基于CDIO模式的滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗教學改革構思

劉彥平　陶洪飛　楊文新　趙經華　馬亮　姜有為

摘? ?要：針對滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗中存在的問題，將CDIO模式應用于實驗改革。從實驗任務分解、方案設計、實施操作，直至最后整理總結、評價，學生全過程主導，教師只起到輔助作用，實現教師與學生主體地位的互換，以達到培養學生的創新能力、團隊協作精神和精密思維能力的最終目的。

關鍵詞：CDIO模式? 水力性能? 實驗教學改革

中圖分類號：H191? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0187-03

Abstract： Aiming at the problems existed in the experimental teaching of hydraulic performance of emitter and drip irrigation tube（tape）， CDIO model was applied in the reform. In order to training students ability in innovation， team collaboration and exact thinking， students occupied the leading position through the experiment， including steps of task decompose， scheme design， operation， summary and evaluation. With the position exchange of teacher and students， teacher played a role of guider in the course of experiment.

Key Words： CDIO model; Hydraulic performance; Experimental teaching reform

隨著經濟結構的調整和產業結構的轉型升級，國家對于水利行業人才需求也有了新的要求，應用、創新成為了人才培養的關鍵詞[1-2]。“應用”是對專業技術和實踐能力的要求，本質是能利用專業技術知識進行實踐操作和解決問題;“創新”則是對深層次思考的要求，需要在已有知識、技術等方面加入自己的想法進行革新。在這樣的趨勢下，教學與實踐如何科學的結合應該成為水利類院校人才培養中不能忽視的研究內容[3]。

近年來，一種新型的教學模式CDIO正逐漸進入各大高校的教學改革當中。

CDIO模式來源于教育過程與工程產品的生命周期的結合，是構思（conceive）、設計（design）、實現（implement）、運作（operate）的英文簡寫，是由美國麻省理工學院、瑞典林克平大學、瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典皇家技術學院等4所工程類高校2001年共同開發的工程教育理念與實施體系[4]。在CDIO模式下，學生要對發現的理論或實踐問題進行分析，小組合作形成解決方法（案），實施并總結歸納。在解決問題的過程中，學生處于主導地位，教師起引導、輔助的作用[5]，學生的自主分析能力、團隊溝通協作能力、動手操作能力、創新能力都會得到鍛煉。將CDIO模式引入實驗課，對實踐與教學的有機融合具有重要意義。

灌溉排水工程學是農業水利工程專業的核心課程，是研究如何合理利用水利資源為農業生產發展服務的科學，內容涉及農田水分狀況和有關地區水情的變化規律及其調節措施[6]。在灌溉排水工程學的課程安排中，實驗是很重要的實踐環節，許多知識點需要通過實驗來驗證。在新疆農業大學農業水利工程專業的本科實驗教學中存在授課模式單一、缺乏與學生互動等問題，過多表現出教師的主體性，學生的實踐操作能力和團隊協作能力都很難有機會得到提高。針對這些問題以及CDIO模式的優勢，本文以滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗為研究對象，探索引入CDIO教學模式對傳統的實驗教學模式進行改革，以期把以往的“知識儲備型學生”轉化培養為“實干創新型學生”，進而能夠培育出具備一定相關專業知識技能，同時有較強的創新能力、團隊協作精神和精密思維能力的應用型畢業生。

1? 灌溉排水工程學實驗教學現狀

灌溉排水工程學實驗教學改革的適用對象為新疆農業大學農業水利工程專業的本科生，人數在100～120人。實驗課程開設在第七學期，共計6個學時。根據新疆農業大學水利與土木工程學院新修訂的實驗教學大綱要求，包含以下三個實驗課程：非飽和土壤入滲特性實驗、滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗、輸引水渠道橫斷面設計水深測試及計算綜合性實驗。本文主要研究滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗教學模式的改革，開展實驗的場地為農業水利工程實驗室，面積為1320m2，實驗室配備了滴頭和滴灌管（帶）水力性能試驗臺、恒溫供水加壓系統及中繼控制系統及軟件等實驗必備的儀器與設備，能夠滿足實驗教學要求。

