基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學(xué)模式探索

吳福飛，董雙快，王 紅，朱 丹，黃宗輝

(貴州師范大學(xué) a. 材料與建筑工程學(xué)院；b.教務(wù)處實驗室安全管理科，貴州 貴陽 550025)

0 前 言

工程材料課程作為土木工程、市政工程、水利工程、工程管理等大土木專業(yè)的基礎(chǔ)課程。該課程涵蓋內(nèi)容相對較廣，主要包括材料的基本性質(zhì)、無機膠凝材料、混凝土、砂漿、砌體材料、瀝青及瀝青混合料、合成高分子材料、木材、建筑鋼材、石材、吸聲材料與裝飾材料等教學(xué)內(nèi)容，其理論性、實踐性和應(yīng)用性較強，是大土木專業(yè)必須掌握的基礎(chǔ)課程之一。根據(jù)高等學(xué)校專業(yè)指導(dǎo)委員會的要求，工程材料課程的教學(xué)目的是要求學(xué)生掌握工程材料的制備、性質(zhì)、用途和使用方法，以及質(zhì)量檢測與控制方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能針對不同工程及條件合理選用工程材料，并能與后續(xù)相關(guān)課程密切結(jié)合。由于工程材料課程內(nèi)容和教學(xué)目的特殊性，要求教師具有較深的理論功底、較多的實踐經(jīng)歷。為此，各高校對工程材料課程教學(xué)的模式進(jìn)行深入研究，趙亮等[1]提出基于“新工科”背景下土木工程材料實驗課程的改革與創(chuàng)新；陳靜[2]提出土木工程材料課程多維度結(jié)合的教學(xué)方式；張武滿等[3]提出以設(shè)計性、綜合性及創(chuàng)新性試驗為主，驗證性實驗為輔的多元化人才培養(yǎng)體系；沈燕[4]提出基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的土木工程材料實驗教學(xué)改革模式。

基于此，我校材料與建筑工程學(xué)院引進(jìn)CDIO-OBE工程教育模式[5-6]運用于工程材料課程，積極探索工程材料課程實踐教學(xué)模式，使我院土木工程、工程管理和工程造價專業(yè)的學(xué)生掌握和應(yīng)用好工程材料課的基本知識，為后續(xù)課程的講解做鋪墊。

1 傳統(tǒng)工程材料課實踐教學(xué)存在的問題

工程材料課是大土木專業(yè)使用最多的建筑材料，該課程涉及范圍廣、概念多和專業(yè)術(shù)語多；各章節(jié)之間邏輯性差，涉及的經(jīng)驗性內(nèi)容多和技術(shù)要求多。因此，該課程的實踐教學(xué)能幫助學(xué)生理解和掌握理論課程的基本知識，并提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

1)實驗內(nèi)容單一，工程背景不強。該課程目前主要開展水泥的基本性質(zhì)、砂石料的基本性質(zhì)和預(yù)拌混凝土。對于混凝土試驗也未與工程實際接軌，僅開展常規(guī)混凝土，如未與工程中的自密實混凝土、碾壓混凝土、纖維混凝土等接軌。其余試驗如砂漿、鋼材、瀝青、新型材料、裝飾材料、復(fù)合材料等更未見。

2)實踐教學(xué)的重視程度不夠、課時少，考核方式落后。在該課程的教學(xué)中，普遍存在的現(xiàn)象是“重理論、輕實踐”。為適應(yīng)國家素質(zhì)教育的需要，大學(xué)本科專業(yè)課程的教學(xué)學(xué)時逐漸縮減，工程材料課的課時已經(jīng)縮減到24學(xué)時的理論教學(xué)和8學(xué)時的實驗教學(xué)，不僅出現(xiàn)理論課上不完的現(xiàn)象，也出現(xiàn)實踐教學(xué)課時嚴(yán)重不足的問題，完全不能實現(xiàn)2～3人/組的情況。由于理論課程和實踐課程統(tǒng)一安排，該實踐課程不計入成績，致使實踐課程“名存實亡”。

3)設(shè)備陳舊、數(shù)量少。在師范院校開展工科專業(yè)，往往由于投入多、產(chǎn)出少的問題，一再壓縮工科專業(yè)實踐教學(xué)的費用，導(dǎo)致設(shè)備無法更新，年復(fù)一年，設(shè)備只減不增。

2 基于CDIO-OBE的工程材料課教學(xué)模式構(gòu)建

CDIO是構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)的簡寫，是以實際項目工程為載體，使學(xué)生主動、積極學(xué)習(xí)工程。OBE是基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes Based Education)，注重通過教學(xué)，使學(xué)生達(dá)到某種目標(biāo)。

1)CDIO-OBE人才培養(yǎng)模式。結(jié)合CDIO的國際教學(xué)培養(yǎng)大綱和OBE的三個目標(biāo)(即知識、能力和素養(yǎng))，突出能力本位教育，即實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)(OBE)和教學(xué)手段(CDIO)的相輔相成。另外，為了適應(yīng)OBE的需要。至少要實現(xiàn)如下五方面轉(zhuǎn)變：①從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂的轉(zhuǎn)變；②從封閉課堂向開放課堂的轉(zhuǎn)變；③從知識課堂向能力課堂的轉(zhuǎn)變；④從重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變；⑤從重教輕學(xué)向教主于學(xué)轉(zhuǎn)變。通過上述五方面的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)OBE教學(xué)主張的教學(xué)理念：即“教不為教，學(xué)為學(xué)會”；達(dá)到OBE教學(xué)主張的教學(xué)原則：即“教主于學(xué)”，即達(dá)到“樂學(xué)、會學(xué)、學(xué)會”的目的。

