呂海霞， 李寧慧， 陳明杰， 程 捷， 尚龍安

(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

0 引 言

現(xiàn)階段，化學(xué)工業(yè)逐步向精細化工、生物醫(yī)藥化工、高新材料等新領(lǐng)域擴展，浙江省這些新興領(lǐng)域的化工產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)處于領(lǐng)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(yīng)敏捷。普林斯頓大學(xué)的Wei和明尼蘇達大學(xué)的Cussler等針對當前化學(xué)工業(yè)的變化趨勢，早在2000年提出化學(xué)產(chǎn)品工程是以產(chǎn)品為導(dǎo)向的化學(xué)工程科學(xué)，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(xué)工程學(xué)科發(fā)展的一個新的研究范式，為化學(xué)工業(yè)提供技術(shù)推進和新的經(jīng)濟增長點[1]。我國學(xué)者認為，化學(xué)產(chǎn)品工程也是方法學(xué)，目的在于提高產(chǎn)品設(shè)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(xué)工程研究中具有廣闊發(fā)展前景的方向之一，應(yīng)以此為原則重新規(guī)劃化學(xué)工程學(xué)科的研究和教學(xué)[2]。因此如何在產(chǎn)業(yè)升級和創(chuàng)新驅(qū)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(lǐng)域的應(yīng)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(gòu)采納并證明行之有效的CDIO工程教育模式。麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生能力到教師能力4個方面的轉(zhuǎn)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(xué)工程專業(yè)實驗課群的教改實踐，開發(fā)適合應(yīng)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(xué)改革

2.1 教學(xué)現(xiàn)狀

專業(yè)實驗教學(xué)是本科實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中最重要的部分，是實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)目標的重要載體，通過綜合運用本專業(yè)核心課程及相關(guān)領(lǐng)域的知識及實驗技能培養(yǎng)學(xué)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(yīng)用型人才提供保障。我校生物與化學(xué)工程實驗教學(xué)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(xué)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(shè)計，實驗項目知識銜接不緊密，“照方抓藥”型實驗較多，學(xué)生在實驗課學(xué)習過程中始終處于被動地位，致使學(xué)生普遍動手能力差，工程素質(zhì)弱，綜合素質(zhì)低，無法適應(yīng)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(xué)內(nèi)容

針對實驗教學(xué)現(xiàn)狀，以建設(shè)省重點實驗教學(xué)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(dǎo)向整合教學(xué)內(nèi)容，以CDIO課程模式組織設(shè)計教學(xué)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(dǎo)向重構(gòu)專業(yè)實驗的教學(xué)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(xué)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(guān)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(fù)，讓學(xué)生通過自主學(xué)習有機貫通專業(yè)知識體系來完成相關(guān)“產(chǎn)品”的實驗項目，既強化基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論的學(xué)習，又注重實驗實踐訓(xùn)練，并學(xué)習解決綜合問題[11]。經(jīng)典實驗積累了歷年教學(xué)過程的經(jīng)驗，其內(nèi)涵和技術(shù)上有時間的積淀，能保證教改探索的空間和教學(xué)的長遠性。中心在改革創(chuàng)新原有經(jīng)典實驗項目的基礎(chǔ)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(xué)內(nèi)容。

2.3 教學(xué)過程設(shè)計

產(chǎn)品工程認為大部分精細化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)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(gòu)思(Conceive)、設(shè)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(dǎo)向的專業(yè)實驗教學(xué)改革，核心是圍繞一個產(chǎn)品完整地開展構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作過程，即按照CDIO工程項目的實施組織設(shè)計教學(xué)，保證實驗項目具有合理性和可行性，系統(tǒng)地指導(dǎo)學(xué)生完成產(chǎn)品的整個開發(fā)過程。將選定“產(chǎn)品”的相關(guān)實驗項目重新設(shè)計或優(yōu)化整合，使實驗教學(xué)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?zāi)康暮湍芰ε囵B(yǎng)目標，對應(yīng)相關(guān)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(guān)專業(yè)知識，循序漸進提高學(xué)生不同層次的能力[12]。

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

構(gòu)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(shè)計產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)。加深學(xué)生對“產(chǎn)品”的認識，化工產(chǎn)品從大批量、連續(xù)化的基礎(chǔ)化學(xué)品到小批量、多品種、個性化的專用化學(xué)品，涉及生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。

