CDIO教學(xué)模式在《土木工程材料》課程中的應(yīng)用

劉秀偉　汪權(quán)明　楊林

摘要：將國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CDIO工程教育理念應(yīng)用于《土木工程材料》課程的教學(xué)，經(jīng)過(guò)CDIO課程定位、教學(xué)目標(biāo)確定、教學(xué)大綱構(gòu)建、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程，最后進(jìn)行了教學(xué)改革前后對(duì)比分析，結(jié)果取得明顯成效。CDIO教學(xué)模式從根本上改變了學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大幅度提高了教學(xué)效率，為推進(jìn)高等教育教學(xué)改革發(fā)揮積極作用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；土木工程材料；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(fù)合材料等內(nèi)容，每一類材料都涉及到一個(gè)龐大復(fù)雜的材料科學(xué)體系。教師在運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)模式教學(xué)時(shí)，基本上都是要學(xué)生死記硬背，學(xué)生要把各種材料的性能、特征等進(jìn)行記憶，學(xué)起來(lái)枯燥無(wú)味，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能很好地適應(yīng)這門課程的教學(xué)發(fā)展，因此，我們將CDIO教學(xué)模式引入《土木工程材料》課的教學(xué)中，希望在有限的時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生比較好地了解和掌握土木工程材料基本理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，包括動(dòng)手能力、團(tuán)結(jié)協(xié)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(jī)勃勃”。CDIO工程教育改革模式代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)課程。同時(shí)建立了CDIO教學(xué)模式的教學(xué)大綱，在2016級(jí)的試點(diǎn)班中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐和研究，并依據(jù)CDIO教學(xué)模式的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和分析。

二、精心設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建CDIO教學(xué)體系

（一）突出重點(diǎn)、刪繁就簡(jiǎn)

精選內(nèi)容的原則是既要保證學(xué)生學(xué)到最需要的知識(shí)，打好扎實(shí)的基礎(chǔ)，又要有一定的時(shí)間與精力去獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，以利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

（二）追蹤前沿

為了使學(xué)生更好地掌握基本理論知識(shí)，了解學(xué)科前沿發(fā)展方向，必須深化課程內(nèi)容設(shè)置，精心組織教學(xué)內(nèi)容，對(duì)不斷涌現(xiàn)的新材料、新技術(shù)和新的研究成果要有選擇地向?qū)W生介紹，及時(shí)將教學(xué)研究和科研成果引入教學(xué)中，讓學(xué)生了解老師的科研情況及成果，以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

（三）不斷改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法

教學(xué)方法以啟發(fā)式教學(xué)為主，啟發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行正確的思維，從而提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。教師的授課方法必須變“遷就型”為“創(chuàng)導(dǎo)型”，激發(fā)學(xué)生濃厚的自學(xué)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，指導(dǎo)學(xué)生掌握分析問(wèn)題的思維要領(lǐng)，以及解決問(wèn)題方法的普遍性規(guī)律。

1.帶著問(wèn)題上課：老師在上課前收集好學(xué)生的問(wèn)題，或者由老師提出問(wèn)題，學(xué)生帶著問(wèn)題上課，將個(gè)人的構(gòu)想、構(gòu)思等融入課堂。

2.增加課外調(diào)查環(huán)節(jié)，將學(xué)生分成小團(tuán)隊(duì)，對(duì)學(xué)生和老師的構(gòu)想、構(gòu)思組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論，學(xué)生通過(guò)在團(tuán)隊(duì)中討論，將其凝結(jié)成一個(gè)設(shè)計(jì)思路，還可以將各方的資源整合，拓展學(xué)生的視野和思路，以使設(shè)計(jì)思路清晰、更趨完美、更接近實(shí)際，為后面的實(shí)施和改進(jìn)做好鋪墊。

3.采用工程實(shí)例教學(xué)，然后學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，以實(shí)施自己的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。此部分作為教學(xué)的重點(diǎn)。通過(guò)實(shí)施的過(guò)程，學(xué)生個(gè)人和團(tuán)體都能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題直至解決問(wèn)題，老師在此過(guò)程中需積極參與學(xué)生的實(shí)施過(guò)程并進(jìn)行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生正確的進(jìn)行思考和實(shí)施，幫助學(xué)生解決問(wèn)題。

