基于PBL-CDIO理念的应用型功能材料专业综合实验模式探索

朱明伟，李红梅，黄震威，卢天倪，李 娜，刘春忠

（沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110136）

摘 要：针对综合实验研究中存在的问题，引入PBL-CDIO理念，从实验内容、教学设计以及考核方式的角度进行了一些有益探索。结合课程特点，突出了实验研究的行业特色，加强了实验研究的过程设计并强化了形成性评价考核方式。教学实践表明，该项改革在调动学生的学习积极性、提高学生的团队合作能力和解决问题的能力等方面取得了较好的效果，这对功能材料专业或相近专业的专业建设及人才培养模式研究，具有一定的借鉴和参考价值。

关键词： PBL; CDIO; 功能材料; 应用型专业; 综合实验研究

基金项目：教育部高等教育司2021年第二批产学合作协同育人项目：新工科背景下功能材料类专业航空特色人才培养模式的研究与实践（202102459010）；辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目：产教融合、虚实一体新工科视域下材料类航空特色应用型人才培养实践教学体系创新与实践 

作者简介：朱明伟（1978.01-），男，汉族，山东泰安人，博士，副教授，研究方向：氧化物电磁功能材料

通讯作者：黄震威（1970.08-），男，汉族，辽宁沈阳人，博士，副教授，研究方向：计算材料学

1 背景

新工科背景下高校对传统工科专业的建设与发展提出了新的要求，强调改造升级传统工科专业，注重跨学科交叉融合，完善人才培养模式，培养能够引领未来工程需求的创新型、综合型工程科技人才^[1]。随着教学改革的深入和素质教育的全面推进, 作为高等教育重要组成部分的实践教学越来越受到重视，专业实践能力的培养环境和培养模式对于应用型高校培养应用型高级人才至关重要。专业实验是高校开展专业实践能力培养环节中不可缺少的一部分, 而综合实验研究作为综合训练学生使用专业基础理论和各项专业实验技能的重要一环，也是培养学生实践能力、创新能力和团队精神的重要教学实践^[2]。功能材料是目前材料研究的热门领域，也是未来材料发展的大势所趋 ^[3]。沈阳航空航天大学功能材料专业作为辽宁省首批应用型转型试点专业，一直在探索实践课程的教学模式改革。目前本专业综合实验研究环节主要覆盖材料的制备及材料表征研究，虽然在实验内容上满足培养方案的需求，但在课程定位和研究内容的更新等方面还存在一些问题。在目前 “成果导向（OBE）”的人才培养体系对工程实践环节的依赖性和要求越来越高的形势下，以航空特色为牵引的综合实验类环节改革迫在眉睫^[4]。

PBL（Project Based Learning）教学法是一套设计学习情境的建构主义取向教学方法；以学生为中心，强调学生自主学习，有利于培养学生分析问题和解决问题以及自主学习和终身学习的能力^[5]。CDIO（Conceive, Design, Implement and Operate）工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果， CDIO模式可以实现各个环节的有机关联，达到提高学生综合能力的效果^[6-7]。PBL和CDIO两种教学模式的目的都是提高学生的学习积极性，但两者的侧重有所不同，PBL 教学强调以问题为导向，CDIO 模式则关注于过程实践，若将PBL与CDIO结合起来，可以实现优势互补。有鉴于此，我们将PBL-CDIO理念运用于综合实验研究教学实践的全过程，采用项目分工协作的方式设计了一系列涵盖材料设计、制备、表征及应用方面的实验项目，充分调动学生的学习主动性，锻炼团队协作能力和自身综合素质，取得了良好的教学效果。

2 基于PBL-CDIO的综合实验研究教学过程设计

综合实验研究，既是专业实践、实验技能的综合，也是全部理论基础知识的综合，对学生实践能力的培养十分重要。对综合实验研究的教学过程可基于PBL-CDIO理念进行设计，大致可分为以下几个环节：

2.1 确立航空特色的综合实验研究材料体系

作为航空类院校的功能材料专业，结合学院现有实验条件，增加具有航空特色的实践环节，是培养新型航空领域应用型、复合型人才必不可少的一步。目前随着第四代战机的陆续服役和第五代战机的发展，对隐身吸波材料等电磁功能材料的研究在航空领域占据的比重越来越大。结合本系现有研究方向，对接学科发展前沿，确定氧化物陶瓷材料作为综合实验研究的基本材料体系；同时引入一些新型的低维材料如碳纳米管、石墨烯、Mxene等作为材料复合或增强材料，以其添加改性为目的。研究基本材料范围确定后，本系老师结合PBL理念进行集体讨论，参考具体的实验条件和科研情况，确定具体研究材料范围，同时以模块化的方式进行课题内容任务分解，要求涵盖材料的设计、制备及表征等方面，实现综合实验研究材料选题的顶层设计。

2.2 结合CDIO理念制定综合实验研究的教学实施流程

2.2.1 构思和设计阶段（Conceive and Design）

摒弃原来教师对学生实验课题的纵向指导，改为课题项目实施过程中的横向指导，既能发挥教师的专长，又能充分调动学生的积极主动性。在材料的设计方面，采用学生为主、教师辅助的方式，结合计算材料方面的课程，指导学生采用第一性原理模拟计算软件包Material Studio、分子动力学软件LAMMPS或有限元多场耦合计算软件COMSOL等计算进行材料结构和性能的理论预测，引导学生理解和实现材料设计的理念。材料的合成制备是完全由学生主导的过程，学生通过大量查阅文献并结合材料的具体性质及制备难易程度，选择适当的物理或化学制备方法，并深入体会材料合成方法的优缺点。材料的表征过程则以老师操作为主，学生为辅，学生负责样品的准备工作和数据分析过程。在此基础上教师与学生一起讨论材料性能的改进方向。

