CDIO教學模式在《土木工程材料》課程中的應用

劉秀偉　汪權明　楊林

摘要：將國內外先進的CDIO工程教育理念應用于《土木工程材料》課程的教學，經過CDIO課程定位、教學目標確定、教學大綱構建、課程教學內容設計與實施過程，最后進行了教學改革前后對比分析，結果取得明顯成效。CDIO教學模式從根本上改變了學生被動學習的局面，激發了學生的學習興趣，大幅度提高了教學效率，為推進高等教育教學改革發揮積極作用。

關鍵詞：教學模式；土木工程材料；教學改革

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）21-0167-03

一、前言

土木工程材料種類繁多，《土木工程材料》課程涉及非金屬材料、金屬材料、高分子材料以及復合材料等內容，每一類材料都涉及到一個龐大復雜的材料科學體系。教師在運用傳統的教學模式教學時，基本上都是要學生死記硬背，學生要把各種材料的性能、特征等進行記憶，學起來枯燥無味，傳統的教學模式已不能很好地適應這門課程的教學發展，因此，我們將CDIO教學模式引入《土木工程材料》課的教學中，希望在有限的時間內，讓學生比較好地了解和掌握土木工程材料基本理論知識，培養學生分析問題和解決問題的能力，包括動手能力、團結協作能力、溝通能力等，使《土木工程材料》這門課程的課堂不再“死氣沉沉”，而是變得“生機勃勃”。CDIO工程教育改革模式代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它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課程。同時建立了CDIO教學模式的教學大綱，在2016級的試點班中進行了教學實踐和研究，并依據CDIO教學模式的相關標準進行了綜合評價和分析。

二、精心設計課程教學內容，構建CDIO教學體系

（一）突出重點、刪繁就簡

精選內容的原則是既要保證學生學到最需要的知識，打好扎實的基礎，又要有一定的時間與精力去獨立思考、發現問題和解決問題，以利于培養學生的創造能力。

（二）追蹤前沿

為了使學生更好地掌握基本理論知識，了解學科前沿發展方向，必須深化課程內容設置，精心組織教學內容，對不斷涌現的新材料、新技術和新的研究成果要有選擇地向學生介紹，及時將教學研究和科研成果引入教學中，讓學生了解老師的科研情況及成果，以激發學習興趣，提高教學效果。

（三）不斷改進教學手段和教學方法

教學方法以啟發式教學為主，啟發學生積極主動地進行正確的思維，從而提高學生分析問題和解決問題的能力。教師的授課方法必須變“遷就型”為“創導型”，激發學生濃厚的自學興趣，充分調動學生的學習主動性，重視學生的學習方法，指導學生掌握分析問題的思維要領，以及解決問題方法的普遍性規律。

1.帶著問題上課：老師在上課前收集好學生的問題，或者由老師提出問題，學生帶著問題上課，將個人的構想、構思等融入課堂。

2.增加課外調查環節，將學生分成小團隊，對學生和老師的構想、構思組織學生進行課堂討論，學生通過在團隊中討論，將其凝結成一個設計思路，還可以將各方的資源整合，拓展學生的視野和思路，以使設計思路清晰、更趨完美、更接近實際，為后面的實施和改進做好鋪墊。

3.采用工程實例教學，然后學生動手做實驗，以實施自己的構思和設計。此部分作為教學的重點。通過實施的過程，學生個人和團體都能發現問題、提出問題、分析問題直至解決問題，老師在此過程中需積極參與學生的實施過程并進行指導，引導學生正確的進行思考和實施，幫助學生解決問題。

4.展示和改進團隊成果，通過展示各個團隊和個人的實施成果，再次組織討論和指導，集思廣益，從而改進團隊成果。

（四）構建CDIO教學大綱

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。因此進行CDIO改革后，“土木工程材料”的課程目標不但包括了專業知識的要求，而且還強調相關能力的提升要求。

三、教學方法的設計及教學全過程

1.“C”階段，以學生自主學習和主動學習為主，老師先將相關的理論知識和相關專業知識做大概的介紹和教學，老師在整個教學過程中更重要的是起引導、指導和鼓勵作用。學生需要思考問題、提出問題，查閱大量文獻和查找相關的技術資料。再將全班分成7個團隊，每個團隊的人數在7人左右，老師指導團隊分工明確，由組長分配其組員相應的工作，每個組員都必須有自己的工作和想法。老師將學生提出的問題進行點評和指導，為后面階段做好鋪墊。

2.“D”階段，學生需要培養更多的動手能力、團結協作能力，通過第一階段的準備和探討，由團隊初步提出材料的設計方案，設計方案應包括選定項目的基本思路、材料的基本性能、配比設計、實驗方法、預計成果等，由老師把關和指導，最后形成一個比較合理的設計方案。在設計中，學生首先要有清晰的構思，而構思就需要查閱大量的文獻資料和實地調研，了解和熟悉相關的專業知識，無形中便增加了學生的知識面以及加強了理論知識。

