基于CDIO的綠色實驗教學(xué)改革

趙眾

摘 要：CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。通過將CDIO的先進(jìn)教學(xué)理念與實驗室教學(xué)進(jìn)行結(jié)合，能夠很好地體現(xiàn)構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作四大理念，并且能夠很好地與實驗室教學(xué)融會貫通。在理念的基礎(chǔ)上，對實驗室區(qū)域和設(shè)備，包括實驗內(nèi)容進(jìn)行改造，使之不但從理論層面上符合要求，在具體運作實踐中體現(xiàn)CDIO的教育模式，并且在整個過程中融入對實驗廢棄物的再利用，實現(xiàn)綠色實驗的理念。

關(guān)鍵詞：CDIO ；實驗室教學(xué)； 實驗室改造 ；綠色實驗

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。這四種理念的提出，相當(dāng)于指出了四個關(guān)鍵的方向。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、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

CDIO包括三個核心文件：一個愿景、一個大綱和十二條標(biāo)準(zhǔn)。它的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的、建立在真實世界的產(chǎn)品和系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行（CDIO）過程的背景環(huán)境基礎(chǔ)上的工程教育，這種理念和實驗室培養(yǎng)的理念不謀而合，實驗室通過精心設(shè)計各種綜合性實驗，讓學(xué)生從實踐出發(fā)，先形成自己的構(gòu)思，圍繞構(gòu)思設(shè)計出實驗方案，通過具體實驗實現(xiàn)這種方案，最終形成報告數(shù)據(jù)，為以后的實踐積累素材。它的大綱首次將工程師必須具備的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和整個CDIO全過程能力以逐級細(xì)化的方式表達(dá)出來（三級、七十條、四百多款），使工程教育改革具有更加明確的方向性、系統(tǒng)性。實驗室教學(xué)過程中往往一個實驗是以五個人為小組進(jìn)行，每個人在一次實驗中都能扮演不同的角色，有的是領(lǐng)導(dǎo)者，指揮實驗的方向，有的是設(shè)計者，具體進(jìn)行實驗的設(shè)計，有的是操作者，進(jìn)行實驗的操作，更多的時候設(shè)計操作往往需要一個小組共同的努力來完成。因此，十二條具體化的標(biāo)準(zhǔn)對整個模式的實施和檢驗進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學(xué)生和教師都具有重要指導(dǎo)意義。這十二條具體標(biāo)準(zhǔn)對于實驗室建設(shè)也具有指導(dǎo)意義，其把CDIO的這種思想和實驗室的教學(xué)結(jié)合起來。其CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢，實驗室作為實踐教育必不可少的部分，與CDIO處處契合，兩者結(jié)合既是順應(yīng)時代，也是一種大勢所趨。

基于這個先進(jìn)理念，實驗室首先要打破傳統(tǒng)教學(xué)、科研、對外服務(wù)各自為戰(zhàn)的局面，要將實驗室打造成一個集教學(xué)、科研、對外服務(wù)一體化的實訓(xùn)中心。

一、打造一個滿足CDIO基本要求的新型實訓(xùn)中心

在滿足CDIO基本要求的新型實訓(xùn)中心，檢測區(qū)域、教學(xué)區(qū)域、科研區(qū)域彼此分開又統(tǒng)一連成整體，通過在基礎(chǔ)設(shè)施上實現(xiàn)這一理念，打破三者之間的界限：將檢測區(qū)域的四周設(shè)置成為一個開放式的區(qū)域，檢測實驗進(jìn)行時可以方便學(xué)生進(jìn)行觀摩實踐，使檢測和觀摩教學(xué)互不影響同時進(jìn)行。目前具體檢測內(nèi)容主要包括鋼筋混凝土管樁、排水管等大型混凝土構(gòu)件，通過對多家質(zhì)檢中心的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)束后，會存在大量大型管樁排水管等實驗構(gòu)件無法處理的問題，往往最后的結(jié)果是檢測中心聘請專門的工人來處理廢棄構(gòu)件，費時費力。在檢測區(qū)域旁邊的大學(xué)生實驗科研創(chuàng)新平臺就解決了廢棄構(gòu)件處理的問題。新型實驗中心在教學(xué)區(qū)域內(nèi)，將廢棄的管樁排水管等構(gòu)件通過學(xué)生的創(chuàng)新性實驗變廢為寶，初步設(shè)置一個再生混凝土技術(shù)的開放性實驗，檢測中心檢測剩下來的大型混凝土管樁，通過混凝土顎式破碎機(jī)將廢棄混凝土打碎，成為再生混凝土的主要材料，這樣不僅解決了廢棄構(gòu)件堆積的問題，變廢為寶，還讓大學(xué)生開展相關(guān)創(chuàng)新性實驗，在滿足了教學(xué)的同時也做到了廢物利用，綠色環(huán)保。

