方 波

(黄冈师范学院湖北省生物实验教学示范中心，湖北 黄冈 438000)

国家《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》等文件明确提出，高校要优化学科布局，打破传统学科专业之间的壁垒，突出学科交叉融合和协同创新[1]。新工科教育提倡学生中心、产出导向、持续改进的多学科交叉融合育人理念，注重培养学生的工匠精神、科技创新以及跨学科综合思维能力[2]。近年来，许多高校开展了跨专业、跨学科的人才培养实验教学探索，着力提升学生解决复杂工程问题的能力[3]。

基于新工科教育背景，以H学院生物工程专业为例，分析生物工程CAD传统教学面临的困境，在CAD实验中融入OBE教育理念，构建以提升实践创新能力为核心目标，以课程思政、项目驱动、双线融合、学法引导、科研助推相契合的“一心五维”工程CAD实验教学策略，探索学科交叉融合下与人才培养相适应的课程教学内容，培育具备较高工程设计思维和科学素养的综合创新型人才。

1 生物工程CAD传统实验教学面临的困境

1.1 学习困境

生物工程具有多学科交叉特点，开设课程极为广泛，而工程CAD属于其中的一门工具基础课，多数高校学时安排较少或定位成选修课，一些学生在CAD实验学习中，重视程度不够，认为该课程与生物工程毫不相干，在实验前毫无准备，没有进行相关预习和预测，在实验中学习积极性不高，在有限时间里难以准确高效地完成任务，实验后投入精力较少，缺乏对实验的巩固练习。同时该专业近年来女生居多，其图学空间形象思维较男生薄弱，对CAD实验的畏难情绪油然而生。这些消极的学习态度和观念使部分学生难以产生学习动力，懈怠了CAD课程的实践训练。

1.2 教学困境

当前高校开设的机械、建筑类等专业图学课程均有较为成熟的教材和教学体系，但其他工科专业在教学内容选取和教学方式改进上亟待进一步探索。针对生物工程等学科交叉类专业：①没有将CAD实验内容与专业培养方案有机融合，教学内容与专业契合度不高，缺乏与时俱进和对知识精加工处理；②教学中的图学载体选取不具代表性，涉及生物工程、化工设备等专业相关的项目式案例教学较匮乏，缺乏实际的解决方案以及现实应用案例的详细讲解，导致学生不知道如何将CAD技能应用到实际工程设计中；③缺乏交互式多元化教学，教学方法过于单一，没有对不同基础的学生分类把控，无法满足学生不同的学习需求，难以发挥教师的精准指导作用；④实验课堂讲授过多，CAD实验课时普遍较少，在线下课堂中过多的讲授挤兑了实验时间，导致学生实践训练和探讨交流不足，吸收效果欠佳，无法真正掌握CAD技能。

1.3 可持续困境

图学空间思维培育、有效课堂氛围营造、工程设计创新孵化等是长期过程。推动课程持续改进是对教与学的长期考验，因为它不仅需要思想上重视，行动上执行，更需要投入机制倾斜以及制度上保障。具体来说，涉及到交叉学科专业图学师资配置、实验学时调配、课程改革创新以及实验条件配套等。主要表现在以下三个方面：生物工程专业在多元化发展、工程教育认证背景下，专业有限的学时难以投向“边缘课程”这类难以出显性成效的教学中；如何评价工程CAD的绩效缺少抓手，有限的资源投入，在没有明确产出导向的前提下，容易出现投入低效；教学方式方法传统守旧的模式，不仅影响了教学职能的发挥，更会对图学思维掌握、CAD实验效果造成严重影响，学生难以保持持久续航推力，进而缺乏严谨的工程意识和进一步的钻研精神。

2 聚焦学生中心，构建OBE理念的实验教学体系

为解决工程CAD实验面临的传统困境，在实践探索中确立了以学生为中心、产出为导向、持续改进的OBE人才培养理念(图1)。预设学习成果，重构实验模块，建立合理支撑毕业要求的具体课程任务；聚焦学生中心，构建“一心五维”实验教学模式支持课程目标有效达成，突出教学策略的创新性，增加教学形式的多样性，提升教学效果的高阶性；构建并实施成果导向的多元化考核评价机制，推动课程教与学的持续改进。

