基于CDIO理念的土木工程材料實驗教學(xué)模式探索

周艷華+謝政+王小玲+陳鎮(zhèn)旺

摘要：本文重點介紹基于CDIO理念的土木工程材料實驗教學(xué)設(shè)計思想、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計以及考核內(nèi)容與方法，從而將CDIO教育模式運用到土木工程材料實驗教學(xué)過程中，增強(qiáng)教學(xué)效果，提高學(xué)生處理實際問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：CDIO模式；土木工程材料；實驗教學(xué)

一、引言

CDIO工程教育模式在最近幾年的國際工程教育改革中取得較好的成效，CDIO工程教育理念已逐步得到推廣。基于CDIO模式下的土木工程材料實驗教學(xué)改革，要求學(xué)生在掌握土木工程材料基本知識的基礎(chǔ)上，以團(tuán)隊的形式構(gòu)思一項綜合實踐項目（C）；通過檢索和閱讀文獻(xiàn)資料、團(tuán)隊內(nèi)部及團(tuán)隊相互之間的交流，對方案進(jìn)行設(shè)計（D）；依據(jù)教師的指導(dǎo)，對方案進(jìn)行實施（I）；根據(jù)試驗結(jié)果改進(jìn)設(shè)計方案，最后運作項目（O）。改革的目的是運用“構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作”的工程教育模式，提高學(xué)生的工程能力及創(chuàng)新能力。

土木工程材料涵蓋的知識點非常廣泛，內(nèi)容包括無機(jī)非金屬材料、金屬材料和有機(jī)高分子材料，內(nèi)容繁雜。由于課時的限制，實驗學(xué)時通常會被壓縮。此外，由于以往設(shè)計型和綜合型實驗分配學(xué)時少，不利于學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的提升。為了提高工程質(zhì)量并使技術(shù)人員具備實踐能力，提高土木工程材料實踐的教學(xué)質(zhì)量已迫在眉睫。本文通過分析土木工程材料實驗教學(xué)中常見的一些問題，對教學(xué)思想設(shè)計、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計及教學(xué)考核內(nèi)容與方法等四個方面進(jìn)行介紹，以期將CDIO運用到土木工程材料實驗教學(xué)中，提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

二、土木工程材料實驗教學(xué)存在的問題

一是傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師闡述實驗過程為主體，再由學(xué)生根據(jù)分組進(jìn)行實驗驗證。然而，這種教學(xué)方式無法滿足當(dāng)前高素質(zhì)教育注重培養(yǎng)創(chuàng)新和科研能力的教育體系。

二是現(xiàn)有教材中“土木工程材料”的內(nèi)容更依賴于理論教學(xué)。實驗教學(xué)內(nèi)容相對單一，主要是驗證性的實驗，綜合型試驗課時少。針對后續(xù)課程的銜接不合理，這樣不但不能滿足創(chuàng)新教育的要求，而且會對知識的積累造成影響。

三是缺乏科學(xué)合理的實驗教學(xué)考核內(nèi)容與方法，學(xué)生的主動性較差。這對學(xué)生競爭意識和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)造成了極其不利的影響。

三、基于CDIO理念的實驗教學(xué)設(shè)計思想

土木工程材料實驗教學(xué)的設(shè)計思想是在轉(zhuǎn)變教育思想和觀念的基礎(chǔ)上，遵循教育規(guī)律，適應(yīng)教育發(fā)展趨勢，注重素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。土木工程材料實驗內(nèi)容包括常規(guī)實驗和“構(gòu)思—設(shè)計—執(zhí)行—修改—演示”全過程的團(tuán)隊實踐項目兩部分。

四、基于CDIO理念的實驗教學(xué)目標(biāo)

土木工程材料實驗包括常規(guī)實驗和“構(gòu)思—設(shè)計—執(zhí)行—修改—演示”全過程的團(tuán)隊實踐項目兩個部分。實驗的技能目標(biāo)、知識目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)如下：

1.技能目標(biāo)

（1）能運用現(xiàn)行檢測標(biāo)準(zhǔn)分析問題；

（2）能獨立完成土木工程材料驗收檢驗的實驗操作；

（3）能對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；

（4）能對土木工程材料合格與否作出正確判定；

（5）會填寫和審閱實驗報告；

（6）具備檢索文獻(xiàn)與閱讀能力。

2.知識目標(biāo)

