基于CDIO的绿色实验教学改革

赵众

摘 要：CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。通过将CDIO的先进教学理念与实验室教学进行结合，能够很好地体现构思、设计、实现和运作四大理念，并且能够很好地与实验室教学融会贯通。在理念的基础上，对实验室区域和设备，包括实验内容进行改造，使之不但从理论层面上符合要求，在具体运作实践中体现CDIO的教育模式，并且在整个过程中融入对实验废弃物的再利用，实现绿色实验的理念。

关键词：CDIO ；实验室教学； 实验室改造 ；绿色实验

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。这四种理念的提出，相当于指出了四个关键的方向。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。

CDIO包括三个核心文件：一个愿景、一个大纲和十二条标准。它的愿景是为学生提供一种强调工程基础的、建立在真实世界的产品和系统的构思—设计—实现—运行（CDIO）过程的背景环境基础上的工程教育，这种理念和实验室培养的理念不谋而合，实验室通过精心设计各种综合性实验，让学生从实践出发，先形成自己的构思，圍绕构思设计出实验方案，通过具体实验实现这种方案，最终形成报告数据，为以后的实践积累素材。它的大纲首次将工程师必须具备的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和整个CDIO全过程能力以逐级细化的方式表达出来（三级、七十条、四百多款），使工程教育改革具有更加明确的方向性、系统性。实验室教学过程中往往一个实验是以五个人为小组进行，每个人在一次实验中都能扮演不同的角色，有的是领导者，指挥实验的方向，有的是设计者，具体进行实验的设计，有的是操作者，进行实验的操作，更多的时候设计操作往往需要一个小组共同的努力来完成。因此，十二条具体化的标准对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革具体化、可操作、可测量，并对学生和教师都具有重要指导意义。这十二条具体标准对于实验室建设也具有指导意义，其把CDIO的这种思想和实验室的教学结合起来。其CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势，实验室作为实践教育必不可少的部分，与CDIO处处契合，两者结合既是顺应时代，也是一种大势所趋。

基于这个先进理念，实验室首先要打破传统教学、科研、对外服务各自为战的局面，要将实验室打造成一个集教学、科研、对外服务一体化的实训中心。

一、打造一个满足CDIO基本要求的新型实训中心

在满足CDIO基本要求的新型实训中心，检测区域、教学区域、科研区域彼此分开又统一连成整体，通过在基础设施上实现这一理念，打破三者之间的界限：将检测区域的四周设置成为一个开放式的区域，检测实验进行时可以方便学生进行观摩实践，使检测和观摩教学互不影响同时进行。目前具体检测内容主要包括钢筋混凝土管桩、排水管等大型混凝土构件，通过对多家质检中心的调研发现，实验结束后，会存在大量大型管桩排水管等实验构件无法处理的问题，往往最后的结果是检测中心聘请专门的工人来处理废弃构件，费时费力。在检测区域旁边的大学生实验科研创新平台就解决了废弃构件处理的问题。新型实验中心在教学区域内，将废弃的管桩排水管等构件通过学生的创新性实验变废为宝，初步设置一个再生混凝土技术的开放性实验，检测中心检测剩下来的大型混凝土管桩，通过混凝土颚式破碎机将废弃混凝土打碎，成为再生混凝土的主要材料，这样不仅解决了废弃构件堆积的问题，变废为宝，还让大学生开展相关创新性实验，在满足了教学的同时也做到了废物利用，绿色环保。

新型实验中心从基础设施上实现了绿色实验教学，就相当于是一台汽车有了良好的发动机，但是要想一台汽车稳定运行就还需要有优质的汽油。原有的实验教学大纲被无数次证明是经典实验，需要保留，但是还需要有一些新的东西注入进来。以CDIO 新型实验中心为基本环境，教学大纲在很大程度上反映了CDIO的理念，即把产品和过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的背景。徐州工程学院土木工程学院正在进行新的教学大纲编写修订，这其中一部分就是实验教学大纲。与传统实验教学大纲相比，在保留以往的实验基础上增加了一些创新性实验。这种创新性不单纯是实验新、方法新，而是体现了科研的学术理念，通过对多种仪器设备综合设计应用来达到一个实验目的。目前正在积极推进的是混凝土材料的耐久性腐蚀实验。第一部分是再生混凝土试块浇筑，通过不同的配比将检测用的废弃混凝土破碎，作为材料浇筑到混凝土试块中；将浇筑养护好的试块分成两组，一组放入工程结构多功能环境模拟系统进行腐蚀，另一组放入冻融循环系统进行冻融循环实验。在腐蚀周期结束后，通过超声、回弹对试块进行表面强度测试，通过裂缝观测仪对混凝土表面损伤裂化情况进行观测，最后进行混凝土试块受压实验，从而定性了解其耐久性的原理。在这个实验中，用到了环境模拟系统、冻融循环机、压力机等多个大型实验仪器，结合回弹仪、超声仪、裂缝观测仪等无损检测仪器，充分显示了组合应用实验理念。