3.“I”階段，該階段為主要實施階段，學生團隊應分工明確，學生在該階段應充分發揮主觀能動性，并且在此過程中，學生必須掌握課程教學大綱要求的內容，如土木工程材料的基本性質、影響性質的因素、提高相關性能的措施等，老師重在參與此過程，負責指導學生在正確的操作程序下順利完成項目實驗，并負責解答在實驗過程中所遇到的問題及幫助學生解決問題。

4.“O”階段，該階段為項目的分析、展示和改進階段。項目完成后，在全班進行展示和討論，其他團隊提出問題和建議，老師進行點評，從而改進該方案。如果項目實施后結果不理想，學生團隊可以再次進行設計—實施—改進過程。

將以上CDIO教學模式應用于《土木工程材料》課的教學，如我們要求學生配制一種具有特殊性能且經濟環保的材料，可以是混凝土或砂漿、墻體材料、合成高分子材料、建筑功能材料等任何一種。我們首先要求學生進行構思和設計，在構思和設計中需考慮材料的實用性能、經濟性能、環保性能等及其影響因素，如組成材料、外加劑、外摻料、配合比等，老師將任務分配到各組，然后分組構思和設計，學生通過查閱大量文獻和資料及實地調研，先分組討論，再在全班討論，將所收集的材料匯總后，對學生提出的問題進行點評和指導，在老師的引導下設計出課題進行研究，如老師可引導學生在發明的新材料中盡可能多的使用固體廢棄物作原材料，以減少自然資源的使用、減少環境污染，達到經濟環保的目的。其次，實施和改進階段，老師在此過程中負責指導學生正確操作完成項目實驗，并負責解答在實驗過程中所遇到的問題及幫助學生解決問題，通過實施和對試驗不斷的改進，最后讓學生對要研發的新材料有進一步的認識。這樣反復進行構思-設計-實施-改進，最終寫出實驗報告或者研發報告。

完成課題后表明，學生的學習興趣、自學能力、溝通能力、創新能力、團結協作能力、職業技術能力、職業道德以及適應社會的能力得到了明顯的提高。

四、教學改革前后對比分析

《土木工程材料》課程內容，在改革前是通過講授的教學方法要求學生獲得有關建筑材料的性質與應用等的基本專業知識和必要的基本理論，并獲得主要建筑材料試驗的基本技能訓練。改革后：1）分組探討和研發新的土木工程材料。經過了構思、設計、實施、改進四個過程，在構思和設計時，必須考慮材料的實用性能、環境友好、可持續發展等特點，材料來源于“生活”而又必須高于“生活”，即材料必須在工程或生活中解決實際問題。通過查閱大量文獻資料和調研，了解和熟悉相關的專業知識，讓學生拓寬視野，開闊思路，培養了學生的創新能力，激發了學生的學習興趣。2）通過實例教學后，分組進行實驗，讓學生自己動手實踐，親身體會材料的性質，了解和掌握材料的性質與其影響因素之間的關系。3）能夠獨立操作儀器完成實驗，通過團隊協作將實驗或者研發做好，反復進行土木工程材料的構思-設計-實施-改進，通過CDIO教學過程，最終寫出實驗報告或者研發報告，報告內容需要包括在實驗或研發過程中遇到的問題、解決問題的過程、團隊分工合作的形式。

考核形式，改革前是閉卷考試及提交實驗報告。改革后：整個的CDIO過程為考核的主要依據，在全班展示報告為輔助依據。包括：（1）構思或者構想（C），提供討論記錄，包括討論的問題，用視頻記錄討論的情況，每個組員都要發表自己的觀點，還應提交所查閱的相關文獻和資料；（2）材料的設計（D），提供會議記錄和最終結果，如果材料的設計經過了反復的研究和試配，還需要提供每次的記錄和結果；（3）實驗實施（I），提供實驗的過程記錄，記錄在實驗過程中所遇到的問題，還需要進行拍照或者錄像作為輔助資料。（4）材料的評估或者改進（O），通過以上過程，將會發現相應的問題，對這些問題進行討論分析，從而改進材料或者對實驗成果進行評估。

評分標準；改革前：考試占70%，平時占30%。改革后：CDIO過程占60%，考試占40%。

五、結論

通過以上過程分析可見，CDIO教學模式相對于傳統的教學模式有明顯的優勢，在應用型的學科特別值得推行，其優勢在于：

1.通過具有導引性的教學過程，引導工程實踐入門，激發學生興趣，讓學生盡早領略工程技術之美。

2.常規課程以相互有機聯系的方式傳授，激發學生的學習興趣，提高學生的綜合能力。

3.通過貫穿專業核心課程學習全過程的CDIO項目，讓學生在學習專業知識的同時親身體驗高級設計過程，使得知識的學習和應用之間形成良性互動。

總之，《土木工程材料》課程經過CDIO教學模式改革后，學生從被動學習變為主動學習，由原來的以教師授課為主變為教師參與、指導、鼓勵為主，經過改革后，本屆學生很明顯的比往屆學生理論基礎知識的掌握更加扎實、更加全面，并且CDIO過程鍛煉了學生的自學能力、溝通能力、創新能力、團結協作能力、職業技術能力、職業道德以及適應社會的能力，學生更愿意參與此種學習過程。對提高教學質量、推進高等教育教學改革發揮積極作用。

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