图1 生物工程CAD实验教学人才培养理念

2.1 预设实验产出任务

基于新工科背景下生物工程专业相适应的毕业要求，充分考虑社会、行业、学生等相关对象的要求与期望，使课程目标能支撑毕业要求的达成。制定工程CAD技术知识、个人能力素养、团队合作沟通以及综合设计能力等4项一级预期产出指标，并据此分解为11项具有可测评的二级预期产出指标(表1)。在掌握实验基本技能和综合素质的基础上，将本课程学习产出外延嵌入核心课程和人才培养目标中，引入发酵罐、厂房设计、科研图表绘制等项目任务，明确学生会什么，从而激发探索欲望。

表1 生物工程CAD实验预期产出任务

2.2 重构实验教学模块

学习成果代表了一种能力体现，这种能力主要通过课程教学来实现。因此，课程教学内容构建对达成学习成果尤为重要。基于上述表1中预设的课程学习产出任务，根据专业人才培养特点，本课程以够用为原则，围绕学生学什么，重新梳理繁杂的知识点，精简学习内容，提炼出28个必备功能命令，并将其有机整合为五个实验模块。首先在基础性实验阶段，精心挑选生活中常见的简单图学案例为载体，学习基础命令，激发兴趣点；然后循序渐进到综合性实验，开展进阶性综合图学训练，精通操作命令和设计思路；最后鼓励各组带着批判性思维、发散思维进行创新性实验，研讨创新实践。同时在人才培养计划中将生物工程CAD实验由原先的课时量12学时增加至24学时，每周2学时调整至3学时，使学生有更多时间和精力集中训练(表2)。学生课前线上自学CAD基础操作，线下课堂在实验室带着项目任务各小组开展实践设计；教师流动式监管辅导，及时把握每个人的基础、进程和目标完成度，在探讨交流中全方位提升学生综合能力。

表2 生物工程CAD实验模块内容

2.3 构建“一心五维”实验教学模式

为深刻回答高校应该“怎样培养人”这一根本问题，在CAD课程改革探索中围绕以学生为中心，产出为导向的教学理念，构建以提升实践创新能力为核心目标，以课程思政、项目驱动、“双线”融合、学法引导、科研助推五个维度相契合的生物工程CAD“一心五维”实验教学模式(图2)，在项目实施中融合智育和德育，并持续改进教学策略，全方位促进教师既教书又育人，激励学生主动式学习。

图2 生物工程CAD“一心五维”实验教学模式

2.3.1 课程思政

《高等学校课程思政建设指导纲要》提出，要紧紧抓住教师队伍“主力军”、课程建设“主战场”、课堂教学“主渠道”，使各类课程与思政课程同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局[4]。

近年来在教学过程中有机融入家国情怀、工匠精神、科技创新等课程思政元素，起到“润物细无声”的效果。如：在CAD绘图训练时，选取中国结、校徽等具有思政元素的图例作为实验载体，开展爱国爱校教育，引导学生深刻理解图案的重要内涵，并在绘图设计中注重细节，形成一丝不苟、精益求精的工程素养。在绪论课中将神舟系列飞船、国家鸟巢体育场、港珠澳大桥等超级工程逐一呈现，讲述设计建造中的工程伦理、职业态度和责任担当，激励当代青年树立科技报国的使命感。又如：将近年来我国在设计、研发和制造等高端领域被国外“卡脖子”的技术难题，融会贯通到教学中，领悟习近平总书记“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，必须靠自主创新”的殷殷嘱托，催发学生们潜心钻研，为我国科技水平新突破、实现中华民族伟大复兴作出应有贡献。

2.3.2 项目驱动

根据生物工程专业人才培养目标定位，适时修订课程大纲，将工程CAD实验章节内容进行重构，有的放矢，整合为以2D为主，3D为辅的五大实验项目模块，与专业核心课程中的产品或工艺2D3D图有机衔接，形成课程关联、前后呼应。将生物工程中的发酵设备、医药器械、工程管路等作为工程项目图例，精心设计以专业相关零部件、仪器设备为项目图学载体，驱动学生带着项目任务开展CAD实验，熔炼严谨的工程设计能力。

2.3.3 “双线”融合

采取线上分步“练兵”，线下综合“实战”的混合式教学策略(图3、图4)。将实验项目模块分解为若干子项目，依托线上平台，采用启发式教学去冗长枯燥，将CAD常用命令操作分别录制成袖珍型微课，在课程尾点完成小测试后才能进入后续学习，同时在设定时间内闯关学习后平台自动评分。不受时空、场地限制，线上自学操作步骤、同步完成实验小任务，提升成就感。

图3 线上分步“练兵”

图4 线下综合“实战”

