基于CDIO理念的土木工程材料实验教学模式探索

周艳华+谢政+王小玲+陈镇旺

摘要：本文重点介绍基于CDIO理念的土木工程材料实验教学设计思想、教学目标、教学内容设计以及考核内容与方法，从而将CDIO教育模式运用到土木工程材料实验教学过程中，增强教学效果，提高学生处理实际问题的能力以及团队协作能力。

关键词：CDIO模式；土木工程材料；实验教学

一、引言

CDIO工程教育模式在最近几年的国际工程教育改革中取得较好的成效，CDIO工程教育理念已逐步得到推广。基于CDIO模式下的土木工程材料实验教学改革，要求学生在掌握土木工程材料基本知识的基础上，以团队的形式构思一项综合实践项目（C）；通过检索和阅读文献资料、团队内部及团队相互之间的交流，对方案进行设计（D）；依据教师的指导，对方案进行实施（I）；根据试验结果改进设计方案，最后运作项目（O）。改革的目的是运用“构思—设计—实施—运作”的工程教育模式，提高学生的工程能力及创新能力。

土木工程材料涵盖的知识点非常广泛，内容包括无机非金属材料、金属材料和有机高分子材料，内容繁杂。由于课时的限制，实验学时通常会被压缩。此外，由于以往设计型和综合型实验分配学时少，不利于学生动手操作能力的培养和创新思维的提升。为了提高工程质量并使技术人员具备实践能力，提高土木工程材料实践的教学质量已迫在眉睫。本文通过分析土木工程材料实验教学中常见的一些问题，对教学思想设计、教学目标、教学内容设计及教学考核内容与方法等四个方面进行介绍，以期将CDIO运用到土木工程材料实验教学中，提升实践教学质量。

二、土木工程材料实验教学存在的问题

一是传统的教学方法以教师阐述实验过程为主体，再由学生根据分组进行实验验证。然而，这种教学方式无法满足当前高素质教育注重培养创新和科研能力的教育体系。

二是现有教材中“土木工程材料”的内容更依赖于理论教学。实验教学内容相对单一，主要是验证性的实验，综合型试验课时少。针对后续课程的衔接不合理，这样不但不能满足创新教育的要求，而且会对知识的积累造成影响。

三是缺乏科学合理的实验教学考核内容与方法，学生的主动性较差。这对学生竞争意识和创新意识的培养造成了极其不利的影响。

三、基于CDIO理念的实验教学设计思想

土木工程材料实验教学的设计思想是在转变教育思想和观念的基础上，遵循教育规律，适应教育发展趋势，注重素质教育，培养学生的实践能力和创新精神。土木工程材料实验内容包括常规实验和“构思—设计—执行—修改—演示”全过程的团队实践项目两部分。

四、基于CDIO理念的实验教学目标

土木工程材料实验包括常规实验和“构思—设计—执行—修改—演示”全过程的团队实践项目两个部分。实验的技能目标、知识目标和能力培养目标如下：

1.技能目标

（1）能运用现行检测标准分析问题；

（2）能独立完成土木工程材料验收检验的实验操作；

（3）能对实验数据进行分析处理；

（4）能对土木工程材料合格与否作出正确判定；

（5）会填写和审阅实验报告；

（6）具备检索文献与阅读能力。

2.知识目标

（1）运用理论知识设计符合实际工程的混凝土材料；

（2）探索原材料种类、数量、工艺及养护方法对材料性能的综合影响；

（3）描述原材料性能变化与关键设计参数的关系；

（4）测试材料性能，分析原因。

3.能力培养目标

（1）动手能力、交流能力、团队合作能力和自主学习能力；

（2）实践能力、科学研究能力；

（3）发现问题、分析问题及解决问题的综合能力和创新思维能力；

（4）通过对比计算和实验结果，说明材料理论模型的必要假设及其局限性，并讨论造成差别的主要原因。

五、基于CDIO理念的实验教学内容设计

为了突出体现“提高学生的岗位工作能力”，以材料员、试验员和质检员的岗位能力要求为目标，土木工程材料常规实验项目主要有：

一是水泥取样、性能检测及合格判定；

二是骨料取样、性能检测及合格判定；

三是混凝土取样、性能檢测及合格判定；

四是砌筑块材取样、性能检测及合格判定；

五是钢筋取样、性能检测及合格判定；

六是沥青材料取样、性能检测及合格判定。

以混凝土设计大赛为依托，加强设计型和综合型实验，培养学生的动手能力、团队合作能力、分析问题和解决问题的综合能力。在实验教学中，根据实验要求和材料特点，改变传统验证性实验的单一模式，推广设计型和综合型实验。例如，要求学生完成实际工程要求的混凝土，让学生完成混凝土配合与设计工作，并与工程实际使用的配合比进行对比。学生的实验准备、设计计算、操作、试配调整、结果处理等都非常投入，在工作中与教师互相交流，预测实验结果、分析实验现象、总结实验结果。一次实验就是一次真实的工作经历，不仅能使学生很好地掌握该项实验内容，而且锻炼了分析问题解决问题的工程应用能力。

开设“由构思—设计—执行—修改—演示”全过程的团队实践项目，培养团队协作精神。该项目包含了材料设计所需要的原理、标准，材料性能认知、分析、准备以及课堂中所学到的材料等知识内容。综合实践项目如下：

