基于CDIO-OBE 模式的土木工程材料实践教学改革探讨

夏 宇，郭范波，梅 华

（湖南工学院土木与建筑工程学院，湖南 衡阳 421002）

引言

随着我国“一带一路”倡议和“中国制造2025”等战略的不断推进，加强创新型、应用型、技能型人才培养，进一步壮大高水平工程师和高技能人才队伍显得尤为重要。为主动应对新一轮科技革命与产业变革，我国以“双一流”“卓越计划2.0”等一系列重大战略为抓手，致力于培养富有创新精神和实践能力的复合应用型人才。然而目前我国工程技术人才依然存在很大的需求缺口，中国人力资源市场信息监测中心公布的2021 年第二季度全国83 个城市公共就业服务机构市场供求状况分析数据显示，市场对具有技术等级和专业技术职称劳动者的用人需求较大，高级技师、技师需求缺口较大。

对于土木工程建筑类非材料专业而言，土木工程材料是一门重要的专业基础课，它与公共基础课及后续的专业课紧密衔接，起着承上启下的作用。而土木工程材料实验是理论课程的重要补充，能够培养学生综合运用知识的能力及动手能力和创新精神。而现今土木工程材料实践教学普遍未能与复合应用型人才培养要求相匹配，需进一步实施改革。

1 传统土木工程材料实践教学的局限性

土木工程材料课程主要内容是对土木工程中各种材料进行叙述、分析及综合论证，进而根据材料的共性与特性来确定其应用技术，使学生具备初步的工程思维。而土木工程材料实验是教学中的重要环节，对培养学生的实践和创新能力具有重要作用。但传统的实践教学模式存在很多不足之处，严重制约了学生主观能动性的发挥，其动手能力和实践技能也难以得到提高，主要体现在以下几个方面：

1.1 教学方式传统、部分实验内容陈旧

目前，教学过程一般是老师首先对实验进行讲解介绍，再进行演示，然后学生按照老师或实验指导书所述的实验步骤进行操作，便可获得实验数据和结果，最后完成实验报告。这种先灌输而后让学生进行验证的传统实验教学方式导致学生仅能初步地了解土木工程材料实验的过程，而在整个过程中学生缺乏主动性，其实践创新能力并不能得到充分提升，因此难以满足当今以培养学生的创新精神和实践能力为核心的素质教育要求。

同时，随着我国“八纵八横”高铁网等重大工程项目的开工建设，许多新材料应用于建设当中，建筑业的快速发展也使得土木工程材料逐渐向着高性能、环保节能等方向发展。而当前国内高校土木工程材料实验教学内容大多为土木工程材料基本物理性质、混凝土用砂石、水泥技术性能、普通混凝土（和易性及强度）等常规性和验证性实验，各实验项目彼此独立，且工程应用性不强。

1.2 学时少、实验重视程度不够

近年来，在强调学生综合素质发展和“厚基础、宽口径、强能力、突特色”的人才培养目标的引导下，各高校的基础专业课课时压缩调整，土木工程材料实验课时随之减少，一般仅安排6—10 个课时，且实验成绩占课程总成绩的比例较低，通常为10%—20%，加之传统教学重理论轻实践，实验教学仅被视为理论教学的辅助，这也就导致学生甚至是部分老师不重视实验教学。

另一方面，当前各高校土木工程材料实验课程内容繁多，要在完成教学计划的同时保证学生的实践创新能力得到提升极其困难，如此很难达到预定的教学目标。

1.3 考核评价机制不完善

对于大部分地方高校而言，通常以学生的实验报告撰写及出勤情况来综合评定土木工程材料实验课程的成绩。而实验多为分组进行，数据雷同难以避免，且每组实验常由少数几个学生完成所有的操作，组内其余学生参与度较低、缺乏主动性，老师较难判定学生对实验的掌握程度，这样的实验成绩就无法反映学生实验课堂的真实情况。

1.4 课堂管理协调工作欠缺

目前高校的实验课堂安排多为分组进行，每组人数不一，多的小组有5—6 名学生，老师每次需要指导多个小组，这就导致该老师的指导任务过于繁重而难以保证对每个学生的指导质量。

同时由于部分高校实验仪器设备相对落后、数量不足等原因，导致每个小组的实验时间安排较为紧凑，而学生通常是首次接触此类仪器设备，操作难免生疏，甚至存在部分学生在实验完成后还对仪器设备操作较为模糊的现象。

2 CDIO-OBE 模式土木工程材料实践教学构建思路

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育模式的培养理念是指以项目为载体，让学生采用主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。OBE（Outcomes Based Education），即基于学习产出的教育模式。在OBE 教育系统中，教育者必须注重的是学生能做什么，而不是学生了解什么，知道什么。

