基于CDIO模式的滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革構(gòu)思

劉彥平　陶洪飛　楊文新　趙經(jīng)華　馬亮　姜有為

摘? ?要：針對(duì)滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)中存在的問題，將CDIO模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)改革。從實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施操作，直至最后整理總結(jié)、評(píng)價(jià)，學(xué)生全過程主導(dǎo)，教師只起到輔助作用，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生主體地位的互換，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和精密思維能力的最終目的。

關(guān)鍵詞：CDIO模式? 水力性能? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：H191? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（c）-0187-03

Abstract： Aiming at the problems existed in the experimental teaching of hydraulic performance of emitter and drip irrigation tube（tape）， CDIO model was applied in the reform. In order to training students ability in innovation， team collaboration and exact thinking， students occupied the leading position through the experiment， including steps of task decompose， scheme design， operation， summary and evaluation. With the position exchange of teacher and students， teacher played a role of guider in the course of experiment.

Key Words： CDIO model; Hydraulic performance; Experimental teaching reform

隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，國家對(duì)于水利行業(yè)人才需求也有了新的要求，應(yīng)用、創(chuàng)新成為了人才培養(yǎng)的關(guān)鍵詞[1-2]。“應(yīng)用”是對(duì)專業(yè)技術(shù)和實(shí)踐能力的要求，本質(zhì)是能利用專業(yè)技術(shù)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作和解決問題;“創(chuàng)新”則是對(duì)深層次思考的要求，需要在已有知識(shí)、技術(shù)等方面加入自己的想法進(jìn)行革新。在這樣的趨勢下，教學(xué)與實(shí)踐如何科學(xué)的結(jié)合應(yīng)該成為水利類院校人才培養(yǎng)中不能忽視的研究內(nèi)容[3]。

近年來，一種新型的教學(xué)模式CDIO正逐漸進(jìn)入各大高校的教學(xué)改革當(dāng)中。

CDIO模式來源于教育過程與工程產(chǎn)品的生命周期的結(jié)合，是構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）、運(yùn)作（operate）的英文簡寫，是由美國麻省理工學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等4所工程類高校2001年共同開發(fā)的工程教育理念與實(shí)施體系[4]。在CDIO模式下，學(xué)生要對(duì)發(fā)現(xiàn)的理論或?qū)嵺`問題進(jìn)行分析，小組合作形成解決方法（案），實(shí)施并總結(jié)歸納。在解決問題的過程中，學(xué)生處于主導(dǎo)地位，教師起引導(dǎo)、輔助的作用[5]，學(xué)生的自主分析能力、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力、動(dòng)手操作能力、創(chuàng)新能力都會(huì)得到鍛煉。將CDIO模式引入實(shí)驗(yàn)課，對(duì)實(shí)踐與教學(xué)的有機(jī)融合具有重要意義。

灌溉排水工程學(xué)是農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的核心課程，是研究如何合理利用水利資源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展服務(wù)的科學(xué)，內(nèi)容涉及農(nóng)田水分狀況和有關(guān)地區(qū)水情的變化規(guī)律及其調(diào)節(jié)措施[6]。在灌溉排水工程學(xué)的課程安排中，實(shí)驗(yàn)是很重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，許多知識(shí)點(diǎn)需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在授課模式單一、缺乏與學(xué)生互動(dòng)等問題，過多表現(xiàn)出教師的主體性，學(xué)生的實(shí)踐操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力都很難有機(jī)會(huì)得到提高。針對(duì)這些問題以及CDIO模式的優(yōu)勢，本文以滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，探索引入CDIO教學(xué)模式對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，以期把以往的“知識(shí)儲(chǔ)備型學(xué)生”轉(zhuǎn)化培養(yǎng)為“實(shí)干創(chuàng)新型學(xué)生”，進(jìn)而能夠培育出具備一定相關(guān)專業(yè)知識(shí)技能，同時(shí)有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和精密思維能力的應(yīng)用型畢業(yè)生。

1? 灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的適用對(duì)象為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的本科生，人數(shù)在100～120人。實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)在第七學(xué)期，共計(jì)6個(gè)學(xué)時(shí)。根據(jù)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院新修訂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求，包含以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)課程：非飽和土壤入滲特性實(shí)驗(yàn)、滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)、輸引水渠道橫斷面設(shè)計(jì)水深測試及計(jì)算綜合性實(shí)驗(yàn)。本文主要研究滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革，開展實(shí)驗(yàn)的場地為農(nóng)業(yè)水利工程實(shí)驗(yàn)室，面積為1320m2，實(shí)驗(yàn)室配備了滴頭和滴灌管（帶）水力性能試驗(yàn)臺(tái)、恒溫供水加壓系統(tǒng)及中繼控制系統(tǒng)及軟件等實(shí)驗(yàn)必備的儀器與設(shè)備，能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