二、设计一体化教学

设计一体化教学计划也是绿色实验必不可少的一个要素。培养计划的设计首先做到了各学科之间相互支撑，以“工程力学”“结构力学”“基础工程”“工程地质”“土木工程材料”“混凝土结构设计原理”“混凝土与砌体结构设计”等课程作为支撑，把工程实际引入课堂，通过设计不同的实验，就是让学生在建设方、施工方、监理方、质检方各个角色之间不停转换，深入理解学科的本质。对于将来有志深造的学生，同样在实验大纲中要设置一部分科研型创新性实验和一些常规的数据采集方面的实验，这可以让学生未来在深造设计实验和操作仪器方面都能很快上手。绿色实验能将基本个人能力和人际能力以及对产品、过程、系统构建能力的培养融于其中，将书本知识和工程实践紧密结合。从具体学习成果看，使大学生具备基本个人能力，有一定的人际交往能力，对于土木专业的学生未来所从事的工作有很大帮助。通过观摩检测过程，可以让学生提高对检测样品、检测过程、检测系统的掌握能力，真实观察每个环节。

三、教师能力的提升

从事实验教学的教师和其他教师一样，也需要做到对专业的一切知识懂一点，对某一点知识懂一切。实验教学不是单纯地就实验讲实验，而是应该通过实验室这个直观可见、可操作的良好平台，把专业知识、理念融入实验教学中。例如，桩基检测，自然而然就联系到工程的桩基相关知识；回弹仪的使用，自然就引入第三方检测的工程实践；工程模擬环境测试系统，自然就引入到工程结构的耐久性；应变片的粘贴，自然就引入工程结构各种实验中数据的得出，应力应变理论的推定。教师本身也要多组织各种学习，例如，高教网上每年都有网络培训，从教学理念到具体专业课教学的视频教程，随时随地，只要有网络的地方，教师就能不断地充电，进行学习提高。

四、学生考核

学生的考试范围应涵盖所有讲授的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的记忆、掌握程度，对有关理论的理解、掌握及综合运用能力，考试题型应尽量多样化。课程成绩考核包括期末和平时考核两部分，其中，期末成绩占70%、平时成绩占30%。期末成绩考核采用闭卷考试的形式；平时成绩主要根据出勤率（10分）、课堂纪律（5分）、课堂问答（5分）、作业（10分）四部分综合评定。其中，课堂纪律主要根据课堂听课情况、表现情况等综合评定；课堂问答主要根据课堂提问和回答情况评定；作业主要根据课后布置作业完成的质量评定。如此一来，学生的基本个人能力和人际能力，自律能力以及学科知识掌握情况都能很好地融入专业考核之中。

基于CDIO的绿色实验教学改革，不单纯是在具体实际中对学生的专业素质、能力有所提高，还在对学生综合素质的培养上有潜移默化的作用。

一方面，绿色实验教学很大程度上激发了学生在相应核心工程领域应用方面的兴趣和动力。再生混凝土实验让学生对未来废弃混凝土的利用方面产生很大兴趣，很可能在深造读书时就会选择相关方向，进行更深入的钻研。冻融循环实验和耐久性实验，让学生很大程度上结合课本知识自己搜索相关资料进行深入研究，在本科生阶段就开始尝试用研究生的思维去更全面系统地思考问题，从而对专业产生浓厚的兴趣。像混凝土桩基检测则是从工程实践的层面让学生更加真实、近距离地接触工程，接近他们日后的工作。很多学生对专业课不积极、没兴趣很大原因是专业课比较枯燥，没有工程方面的实际指导。但也有很多学生一上工地，就会把很多工作做得非常好，展现出前所未有的责任心，这都是和兴趣紧密关联的。

另一方面，在课内外活动中学生有更多机会参与产品、过程和系统的构思、 设计、实施和运行，实验室的工程实践场所和其他学习环境支持学生动手和直接经验的学习。冻融循环实验，让学生先浇筑一批混凝土，进行冻融循环实验，发现构件强度显著降低，再通过设计不同的混凝土配比，从而发现不同的混凝土对冻融循环的抵抗各不相同。在这一实验过程中，学生通过实验发现问题，进一步思考问题，通过设计不同的实验来改善问题、解决问题。每一个实验都让学生参与产品、过程、系统的构思、设计、实施和运行，让学生在学习中通过动手直接进行系统的学习。

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（作者单位：徐州工程学院）