4.展示和改進(jìn)團(tuán)隊(duì)成果，通過(guò)展示各個(gè)團(tuán)隊(duì)和個(gè)人的實(shí)施成果，再次組織討論和指導(dǎo)，集思廣益，從而改進(jìn)團(tuán)隊(duì)成果。

（四）構(gòu)建CDIO教學(xué)大綱

CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。因此進(jìn)行CDIO改革后，“土木工程材料”的課程目標(biāo)不但包括了專業(yè)知識(shí)的要求，而且還強(qiáng)調(diào)相關(guān)能力的提升要求。

三、教學(xué)方法的設(shè)計(jì)及教學(xué)全過(guò)程

1.“C”階段，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，老師先將相關(guān)的理論知識(shí)和相關(guān)專業(yè)知識(shí)做大概的介紹和教學(xué)，老師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中更重要的是起引導(dǎo)、指導(dǎo)和鼓勵(lì)作用。學(xué)生需要思考問(wèn)題、提出問(wèn)題，查閱大量文獻(xiàn)和查找相關(guān)的技術(shù)資料。再將全班分成7個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的人數(shù)在7人左右，老師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)分工明確，由組長(zhǎng)分配其組員相應(yīng)的工作，每個(gè)組員都必須有自己的工作和想法。老師將學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，為后面階段做好鋪墊。

2.“D”階段，學(xué)生需要培養(yǎng)更多的動(dòng)手能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，通過(guò)第一階段的準(zhǔn)備和探討，由團(tuán)隊(duì)初步提出材料的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方案應(yīng)包括選定項(xiàng)目的基本思路、材料的基本性能、配比設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法、預(yù)計(jì)成果等，由老師把關(guān)和指導(dǎo)，最后形成一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)中，學(xué)生首先要有清晰的構(gòu)思，而構(gòu)思就需要查閱大量的文獻(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)研，了解和熟悉相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，無(wú)形中便增加了學(xué)生的知識(shí)面以及加強(qiáng)了理論知識(shí)。

3.“I”階段，該階段為主要實(shí)施階段，學(xué)生團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)分工明確，學(xué)生在該階段應(yīng)充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，并且在此過(guò)程中，學(xué)生必須掌握課程教學(xué)大綱要求的內(nèi)容，如土木工程材料的基本性質(zhì)、影響性質(zhì)的因素、提高相關(guān)性能的措施等，老師重在參與此過(guò)程，負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生在正確的操作程序下順利完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，并負(fù)責(zé)解答在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及幫助學(xué)生解決問(wèn)題。

4.“O”階段，該階段為項(xiàng)目的分析、展示和改進(jìn)階段。項(xiàng)目完成后，在全班進(jìn)行展示和討論，其他團(tuán)隊(duì)提出問(wèn)題和建議，老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，從而改進(jìn)該方案。如果項(xiàng)目實(shí)施后結(jié)果不理想，學(xué)生團(tuán)隊(duì)可以再次進(jìn)行設(shè)計(jì)—實(shí)施—改進(jìn)過(guò)程。

將以上CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于《土木工程材料》課的教學(xué)，如我們要求學(xué)生配制一種具有特殊性能且經(jīng)濟(jì)環(huán)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(xué)生進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)，在構(gòu)思和設(shè)計(jì)中需考慮材料的實(shí)用性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)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(wù)分配到各組，然后分組構(gòu)思和設(shè)計(jì)，學(xué)生通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)和資料及實(shí)地調(diào)研，先分組討論，再在全班討論，將所收集的材料匯總后，對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，在老師的引導(dǎo)下設(shè)計(jì)出課題進(jìn)行研究，如老師可引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)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(huán)境污染，達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的。其次，實(shí)施和改進(jìn)階段，老師在此過(guò)程中負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生正確操作完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，并負(fù)責(zé)解答在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及幫助學(xué)生解決問(wèn)題，通過(guò)實(shí)施和對(duì)試驗(yàn)不斷的改進(jìn)，最后讓學(xué)生對(duì)要研發(fā)的新材料有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。這樣反復(fù)進(jìn)行構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-改進(jìn)，最終寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者研發(fā)報(bào)告。