学生经过线上个性化自主学习，线下课堂中教师不需要过多讲授和演示，将实验主动权和大量时间留给学生实践，实验中若命令不娴熟，可随时随地回看线上微课，在自助沉浸式学习中提升独立解决问题的能力。其次运用PBL教学法，将学生分成5组，每组5-7人坐一排(图4)，根据工程图学项目案例，在教师流动式答疑解惑辅导下，各组研讨实践，建立师生互动，生生互动，最后在各组长的组织下进行成果展示比对，寻求最优设计方案。

2.3.4 学法引导

设立课程多元化考核体系，激励学生课余时间线上主动式学习，培养学生线下课堂探究式、研讨式学[5]。逐步形成独立思考、发散思维、创新实践、沟通协作的综合能力，同时在掌握AutoCAD软件基础上，引导其自学天正CAD、中望CAD以及CAXA等优秀国产设计软件，竖立民族品牌自信。

2.3.5 科研助推

将本实验课程目标对标毕业要求，教学内容紧扣培养目标，使学生掌握CAD图形图表设计技能，助力全国大学生化工设计竞赛、互联网+大学生创新创业大赛、科研论文、专利及课程设计等，为学生科研产出、学科竞赛服务，加快科技强国、人才强国建设。

3 建立多元化考核评价机制

如表3所示，课程考核评价体系包括过程性评价和结果性评价两部分，分别占比60%和40%。过程性评价又分课前学习、课中表现、课后实践三级评价阶段，科学设定各阶段考核细目及权重，多元化综合评价学习绩效，注重平时过程性表现，聚焦学习成果。评价主体为教师和学生，教师把控全局，动态调整，为主要评价者，而学生为辅助评价者，主要起相互监督、取长补短作用。其中，课前学习和结果测试阶段全权由教师评价，课前由学生在规定的时间内通过线上课程平台自学为主，教师后台监督，结果测试是在课程结束时通过实验考试考查学生对实验技能掌握的水平，同时鼓励学生运用CAD软件参与科研训练或学科竞赛中；而课中表现和课后实践阶段由教师和学生共同在线上评价，各占分项评价的50%，以全面客观地衡量学生在课内外的综合表现。设置科学有效的评价体系，既便于教师监测学生学习状态和学习效果，实时调整课程设计与课堂活动，为教学探索持续改进提供参考，又能激发学生学习主动性，有效产出学习成果。

表3 生物工程CAD实验考核评价体系

4 教学效果

基于新工科背景下的OBE人才培养理念，探索模块化、多元化、跨学科的CAD实验教学，注重培养学生的工匠精神及解决复杂工程问题的实践创新能力，近年来取得了较好的教学效果。

4.1 学习主动性增强

通过分析传统实验教学面临的学习、教学和可持续困境，围绕OBE理念，整合实验模块，融入思政元素的项目载体，设计实施全程评价，充分激发了学生的学习欲望和主观能动性。培育学生课前线上“微视频”前测学习；课中带着任务自主操作或组内探究设计，教师不再占用大量实验课时间讲授，以流动式指导解惑为主；课后线上提交实验成果开展教师评价和生生互评，形成你追我敢的良性竞争实验氛围。

4.2 综合素质提升

从多学科交叉视角下，构建生物工程CAD“一心五维”的实验教学模式，在培养学生主动实验意识及操作能力上成效显著，其严谨的学习态度和团队协作意识不断增强，运用CAD图学设计功能，学以致用，助推了我院学生参与学科竞赛、专利和论文等课外学术研究的能力，如：组建的学生团队在2022年和2023年湖北省互联网+大学生创新创业大赛中获金奖，在全国大学生化工设计竞赛2021年和2022年获三等奖，2023年获二等奖，近三年学生发表的二十余篇(项)期刊论文和专利中的图表使用CAD设计。打破学科门类知识界限，促进多学科知识技能的深度交叉融合，对进一步培育学生的协同实践创新能力具有积极推动作用。

结 语

新工科背景下围绕“怎样培养人”的根本问题，坚持立德树人的教育理念，除要重视传统智育外，还着力渗透德育，构建生物工程CAD“一心五维”实验教学模式，同时，依托教育部产学合作协同育人项目，产教融合，以研促教，基于OBE理念反向设计，摸清行业需求导向，找准工程CAD在专业人才培养中的地位和作用，有机衔接其他专业课，重构课程内容，拆繁琐零碎章节为模块化的图学项目，注重成果导向达成，训练学生创新、沟通、合作等能力素养的养成，并将课程思政有效融入实验教学探索中，强化工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。