基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學模式探索

吳福飛，董雙快，王 紅，朱 丹，黃宗輝

(貴州師范大學 a. 材料與建筑工程學院；b.教務處實驗室安全管理科，貴州 貴陽 550025)

0 前 言

工程材料課程作為土木工程、市政工程、水利工程、工程管理等大土木專業的基礎課程。該課程涵蓋內容相對較廣，主要包括材料的基本性質、無機膠凝材料、混凝土、砂漿、砌體材料、瀝青及瀝青混合料、合成高分子材料、木材、建筑鋼材、石材、吸聲材料與裝飾材料等教學內容，其理論性、實踐性和應用性較強，是大土木專業必須掌握的基礎課程之一。根據高等學校專業指導委員會的要求，工程材料課程的教學目的是要求學生掌握工程材料的制備、性質、用途和使用方法，以及質量檢測與控制方法。通過本課程的學習，學生應能針對不同工程及條件合理選用工程材料，并能與后續相關課程密切結合。由于工程材料課程內容和教學目的特殊性，要求教師具有較深的理論功底、較多的實踐經歷。為此，各高校對工程材料課程教學的模式進行深入研究，趙亮等[1]提出基于“新工科”背景下土木工程材料實驗課程的改革與創新；陳靜[2]提出土木工程材料課程多維度結合的教學方式；張武滿等[3]提出以設計性、綜合性及創新性試驗為主，驗證性實驗為輔的多元化人才培養體系；沈燕[4]提出基于創新能力培養的土木工程材料實驗教學改革模式。

基于此，我校材料與建筑工程學院引進CDIO-OBE工程教育模式[5-6]運用于工程材料課程，積極探索工程材料課程實踐教學模式，使我院土木工程、工程管理和工程造價專業的學生掌握和應用好工程材料課的基本知識，為后續課程的講解做鋪墊。

1 傳統工程材料課實踐教學存在的問題

工程材料課是大土木專業使用最多的建筑材料，該課程涉及范圍廣、概念多和專業術語多；各章節之間邏輯性差，涉及的經驗性內容多和技術要求多。因此，該課程的實踐教學能幫助學生理解和掌握理論課程的基本知識，并提高學生的動手能力和創新能力。

1)實驗內容單一，工程背景不強。該課程目前主要開展水泥的基本性質、砂石料的基本性質和預拌混凝土。對于混凝土試驗也未與工程實際接軌，僅開展常規混凝土，如未與工程中的自密實混凝土、碾壓混凝土、纖維混凝土等接軌。其余試驗如砂漿、鋼材、瀝青、新型材料、裝飾材料、復合材料等更未見。

2)實踐教學的重視程度不夠、課時少，考核方式落后。在該課程的教學中，普遍存在的現象是“重理論、輕實踐”。為適應國家素質教育的需要，大學本科專業課程的教學學時逐漸縮減，工程材料課的課時已經縮減到24學時的理論教學和8學時的實驗教學，不僅出現理論課上不完的現象，也出現實踐教學課時嚴重不足的問題，完全不能實現2～3人/組的情況。由于理論課程和實踐課程統一安排，該實踐課程不計入成績，致使實踐課程“名存實亡”。

3)設備陳舊、數量少。在師范院校開展工科專業，往往由于投入多、產出少的問題，一再壓縮工科專業實踐教學的費用，導致設備無法更新，年復一年，設備只減不增。

2 基于CDIO-OBE的工程材料課教學模式構建

CDIO是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)的簡寫，是以實際項目工程為載體，使學生主動、積極學習工程。OBE是基于學習產出的教育模式(Outcomes Based Education)，注重通過教學，使學生達到某種目標。

1)CDIO-OBE人才培養模式。結合CDIO的國際教學培養大綱和OBE的三個目標(即知識、能力和素養)，突出能力本位教育，即實現教學目標(OBE)和教學手段(CDIO)的相輔相成。另外，為了適應OBE的需要。至少要實現如下五方面轉變：①從灌輸課堂向對話課堂的轉變；②從封閉課堂向開放課堂的轉變；③從知識課堂向能力課堂的轉變；④從重學輕思向學思結合轉變；⑤從重教輕學向教主于學轉變。通過上述五方面的轉變，從而實現OBE教學主張的教學理念：即“教不為教，學為學會”；達到OBE教學主張的教學原則：即“教主于學”，即達到“樂學、會學、學會”的目的。