CDIO-OBE 模式由CDIO 和OBE 两个部分组成，以OBE 为目标，CDIO 为手段，二者相互融通。为了实现课程内容与所要求的能力指标矩阵相匹配，OBE从最终目标出发，反向设计课程内容，开展教学活动。与传统教学相比，引入CDIO-OBE模式的教学主要有如下不同：①学习方式从“围绕课本目录形式”转变为“围绕具体项目”；②学习过程由“以老师为中心”转变为“以学生为中心”；③由单独记忆理解知识点到综合应用知识点。现阶段的土木工程材料实验教学中存在理论教学多实践教学少、实验内容与工程实际脱节、学生实践能力考核不到位等问题，CDIO-OBE模式的引入能有效解决以上问题，最终提升学生的主观能动性、创新意识和实践能力。

2.1 增设综合设计性实验项目

为了与当前土木工程专业人才培养方案的要求相协调，提升学生对实践教学课堂的兴趣，一改以往课堂填鸭式教学模式，需减少单元性、验证性实验，增设如普通混凝土配合比设计实验、沥青混凝土配合比设计实验等创新性、综合性、设计性实验项目。在整个实验过程中，以学生为主体，老师仅起答疑解惑的辅助作用，这样学生发散思维、发现和解决问题的能力可得到较大程度的提高。

2.2 建立开放性实验平台

由于当前课堂要求的实验课时少、部分实验室的场地和仪器设备紧张，因此可以鼓励学生在课后完成一些综合设计性实验项目，也即实验室可实行开放性实验制度，这样实验时间便不再局限于课堂，学生可根据自己的情况自行与老师协调实验项目及实验时间。

首先由老师申请开放性实验项目，通过课外学分等激励机制鼓励学生参与进来，然后学生自主完成相关文献资料的查阅及实验方案设计，指导老师负责与学生探讨并确定最终的实验方案，实验老师则负责协调安排实验场所和仪器设备等，并在实验过程中指导纠正学生规范使用仪器设备。实验结束后，学生根据观察到的实验现象和处理好的实验结果进行分析讨论并做进一步总结，最后形成实验报告或者通过进一步深化形成科技小论文。

2.3 设立创新创业训练项目

在当前的人才培养模式下，学生仅仅完成教学安排的实践学时是远远不够的，因此与课内教育互为补充的课外教育就显得十分重要。在课程体系之外，利用建筑工程类创新创业教育中心设立土木工程材料创新训练项目，鼓励并支持部分学有余力、实践能力强的学生参加各级自主创新竞赛。

与传统教学相比，创新教学观念的重点是将“知识接受”变为“知识探究”，学生在知识探究的过程中把自身的经验与知识体系创造性地结合，进而构建自身的个性化认知系统，从而不断提升其创新能力。

3 基于CDIO-OBE 的普通混凝土配合比设计实验教学设计与实践

在普通混凝土配合比设计实验中引入CDIO-OBE 模式，介绍基于该种模式的土木工程材料实验教学。该实验将水泥技术性能实验、混凝土用砂石实验及普通混凝土实验进行综合，形成普通混凝土配合比设计实验。由于本实验需要学生先了解所给出的工程和原材料条件要求后再自行设计相关的实验方法步骤，因此可以很好地锻炼学生的创新和实践操作能力。

3.1 构思（Conceive）阶段

在该阶段，学生可根据如下步骤进行：①按4—5 人一组形成团队，明确普通混凝土配合比设计实验的性质及目标；②针对该实验展开调查研究，收集相关文献和标准并整理，去粗取精；③完成实验需求分析报告，在报告中提出实验所需的仪器设备及材料等；④老师对学生提交的报告进行点评，给出指导意见。未经老师点评合格的实验需求分析报告应进行持续改进直至合格，否则不得进入下一阶段。

3.2 设计（Design）阶段

实验的构思阶段通过后，小组需根据完成的实验需求分析报告设计初步实验方案，然后在小组之间对各自的方案进行阐述和讨论，内容主要包括每组实验的基本思路、原材料技术性能、配合比的确定、实验方法，然后各小组根据其他团队提供的评价意见对实验方案进行修改，形成最终的实验方案。

3.3 实现（Implement）阶段

按照设计阶段形成的实验方案进行实验操作，记录相关数据并填写仪器设备操作使用记录，必要时可寻求老师的指导帮助。指导老师全程跟踪记录学生的实验操作过程，考察其操作是否规范，并及时进行指导纠正。在这一阶段，小组内学生要分工协作通力配合，各团队间也要积极沟通协调。这样不但极大地激发了学生对知识探索的主动性，提高了学生的实践技能和相互间的沟通协调能力，也实现了从“以老师为中心”到“以学生为中心”的转变。

3.4 运作（Operate）阶段

各小组在实验操作结束后对所记录的实验数据进行分析处理，在此基础上撰写总结报告，并将实验成果和收获以PPT 的形式在班级内进行展示汇报，总结得失，其他小组参与讨论并提出问题和建议，老师进行评价，从而进一步完善该方案。若实验方案实施后结果不理想，学生小组应进行持续改进。

4 结语

鉴于目前土木工程材料实践教学中存在的一些问题,有必要有效地组织和实施实践教学改革。将CDIO-OBE模式引入土木工程材料实践教学当中，可打破传统教学重理论轻实践的观念，提高学生的课堂参与度，实现教学内容的有机整合，有助于提升学生分析和解决问题的能力，培养具有实践能力的应用型人才。