（1）運用理論知識設(shè)計符合實際工程的混凝土材料；

（2）探索原材料種類、數(shù)量、工藝及養(yǎng)護(hù)方法對材料性能的綜合影響；

（3）描述原材料性能變化與關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的關(guān)系；

（4）測試材料性能，分析原因。

3.能力培養(yǎng)目標(biāo)

（1）動手能力、交流能力、團(tuán)隊合作能力和自主學(xué)習(xí)能力；

（2）實踐能力、科學(xué)研究能力；

（3）發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的綜合能力和創(chuàng)新思維能力；

（4）通過對比計算和實驗結(jié)果，說明材料理論模型的必要假設(shè)及其局限性，并討論造成差別的主要原因。

五、基于CDIO理念的實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

為了突出體現(xiàn)“提高學(xué)生的崗位工作能力”，以材料員、試驗員和質(zhì)檢員的崗位能力要求為目標(biāo)，土木工程材料常規(guī)實驗項目主要有：

一是水泥取樣、性能檢測及合格判定；

二是骨料取樣、性能檢測及合格判定；

三是混凝土取樣、性能檢測及合格判定；

四是砌筑塊材取樣、性能檢測及合格判定；

五是鋼筋取樣、性能檢測及合格判定；

六是瀝青材料取樣、性能檢測及合格判定。

以混凝土設(shè)計大賽為依托，加強(qiáng)設(shè)計型和綜合型實驗，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊合作能力、分析問題和解決問題的綜合能力。在實驗教學(xué)中，根據(jù)實驗要求和材料特點，改變傳統(tǒng)驗證性實驗的單一模式，推廣設(shè)計型和綜合型實驗。例如，要求學(xué)生完成實際工程要求的混凝土，讓學(xué)生完成混凝土配合與設(shè)計工作，并與工程實際使用的配合比進(jìn)行對比。學(xué)生的實驗準(zhǔn)備、設(shè)計計算、操作、試配調(diào)整、結(jié)果處理等都非常投入，在工作中與教師互相交流，預(yù)測實驗結(jié)果、分析實驗現(xiàn)象、總結(jié)實驗結(jié)果。一次實驗就是一次真實的工作經(jīng)歷，不僅能使學(xué)生很好地掌握該項實驗內(nèi)容，而且鍛煉了分析問題解決問題的工程應(yīng)用能力。

開設(shè)“由構(gòu)思—設(shè)計—執(zhí)行—修改—演示”全過程的團(tuán)隊實踐項目，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神。該項目包含了材料設(shè)計所需要的原理、標(biāo)準(zhǔn)，材料性能認(rèn)知、分析、準(zhǔn)備以及課堂中所學(xué)到的材料等知識內(nèi)容。綜合實踐項目如下：