2.2.2 实施和运作阶段（Implement and Operate）

如图1所示，实验过程实施方面，首先对学生实验分组方式进行改进，变原来的单一实验为项目组合实验，摒弃原来的分组方式，改变一组学生从头做到尾的方式，改为项目分工的形式。先将班级分为几个大组，一组以6-9人，每个大组承担一个题目，选出项目组长，通过集体讨论确定实施过程，对大组中的成员进行分组和分工，覆盖材料设计、材料制备和材料检测三个环节，每组2-3人，完成其中的一个环节，共同完成一个课题，环环相扣，协同推进课题的进展。同时，这种开放式的、模块化的设计过程可以继续向外拓展，与大学生创新创业训练以及毕业设计有机的结合起来；也可与专业校外实习基地的外聘导师合作，进行相应的改进反馈，实现材料性能改善的闭环研究。

图1 综合实验改革后的教学实施环节

2.2.3 完善和细化实验小组和个人考核方式

对PBL-CDIO教学模式而言，考核方式的改革同样十分重要。为反映学生各方面的成长和发展，可采用形成性评价与总结性评价相结合的方式进行。考核方式分为五个部分：(1) 自我评价：采用个人自述报告的形式，学生结合自己实验内容，阐述对前期理论知识的理解认识以及理论实际结合情况；(2) 组员互评：采用较为灵活的方式，如问卷调查等，既可线下也可线上，涉及内容包含参与度、影响力、对题目的理解程度等方面；(3) 教师评价：教师结合答辩表现和实验完成情况进行打分；(4) 实验报告：最终的实验报告由所有人共同撰写，按照科研论文的格式进行，每人在最后的部分注明自己的贡献。对于做的较好的组可直接组织成文，作为科技论文发表，对学生形成二次激励；(5) 答辩考核：答辩环节主要考察学生对整个课题的理解深度、目标完成度、数据分析的合理性以及表达能力等方面。采用一人主讲，组员补充的方式进行。

前三种考核着重于过程考核，后两种作为总结性考核，针对五种成绩设置不同的权重，课程总评成绩为五种评价与权重系数乘积之和。教师在最终的成绩评定环节，既要看实验目标的总体完成情况，也要评价每人的个人任务完成情况，分别考察学生的个人能力、团队合作能力和解决问题的能力。

2.2.4 教学过程的总结与改进

教师通过对学生在各个环节的整体表现，一方面可以发现实施过程中的不足，从而及时调整方案，保证人才培养的效果与质量；另一方面则是对前期教学内容的反思，根据学生成绩情况，进行教学反思，促进前期基础课程的侧重点理解，用于后期课程的持续改进。结合学生在实验和数据分析过程中存在的问题，及时调整理论教学的侧重点和教学模式；同时相关的实验结果及实验内容又能反哺理论课程的教学内容，做到教学相长的有机融合。

3 教学效果分析

3.1 学生对材料体系和材料研究的整体认识提高。

该方法改变原有课程中题目设置单一和缺乏行业特色背景的现状，加深了学生对行业现状的认识。同时提供了一种知识、能力、素质一体化的教学方式，教授、学习和考核方式共同为培养目标服务。自2018年实施以来，整体成绩的进步情况较为明显。

3.2 学生对材料学知识综合运用能力的提高。

通过现有方式学生可以将材料设计、制备和表征有机的结合起来，了解材料的研究过程。所有课程环节有机融合在一起，加深对课程所学内容的深入理解。该环节的训练对学生创新创业大赛的实施提供了很好的帮助，培养了学生的创新能力和创新思维。本专业大创课题顺利结题的比例大幅提高，达到90%。对比2017级和2018级学生可以发现论文的整体水平有所提高。

3.3 学生团队协作分工意识的提高。

采用项目分工式协作，整个过程中即有老师的指导，又需要学生充分发挥个人的主观能动性。考核方式的改变也使得学生的参与感更强，增加了学生积极参与的动力。同时各个环节之间既独立又互相关联，一个环节的成功并不能保证整个实验的成功，但一个环节的失败可能导致整个实验的失败。这对培养学生的团队精神、责任感和协作解决复杂工程问题的能力十分有帮助。

4 结束语

本文探讨了PBL-CDIO理念在综合实验研究课程改革中的应用。结合PBL-CDIO理念对实验内容进行了特色更新和模块化设计；通过项目分工的模式实施教学过程，全链条覆盖材料设计、材料制备和材料表征等三方面的内容，改教师对学生实验题目的纵向指导为课题项目实施过程中的横向指导。并从个人考核和团队考核两个方面细化了考核体系，增加了过程性考核比重，从多方面评价学生能力的达成度。教学实践表明，改革对培养学生的创新意识和团队精神，提高学生理论联系实际的能力以及提高学生对专业的认可度均具有很好的效果。今后我们将继续深化此项改革。

参考文献

[1] 吴爱华, 侯永峰, 杨秋波, 郝杰. 高等工程教育研究，2017, 1: 1-9.

[2] 周志平, 郭素珍, 张明轩, 陈兰新, 张星辰. 教育理论与实践, 2010, 8: 12-14.

[3] 张占伟, 国旭明. 大学教育, 2018, 12: 33-35. 

[4] 周耐根, 唐建成, 徐玉华, 李祥生, 甘祥来. 实验技术与管理, 2020, 37(4): 242–244, 260.

[5] 杨峥. 考试周刊, 2011, 63: 2-4. 

[6] 郭丹, 金剑锋, 王明涛, 贾楠, 蒋敏. 2022, 39(1): 142-146.

[7] 丁晓红, 徐婕, 刘瑞来, 胡家朋, 赵瑨云. 广东化工, 2022, 49(464): 217-218.