基于CDIO理念的中外合作办学《能源地下结构》课程实践教学探索

杨 庆，孔纲强，王忠涛，于 龙，Hossam Abuel-Naga

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210024；3.澳大利亚拉筹伯大学 土木工程， 澳大利亚 维多利亚州 3086)

2001年我国加入世界贸易组织(WTO)，承诺向全世界开放教育市场，2003年国务院发布《中外合作办学条例》，明确中外合作办学是中国教育公益性事业的组成部分；近20年来，中外合作办学作为教育国际合作与交流的主要形式之一，获得了快速发展；在引进和消化国外优质教育资源，推动我国高等教育国际化和大众化(如提高毛入学率等)、以及满足人民大众对国外优质教育资源需求等方面起到了积极的推动作用[1-2]。据不完全统计，目前我国中外合作办学机构和项目已超过2 000多个，中外合作办学高校毕业生超过150万人，高校在校生约45万人、占全日制在校生数量的1.4%[3]。2015年我国提出《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》(“一带一路”)建设目标；随着“一带一路”建设的持续深入推进，中外合作办学在培养复合型国际化人才也逐渐成为其重要职能[4]。为满足行业对毕业生的需求，中外合作办学中相关课程设置与教学体系不能简单照搬外方的课程模式和体系，需要结合我国国情和新时代发展特点，优化教学目标、教学内容、教学形式和考核评价体系，提高学生学习积极性、主动性，提高教学质量和效果[5-6]。

面向国家“一带一路”建设新时代背景，搭建能源岩土国际合作联合研究中心，依托中外合作办学框架模式，基于CDIO工程教育理念，针对能源地下结构课程提出以构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运行(Operate)为项目驱动的多语教学改革方案，构建多元化、多层次以及立体化的考核与评价机制，探讨适应新时代社会与行业对人才需求的能源地下结构课程实践教学体系。

1 CDIO理念及能源地下结构课程教学改革

1.1 CDIO工程教育理念及其发展

CDIO工程教育理念，是一种开放、兼容的工程教育理念和模式，以学生为主体，重点培养个人能力、团队意识和综合应对能力[7]。CDIO理念最早由顾佩华等于2005年引入汕头大学工程教育改革中[8]，2016年随着我国CDIO工程教育联盟的成立，获得了快速发展。相关学者分别将探索兴趣、解决问题的能力、解决问题的毅力、团队协作、社会责任以及应用创新等引入CDIO工程教育理念框架下，结合不同的课程教学实际，分别形成IPR-CDIO教育模式[9]、IACI-CDIO教育模式[10]、以及MPE-CDIO教育模式[11]等多元化工程教育理念。部分学者分别将模拟公司(SC)、目标导向教育(OBE)和能力本位教育(CBE)等引入CDIO工程教育理念框架下，探讨课程教学改革新模式；相关研究与实践成果，在培养学生的综合能力、团队协助、实践能力和创新能力等方面取得了良好的合作效果[12-14]。李滢潞等针对数字电子技术课程教学改革需求，在中外合作办学模式下，探讨CDIO理念项目驱动的教学改革方法，提高学生的创造力、想象力和实践能力[15]。

本文拟结合能源地下结构课程教学实际情况，在中外合作办学模式下，将兴趣(Interest)、创新(Innovation)、责任(Responsibility)和德育(Moral)有机融入到能源地下结构课程实践教学中，通过CDIO工程教育理念来优化设计教学目标、教学内容、教学方法及考核评价形式等环节，形成IIRM-CDIO工程教育理念；并探讨项目驱动式教学方法，实现学生的多元化、多层次的实践教学改革。

1.2 中外合作办学能源地下结构课程教学改革必要性与迫切性

地下空间开发与利用是国家战略需求，浅层地温能的开发与利用又与地下空间、地下结构物密不可分。传统基于地源热泵技术的浅层地温能开发，占用地下空间资源，增加了地下空间规划与利用的难度；相关学者将传统地源热泵技术中的地埋管移植到地下结构物(如桩基、隧道、锚杆等)，使地下结构在承担荷载的同时，也起到浅层地温能交换器的功能，也称为能源地下结构(见图1)[16-17]。

图1 能量桩主动式桥面除冰融雪技术

能源地下结构需要关注两大问题：换热效率和热致应力与变形问题。因此，工程设计中不仅需要进行能源供给量设计(包括热泵设备、热需求量等)，而且需要对热致应力和变形等结构安全性能进行校核。地下结构受力特性、热传热性能分别属于土木工程和建筑暖通等两个不同专业，导致能源地下结构课程具有综合性和复杂性的特点；能源地下结构工程应用近几年在国内外获得快速发展与应用，其相关设计、施工和质量控制等问题也动态变化，导致课程教学具有实践性和发展性的特点。这些均导致能源地下结构课程实践教学难度增加，造成课程目标、教学内容以及实践内容尚存在一些不足，无法满足中外合作办学、培养国际化复合型人才的要求。