一是廢棄混凝土再生骨料混凝土配合比設(shè)計；

二是大摻量粉煤灰混凝土的設(shè)計；

三是再生粗骨料透水性混凝土的制備；

四是碎磚類骨料再生混凝土的制備及配合比設(shè)計；

五是無機(jī)保溫砂漿的制備；

六是裝飾裝修材料的調(diào)研。

綜合實踐項目要求學(xué)生按下述流程進(jìn)行：

一是小組討論，初步確定項目方向；

二是查閱文獻(xiàn)，小組討論，設(shè)計方案，確定所需的基本原材料；

三是確定項目執(zhí)行過程中的試驗方法，并通過閱讀、求教等方法，熟悉設(shè)備操作和工藝流程；

四是制訂詳細(xì)的試驗方案計劃，包括原材料種類、原材料數(shù)量、成型方法、養(yǎng)護(hù)方式和原理、測試方式和原理；

五是進(jìn)行具體試驗，記錄試驗過程中所有數(shù)據(jù)，并繪制圖表，進(jìn)行分析；

六是對比自己的試驗結(jié)果、對比同條件下他人的試驗結(jié)果，對比規(guī)范，確定自己的方案是否符合要求，是否需要改進(jìn)；

七是集體討論，進(jìn)行對創(chuàng)意、原理、結(jié)果的分析。

最后以4～5人為一個小組完成綜合實踐項目設(shè)計和不少于3000字的小論文。

六、教師指導(dǎo)方法

土木工程材料課程知識能力培養(yǎng)的重點和難點問題包括：混凝土配合比設(shè)計；水泥水化特性及影響因素；混凝土耐久性；瀝青混合料設(shè)計；從綠色環(huán)保的角度，掌握設(shè)計和研發(fā)土木工程材料的思路和方法；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，即如何使學(xué)生具有概念化和抽象化能力以及綜合和通用化能力，如何使學(xué)生利用本課程相關(guān)的理論知識解釋整個過程；如何培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，即如何提高學(xué)生的分析問題，找出有矛盾的觀點、理論和事實，找出邏輯謬誤，驗證假設(shè)和結(jié)論的能力。為了順利解決上述重點和難點問題，我們采用如下方法：首先教師利用授課時間重點講述上述難點問題，進(jìn)而分組逐步執(zhí)行各個探究點，最后利用全班演示、討論、答辯過程解決上述難點問題。具體措施包括：基于興趣與專業(yè)知識的辯證關(guān)系原理；基于學(xué)生的好奇心和求異心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；積極引導(dǎo)、合理安排教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。為了提高土木工程材料實驗的教學(xué)效果，可以采用如下指導(dǎo)方法：

一是根據(jù)科學(xué)研究的基本原材確定實踐項目設(shè)計細(xì)則；

二是根據(jù)理論教學(xué)的重點、難點將內(nèi)容劃分成數(shù)個探究點（項目主題）；

三是學(xué)生分成若干組，每組包含4～5個學(xué)生；

四是不同的組確定不同的項目主題，或是同一主題的不同部分；

五是引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)；

六是檢驗學(xué)生項目的可行性，并指導(dǎo)學(xué)生開展試驗；

七是按照實驗規(guī)程進(jìn)行試驗，執(zhí)行項目；

八是指導(dǎo)學(xué)生預(yù)測、分析試驗結(jié)果，并從土木工程材料角度分析原理；

九是撰寫論文和報告，演示、答辯和討論。

七、基于CDIO理念的實驗教學(xué)考核內(nèi)容與方法

實驗考核內(nèi)容主要是考核學(xué)生的實踐過程、實踐報告、全班展示和答辯結(jié)果。實驗部分占總分的35%，評價指標(biāo)包括基礎(chǔ)知識部分和科學(xué)思維能力，具體評價方法如下：

第一，評價內(nèi)容：學(xué)生能否正確地使用常規(guī)實驗設(shè)備，并規(guī)范地進(jìn)行實驗（0～20分）。

評價結(jié)果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～15分）；優(yōu)秀（15～20分）；突出（20分）。

第二，評價內(nèi)容：每組成員之間的團(tuán)結(jié)合作的態(tài)度（0～10分）。

評價結(jié)果：很差（0～3分）；較差（3～6分）；良好（6～8分）；優(yōu)秀（8～10分）；突出（10分）。

第三，評價內(nèi)容：學(xué)生能否根據(jù)理論知識，預(yù)測自己項目可能產(chǎn)生的現(xiàn)象（0～10分）。

評價結(jié)果：很差（0～3分）；較差（3～6分）；良好（6～8分）；優(yōu)秀（8～10分）；突出（10分）。

第四，評價內(nèi)容：學(xué)生能否正確建表和圖，分析實驗數(shù)據(jù)，并找出規(guī)律，分析原因（0～20分）。

評價結(jié)果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～15分）；優(yōu)秀（15～20分）；突出（20分）。

第五，評價內(nèi)容：學(xué)生提供的設(shè)計是否基于基本概念的理解并有充足的根據(jù)。對重要的設(shè)計特征是否給出簡要的理由（0～40分）。

評價結(jié)果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～20分）；優(yōu)秀（20～40分）；突出（40分）。

基金項目：2015年江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究省級課題（編號：JXJG-15-24-4）；江西科技學(xué)院校級教改課題（編號：JY1504）；江西科技學(xué)院校級自然科學(xué)研究課題（編號：ZR15ZD02）。

作者簡介：周艷華（1980—），女，碩士，講師，研究方向：材料科學(xué)與工程、建筑材料；謝政（1989—），碩士，講師，研究方向：公路基層材料；王小玲（1988—），女，碩士，助教，研究方向：巖土工程、建筑材料；陳鎮(zhèn)旺（1997—），江西科技學(xué)院土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生。

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