基于CDIO-OBE 模式的土木工程材料實踐教學改革探討

夏 宇，郭范波，梅 華

（湖南工學院土木與建筑工程學院，湖南 衡陽 421002）

引言

隨著我國“一帶一路”倡議和“中國制造2025”等戰略的不斷推進，加強創新型、應用型、技能型人才培養，進一步壯大高水平工程師和高技能人才隊伍顯得尤為重要。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，我國以“雙一流”“卓越計劃2.0”等一系列重大戰略為抓手，致力于培養富有創新精神和實踐能力的復合應用型人才。然而目前我國工程技術人才依然存在很大的需求缺口，中國人力資源市場信息監測中心公布的2021 年第二季度全國83 個城市公共就業服務機構市場供求狀況分析數據顯示，市場對具有技術等級和專業技術職稱勞動者的用人需求較大，高級技師、技師需求缺口較大。

對于土木工程建筑類非材料專業而言，土木工程材料是一門重要的專業基礎課，它與公共基礎課及后續的專業課緊密銜接，起著承上啟下的作用。而土木工程材料實驗是理論課程的重要補充，能夠培養學生綜合運用知識的能力及動手能力和創新精神。而現今土木工程材料實踐教學普遍未能與復合應用型人才培養要求相匹配，需進一步實施改革。

1 傳統土木工程材料實踐教學的局限性

土木工程材料課程主要內容是對土木工程中各種材料進行敘述、分析及綜合論證，進而根據材料的共性與特性來確定其應用技術，使學生具備初步的工程思維。而土木工程材料實驗是教學中的重要環節，對培養學生的實踐和創新能力具有重要作用。但傳統的實踐教學模式存在很多不足之處，嚴重制約了學生主觀能動性的發揮，其動手能力和實踐技能也難以得到提高，主要體現在以下幾個方面：

1.1 教學方式傳統、部分實驗內容陳舊

目前，教學過程一般是老師首先對實驗進行講解介紹，再進行演示，然后學生按照老師或實驗指導書所述的實驗步驟進行操作，便可獲得實驗數據和結果，最后完成實驗報告。這種先灌輸而后讓學生進行驗證的傳統實驗教學方式導致學生僅能初步地了解土木工程材料實驗的過程，而在整個過程中學生缺乏主動性，其實踐創新能力并不能得到充分提升，因此難以滿足當今以培養學生的創新精神和實踐能力為核心的素質教育要求。

同時，隨著我國“八縱八橫”高鐵網等重大工程項目的開工建設，許多新材料應用于建設當中，建筑業的快速發展也使得土木工程材料逐漸向著高性能、環保節能等方向發展。而當前國內高校土木工程材料實驗教學內容大多為土木工程材料基本物理性質、混凝土用砂石、水泥技術性能、普通混凝土（和易性及強度）等常規性和驗證性實驗，各實驗項目彼此獨立，且工程應用性不強。

1.2 學時少、實驗重視程度不夠

近年來，在強調學生綜合素質發展和“厚基礎、寬口徑、強能力、突特色”的人才培養目標的引導下，各高校的基礎專業課課時壓縮調整，土木工程材料實驗課時隨之減少，一般僅安排6—10 個課時，且實驗成績占課程總成績的比例較低，通常為10%—20%，加之傳統教學重理論輕實踐，實驗教學僅被視為理論教學的輔助，這也就導致學生甚至是部分老師不重視實驗教學。

另一方面，當前各高校土木工程材料實驗課程內容繁多，要在完成教學計劃的同時保證學生的實踐創新能力得到提升極其困難，如此很難達到預定的教學目標。

1.3 考核評價機制不完善

對于大部分地方高校而言，通常以學生的實驗報告撰寫及出勤情況來綜合評定土木工程材料實驗課程的成績。而實驗多為分組進行，數據雷同難以避免，且每組實驗常由少數幾個學生完成所有的操作，組內其余學生參與度較低、缺乏主動性，老師較難判定學生對實驗的掌握程度，這樣的實驗成績就無法反映學生實驗課堂的真實情況。

1.4 課堂管理協調工作欠缺

目前高校的實驗課堂安排多為分組進行，每組人數不一，多的小組有5—6 名學生，老師每次需要指導多個小組，這就導致該老師的指導任務過于繁重而難以保證對每個學生的指導質量。

同時由于部分高校實驗儀器設備相對落后、數量不足等原因，導致每個小組的實驗時間安排較為緊湊，而學生通常是首次接觸此類儀器設備，操作難免生疏，甚至存在部分學生在實驗完成后還對儀器設備操作較為模糊的現象。

2 CDIO-OBE 模式土木工程材料實踐教學構建思路

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育模式的培養理念是指以項目為載體，讓學生采用主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。OBE（Outcomes Based Education），即基于學習產出的教育模式。在OBE 教育系統中，教育者必須注重的是學生能做什么，而不是學生了解什么，知道什么。

CDIO-OBE 模式由CDIO 和OBE 兩個部分組成，以OBE 為目標，CDIO 為手段，二者相互融通。為了實現課程內容與所要求的能力指標矩陣相匹配，OBE從最終目標出發，反向設計課程內容，開展教學活動。與傳統教學相比，引入CDIO-OBE模式的教學主要有如下不同：①學習方式從“圍繞課本目錄形式”轉變為“圍繞具體項目”；②學習過程由“以老師為中心”轉變為“以學生為中心”；③由單獨記憶理解知識點到綜合應用知識點。現階段的土木工程材料實驗教學中存在理論教學多實踐教學少、實驗內容與工程實際脫節、學生實踐能力考核不到位等問題，CDIO-OBE模式的引入能有效解決以上問題，最終提升學生的主觀能動性、創新意識和實踐能力。

