基于CDIO的綠色實驗教學改革

趙眾

摘 要：CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。通過將CDIO的先進教學理念與實驗室教學進行結合，能夠很好地體現構思、設計、實現和運作四大理念，并且能夠很好地與實驗室教學融會貫通。在理念的基礎上，對實驗室區域和設備，包括實驗內容進行改造，使之不但從理論層面上符合要求，在具體運作實踐中體現CDIO的教育模式，并且在整個過程中融入對實驗廢棄物的再利用，實現綠色實驗的理念。

關鍵詞：CDIO ；實驗室教學； 實驗室改造 ；綠色實驗

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。這四種理念的提出，相當于指出了四個關鍵的方向。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定目標。

CDIO包括三個核心文件：一個愿景、一個大綱和十二條標準。它的愿景是為學生提供一種強調工程基礎的、建立在真實世界的產品和系統的構思—設計—實現—運行（CDIO）過程的背景環境基礎上的工程教育，這種理念和實驗室培養的理念不謀而合，實驗室通過精心設計各種綜合性實驗，讓學生從實踐出發，先形成自己的構思，圍繞構思設計出實驗方案，通過具體實驗實現這種方案，最終形成報告數據，為以后的實踐積累素材。它的大綱首次將工程師必須具備的工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和整個CDIO全過程能力以逐級細化的方式表達出來（三級、七十條、四百多款），使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統性。實驗室教學過程中往往一個實驗是以五個人為小組進行，每個人在一次實驗中都能扮演不同的角色，有的是領導者，指揮實驗的方向，有的是設計者，具體進行實驗的設計，有的是操作者，進行實驗的操作，更多的時候設計操作往往需要一個小組共同的努力來完成。因此，十二條具體化的標準對整個模式的實施和檢驗進行了系統的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導意義。這十二條具體標準對于實驗室建設也具有指導意義，其把CDIO的這種思想和實驗室的教學結合起來。其CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢，實驗室作為實踐教育必不可少的部分，與CDIO處處契合，兩者結合既是順應時代，也是一種大勢所趨。

基于這個先進理念，實驗室首先要打破傳統教學、科研、對外服務各自為戰的局面，要將實驗室打造成一個集教學、科研、對外服務一體化的實訓中心。

一、打造一個滿足CDIO基本要求的新型實訓中心

在滿足CDIO基本要求的新型實訓中心，檢測區域、教學區域、科研區域彼此分開又統一連成整體，通過在基礎設施上實現這一理念，打破三者之間的界限：將檢測區域的四周設置成為一個開放式的區域，檢測實驗進行時可以方便學生進行觀摩實踐，使檢測和觀摩教學互不影響同時進行。目前具體檢測內容主要包括鋼筋混凝土管樁、排水管等大型混凝土構件，通過對多家質檢中心的調研發現，實驗結束后，會存在大量大型管樁排水管等實驗構件無法處理的問題，往往最后的結果是檢測中心聘請專門的工人來處理廢棄構件，費時費力。在檢測區域旁邊的大學生實驗科研創新平臺就解決了廢棄構件處理的問題。新型實驗中心在教學區域內，將廢棄的管樁排水管等構件通過學生的創新性實驗變廢為寶，初步設置一個再生混凝土技術的開放性實驗，檢測中心檢測剩下來的大型混凝土管樁，通過混凝土顎式破碎機將廢棄混凝土打碎，成為再生混凝土的主要材料，這樣不僅解決了廢棄構件堆積的問題，變廢為寶，還讓大學生開展相關創新性實驗，在滿足了教學的同時也做到了廢物利用，綠色環保。

新型實驗中心從基礎設施上實現了綠色實驗教學，就相當于是一臺汽車有了良好的發動機，但是要想一臺汽車穩定運行就還需要有優質的汽油。原有的實驗教學大綱被無數次證明是經典實驗，需要保留，但是還需要有一些新的東西注入進來。以CDIO 新型實驗中心為基本環境，教學大綱在很大程度上反映了CDIO的理念，即把產品和過程或系統的構思、設計、實施和運行作為工程教育的背景。徐州工程學院土木工程學院正在進行新的教學大綱編寫修訂，這其中一部分就是實驗教學大綱。與傳統實驗教學大綱相比，在保留以往的實驗基礎上增加了一些創新性實驗。這種創新性不單純是實驗新、方法新，而是體現了科研的學術理念，通過對多種儀器設備綜合設計應用來達到一個實驗目的。目前正在積極推進的是混凝土材料的耐久性腐蝕實驗。第一部分是再生混凝土試塊澆筑，通過不同的配比將檢測用的廢棄混凝土破碎，作為材料澆筑到混凝土試塊中；將澆筑養護好的試塊分成兩組，一組放入工程結構多功能環境模擬系統進行腐蝕，另一組放入凍融循環系統進行凍融循環實驗。在腐蝕周期結束后，通過超聲、回彈對試塊進行表面強度測試，通過裂縫觀測儀對混凝土表面損傷裂化情況進行觀測，最后進行混凝土試塊受壓實驗，從而定性了解其耐久性的原理。在這個實驗中，用到了環境模擬系統、凍融循環機、壓力機等多個大型實驗儀器，結合回彈儀、超聲儀、裂縫觀測儀等無損檢測儀器，充分顯示了組合應用實驗理念。