2? 滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗教學存在問題

滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗是灌溉排水工程學課程中非常重要的實驗，可加深農業水利工程專業學生對灌溉排水工程學知識點的理解，對后續節水灌溉技術課程的學習具有鋪墊作用，在傳統的教學模式下，實驗教學面臨著以下幾個問題。

（1）授課模式單一。

在傳統的實驗教學中，實驗課的常見模式是教師現場演示、學生跟著操作，老師處于主導地位，授課模式單一，缺乏與學生互動。在動手操作環節，即使沒有聽老師講解，學生也只需要按照指導書中的步驟操作同樣可以完成實驗。在這樣的環境中，學生的自主性和獨立思考能力都很難有機會得到提高。

（2）學生參與形式單一。

實驗課堂中，實驗目的、過程與方法都已給定，學生參與的主要形式是實際操作。但由于場地和儀器數量的限制，不是每名學生都能參與到實驗的操作中，存在想參與的同學沒機會、不想參與的同學有空鉆的情況，學生的學習主動性會受到影響。

（3）評價方法片面。

實驗教學成果的檢驗是基于最終的實驗報告，能力的獲得并不在考核范圍內，這種考核方式對于實踐操作課來說評價點不全面，學生容易形成完成報告就是完成實驗的思想，不利于學生學習積極性的調動，無法達到實驗的最終目的。

3? 基于CDIO模式的實驗教學方案/措施

3.1 構思（Conceive）

（1）教師：帶領學生參觀滴頭和滴灌管（帶）水力性能試驗臺，熟悉實驗背景，布置實驗具體任務：通過實測額定工作壓力下滴頭和滴灌管（帶）上的流量完成流量變異系數（又稱為制造偏差系數）Cv和平均流量相對于額定流量的偏差率C的計算，給學生列出與本實驗相關的參考資料，并鼓勵學生通過圖書館、網絡等多種途徑進行資料收集。

（2）學生：通過參觀新疆農業大學水利與土木工程學院的農業水利工程實驗室，了解滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗所用的實驗臺，初步掌握其構成、功能及工作原理等內容，對滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗硬件形成初步認識。在此基礎上查閱教師提供的規范、文獻、教材等參考資料，根據實驗任務進行所需知識的重組與架構，初步確定實驗原理。依據實驗原理分解任務，劃分實驗環節，并進行小組內部第一次分工，組內成員根據分工收集整理操作規范、注意事項的資料。

3.2 設計（Design）

（1）教師：根據實驗教學大綱及最新的有關塑料節水灌溉器材規范要求，開展實驗剖析，適當穿插滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗所需的相關知識點，依據學生綜合能力水平、對實驗的認識情況、實驗的準備和知識點掌握的程度，利用已經完善的滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗指導書對學生的設計進行指導。

（2）學生：在老師實驗剖析和指導的基礎上，對實驗構思內容以及任務分工進行調整和細化，根據實驗任務的要求，設計出滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗詳細的操作步驟，標明涉及的儀器和設備以及計算公式和負責人。完成的設計方案可以通過小組間的討論進行可行性論證，預估操作過程中可能出現的問題和解決方案。

3.3 實現（Implement）

（1）教師：運用實驗教學課件系統的梳理滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗的知識點，對難點進行解析，通過提問的方式檢查各組學生實驗準備情況，強調操作過程中的注意事項，在學生開始操作前預留兩個問題：影響灌水均勻度的因素有哪些;實驗中哪些參數可以作為判斷產品質量的依據，引導學生在實驗中進行更深層次的思考。

（2）學生：理解老師的解析和提示內容后，按照實驗方案的設計步驟和分工進行實驗操作：選好實驗用滴灌帶（管），在實驗平臺上布置好滴灌帶（管），按照既定方案，開始操作，記錄滴灌帶（管）的每個出水孔流量，根據計算公式計算所需參數。

