CDIO模式下水利工程模型試驗的項目實踐教學研究

張紅光，李彥軍，丁光彬

(河北工程大學 水電學院,河北 邯鄲 056021)

CDIO模式下水利工程模型試驗的項目實踐教學研究

張紅光，李彥軍，丁光彬

(河北工程大學 水電學院,河北 邯鄲 056021)

對水電類學科進行全面特征分析，介紹了水利工程模型試驗內容和過程，提出了基于CDIO模式下水利工程模型試驗的項目實踐教學思路，對水電類專業(yè)CDIO項目設計--實現(xiàn)經驗教學及工程實踐場所設計進行了初步設計和探索，使學生能在學校親歷項目構想、設計、實施到運作的全過程，為CDIO工程教育模式在水電類專業(yè)的教學改革中順利實施奠定基礎。

CDIO工程教育模式;水電類學科特征;水利工程模型試驗;項目實踐教學

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，其核心是讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程的理論、技術與經驗，同時更加注重培養(yǎng)學生的個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力。

在某個專業(yè)實施 CDIO工程教育模式是個系統(tǒng)工程，包括確立本專業(yè) CDIO工程人才培養(yǎng)目標、建立本專業(yè)CDIO一體化課程體系、制訂本專業(yè)CDIO人才培養(yǎng)具體方案、基于項目的 CDIO設計----實現(xiàn)經驗和工程實踐場所設計、CDIO一體化學習以及制定對學生客觀評價考核體系等環(huán)節(jié)。在以上各環(huán)節(jié)中，要達到 CDIO大綱要求，重點在精心規(guī)劃和設置獨具特色的構思、設計、建造、運行的各級項目（CDIO項目），以引導學生對專業(yè)課程的學習興趣并對本專業(yè)有清醒的整體認識。CDIO項目的另一個作用是引導學生工程實踐入門，并在該項目中培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

CDIO工程教育模式能否成功應用于不同的工科專業(yè)教學，取決于能否合理地與專業(yè)和行業(yè)特點相結合，建立有專業(yè)特色和行業(yè)特色的人才培養(yǎng)模式。河北工程大學作為我國第一批 CDIO試點院校在部分專業(yè)開展了CDIO工程教育模式教學改革，我們把 CDIO工程教育理念引進到水電類工程專業(yè)，在進行了學科特性分析的基礎上，進行了全面的CDIO教學方案設計，針對設計—實現(xiàn)經驗教學，提出了基于水利工程模型試驗的項目實踐教學方法，并對其進行探索和研究。

一、水電類專業(yè)的學科特征

水電類專業(yè)覆蓋面十分廣泛，包含水利水電建設中從防洪、發(fā)電、灌溉、供水、通航、治河、調水到生態(tài)環(huán)境、水產養(yǎng)殖等諸多類型工程的規(guī)劃設計、施工、管理等多方面問題。與其它土木類工程相比，具有工作、施工條件復雜，結構型式獨特、互不類同和工程成敗對國民經濟影響十分巨大等特征。工作條件復雜是指除結構體積龐大，機械設備龐大，受力、構造復雜外，還受到水流的滲透、侵蝕、風化，高速水流沖刷、磨蝕、振動、空蝕、脈動等作用，這些因素將給工程結構帶來比其所受荷載更為不利的影響，使其處于極其惡劣的工作環(huán)境之下；施工條件復雜是指施工時除保證自身質量達到設計標準和構造要求外，還必須首先解決施工中河流改道下泄（即施工導流）、江河截流、洪水期度汛、深山峽谷交通不便，惡劣地形地質條件下復雜嚴格的地基處理、基坑排水、水下、地下施工等嚴峻問題。此外，任一水利工程及其水工建筑物都有其獨特的地理位置、地形、地質、水文、氣候等自然條件，使其在結構型式、規(guī)模尺寸、構造等方面均不會與其它任一工程及其建筑物類同。同時，任一水利工程的成敗對國民經濟產生的影響又是非常巨大的，遠遠超出自身造價若干倍，而水利工程一旦失事給國家和人民造成的災難也是非常之巨大，甚至是毀滅性的。上述特征決定了任一水利工程及其水工建筑物的設計、施工、管理都沒有現(xiàn)成的、固定模式套用，必須從實際情況出發(fā)，創(chuàng)造性地利用其特殊自然條件，精心設計，嚴格施工，確保滿足安全與經濟準則。從學科特性看，水利工程是一個多門類綜合性學科，是一個把基礎科學、技術科學與工程建設聯(lián)系起來的橋梁性學科，它必須綜合運用多學科知識和技術如水文學、水資源學、巖土工程學、流體、泥沙、工程材料等方面的研究成果，才能在本領域內創(chuàng)造性地解決工程技術問題。