二、設計一體化教學

設計一體化教學計劃也是綠色實驗必不可少的一個要素。培養計劃的設計首先做到了各學科之間相互支撐，以“工程力學”“結構力學”“基礎工程”“工程地質”“土木工程材料”“混凝土結構設計原理”“混凝土與砌體結構設計”等課程作為支撐，把工程實際引入課堂，通過設計不同的實驗，就是讓學生在建設方、施工方、監理方、質檢方各個角色之間不停轉換，深入理解學科的本質。對于將來有志深造的學生，同樣在實驗大綱中要設置一部分科研型創新性實驗和一些常規的數據采集方面的實驗，這可以讓學生未來在深造設計實驗和操作儀器方面都能很快上手。綠色實驗能將基本個人能力和人際能力以及對產品、過程、系統構建能力的培養融于其中，將書本知識和工程實踐緊密結合。從具體學習成果看，使大學生具備基本個人能力，有一定的人際交往能力，對于土木專業的學生未來所從事的工作有很大幫助。通過觀摩檢測過程，可以讓學生提高對檢測樣品、檢測過程、檢測系統的掌握能力，真實觀察每個環節。

三、教師能力的提升

從事實驗教學的教師和其他教師一樣，也需要做到對專業的一切知識懂一點，對某一點知識懂一切。實驗教學不是單純地就實驗講實驗，而是應該通過實驗室這個直觀可見、可操作的良好平臺，把專業知識、理念融入實驗教學中。例如，樁基檢測，自然而然就聯系到工程的樁基相關知識；回彈儀的使用，自然就引入第三方檢測的工程實踐；工程模擬環境測試系統，自然就引入到工程結構的耐久性；應變片的粘貼，自然就引入工程結構各種實驗中數據的得出，應力應變理論的推定。教師本身也要多組織各種學習，例如，高教網上每年都有網絡培訓，從教學理念到具體專業課教學的視頻教程，隨時隨地，只要有網絡的地方，教師就能不斷地充電，進行學習提高。

四、學生考核

學生的考試范圍應涵蓋所有講授的內容，考試內容應能客觀反映出學生對本門課程主要概念的記憶、掌握程度，對有關理論的理解、掌握及綜合運用能力，考試題型應盡量多樣化。課程成績考核包括期末和平時考核兩部分，其中，期末成績占70%、平時成績占30%。期末成績考核采用閉卷考試的形式；平時成績主要根據出勤率（10分）、課堂紀律（5分）、課堂問答（5分）、作業（10分）四部分綜合評定。其中，課堂紀律主要根據課堂聽課情況、表現情況等綜合評定；課堂問答主要根據課堂提問和回答情況評定；作業主要根據課后布置作業完成的質量評定。如此一來，學生的基本個人能力和人際能力，自律能力以及學科知識掌握情況都能很好地融入專業考核之中。

基于CDIO的綠色實驗教學改革，不單純是在具體實際中對學生的專業素質、能力有所提高，還在對學生綜合素質的培養上有潛移默化的作用。

一方面，綠色實驗教學很大程度上激發了學生在相應核心工程領域應用方面的興趣和動力。再生混凝土實驗讓學生對未來廢棄混凝土的利用方面產生很大興趣，很可能在深造讀書時就會選擇相關方向，進行更深入的鉆研。凍融循環實驗和耐久性實驗，讓學生很大程度上結合課本知識自己搜索相關資料進行深入研究，在本科生階段就開始嘗試用研究生的思維去更全面系統地思考問題，從而對專業產生濃厚的興趣。像混凝土樁基檢測則是從工程實踐的層面讓學生更加真實、近距離地接觸工程，接近他們日后的工作。很多學生對專業課不積極、沒興趣很大原因是專業課比較枯燥，沒有工程方面的實際指導。但也有很多學生一上工地，就會把很多工作做得非常好，展現出前所未有的責任心，這都是和興趣緊密關聯的。

另一方面，在課內外活動中學生有更多機會參與產品、過程和系統的構思、 設計、實施和運行，實驗室的工程實踐場所和其他學習環境支持學生動手和直接經驗的學習。凍融循環實驗，讓學生先澆筑一批混凝土，進行凍融循環實驗，發現構件強度顯著降低，再通過設計不同的混凝土配比，從而發現不同的混凝土對凍融循環的抵抗各不相同。在這一實驗過程中，學生通過實驗發現問題，進一步思考問題，通過設計不同的實驗來改善問題、解決問題。每一個實驗都讓學生參與產品、過程、系統的構思、設計、實施和運行，讓學生在學習中通過動手直接進行系統的學習。

參考文獻：

[1]李彤，張 璇.SE-CDIO工程教育模式的探索與實踐[J].高等工程教育研究， 2014（1）.

[2]朱向慶，胡均萬，曾 輝，等.CDIO工程教育模式的微型項目驅動教學法研究[J].實驗技術與管理，2012（11）.

[3]熊和平，岳愛臣.CDIO工程教育模式：誤解的澄明與風險的規避[J].高等工程教育研究，2009（5）.

[4]王 剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）.

[5]左遠志，蔣潤花，楊小平.以創新設計為導向的CDIO工程教育培養模式[J].東莞理工學院學報， 2010（3）.

[6]陳冬松，孫陽春.CDIO工程教育模式下的工科院校人才培養途徑[J].現代教育管理，2011（11）.

（作者單位：徐州工程學院）