因此，如何结合CDIO工程教育理念，兴趣(Interest)、创新(Innovation)、责任(Responsibility)和德育(Moral)有机融入到能源地下结构实践课程的教学目标、教学内容、教学手段及考核评价形式等环节的构思、设计、实施和运行优化中，显得尤为重要。

2 基于CDIO理念的能源地下结构课程实践教学改革微观尝试

“中瑞低碳城市”合作项目(SSLCC)，是由瑞士发展合作署与中国各试点城市人民政府签署的中国—瑞士低碳城市项目合作备忘录；2016年正式启动，共2期、每期3年，目前正式签署协议的我国城市有烟台、上海、成都、重庆、广州和昆明等。该项目既是瑞士发展合作署“全球气候变化”项目的一个重要组成部分、也是我国“一带一路”建设对接项目之一。拟通过成功地引入瑞士在减少碳排放等方面的创新技术和方法，结合城市管理者综合能力的提升，以及在不同层面的政策对话，协助中国城镇化实现可持续化的发展道路。

瑞士洛桑联邦理工学院Lyesess Laloui教授团队在能源地下结构技术与应用方面走在世界前列；编制了世界第一款能量桩设计软件Thermo-Pile，编制了世界第一部能量桩技术规程、第一部论著《Energy Geostructures》，最先开展能量桩群桩现场试验，最先开展能源地下结构专题创新培训课程等。2018年，联合瑞士洛桑联邦理工学院、澳大利亚弗林德斯大学等单位，组建成立了能源岩土国际合作联合研究中心，面向工程界和中外合作办学学生，开设能源地下结构设计与应用专题培训教育(2018和2019年各举办一期)。将兴趣(I)、创新(I)、责任(R)和德育(M)有效的融入到所讲授班级的课程构思(C)、设计(D)、实现(I)和运行(O)中；基于IIMR-CDIO理念的能源地下结构课程实践教学流程图如图2所示。

2.1 实践教学目标(项目构思)

以立德树人为实践教学目标，以学生为本，作为中外合作办学能源地下结构实践教学的指导思想。以《中外合作办学条例》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010年—2020年)》为依据，改变教师的教学理念和学生的学习观念，着重培养学生的兴趣与热情(I)、创新创业能力(I)、社会责任(R)、以及道德品质(M)等方面；实践课程教学过程中挖掘思政元素并有机融入思政教育(比如，能源地下结构换热管连接施工时，需要体现“工匠精神”；在讲授地下空间资源、浅层地温能开发与利用时，可以体现“科学发展观”等新时代思政元素)。基于CDIO工程教育理念，制订中外合作办学能源地下结构课程教学目标，构建一体化的课程体系；为教学内容的设计、教学方法的选择提供依据(见图2)。

图2 基于IIMR-CDIO理念的能源地下结构实践教学流程图

2.2 实践教学内容(项目设计)

(1) 课程大纲制定。以专业认证为契机，围绕课程大纲体现对中外合作办学相关专业毕业生需求展开；适当提高实践教学课时占比，理论知识讲授环节中添设工程项目型的占比。

(2) 教学内容设置。首先，进行整体和系统的顶层设计，分析社会与行业对毕业生的需求，能否满足服务全球化、“一带一路”建设要求；然后，结合全局化的通盘考虑，进行一体化的优化重组与整合，形成有机的教学内容板块链条。中外合作办学能源地下结构课程教材引进瑞士原版教材，并结合我国能源地下结构工程应用案例进行系统教学。

(3) 实践教学中融入思政元素，开展思政教育，培养学生的学习兴趣、创新创业意识、以及职业和社会责任感。鼓励学生参加国际/国内竞赛(比如美国大学生土木工程竞赛、全国大学生结构竞赛/岩土工程竞赛等)，提供专业综合素质。保持教学内容与时俱进、保留经典案例、更新最新工程成果。

2.3 实践教学方法(项目实现)

(1) 首先优化教学师资力量。中外合作办学能源地下结构课程教学内容上不仅有国外教材中的原理、方法等内容，而且有国内能源地下结构最新案例(如上海世博轴能量桩技术应用，世界范围内单体工程能量桩应用数量最多项目(6 000根))。因此，实践教学方法上优化与改革上，首先需要优化并加强师资力量。实现“三师协同”、“多语同步”的教学模式(见图3)，即“外放教师、中方教师和企业导师”、中文、英文及第三方语言(比如“一带一路”建设项目所在国)；