一是废弃混凝土再生骨料混凝土配合比设计；

二是大掺量粉煤灰混凝土的设计；

三是再生粗骨料透水性混凝土的制备；

四是碎砖类骨料再生混凝土的制备及配合比设计；

五是无机保温砂浆的制备；

六是装饰装修材料的调研。

综合实践项目要求学生按下述流程进行：

一是小组讨论，初步确定项目方向；

二是查阅文献，小组讨论，设计方案，确定所需的基本原材料；

三是确定项目执行过程中的试验方法，并通过阅读、求教等方法，熟悉设备操作和工艺流程；

四是制订详细的试验方案计划，包括原材料种类、原材料数量、成型方法、养护方式和原理、测试方式和原理；

五是进行具体试验，记录试验过程中所有数据，并绘制图表，进行分析；

六是对比自己的试验结果、对比同条件下他人的试验结果，对比规范，确定自己的方案是否符合要求，是否需要改进；

七是集体讨论，进行对创意、原理、结果的分析。

最后以4～5人为一个小组完成综合实践项目设计和不少于3000字的小论文。

六、教师指导方法

土木工程材料课程知识能力培养的重点和难点问题包括：混凝土配合比设计；水泥水化特性及影响因素；混凝土耐久性；沥青混合料设计；从绿色环保的角度，掌握设计和研发土木工程材料的思路和方法；培养学生的创造性思维能力，即如何使学生具有概念化和抽象化能力以及综合和通用化能力，如何使学生利用本课程相关的理论知识解释整个过程；如何培养学生的批判性思维，即如何提高学生的分析问题，找出有矛盾的观点、理论和事实，找出逻辑谬误，验证假设和结论的能力。为了顺利解决上述重点和难点问题，我们采用如下方法：首先教师利用授课时间重点讲述上述难点问题，进而分组逐步执行各个探究点，最后利用全班演示、讨论、答辩过程解决上述难点问题。具体措施包括：基于兴趣与专业知识的辩证关系原理；基于学生的好奇心和求异心，提高学生的学习热情；积极引导、合理安排教学内容，促进学生主动学习。为了提高土木工程材料实验的教学效果，可以采用如下指导方法：

一是根据科学研究的基本原材确定实践项目设计细则；

二是根据理论教学的重点、难点将内容划分成数个探究点（项目主题）；

三是学生分成若干组，每组包含4～5个学生；

四是不同的组确定不同的项目主题，或是同一主题的不同部分；

五是引导学生查阅文献；

六是检验学生项目的可行性，并指导学生开展试验；

七是按照实验规程进行试验，执行项目；

八是指导学生预测、分析试验结果，并从土木工程材料角度分析原理；

九是撰写论文和报告，演示、答辩和讨论。

七、基于CDIO理念的实验教学考核内容与方法

实验考核内容主要是考核学生的实践过程、实践报告、全班展示和答辩结果。实验部分占总分的35%，评价指标包括基础知识部分和科学思维能力，具体评价方法如下：

第一，评价内容：学生能否正确地使用常规实验设备，并规范地进行实验（0～20分）。

评价结果：很差（0～5分）；较差（5～10分）；良好（10～15分）；优秀（15～20分）；突出（20分）。

第二，评价内容：每组成员之间的团结合作的态度（0～10分）。

评价结果：很差（0～3分）；较差（3～6分）；良好（6～8分）；优秀（8～10分）；突出（10分）。

第三，评价内容：学生能否根据理论知识，预测自己项目可能产生的现象（0～10分）。

评价结果：很差（0～3分）；较差（3～6分）；良好（6～8分）；优秀（8～10分）；突出（10分）。

第四，评价内容：学生能否正确建表和图，分析实验数据，并找出规律，分析原因（0～20分）。

评价结果：很差（0～5分）；较差（5～10分）；良好（10～15分）；优秀（15～20分）；突出（20分）。

第五，评价内容：学生提供的设计是否基于基本概念的理解并有充足的根據。对重要的设计特征是否给出简要的理由（0～40分）。

评价结果：很差（0～5分）；较差（5～10分）；良好（10～20分）；优秀（20～40分）；突出（40分）。

基金项目：2015年江西省高等学校教学改革研究省级课题（编号：JXJG-15-24-4）；江西科技学院校级教改课题（编号：JY1504）；江西科技学院校级自然科学研究课题（编号：ZR15ZD02）。

作者简介：周艳华（1980—），女，硕士，讲师，研究方向：材料科学与工程、建筑材料；谢政（1989—），硕士，讲师，研究方向：公路基层材料；王小玲（1988—），女，硕士，助教，研究方向：岩土工程、建筑材料；陈镇旺（1997—），江西科技学院土木工程学院土木工程专业学生。

参考文献：

[1]宋旭艳，郜志海，等.土木工程材料课综合型实验教学的探索与实践[J].科技创新导报，2011（27）：194.

[2]李庚英，赵晓华，熊光晶.土木工程材料CDIO模式的设计与实现[J].高等工程教育研究，2009（5）：41-43.

[3]鄢朝勇，叶建军.土木工程材料实验教学改革研究[J].教育教学论坛，2013（48）.