新型實驗中心從基礎(chǔ)設(shè)施上實現(xiàn)了綠色實驗教學(xué)，就相當(dāng)于是一臺汽車有了良好的發(fā)動機(jī)，但是要想一臺汽車穩(wěn)定運行就還需要有優(yōu)質(zhì)的汽油。原有的實驗教學(xué)大綱被無數(shù)次證明是經(jīng)典實驗，需要保留，但是還需要有一些新的東西注入進(jìn)來。以CDIO 新型實驗中心為基本環(huán)境，教學(xué)大綱在很大程度上反映了CDIO的理念，即把產(chǎn)品和過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行作為工程教育的背景。徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院正在進(jìn)行新的教學(xué)大綱編寫修訂，這其中一部分就是實驗教學(xué)大綱。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)大綱相比，在保留以往的實驗基礎(chǔ)上增加了一些創(chuàng)新性實驗。這種創(chuàng)新性不單純是實驗新、方法新，而是體現(xiàn)了科研的學(xué)術(shù)理念，通過對多種儀器設(shè)備綜合設(shè)計應(yīng)用來達(dá)到一個實驗?zāi)康?。目前正在積極推進(jìn)的是混凝土材料的耐久性腐蝕實驗。第一部分是再生混凝土試塊澆筑，通過不同的配比將檢測用的廢棄混凝土破碎，作為材料澆筑到混凝土試塊中；將澆筑養(yǎng)護(hù)好的試塊分成兩組，一組放入工程結(jié)構(gòu)多功能環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕，另一組放入凍融循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行凍融循環(huán)實驗。在腐蝕周期結(jié)束后，通過超聲、回彈對試塊進(jìn)行表面強(qiáng)度測試，通過裂縫觀測儀對混凝土表面損傷裂化情況進(jìn)行觀測，最后進(jìn)行混凝土試塊受壓實驗，從而定性了解其耐久性的原理。在這個實驗中，用到了環(huán)境模擬系統(tǒng)、凍融循環(huán)機(jī)、壓力機(jī)等多個大型實驗儀器，結(jié)合回彈儀、超聲儀、裂縫觀測儀等無損檢測儀器，充分顯示了組合應(yīng)用實驗理念。

二、設(shè)計一體化教學(xué)

設(shè)計一體化教學(xué)計劃也是綠色實驗必不可少的一個要素。培養(yǎng)計劃的設(shè)計首先做到了各學(xué)科之間相互支撐，以“工程力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“基礎(chǔ)工程”“工程地質(zhì)”“土木工程材料”“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計”等課程作為支撐，把工程實際引入課堂，通過設(shè)計不同的實驗，就是讓學(xué)生在建設(shè)方、施工方、監(jiān)理方、質(zhì)檢方各個角色之間不停轉(zhuǎn)換，深入理解學(xué)科的本質(zhì)。對于將來有志深造的學(xué)生，同樣在實驗大綱中要設(shè)置一部分科研型創(chuàng)新性實驗和一些常規(guī)的數(shù)據(jù)采集方面的實驗，這可以讓學(xué)生未來在深造設(shè)計實驗和操作儀器方面都能很快上手。綠色實驗?zāi)軐⒒緜€人能力和人際能力以及對產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)構(gòu)建能力的培養(yǎng)融于其中，將書本知識和工程實踐緊密結(jié)合。從具體學(xué)習(xí)成果看，使大學(xué)生具備基本個人能力，有一定的人際交往能力，對于土木專業(yè)的學(xué)生未來所從事的工作有很大幫助。通過觀摩檢測過程，可以讓學(xué)生提高對檢測樣品、檢測過程、檢測系統(tǒng)的掌握能力，真實觀察每個環(huán)節(jié)。

三、教師能力的提升

從事實驗教學(xué)的教師和其他教師一樣，也需要做到對專業(yè)的一切知識懂一點，對某一點知識懂一切。實驗教學(xué)不是單純地就實驗講實驗，而是應(yīng)該通過實驗室這個直觀可見、可操作的良好平臺，把專業(yè)知識、理念融入實驗教學(xué)中。例如，樁基檢測，自然而然就聯(lián)系到工程的樁基相關(guān)知識；回彈儀的使用，自然就引入第三方檢測的工程實踐；工程模擬環(huán)境測試系統(tǒng)，自然就引入到工程結(jié)構(gòu)的耐久性；應(yīng)變片的粘貼，自然就引入工程結(jié)構(gòu)各種實驗中數(shù)據(jù)的得出，應(yīng)力應(yīng)變理論的推定。教師本身也要多組織各種學(xué)習(xí)，例如，高教網(wǎng)上每年都有網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)，從教學(xué)理念到具體專業(yè)課教學(xué)的視頻教程，隨時隨地，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方，教師就能不斷地充電，進(jìn)行學(xué)習(xí)提高。