完成課題后表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力、溝通能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力、職業(yè)技術(shù)能力、職業(yè)道德以及適應(yīng)社會(huì)的能力得到了明顯的提高。

四、教學(xué)改革前后對(duì)比分析

《土木工程材料》課程內(nèi)容，在改革前是通過(guò)講授的教學(xué)方法要求學(xué)生獲得有關(guān)建筑材料的性質(zhì)與應(yīng)用等的基本專業(yè)知識(shí)和必要的基本理論，并獲得主要建筑材料試驗(yàn)的基本技能訓(xùn)練。改革后：1）分組探討和研發(fā)新的土木工程材料。經(jīng)過(guò)了構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、改進(jìn)四個(gè)過(guò)程，在構(gòu)思和設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮材料的實(shí)用性能、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，材料來(lái)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(shí)際問(wèn)題。通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料和調(diào)研，了解和熟悉相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，讓學(xué)生拓寬視野，開(kāi)闊思路，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。2）通過(guò)實(shí)例教學(xué)后，分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，親身體會(huì)材料的性質(zhì)，了解和掌握材料的性質(zhì)與其影響因素之間的關(guān)系。3）能夠獨(dú)立操作儀器完成實(shí)驗(yàn)，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作將實(shí)驗(yàn)或者研發(fā)做好，反復(fù)進(jìn)行土木工程材料的構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-改進(jìn)，通過(guò)CDIO教學(xué)過(guò)程，最終寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者研發(fā)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容需要包括在實(shí)驗(yàn)或研發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程、團(tuán)隊(duì)分工合作的形式。

考核形式，改革前是閉卷考試及提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。改革后：整個(gè)的CDIO過(guò)程為考核的主要依據(jù)，在全班展示報(bào)告為輔助依據(jù)。包括：（1）構(gòu)思或者構(gòu)想（C），提供討論記錄，包括討論的問(wèn)題，用視頻記錄討論的情況，每個(gè)組員都要發(fā)表自己的觀點(diǎn)，還應(yīng)提交所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)和資料；（2）材料的設(shè)計(jì)（D），提供會(huì)議記錄和最終結(jié)果，如果材料的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了反復(fù)的研究和試配，還需要提供每次的記錄和結(jié)果；（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)施（I），提供實(shí)驗(yàn)的過(guò)程記錄，記錄在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，還需要進(jìn)行拍照或者錄像作為輔助資料。（4）材料的評(píng)估或者改進(jìn)（O），通過(guò)以上過(guò)程，將會(huì)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論分析，從而改進(jìn)材料或者對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行評(píng)估。

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；改革前：考試占70%，平時(shí)占30%。改革后：CDIO過(guò)程占60%，考試占40%。

五、結(jié)論

通過(guò)以上過(guò)程分析可見(jiàn)，CDIO教學(xué)模式相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式有明顯的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用型的學(xué)科特別值得推行，其優(yōu)勢(shì)在于：

1.通過(guò)具有導(dǎo)引性的教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)工程實(shí)踐入門，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生盡早領(lǐng)略工程技術(shù)之美。

2.常規(guī)課程以相互有機(jī)聯(lián)系的方式傳授，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合能力。

3.通過(guò)貫穿專業(yè)核心課程學(xué)習(xí)全過(guò)程的CDIO項(xiàng)目，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)親身體驗(yàn)高級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程，使得知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用之間形成良性互動(dòng)。

總之，《土木工程材料》課程經(jīng)過(guò)CDIO教學(xué)模式改革后，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，由原來(lái)的以教師授課為主變?yōu)榻處焻⑴c、指導(dǎo)、鼓勵(lì)為主，經(jīng)過(guò)改革后，本屆學(xué)生很明顯的比往屆學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握更加扎實(shí)、更加全面，并且CDIO過(guò)程鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力、溝通能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力、職業(yè)技術(shù)能力、職業(yè)道德以及適應(yīng)社會(huì)的能力，學(xué)生更愿意參與此種學(xué)習(xí)過(guò)程。對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、推進(jìn)高等教育教學(xué)改革發(fā)揮積極作用。

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