在有限的本科教育階段，由于學科的特殊性，我們不可能把大型的工程結構和設備搬到學校課堂，在學校讓學生體驗項目構思、設計、建造和運作的全過程。我們也試圖借鑒水利水電類專業(yè)產學研合作教學方式，使學生深入到研究、設計、生產第一線，但這種實踐教學方式只是實現(xiàn) CDIO大綱的一個環(huán)節(jié)，雖然對培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)造性能力有一定幫助，實施起來卻很難讓學生建構本專業(yè)完整的知識結構體系。因此我們結合學校的實際請況，進行了水利工程模型試驗的項目實踐教學的探索。

二、水利工程模型試驗

水利工程模型試驗是解決水利工程問題的，是通過對模型的觀察和量測，來了解和認識原型的手段。按比例放大或縮小原型，舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征。構建物理模型是一種研究問題的科學的思維方法。模型是對實際問題的抽象，每一個模型的建立都有一定的條件和使用范圍，學生在學習和應用模型解決問題時，要弄清模型的使用條件，要根據(jù)實際情況加以運用，要求模型能夠反映原型。

（一）模型試驗在水利工程中的應用

根據(jù)研究對象的不同，水利工程模型試驗有以下幾方面的應用。水工建筑物方面模型試驗主要研究泄水建筑物的流量系數(shù)，水流作用在建筑物上的壓力、真空等，水流的銜接形式，消能功的作用，建筑物下游河床的局部沖刷及對河岸的沖刷情況，此外還可以研究整個樞紐的布置，施工導流措施(如圍堰，導流隧洞)，建筑物下游折沖水流擴散等問題；在船閘力學方面的模型試驗，研究輸水道的流量系數(shù)，灌水和泄水時間，閘室中水流情況和對過閘船只的作用，水流對航道的沖刷等問題；水能利用方面的模型試驗研究調壓塔的尺寸和水力特性，水擊壓力，水輪機組工作性能，水電站及引水渠的不定流，沉砂池的工作情況等問題；港工建筑物及潮汐方面的模型試驗研究防波堤的消浪及防護作用，波浪對港工建筑的作用，港口泥沙問題，潮汐對河口港的影響等問題。結構方面模型試驗研究以上各類建筑物在各種靜荷載(如靜水壓力、自重)和動荷載(地震力、水流脈動)作用下的結構應力、位移以及溫度變化下的結構應力等方面的問題，還可研究結構物的穩(wěn)定性，包括薄壁結構的縱向彎曲穩(wěn)定性(如支墩等)及結構的滑動穩(wěn)定性(如土壩邊坡穩(wěn)定及重力壩沿基礎的滑動穩(wěn)定性等)。用試驗方法在研究上述問題時，還可考慮到結構的各種復雜形狀，壩體材料不均勻性(如不同標號混凝土)以及基礎的不均勻性(如基礎與壩體彈性模數(shù)不同，或基礎各部分的彈性模數(shù)不同，或基礎中存在局部的軟弱地帶等)。

（二）模型試驗的一般過程

1.明確生產中提出的問題，從而決定實驗的內容及所需成果。

2.選擇模型比例尺，主要應滿足模型與原型的相似要求，并能足夠準確地反映出原型中的各種現(xiàn)象。在符合多快好省的原則下，應最大限度的提高精度。

3.制作模型：選擇模型材料，應當保證達到模型與原型的相似性及實驗成果對精確度的要求，并重視經濟原則。如對一般重力壩進行試驗，就在木模上抹一層水泥砂漿防水即可，而對于特殊的曲壩，如拱壩，為保證精度和表面的光滑完整，可考慮采用塑料加工做成模板模型制造和安裝。在制作和安裝過程中，應保證模型與原形相似。

4.選擇量測設備及量測要求：

對同樣水流現(xiàn)象可采用多種量測設備。具體選用何種儀器得視精度要求、現(xiàn)有設備等條件而定，但也并不能局限于此，應盡量自己動手，用土辦法改進現(xiàn)有設備，貫徹土洋結合的方針，以滿足生產要求。在量測上也不能墨守成規(guī)，被規(guī)范所限制，而應在實際操作過程中，進行技術革新，創(chuàng)造性地進行工作。

5.成果分析：分析成果應在深入實驗場地進行觀測操作的基礎上來進行，不能單憑測得的數(shù)據(jù)曲線，脫離實際情況地分析。量測那些資料及放多大流量，都要根據(jù)設計上要求解決什么問題來決定。