2)構建虛擬教學和試驗仿真平臺。為了滿足實踐教學的需要，貴州師范大學材料與建筑工程學院與廣東騰躍、貴州建工等單位通過校企協同，成立了山區坡地建筑工程施工技術與組織現場實習虛擬仿真實驗室。旨在以省級標準化工程項目為案例，結合貴州喀斯特山區工程地質、建筑特色、施工技術和管理現狀，利用VR全景和BIM技術，實現試驗和施工全過程全景呈現。通過這一平臺的建設，將理論課程未講授完的部分上傳至平臺，通過時間節點的設置，實時監控學生學習情況，并通過平臺隨機抽題考查學生的學習情況。另外，基于試驗設備有限的問題，通過BIM 和VR全景技術，首先通過平臺演示，讓學生理解和掌握試驗過程應該注意的問題，從而達到提高學生的實踐能力。

3)建立綜合性、創新性試驗。結合工程材料課的教學大綱，重新調整試驗實踐教學。①減少材料的基本特性試驗，鋼筋和瀝青的基本試驗，將其通過虛擬試驗進行。增加混凝土、高強和高韌性混凝土、鋼筋混凝土和瀝青混凝土的制備、測試和應用。②結合工程材料課測量和環境與可持續課程的情況，開展房屋驗收與檢測工作，即對房屋的建筑面積、層高、甲醛、瓷磚空鼓等指標進行檢測，讓學生親身體驗房屋驗收與檢測工作。③結合創新學分和培養目標的需要，鼓勵學生積極參加“互聯網+”、“挑戰杯”、“節能減排”和“三創賽”等比賽以及積極申報大學生科研訓練計劃和大學生創新創業訓練計劃，實現學生以研促學和以賽促學的目的。

3 基于CDIO-OBE的混凝土極限拉伸實驗教學設計與實踐

以混凝土極限拉伸為例，簡述基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學模式。在成型混凝土極限拉伸試件時，根據學生的分組情況，可制備常規混凝土、碾壓混凝土、粉煤灰混凝土、外摻氧化鎂混凝土等試件，根據摻量和種類等的不同，可制備形式多樣的試件。試驗完成后，學生需提交配合比設計表格和試驗報告，并通過PPT等形式匯報整個極限拉伸過程及失誤情況。

1)構思階段。以貴州省都勻大河水庫對外摻MgO碾壓混凝土的需要為例，通過分組和達到對比的需要，讓學生構思常規混凝土、碾壓混凝土、粉煤灰混凝土、外摻氧化鎂混凝土等試件。基于此，學生需收集混凝土極限拉伸的相關資料，以及準備混凝土原材料用量的計算。

2)設計階段。由于混凝土極限拉伸試件中原材料用量的不同，學生需通過工程實際需要，選擇合適的水膠比、砂石、水泥、水和摻合料等用量。教師在此階段需檢查學生計算的準確性和適用性。

3)制備階段。根據設計階段的計算結果，準備混凝土試件所需的原材料，按設計比例成型混凝土。此階段老師需檢查混凝土原材料是否合適、制備流程的正確與否。制備結束后，放入養護室進行養護。

4)試驗階段。根據虛擬仿真實驗平臺，首先通過虛擬仿真技術，演示混凝土極限拉伸的試驗過程及注意事項。然后將養護后的試件進行極限拉伸試驗，試驗過程中及時記錄應變數據，試驗結束后，繪制應變關系，并完成實驗報告。

5)檢查階段。完成報告后，總結試驗過程的得與失，將整個試驗過程通過PPT講解。通過這一檢查手段，提高學生的動手能力、團隊合作意識和表達能力。

4 實踐教學實施效果

從2017年應用基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學模式以來，我院學生獲得互聯網+省級金獎、銀獎和銅獎各一次，優秀獎多次；獲“三創賽” 省級一、二、三和優秀獎多次；國家級和省級大學生創新創業項目30余項，校級大學生科研訓練計劃24項，獲得BIM比賽團體獎和個人獎多次。與此同時，教師也獲得不少成績，如成立了山區坡地建筑工程施工技術與組織現場實習虛擬仿真實驗室，成立貴州師范大學司法鑒定研究院，成立了驗房團和檢測單位等。

5 結 語

CDIO-OBE實踐教學模式的使用，能在一定程度上轉變“重理論、輕實踐”的觀念。能提高學生的積極性、動手能力和團隊協作能力，同時能激發學生對大學創新創業訓練計劃、大學生科研訓練計劃和各種比賽的興趣，從而達到提高學生的實踐創新能力。

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