图3 三师协同、多语结合授课形式

(2) 其次采用项目驱动教学方法。实践教学中，挑选典型性区域的能源地下结构工程设计项目(比如上海软土地区上海世博轴能量桩项目)，进行项目驱动教学。先结合多媒体技术、虚拟仿真技术等先进计算机辅助手段，帮助学生们对理论知识点和整体工程项目有一个具体了解；然后分解项目任务内容，以小组形式由学生们分工协作完成调研、实践、以及报告等内容。项目驱动教学方法不仅以工程实际案例为依托，而且结合大学生创新创业训练项目等为依托，培养学生的专业综合素养。实现由“教师讲”到“学生做”之间的转变，达到学生最大化学习知识的目标；

(3) 开辟第二课堂体系。一方面，结合企业导师的优势，在相关行业龙头企业开辟第二课堂教学体系，进一步强化学生对知识点的掌握和能源地下结构施工、设计和质量控制等各环节的认识；另一方面，与留学生课程教学相结合，优化资源配置的同时，让学生们有一个深度交流和互相学习的机会。此外，拓展国际交换生项目、国际暑期学校项目等形式多样的国际教育项目。

2.4 实践教学成果考核(项目运行)

综合考虑学生兴趣、创新、责任和德育因素，基于IIMR-CDIO工程教育理念，制定全方位教学成果考核和评价机制(见图4)。参照美国麻省理工学院高校课程成绩权重设置，制定中外合作办学能源地下结构课程考核内容及权重分配(见表1)。在完成能源地下结构课程之后，指导学有余力的本科生申报并获批了国家级大学生创新创业训练项目“基于能量桩的桥面除冰系统优化设计与热力学特性研究”，结合该项目发表学术论文2篇、授权国家专利1项，并以优秀成绩顺利结题。

图4 考核评价体系示意图

表1 全方位中外合作办学能源地下结构课程考核机制

3 课程实践教学中思政教育的融入与实践

中外合作办学对我国高校思想政治教育工作提出了新的机遇与挑战；中外合作办学环境下大学生思政教育面临教育对象综合素质差异大、多元化背景下教学内容的包容性、培养目标的国际化等方面问题。因此，中外合作办学过程中，必须培养学生对社会主义国家的政治认同感和文化认同感，必须坚持用社会主义核心价值观引导学生发展，培养具有国际视野和竞争力的社会主义事业接班人。人才培养体系中，除了开设思政课程之外，在专业课教学中也有效融入思政教育内容，达到润物细无声的立德树人目标。

以中外合作办学中能源地下结构课程实践教学为例，在课堂教学、实践教学等环节中，全面挖掘和梳理思政元素，并组织表达有效融入专业课教学各个环节中，开展课程育人教育教学改革，将思政教育“盐溶入汤”。在课堂授课环节，培养学生的家国情怀、世界视野；在实验教学环节，培养学生的甘于奉献和工匠精神；在实践教学环节，培养学生的面对挑战、团队协作精神；在小组讨论环节，培养学生宽广心胸和文化自信；在课程论文或报告环节，培养学生的尊重实践与科学，勇于创新精神。例如：介绍地下结构演化历程时，引入中国古代三大工程之一：新疆吐鲁番地区坎儿井地下结构及地下水灌溉系统。坎儿井，是荒漠地区一种特殊的地下结构与地下水利用形式。两千年前建成并沿用至今，长度超过5 000 km；充分体现了我国古代人民的智慧，激发学生的民族自信。

4 结 语

中外合作办学是我国高等教育国际化、优秀人才走向世界，服务“一带一路”建设的必然趋势。如何坚持社会主义办学方向，借助国外优质教育资源，实现资源有效优化配置、提高我国高等教育质量。结合中外合作办学能源地下结构课程教学实际情况，将兴趣(Interest)、创新(Innovation)、责任(Responsibility)和德育(Moral)等因素引入CDIO工程教育模式中，形成基于IIRM-CDIO的教学改革方案。以我校中外合作办学能源地下结构课程实践教学为试点，展开教学目标、内容、方法与评价等环节的构思(C)、设计(D)、实施(I)和运行(O)优化，并挖掘新时代思政元素，有效融入能源地下结构专业课程教学实践中，实现以人为本的立德树人目标，为我校新工科和“一流学科”内涵建设提供参考。