水利工程模型試驗內容包含水力學問題、河流泥沙問題、水能規(guī)劃問題和壩工結構問題等本專業(yè)的主要學科知識。模型試驗的過程，要求學生具備有系統(tǒng)的理論知識和解決實際問題的本領，掌握試驗方法、量測技術、模型制造等技能，還要具有學習組織實驗工作、應用資料分析成果和獨立工作能力。要有科學分析、深入鉆研的精神，踏實、嚴謹、細致的工作作風。使學生在以后學習和工作中，理論與實踐能更好結合，從現(xiàn)象事實出發(fā)，進行分析研究，同時，通過實際鍛煉，逐步培養(yǎng)辯證唯物主義的觀點，揭開自然界的規(guī)律性。

由以上的分析可知，根據(jù)水利工程模型試驗的內容，可把本專業(yè)核心知識沿縱向連接起來，形成一個系統(tǒng)的專業(yè)知識結構體系；根據(jù)模型試驗的過程，可不斷培養(yǎng)學生個人職業(yè)技能和職業(yè)道德，人際交流能力，在企業(yè)和社會中構思、設計、建造和運行各系統(tǒng)的能力。這正是CDIO大綱的基本要求。

三、水利工程模型試驗的項目實踐教學思路

CDIO培養(yǎng)模式是以培養(yǎng)個人能力(包括自學能力和創(chuàng)新能力)、協(xié)同工作能力和系統(tǒng)調控能力為主要目標，以基于項目學習的理念和科學的課程(內容)設置作為能力培養(yǎng)的載體的，通過經歷從項目構想、設計、建造到運作的全過程，讓學生提高能力，獲得必要的技能，以面對未來更艱巨的挑戰(zhàn)。水利水電工程專業(yè)具有專業(yè)性、行業(yè)性、實踐性、應用性強、牽涉面廣、工程多樣性和結構及設備體積大等特點，很難在學校讓學生親歷項目從構思、設計、實施到運作的全過程。為了解決這個問題，我們反復論證，認為水利工程模型試驗無論是從內容上，還是學生的知識、能力培養(yǎng)上，都是 CDIO項目實踐教學的理想方式。

（一）主要實踐環(huán)節(jié)整合

實施 CDIO教學改革前的培養(yǎng)計劃中的主要實踐環(huán)節(jié)有工程實訓、認識實習、生產實習和畢業(yè)實習等，但這些實踐環(huán)節(jié)在實施上大多達不到我們的教學目的，這和行業(yè)特點及社會環(huán)境有關，一是在北方大型的水利工程本身就少，現(xiàn)在擴招后的學生人數(shù)又多，企業(yè)接待能力有限；二是從安全和生產角度考慮，企業(yè)本身人員超編，不太愿意接受學生實習；三是學校經費有限，水利工程地處偏遠，大部分時間和經費花在路途上，學生學習效率低且很不經濟。

基于以上原因，結合 CDIO大綱，在調整課程設置的基礎上，重點對實踐環(huán)節(jié)進行整合，把以前的工程實訓、認識實習和生產實習進行合并，在基于課程群的二級項目支撐下，分階段、分年級、分內容逐步綜合和提高來實施 CDIO一級項目——水利工程模型試驗的項目。

（二）水利工程模型試驗項目的實施

1.項目構思、設計

項目構思是項目的起點，在第一學期完成，題目合適與否是成敗的關鍵。由于學生剛進入大學，沒有太多的專業(yè)知識，所以必須在工程導論和模型試驗及量測技術課程基礎上進行，教師要加強指導和引導，使內容、工作量、技術要求等方面都要適中。教師可以給出若干組題目，讓學生深入社會和企業(yè)進行調研，完成項目的構思和計劃步驟，以項目報告形式，進行審批備案，并且要經過答辯后正式立項，立項后進一步做出四年中的各階段模型試驗計劃和實施步驟。學生可以自由組合，教師進行微調，由于學生較多，每項目組限人數(shù)13—15人。

2.項目實施

水利工程模型試驗項目，是基于課程群的二級項目支撐下進行的，我們設置的二級項目包括河道模型物理實驗、結構構件設計、水能規(guī)劃設計、水工建筑物設計、水電站設計、水利工程施工、水工經濟評價和創(chuàng)新設計等，這些二級項目是在不同的學期來完成。因此，貫穿四年的CDIO一級項目——水利工程模型試驗項目也必須與之相對應，分階段、分內容逐步進行知識綜合和能力提高。

