化的堿性磷酸酶融合蛋白。要求學生掌握2～3種生物類產(chǎn)品的生產(chǎn)制備全過程，接受生物工程專業(yè)實踐的系統(tǒng)訓練。

制藥工程專業(yè)實驗原來開設8～9個提取或合成常見藥物的實驗，小而分散。中心系統(tǒng)整合藥物化學、天然藥物化學、藥理、藥物分析、藥劑等課程的基本知識點，利用中心先進的超臨界流體萃取、制備液相色譜純化、模擬移動床等設備，設計從實驗藥物的合成開始，經(jīng)過藥物的生物活性測試、分離、純化、藥物的劑型選擇和制備，到藥物的質(zhì)量控制和純度測定的實驗項目，讓學生在建立制藥學科整體知識體系的基礎上了解新藥研發(fā)全過程[13]。選擇經(jīng)典的合成藥物阿司匹林和天然化合物白藜蘆醇對學生進行藥物研究的系統(tǒng)訓練，優(yōu)化實驗項目鏈，前者是包括阿司匹林合成、片劑的制備、一般質(zhì)量分析、HPLC法含量測定的大型綜合實驗；后者是包括白藜蘆醇提取、乙酰白藜蘆醇片劑的制備、HPLC法測定片劑中乙酰白藜蘆醇的含量以及乙酰白藜蘆醇片劑的質(zhì)量檢驗的系列實驗。

高分子材料與工程專業(yè)實驗已經(jīng)將原來單一的、驗證性的實驗整合為“模塊式的自主設計+討論+綜合設計訓練”的教學模式。遵循整體性設計原則，按照“高分子配方、合成、加工、性能測試”的項目鏈進行了設計和更新，選擇高性能基體樹脂層壓板的制備及性能測試、環(huán)保性無鹵磷系阻燃劑的合成及性能測試、高分子共混合金的制備及其性能測試、高分子阻燃改性及其性能測試4個大型綜合實驗，讓學生完成從材料到復合材料再到材料加工改性及分析測試結構表征與鑒定評估的系列實驗項目。

化學工程與工藝專業(yè)實驗突破傳遞過程、熱力學、分離工程、反應工程、化工工藝等模塊的限制，按照“產(chǎn)品”理念系統(tǒng)安排實驗項目。大乙苯實驗除了完成“原料→反應→分離→產(chǎn)品分析測試”的實驗過程，還要求學生結合化工過程開發(fā)與設計課程，完成從市場調(diào)研確定工藝路線到化工過程放大、過程節(jié)能降耗、環(huán)境保護及技術經(jīng)濟評價等環(huán)節(jié)的報告，讓學生了解化工產(chǎn)品的整個開發(fā)過程[14]。旋轉填料床制備實驗是結合教師科研成果的創(chuàng)新綜合實驗，學生利用超重力設備選擇新型的制備工藝先后制備出納米羥基磷灰石、甲基丙烯磺酸鈉鹽、納米二羥基苯甲酸銅、納米碳酸鈣等多種產(chǎn)品。

專業(yè)實驗教學采用分組方式，各組的實驗內(nèi)容有的相同，有的自行選題。除了在專業(yè)實驗室完成從原料到產(chǎn)品的實驗操作，大量的學習過程是學生合作調(diào)研、師生互動討論。一個完整的專業(yè)實驗過程相當于一個小型的科學研究過程，教師指導學生利用圖書館及網(wǎng)絡進行文獻資料的檢索，引導學生整理歸納分析搜集的資料，協(xié)助學生結合興趣等實際情況提出研究方向或明確研究目標，繼而指導學生提出實驗方案。放手讓學生去動手實驗，重視對實驗結果的分析討論，規(guī)范實驗報告或論文的完成，通過一個產(chǎn)品完整的構思、設計、實現(xiàn)、運作過程，初步培養(yǎng)學生的科研能力，讓學生體驗團隊精神，成為未來新產(chǎn)品研發(fā)的生力軍。