2? 滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)是灌溉排水工程學(xué)課程中非常重要的實(shí)驗(yàn)，可加深農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)學(xué)生對(duì)灌溉排水工程學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，對(duì)后續(xù)節(jié)水灌溉技術(shù)課程的學(xué)習(xí)具有鋪墊作用，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著以下幾個(gè)問題。

（1）授課模式單一。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課的常見模式是教師現(xiàn)場演示、學(xué)生跟著操作，老師處于主導(dǎo)地位，授課模式單一，缺乏與學(xué)生互動(dòng)。在動(dòng)手操作環(huán)節(jié)，即使沒有聽老師講解，學(xué)生也只需要按照指導(dǎo)書中的步驟操作同樣可以完成實(shí)驗(yàn)。在這樣的環(huán)境中，學(xué)生的自主性和獨(dú)立思考能力都很難有機(jī)會(huì)得到提高。

（2）學(xué)生參與形式單一。

實(shí)驗(yàn)課堂中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、過程與方法都已給定，學(xué)生參與的主要形式是實(shí)際操作。但由于場地和儀器數(shù)量的限制，不是每名學(xué)生都能參與到實(shí)驗(yàn)的操作中，存在想?yún)⑴c的同學(xué)沒機(jī)會(huì)、不想?yún)⑴c的同學(xué)有空鉆的情況，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性會(huì)受到影響。

（3）評(píng)價(jià)方法片面。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的檢驗(yàn)是基于最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能力的獲得并不在考核范圍內(nèi)，這種考核方式對(duì)于實(shí)踐操作課來說評(píng)價(jià)點(diǎn)不全面，學(xué)生容易形成完成報(bào)告就是完成實(shí)驗(yàn)的思想，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動(dòng)，無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)的最終目的。

3? 基于CDIO模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案/措施

3.1 構(gòu)思（Conceive）

（1）教師：帶領(lǐng)學(xué)生參觀滴頭和滴灌管（帶）水力性能試驗(yàn)臺(tái)，熟悉實(shí)驗(yàn)背景，布置實(shí)驗(yàn)具體任務(wù)：通過實(shí)測額定工作壓力下滴頭和滴灌管（帶）上的流量完成流量變異系數(shù)（又稱為制造偏差系數(shù)）Cv和平均流量相對(duì)于額定流量的偏差率C的計(jì)算，給學(xué)生列出與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參考資料，并鼓勵(lì)學(xué)生通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)等多種途徑進(jìn)行資料收集。

（2）學(xué)生：通過參觀新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院的農(nóng)業(yè)水利工程實(shí)驗(yàn)室，了解滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，初步掌握其構(gòu)成、功能及工作原理等內(nèi)容，對(duì)滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)硬件形成初步認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上查閱教師提供的規(guī)范、文獻(xiàn)、教材等參考資料，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行所需知識(shí)的重組與架構(gòu)，初步確定實(shí)驗(yàn)原理。依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分解任務(wù)，劃分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并進(jìn)行小組內(nèi)部第一次分工，組內(nèi)成員根據(jù)分工收集整理操作規(guī)范、注意事項(xiàng)的資料。

3.2 設(shè)計(jì)（Design）

（1）教師：根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱及最新的有關(guān)塑料節(jié)水灌溉器材規(guī)范要求，開展實(shí)驗(yàn)剖析，適當(dāng)穿插滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，依據(jù)學(xué)生綜合能力水平、對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)情況、實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和知識(shí)點(diǎn)掌握的程度，利用已經(jīng)完善的滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。

（2）學(xué)生：在老師實(shí)驗(yàn)剖析和指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)思內(nèi)容以及任務(wù)分工進(jìn)行調(diào)整和細(xì)化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求，設(shè)計(jì)出滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)詳細(xì)的操作步驟，標(biāo)明涉及的儀器和設(shè)備以及計(jì)算公式和負(fù)責(zé)人。完成的設(shè)計(jì)方案可以通過小組間的討論進(jìn)行可行性論證，預(yù)估操作過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方案。

3.3 實(shí)現(xiàn)（Implement）

（1）教師：運(yùn)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件系統(tǒng)的梳理滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)難點(diǎn)進(jìn)行解析，通過提問的方式檢查各組學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況，強(qiáng)調(diào)操作過程中的注意事項(xiàng)，在學(xué)生開始操作前預(yù)留兩個(gè)問題：影響灌水均勻度的因素有哪些;實(shí)驗(yàn)中哪些參數(shù)可以作為判斷產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行更深層次的思考。