第一學期進行項目總體構思和立項，第二學期進行河道模型制造，第三學期進行河道模型物理實驗，第四學期進行結構構件模型制造與試驗（包括混凝土構件和鋼閘門等），第五學期進行水能利用方面試驗，第六學期進行壩工結構模型制造及其應力和變形試驗、水電站數(shù)字仿真模擬，第七學期在前六學期基礎上進行施工組織和水工經濟評價，第八學期把畢業(yè)實習和設計一體化，展開本行業(yè)橫向聯(lián)系和結合，利用產學研合作形式，把學生送出去，深入到研究、設計、生產第一線，聘請校外導師與校內導師共同指導，讓學生在現(xiàn)實的社會和行業(yè)環(huán)境中，展示和驗證在學校獲得的知識和能力，在理論與實踐的完美結合中得到個人素質的升華，培養(yǎng)其適應社會能力和創(chuàng)新能力。也鼓勵學生加入校內老師的科研項目或以個人、團隊形式進行與本專業(yè)有關的創(chuàng)新項目設計。以上各階段項目內容體現(xiàn)出知識上的前后銜接和逐級綜合，能力培養(yǎng)上呈反復強化和遞增提高的特點。

各項目組建立項目檔案，根據(jù)立項時設置的項目組織機構和章程，實行項目組組長負責制，項目組長由組員選出，中間可根據(jù)實際情況調換，組長有分配工作和成績建議權利。項目進展由指導教師和各項目組組長互相督促檢查，以文檔方式備案，要求項目組以周為時間周期，把項目日志和案卷及時放入到各自項目檔案中，主要內容包括上周工作總結、總體進展情況、本周工作計劃和試驗改進情況。發(fā)現(xiàn)項目進展緩慢時，教師應了解原因，解決問題，進行工作督促。建立學生互相督促機制，保持一定推動力。讓學生充分體驗實現(xiàn)經驗，在項目實踐中學習解決問題的方法，開展主動學習，積累綜合性學習經驗。各階段性項目完成后須寫出階段性工作報告，并在全班展示和研討。

3.項目評價

項目評價分為階段性評價和總體評價，評價形式、方法和內容大致相同。由學生平時記錄的日志、案卷和研討會議記錄作為平時成績依據(jù)，由指導教師和學生共同定出，占總成績的30%，主要考核學生個人職業(yè)技能和職業(yè)道德、人際交流和團隊協(xié)作能力；技術成果報告的撰寫和展示，由校內專家和工程界專家定出，占總成績的40%，主要考核學生信息檢索、科技論文寫作、專業(yè)知識應用、實踐中探索知識和信息技術應用能力；成果驗收答辯和研討，由校內專家和工程界專家定出，占總成績的30%，主要考核學生工程推理和解決問題、系統(tǒng)思維、創(chuàng)新和口頭表達能力。在收集指導教師、學生、校內外專家對各組以及每個學生評價結果的基礎上，科學地確定各因素權重，運用模糊層次分析法對每組和每個學生做出客觀評價。

四、結束語

CDIO是國外高等工程教育的一種創(chuàng)新教育模式，在我國成功推廣應用的前提是能否很好地將這種工程教育模式本土化，要綜合考慮國家的工業(yè)技術發(fā)展現(xiàn)狀、人才需求現(xiàn)狀和工業(yè)社會背景；CDIO工程教育模式能否成功應用于不同的工科專業(yè)教學，取決于能否合理地與專業(yè)和行業(yè)特點相結合，建立有專業(yè)特色和行業(yè)特色的人才培養(yǎng)模式。本文結合水電類專業(yè)特點進行了水利工程模型試驗的項目實踐教學的初步探索，為CDIO工程教育模式在水電類專業(yè)的教學改革中順利實施奠定基礎。

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The practical teaching study of hydraulic model test based on CDIO engineering education approach

ZHANG Hong-guang,LI Yan-jun,DING Guang-bin
(Water Conservancy and Hydropower College, Hebei University of Engineering, Handan 056021，China)

This paper analysed the character of Hydroelectricity subject, introduced the content and process of hydraulic model test, put forward the practical teaching of hydraulic model test based on CDIO engineering education approach, and explored the method of design-implement learning and engineering workspaces design. The teaching provided students a chance to experience personally the process of CDIO,and laid the foundation for the reform of Hydroelectricity subject education based on CDIO engineering education approach.

CDIO engineering education approach, character of Hydroelectricity subject, hydraulic model test,practical teaching

G642.0

A

1673-9477（2012）01-0113-04

2012-02-26

河北省教育科學研究“十一五”規(guī)劃重點課題（編號：06020549）

張紅光（1969-），男，河北邯鄲人，副教授，研究方向:水電專業(yè)教育。

[責任編輯 王云江]