中心挖掘各專業(yè)教師豐富的實驗教學經(jīng)驗，同時積極采取各項措施保證教改的實施：① 更新教學觀念。樹立“以學生為中心”的理念，引導學生主動學習。讓學生對待實驗課程由“要我學”變成“我要學”;② 改革教學方法。提高教師的CDIO課程教學水平，完善評價考核實驗教師的方法;③ 完善并形成科學的實驗課程考核方法,增加實驗項目報告答辯、項目可行性報告等形式，通過自評互評等多種考核方法促進學習方式的多樣化，改變學生學習態(tài)度。通過省市重點學科專業(yè)和省重點實驗教學示范中心的優(yōu)勢平臺為專業(yè)實驗課群教改創(chuàng)造條件，改革后的專業(yè)實驗課群教學體系如圖1所示。

圖1 基于CDIO模式的專業(yè)實驗課群教學體系

4 實踐效果

以上教改實踐加強了理論課與實驗課的銜接，扭轉了以往“重理論輕實踐、重知識傳授輕工程實訓”的傾向，實踐效果良好。

(1) 優(yōu)化了實驗教學體系。 基于“產(chǎn)品”和CDIO理念引入綜合創(chuàng)新實驗，豐富了實驗教學內(nèi)容，提高了專業(yè)實驗課群的教學質(zhì)量，優(yōu)化了中心以綜合創(chuàng)新實驗為核心的實驗教學體系，推動省級重點實驗教學示范中心的教學建設，進一步凝煉了中心“產(chǎn)品-產(chǎn)業(yè)”的教學特色，使中心的專業(yè)實驗在同類院校中具有獨特性和先進性。

(2) 提高了整個專業(yè)的教學水平。 專業(yè)實驗課群的教改促進了各專業(yè)理論課程的CDIO深層次改革與創(chuàng)新，推動適合應用型人才的課程體系建設，提高了整個專業(yè)的教學水平，從而突出了我院省市重點學科專業(yè)的特色。

(3) 完善了人才培養(yǎng)模式。 將知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高貫穿于實驗教學全過程，按照CDIO課程模式組織實驗教學，有助于帶動整個專業(yè)人才培養(yǎng)的CDIO模式探索，加強與產(chǎn)業(yè)實際的聯(lián)系，強化了工程型、應用型人才的培養(yǎng)，推動了實踐育人，完善了高素質(zhì)應用型人才的培養(yǎng)模式，實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的無縫對接。

(4) 學生真正受益。專業(yè)實驗課程包含本專業(yè)主要核心課程和能力要求，對學生的專業(yè)知識、工程實踐能力和人際團隊協(xié)作能力進行整體培養(yǎng)。教改增加了實驗課時，徹底改變了以往的實驗教學方式，通過圍繞產(chǎn)品項目的構思、設計、實現(xiàn)和運作過程,讓學生體驗學以致用，并在建立整體專業(yè)知識體系的基礎上接受系統(tǒng)的工程訓練，增加學習探索興趣，激發(fā)專業(yè)信心，深化對專業(yè)的認識，提高了學生的動手操作能力及工程實踐創(chuàng)新能力，使學生真正受益，教改得到學生的一致認可[15-16]。

5 結 語

基于CDIO模式的生物與化工專業(yè)實驗課群教改體現(xiàn)了學校致力于培養(yǎng)高素質(zhì)的應用型、復合型、外向型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的理念。下一步中心將開發(fā)學科交叉的CDIO實驗項目，并將CDIO模式延伸到畢業(yè)設計、創(chuàng)新科研等實踐模塊，完善以能力培養(yǎng)為核心的實驗教學體系，加強復合型外向型應用人才培養(yǎng)，進一步推動人才培養(yǎng)模式的改革，加快我校應用型建設轉變并提高應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。