2.1 增設綜合設計性實驗項目

為了與當前土木工程專業人才培養方案的要求相協調，提升學生對實踐教學課堂的興趣，一改以往課堂填鴨式教學模式，需減少單元性、驗證性實驗，增設如普通混凝土配合比設計實驗、瀝青混凝土配合比設計實驗等創新性、綜合性、設計性實驗項目。在整個實驗過程中，以學生為主體，老師僅起答疑解惑的輔助作用，這樣學生發散思維、發現和解決問題的能力可得到較大程度的提高。

2.2 建立開放性實驗平臺

由于當前課堂要求的實驗課時少、部分實驗室的場地和儀器設備緊張，因此可以鼓勵學生在課后完成一些綜合設計性實驗項目，也即實驗室可實行開放性實驗制度，這樣實驗時間便不再局限于課堂，學生可根據自己的情況自行與老師協調實驗項目及實驗時間。

首先由老師申請開放性實驗項目，通過課外學分等激勵機制鼓勵學生參與進來，然后學生自主完成相關文獻資料的查閱及實驗方案設計，指導老師負責與學生探討并確定最終的實驗方案，實驗老師則負責協調安排實驗場所和儀器設備等，并在實驗過程中指導糾正學生規范使用儀器設備。實驗結束后，學生根據觀察到的實驗現象和處理好的實驗結果進行分析討論并做進一步總結，最后形成實驗報告或者通過進一步深化形成科技小論文。

2.3 設立創新創業訓練項目

在當前的人才培養模式下，學生僅僅完成教學安排的實踐學時是遠遠不夠的，因此與課內教育互為補充的課外教育就顯得十分重要。在課程體系之外，利用建筑工程類創新創業教育中心設立土木工程材料創新訓練項目，鼓勵并支持部分學有余力、實踐能力強的學生參加各級自主創新競賽。

與傳統教學相比，創新教學觀念的重點是將“知識接受”變為“知識探究”，學生在知識探究的過程中把自身的經驗與知識體系創造性地結合，進而構建自身的個性化認知系統，從而不斷提升其創新能力。

3 基于CDIO-OBE 的普通混凝土配合比設計實驗教學設計與實踐

在普通混凝土配合比設計實驗中引入CDIO-OBE 模式，介紹基于該種模式的土木工程材料實驗教學。該實驗將水泥技術性能實驗、混凝土用砂石實驗及普通混凝土實驗進行綜合，形成普通混凝土配合比設計實驗。由于本實驗需要學生先了解所給出的工程和原材料條件要求后再自行設計相關的實驗方法步驟，因此可以很好地鍛煉學生的創新和實踐操作能力。

3.1 構思（Conceive）階段

在該階段，學生可根據如下步驟進行：①按4—5 人一組形成團隊，明確普通混凝土配合比設計實驗的性質及目標；②針對該實驗展開調查研究，收集相關文獻和標準并整理，去粗取精；③完成實驗需求分析報告，在報告中提出實驗所需的儀器設備及材料等；④老師對學生提交的報告進行點評，給出指導意見。未經老師點評合格的實驗需求分析報告應進行持續改進直至合格，否則不得進入下一階段。

3.2 設計（Design）階段

實驗的構思階段通過后，小組需根據完成的實驗需求分析報告設計初步實驗方案，然后在小組之間對各自的方案進行闡述和討論，內容主要包括每組實驗的基本思路、原材料技術性能、配合比的確定、實驗方法，然后各小組根據其他團隊提供的評價意見對實驗方案進行修改，形成最終的實驗方案。

3.3 實現（Implement）階段

按照設計階段形成的實驗方案進行實驗操作，記錄相關數據并填寫儀器設備操作使用記錄，必要時可尋求老師的指導幫助。指導老師全程跟蹤記錄學生的實驗操作過程，考察其操作是否規范，并及時進行指導糾正。在這一階段，小組內學生要分工協作通力配合，各團隊間也要積極溝通協調。這樣不但極大地激發了學生對知識探索的主動性，提高了學生的實踐技能和相互間的溝通協調能力，也實現了從“以老師為中心”到“以學生為中心”的轉變。

3.4 運作（Operate）階段

各小組在實驗操作結束后對所記錄的實驗數據進行分析處理，在此基礎上撰寫總結報告，并將實驗成果和收獲以PPT 的形式在班級內進行展示匯報，總結得失，其他小組參與討論并提出問題和建議，老師進行評價，從而進一步完善該方案。若實驗方案實施后結果不理想，學生小組應進行持續改進。

4 結語

鑒于目前土木工程材料實踐教學中存在的一些問題,有必要有效地組織和實施實踐教學改革。將CDIO-OBE模式引入土木工程材料實踐教學當中，可打破傳統教學重理論輕實踐的觀念，提高學生的課堂參與度，實現教學內容的有機整合，有助于提升學生分析和解決問題的能力，培養具有實踐能力的應用型人才。