（2）學(xué)生：理解老師的解析和提示內(nèi)容后，按照實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)步驟和分工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作：選好實(shí)驗(yàn)用滴灌帶（管），在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上布置好滴灌帶（管），按照既定方案，開始操作，記錄滴灌帶（管）的每個(gè)出水孔流量，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算所需參數(shù)。

3.4 運(yùn)行（Operate）

（1）教師：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)全過程的表現(xiàn)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，根據(jù)CDIO模式將考核內(nèi)容分為實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及展示四個(gè)部分，具體內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解、分工合理性，實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作的充分性，內(nèi)容構(gòu)思的合理性，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的實(shí)用性和方案可行性，以及現(xiàn)場操作、數(shù)據(jù)記錄、圖紙繪制和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的正確性，實(shí)驗(yàn)過程中個(gè)人承擔(dān)的工作量及表現(xiàn)，各部分內(nèi)容在評(píng)價(jià)中所占比重見表1。其中，實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)以小組為單位進(jìn)行打分，實(shí)驗(yàn)實(shí)施和實(shí)驗(yàn)報(bào)告及展示根據(jù)個(gè)人表現(xiàn)打分。

（2）學(xué)生：實(shí)驗(yàn)完成后，按照實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)算滴頭和滴灌管（帶）上的流量變異系數(shù)Cv和平均流量相對(duì)于額定流量的偏差率C，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程分析影響灌水均勻度的因素以及判斷滴灌管（帶）質(zhì)量的參數(shù)，撰寫滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在教師點(diǎn)評(píng)后開展小組總結(jié)，分享實(shí)驗(yàn)心得，對(duì)任務(wù)分工、內(nèi)容構(gòu)思、方案設(shè)計(jì)、方案論證、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄、圖紙繪制、結(jié)論整理各項(xiàng)工作的完整性、正確性、規(guī)范性和完成情況進(jìn)行組內(nèi)評(píng)價(jià)，分析出現(xiàn)的問題并提出整改措施。

4? 基于CDIO的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的預(yù)期成效

4.1 由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

未將CDIO模式引入實(shí)驗(yàn)改革時(shí)，學(xué)生在知曉滴頭流量偏差系數(shù)Cv和毛管均勻系數(shù)算法的基礎(chǔ)上，按照教師的示范測定滴頭流量進(jìn)行這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)改革后，教師給定試驗(yàn)?zāi)康模旱晤^的流量變異系數(shù)Cv和平均流量相對(duì)于額定流量的偏差率C的計(jì)算，并提供實(shí)驗(yàn)背景資料，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，這種實(shí)驗(yàn)形式屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這種轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的定位增添了自主性，同時(shí)使學(xué)生具有了獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的能力及創(chuàng)新能力，更符合農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 由“教會(huì)”向“會(huì)思考”、“會(huì)設(shè)計(jì)”、“會(huì)操作”、“會(huì)總結(jié)”轉(zhuǎn)變

改革前，實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)是加深和鞏固知識(shí)點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力;引入CDIO模式后，通過讓學(xué)生全過程參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課增加了能力培養(yǎng)的任務(wù)，自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐、動(dòng)手及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為了實(shí)驗(yàn)課的主要目的之一。

4.3 由結(jié)果性考核轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程性考核

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課成績來自結(jié)果性考核，即學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫情況決定了他們實(shí)驗(yàn)課的成績;改革后，教師采用過程性考核，從小組和個(gè)人兩個(gè)角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)的任務(wù)分工、內(nèi)容構(gòu)思、方案設(shè)計(jì)、方案論證、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄、結(jié)論整理各項(xiàng)工作都在考核范圍內(nèi)，評(píng)價(jià)更加全面、合理，實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫要求突出個(gè)人在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的分工以及心得，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

5? 結(jié)語

針對(duì)目前滴頭和滴灌管（帶）水力性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，將CDIO模式引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革當(dāng)中。CDIO模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)中的主體性，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中師生的地位。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的角色發(fā)生了本質(zhì)的改變，由過去的“行為模仿者”變成了“方案設(shè)計(jì)者”、“程序操作者”、“成果評(píng)價(jià)者”，學(xué)生的身份隨實(shí)驗(yàn)過程一直在改變，這種改變有利于創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和精密思維能力的培養(yǎng)。學(xué)生能力的培養(yǎng)是一個(gè)持續(xù)的過程，需要在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中通過實(shí)踐繼續(xù)探索。

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