3.4 運行（Operate）

（1）教師：實驗結束后針對學生的實驗操作進行點評，對學生在實驗全過程的表現進行考核評價，根據CDIO模式將考核內容分為實驗構思、實驗設計、實驗實施、實驗報告及展示四個部分，具體內容包括：實驗任務分解、分工合理性，實驗前期準備工作的充分性，內容構思的合理性，實驗方案設計的實用性和方案可行性，以及現場操作、數據記錄、圖紙繪制和實驗結果分析的正確性，實驗過程中個人承擔的工作量及表現，各部分內容在評價中所占比重見表1。其中，實驗構思、實驗設計這兩項以小組為單位進行打分，實驗實施和實驗報告及展示根據個人表現打分。

（2）學生：實驗完成后，按照實驗所得數據計算滴頭和滴灌管（帶）上的流量變異系數Cv和平均流量相對于額定流量的偏差率C，結合實驗原理和實驗過程分析影響灌水均勻度的因素以及判斷滴灌管（帶）質量的參數，撰寫滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗報告。在教師點評后開展小組總結，分享實驗心得，對任務分工、內容構思、方案設計、方案論證、實驗操作、數據記錄、圖紙繪制、結論整理各項工作的完整性、正確性、規范性和完成情況進行組內評價，分析出現的問題并提出整改措施。

4? 基于CDIO的實驗教學改革的預期成效

4.1 由驗證性實驗變為設計性實驗

未將CDIO模式引入實驗改革時，學生在知曉滴頭流量偏差系數Cv和毛管均勻系數算法的基礎上，按照教師的示范測定滴頭流量進行這兩個參數的計算，屬于驗證性實驗。實驗改革后，教師給定試驗目的：滴頭的流量變異系數Cv和平均流量相對于額定流量的偏差率C的計算，并提供實驗背景資料，由學生自己設計實驗方案，這種實驗形式屬于設計性實驗。這種轉變為學生在實驗中的定位增添了自主性，同時使學生具有了獲取知識、應用知識的能力及創新能力，更符合農業水利工程專業的人才培養標準。

4.2 由“教會”向“會思考”、“會設計”、“會操作”、“會總結”轉變

改革前，實驗課的目標是加深和鞏固知識點，鍛煉學生的實踐動手能力;引入CDIO模式后，通過讓學生全過程參與實驗，實驗課增加了能力培養的任務，自主學習能力、實踐、動手及團隊協作能力、創新能力的培養成為了實驗課的主要目的之一。

4.3 由結果性考核轉變為過程性考核

在傳統的實驗課上，學生實驗課成績來自結果性考核，即學生的實驗報告填寫情況決定了他們實驗課的成績;改革后，教師采用過程性考核，從小組和個人兩個角度出發，實驗的任務分工、內容構思、方案設計、方案論證、實驗操作、數據記錄、結論整理各項工作都在考核范圍內，評價更加全面、合理，實驗報告填寫要求突出個人在整個實驗中的分工以及心得，有利于提高學生的學習主動性。

5? 結語

針對目前滴頭和滴灌管（帶）水力性能實驗教學中存在的問題，將CDIO模式引入到實驗教學改革當中。CDIO模式強調學生在教學中的主體性，改變了傳統教學中師生的地位。在實驗教學中，學生的角色發生了本質的改變，由過去的“行為模仿者”變成了“方案設計者”、“程序操作者”、“成果評價者”，學生的身份隨實驗過程一直在改變，這種改變有利于創新能力、團隊協作精神和精密思維能力的培養。學生能力的培養是一個持續的過程，需要在后續實驗中通過實踐繼續探索。

參考文獻

[1] 孫楠，劉東，劉嫄春.水利類專業創新型人才培養模式研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2012（12）：90-92.

[2] 李梅華，趙海濱.應用型本科“分層次、個性化、導向式”人才培養模式探索[J].黃河水利職業技術學院學報，2018，30（4）：59-61.

[3] 龔萍，劉洪光，何新林.灌溉排水工程學實驗教學改革探索[J].高校實驗室工作研究，2015（3）：36-37.

[4] 王碩旺，洪成文.CDIO：美國麻省理工學院工程教育的經典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究，2009，28（4）：116-119.

[5] 李燕，魏英勤，張永春，等.多媒體輔助CDIO模式提升天然藥物化學實驗教學效果的探索[J].山東化工，2018，47（22）：140-141.

[6] 汪志農.灌溉排水工程學[M].北京：中國農業出版社， 2000.