基于CDIO理念的土木工程材料實驗教學模式探索

周艷華+謝政+王小玲+陳鎮旺

摘要：本文重點介紹基于CDIO理念的土木工程材料實驗教學設計思想、教學目標、教學內容設計以及考核內容與方法，從而將CDIO教育模式運用到土木工程材料實驗教學過程中，增強教學效果，提高學生處理實際問題的能力以及團隊協作能力。

關鍵詞：CDIO模式；土木工程材料；實驗教學

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?；贑DIO模式下的土木工程材料實驗教學改革，要求學生在掌握土木工程材料基本知識的基礎上，以團隊的形式構思一項綜合實踐項目（C）；通過檢索和閱讀文獻資料、團隊內部及團隊相互之間的交流，對方案進行設計（D）；依據教師的指導，對方案進行實施（I）；根據試驗結果改進設計方案，最后運作項目（O）。改革的目的是運用“構思—設計—實施—運作”的工程教育模式，提高學生的工程能力及創新能力。

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

二、土木工程材料實驗教學存在的問題

一是傳統的教學方法以教師闡述實驗過程為主體，再由學生根據分組進行實驗驗證。然而，這種教學方式無法滿足當前高素質教育注重培養創新和科研能力的教育體系。

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

三是缺乏科學合理的實驗教學考核內容與方法，學生的主動性較差。這對學生競爭意識和創新意識的培養造成了極其不利的影響。

三、基于CDIO理念的實驗教學設計思想

土木工程材料實驗教學的設計思想是在轉變教育思想和觀念的基礎上，遵循教育規律，適應教育發展趨勢，注重素質教育，培養學生的實踐能力和創新精神。土木工程材料實驗內容包括常規實驗和“構思—設計—執行—修改—演示”全過程的團隊實踐項目兩部分。

四、基于CDIO理念的實驗教學目標

土木工程材料實驗包括常規實驗和“構思—設計—執行—修改—演示”全過程的團隊實踐項目兩個部分。實驗的技能目標、知識目標和能力培養目標如下：

1.技能目標

（1）能運用現行檢測標準分析問題；

（2）能獨立完成土木工程材料驗收檢驗的實驗操作；

（3）能對實驗數據進行分析處理；

（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）具備檢索文獻與閱讀能力。

2.知識目標

（1）運用理論知識設計符合實際工程的混凝土材料；

（2）探索原材料種類、數量、工藝及養護方法對材料性能的綜合影響；

（3）描述原材料性能變化與關鍵設計參數的關系；

（4）測試材料性能，分析原因。

3.能力培養目標

（1）動手能力、交流能力、團隊合作能力和自主學習能力；

（2）實踐能力、科學研究能力；

（3）發現問題、分析問題及解決問題的綜合能力和創新思維能力；

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

五、基于CDIO理念的實驗教學內容設計

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

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。

以混凝土設計大賽為依托，加強設計型和綜合型實驗，培養學生的動手能力、團隊合作能力、分析問題和解決問題的綜合能力。在實驗教學中，根據實驗要求和材料特點，改變傳統驗證性實驗的單一模式，推廣設計型和綜合型實驗。例如，要求學生完成實際工程要求的混凝土，讓學生完成混凝土配合與設計工作，并與工程實際使用的配合比進行對比。學生的實驗準備、設計計算、操作、試配調整、結果處理等都非常投入，在工作中與教師互相交流，預測實驗結果、分析實驗現象、總結實驗結果。一次實驗就是一次真實的工作經歷，不僅能使學生很好地掌握該項實驗內容，而且鍛煉了分析問題解決問題的工程應用能力。

開設“由構思—設計—執行—修改—演示”全過程的團隊實踐項目，培養團隊協作精神。該項目包含了材料設計所需要的原理、標準，材料性能認知、分析、準備以及課堂中所學到的材料等知識內容。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計；

二是大摻量粉煤灰混凝土的設計；

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計；

五是無機保溫砂漿的制備；

六是裝飾裝修材料的調研。

綜合實踐項目要求學生按下述流程進行：

一是小組討論，初步確定項目方向；

二是查閱文獻，小組討論，設計方案，確定所需的基本原材料；

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

四是制訂詳細的試驗方案計劃，包括原材料種類、原材料數量、成型方法、養護方式和原理、測試方式和原理；

五是進行具體試驗，記錄試驗過程中所有數據，并繪制圖表，進行分析；

六是對比自己的試驗結果、對比同條件下他人的試驗結果，對比規范，確定自己的方案是否符合要求，是否需要改進；

七是集體討論，進行對創意、原理、結果的分析。

最后以4～5人為一個小組完成綜合實踐項目設計和不少于3000字的小論文。

六、教師指導方法

土木工程材料課程知識能力培養的重點和難點問題包括：混凝土配合比設計；水泥水化特性及影響因素；混凝土耐久性；瀝青混合料設計；從綠色環保的角度，掌握設計和研發土木工程材料的思路和方法；培養學生的創造性思維能力，即如何使學生具有概念化和抽象化能力以及綜合和通用化能力，如何使學生利用本課程相關的理論知識解釋整個過程；如何培養學生的批判性思維，即如何提高學生的分析問題，找出有矛盾的觀點、理論和事實，找出邏輯謬誤，驗證假設和結論的能力。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，進而分組逐步執行各個探究點，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：基于興趣與專業知識的辯證關系原理；基于學生的好奇心和求異心，提高學生的學習熱情；積極引導、合理安排教學內容，促進學生主動學習。為了提高土木工程材料實驗的教學效果，可以采用如下指導方法：

一是根據科學研究的基本原材確定實踐項目設計細則；

二是根據理論教學的重點、難點將內容劃分成數個探究點（項目主題）；

三是學生分成若干組，每組包含4～5個學生；

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；

五是引導學生查閱文獻；

六是檢驗學生項目的可行性，并指導學生開展試驗；

七是按照實驗規程進行試驗，執行項目；

八是指導學生預測、分析試驗結果，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理念的實驗教學考核內容與方法

實驗考核內容主要是考核學生的實踐過程、實踐報告、全班展示和答辯結果。實驗部分占總分的35%，評價指標包括基礎知識部分和科學思維能力，具體評價方法如下：

第一，評價內容：學生能否正確地使用常規實驗設備，并規范地進行實驗（0～20分）。

評價結果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～15分）；優秀（15～20分）；突出（20分）。

第二，評價內容：每組成員之間的團結合作的態度（0～10分）。

評價結果：很差（0～3分）；較差（3～6分）；良好（6～8分）；優秀（8～10分）；突出（10分）。

第三，評價內容：學生能否根據理論知識，預測自己項目可能產生的現象（0～10分）。

評價結果：很差（0～3分）；較差（3～6分）；良好（6～8分）；優秀（8～10分）；突出（10分）。

第四，評價內容：學生能否正確建表和圖，分析實驗數據，并找出規律，分析原因（0～20分）。

評價結果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～15分）；優秀（15～20分）；突出（20分）。

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

評價結果：很差（0～5分）；較差（5～10分）；良好（10～20分）；優秀（20～40分）；突出（40分）。

基金項目：2015年江西省高等學校教學改革研究省級課題（編號：JXJG-15-24-4）；江西科技學院校級教改課題（編號：JY1504）；江西科技學院校級自然科學研究課題（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；陳鎮旺（1997—），江西科技學院土木工程學院土木工程專業學生。

參考文獻：

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[2]李庚英，趙曉華，熊光晶.土木工程材料CDIO模式的設計與實現[J].高等工程教育研究，2009（5）：41-43.

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