四、學(xué)生考核

學(xué)生的考試范圍應(yīng)涵蓋所有講授的內(nèi)容，考試內(nèi)容應(yīng)能客觀反映出學(xué)生對本門課程主要概念的記憶、掌握程度，對有關(guān)理論的理解、掌握及綜合運用能力，考試題型應(yīng)盡量多樣化。課程成績考核包括期末和平時考核兩部分，其中，期末成績占70%、平時成績占30%。期末成績考核采用閉卷考試的形式；平時成績主要根據(jù)出勤率（10分）、課堂紀(jì)律（5分）、課堂問答（5分）、作業(yè)（10分）四部分綜合評定。其中，課堂紀(jì)律主要根據(jù)課堂聽課情況、表現(xiàn)情況等綜合評定；課堂問答主要根據(jù)課堂提問和回答情況評定；作業(yè)主要根據(jù)課后布置作業(yè)完成的質(zhì)量評定。如此一來，學(xué)生的基本個人能力和人際能力，自律能力以及學(xué)科知識掌握情況都能很好地融入專業(yè)考核之中。

基于CDIO的綠色實驗教學(xué)改革，不單純是在具體實際中對學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、能力有所提高，還在對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)上有潛移默化的作用。

一方面，綠色實驗教學(xué)很大程度上激發(fā)了學(xué)生在相應(yīng)核心工程領(lǐng)域應(yīng)用方面的興趣和動力。再生混凝土實驗讓學(xué)生對未來廢棄混凝土的利用方面產(chǎn)生很大興趣，很可能在深造讀書時就會選擇相關(guān)方向，進(jìn)行更深入的鉆研。凍融循環(huán)實驗和耐久性實驗，讓學(xué)生很大程度上結(jié)合課本知識自己搜索相關(guān)資料進(jìn)行深入研究，在本科生階段就開始嘗試用研究生的思維去更全面系統(tǒng)地思考問題，從而對專業(yè)產(chǎn)生濃厚的興趣。像混凝土樁基檢測則是從工程實踐的層面讓學(xué)生更加真實、近距離地接觸工程，接近他們?nèi)蘸蟮墓ぷ?。很多學(xué)生對專業(yè)課不積極、沒興趣很大原因是專業(yè)課比較枯燥，沒有工程方面的實際指導(dǎo)。但也有很多學(xué)生一上工地，就會把很多工作做得非常好，展現(xiàn)出前所未有的責(zé)任心，這都是和興趣緊密關(guān)聯(lián)的。

另一方面，在課內(nèi)外活動中學(xué)生有更多機(jī)會參與產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、 設(shè)計、實施和運行，實驗室的工程實踐場所和其他學(xué)習(xí)環(huán)境支持學(xué)生動手和直接經(jīng)驗的學(xué)習(xí)。凍融循環(huán)實驗，讓學(xué)生先澆筑一批混凝土，進(jìn)行凍融循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件強(qiáng)度顯著降低，再通過設(shè)計不同的混凝土配比，從而發(fā)現(xiàn)不同的混凝土對凍融循環(huán)的抵抗各不相同。在這一實驗過程中，學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步思考問題，通過設(shè)計不同的實驗來改善問題、解決問題。每一個實驗都讓學(xué)生參與產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中通過動手直接進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李彤，張 璇.SE-CDIO工程教育模式的探索與實踐[J].高等工程教育研究， 2014（1）.

[2]朱向慶，胡均萬，曾 輝，等.CDIO工程教育模式的微型項目驅(qū)動教學(xué)法研究[J].實驗技術(shù)與管理，2012（11）.

[3]熊和平，岳愛臣.CDIO工程教育模式：誤解的澄明與風(fēng)險的規(guī)避[J].高等工程教育研究，2009（5）.

[4]王 剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，2009（5）.

[5]左遠(yuǎn)志，蔣潤花，楊小平.以創(chuàng)新設(shè)計為導(dǎo)向的CDIO工程教育培養(yǎng)模式[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報， 2010（3）.

[6]陳冬松，孫陽春.CDIO工程教育模式下的工科院校人才培養(yǎng)途徑[J].現(xiàn)代教育管理，2011（11）.

（作者單位：徐州工程學(xué)院）