設(shè)計階段要求學(xué)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(shè)備、操作條件的選定等。在教師的指導(dǎo)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(shè)計，直至確定利用現(xiàn)有實驗室條件能實現(xiàn)的完整的設(shè)計方案。指導(dǎo)學(xué)生為下一環(huán)節(jié)做充分的實驗準備和技術(shù)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(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(xué)生留足實驗探索空間。

運作階段對產(chǎn)品進行實際應(yīng)用，檢測產(chǎn)品的性能是否達到構(gòu)思階段的預(yù)設(shè)。為產(chǎn)品的改進和再生產(chǎn)提供指導(dǎo)。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(xué)生對產(chǎn)業(yè)上下游供應(yīng)鏈的了解。

3 教學(xué)實踐

每個專業(yè)根據(jù)教學(xué)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(xùn)練強化學(xué)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(xué)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(shè)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(xué)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(yīng)的實驗：① 大腸桿菌堿性磷酸酶基因工程菌的構(gòu)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(shù)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(xué)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(xùn)練。

制藥工程專業(yè)實驗原來開設(shè)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(xué)、天然藥物化學(xué)、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(shè)備，設(shè)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(xué)生在建立制藥學(xué)科整體知識體系的基礎(chǔ)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(xué)生進行藥物研究的系統(tǒng)訓(xùn)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(shè)計+討論+綜合設(shè)計訓(xùn)練”的教學(xué)模式。遵循整體性設(shè)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(shè)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(xué)生完成從材料到復(fù)合材料再到材料加工改性及分析測試結(jié)構(gòu)表征與鑒定評估的系列實驗項目。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)實驗突破傳遞過程、熱力學(xué)、分離工程、反應(yīng)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(yīng)→分離→產(chǎn)品分析測試”的實驗過程，還要求學(xué)生結(jié)合化工過程開發(fā)與設(shè)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(shù)經(jīng)濟評價等環(huán)節(jié)的報告，讓學(xué)生了解化工產(chǎn)品的整個開發(fā)過程[14]。旋轉(zhuǎn)填料床制備實驗是結(jié)合教師科研成果的創(chuàng)新綜合實驗，學(xué)生利用超重力設(shè)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(xué)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(xué)習過程是學(xué)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(xué)研究過程，教師指導(dǎo)學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)進行文獻資料的檢索，引導(dǎo)學(xué)生整理歸納分析搜集的資料，協(xié)助學(xué)生結(jié)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(dǎo)學(xué)生提出實驗方案。放手讓學(xué)生去動手實驗，重視對實驗結(jié)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(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作過程，初步培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，讓學(xué)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(xué)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(xué)觀念。樹立“以學(xué)生為中心”的理念，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習。讓學(xué)生對待實驗課程由“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”;② 改革教學(xué)方法。提高教師的CDIO課程教學(xué)水平，完善評價考核實驗教師的方法;③ 完善并形成科學(xué)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(xué)習方式的多樣化，改變學(xué)生學(xué)習態(tài)度。通過省市重點學(xué)科專業(yè)和省重點實驗教學(xué)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(xué)體系如圖1所示。

圖1 基于CDIO模式的專業(yè)實驗課群教學(xué)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(zhuǎn)了以往“重理論輕實踐、重知識傳授輕工程實訓(xùn)”的傾向，實踐效果良好。

(1) 優(yōu)化了實驗教學(xué)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(xué)內(nèi)容，提高了專業(yè)實驗課群的教學(xué)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(xué)體系，推動省級重點實驗教學(xué)示范中心的教學(xué)建設(shè)，進一步凝煉了中心“產(chǎn)品-產(chǎn)業(yè)”的教學(xué)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(xué)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(yīng)用型人才的課程體系建設(shè)，提高了整個專業(yè)的教學(xué)水平，從而突出了我院省市重點學(xué)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(xué)全過程，按照CDIO課程模式組織實驗教學(xué)，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(yīng)用型人才的培養(yǎng)，推動了實踐育人，完善了高素質(zhì)應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)方式，通過圍繞產(chǎn)品項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作過程,讓學(xué)生體驗學(xué)以致用，并在建立整體專業(yè)知識體系的基礎(chǔ)上接受系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，增加學(xué)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(xué)生的動手操作能力及工程實踐創(chuàng)新能力，使學(xué)生真正受益，教改得到學(xué)生的一致認可[15-16]。

5 結(jié) 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(xué)校致力于培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、復(fù)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(xué)科交叉的CDIO實驗項目，并將CDIO模式延伸到畢業(yè)設(shè)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(xué)體系，加強復(fù)合型外向型應(yīng)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(yīng)用型建設(shè)轉(zhuǎn)變并提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。