2)構(gòu)建虛擬教學(xué)和試驗仿真平臺。為了滿足實踐教學(xué)的需要，貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院與廣東騰躍、貴州建工等單位通過校企協(xié)同，成立了山區(qū)坡地建筑工程施工技術(shù)與組織現(xiàn)場實習(xí)虛擬仿真實驗室。旨在以省級標(biāo)準(zhǔn)化工程項目為案例，結(jié)合貴州喀斯特山區(qū)工程地質(zhì)、建筑特色、施工技術(shù)和管理現(xiàn)狀，利用VR全景和BIM技術(shù)，實現(xiàn)試驗和施工全過程全景呈現(xiàn)。通過這一平臺的建設(shè)，將理論課程未講授完的部分上傳至平臺，通過時間節(jié)點的設(shè)置，實時監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并通過平臺隨機抽題考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。另外，基于試驗設(shè)備有限的問題，通過BIM 和VR全景技術(shù)，首先通過平臺演示，讓學(xué)生理解和掌握試驗過程應(yīng)該注意的問題，從而達(dá)到提高學(xué)生的實踐能力。

3)建立綜合性、創(chuàng)新性試驗。結(jié)合工程材料課的教學(xué)大綱，重新調(diào)整試驗實踐教學(xué)。①減少材料的基本特性試驗，鋼筋和瀝青的基本試驗，將其通過虛擬試驗進(jìn)行。增加混凝土、高強和高韌性混凝土、鋼筋混凝土和瀝青混凝土的制備、測試和應(yīng)用。②結(jié)合工程材料課測量和環(huán)境與可持續(xù)課程的情況，開展房屋驗收與檢測工作，即對房屋的建筑面積、層高、甲醛、瓷磚空鼓等指標(biāo)進(jìn)行檢測，讓學(xué)生親身體驗房屋驗收與檢測工作。③結(jié)合創(chuàng)新學(xué)分和培養(yǎng)目標(biāo)的需要，鼓勵學(xué)生積極參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、“挑戰(zhàn)杯”、“節(jié)能減排”和“三創(chuàng)賽”等比賽以及積極申報大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，實現(xiàn)學(xué)生以研促學(xué)和以賽促學(xué)的目的。

3 基于CDIO-OBE的混凝土極限拉伸實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

以混凝土極限拉伸為例，簡述基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學(xué)模式。在成型混凝土極限拉伸試件時，根據(jù)學(xué)生的分組情況，可制備常規(guī)混凝土、碾壓混凝土、粉煤灰混凝土、外摻氧化鎂混凝土等試件，根據(jù)摻量和種類等的不同，可制備形式多樣的試件。試驗完成后，學(xué)生需提交配合比設(shè)計表格和試驗報告，并通過PPT等形式匯報整個極限拉伸過程及失誤情況。

1)構(gòu)思階段。以貴州省都勻大河水庫對外摻MgO碾壓混凝土的需要為例，通過分組和達(dá)到對比的需要，讓學(xué)生構(gòu)思常規(guī)混凝土、碾壓混凝土、粉煤灰混凝土、外摻氧化鎂混凝土等試件。基于此，學(xué)生需收集混凝土極限拉伸的相關(guān)資料，以及準(zhǔn)備混凝土原材料用量的計算。

2)設(shè)計階段。由于混凝土極限拉伸試件中原材料用量的不同，學(xué)生需通過工程實際需要，選擇合適的水膠比、砂石、水泥、水和摻合料等用量。教師在此階段需檢查學(xué)生計算的準(zhǔn)確性和適用性。

3)制備階段。根據(jù)設(shè)計階段的計算結(jié)果，準(zhǔn)備混凝土試件所需的原材料，按設(shè)計比例成型混凝土。此階段老師需檢查混凝土原材料是否合適、制備流程的正確與否。制備結(jié)束后，放入養(yǎng)護室進(jìn)行養(yǎng)護。

4)試驗階段。根據(jù)虛擬仿真實驗平臺，首先通過虛擬仿真技術(shù)，演示混凝土極限拉伸的試驗過程及注意事項。然后將養(yǎng)護后的試件進(jìn)行極限拉伸試驗，試驗過程中及時記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后，繪制應(yīng)變關(guān)系，并完成實驗報告。

5)檢查階段。完成報告后，總結(jié)試驗過程的得與失，將整個試驗過程通過PPT講解。通過這一檢查手段，提高學(xué)生的動手能力、團隊合作意識和表達(dá)能力。

4 實踐教學(xué)實施效果

從2017年應(yīng)用基于CDIO-OBE的工程材料課實踐教學(xué)模式以來，我院學(xué)生獲得互聯(lián)網(wǎng)+省級金獎、銀獎和銅獎各一次，優(yōu)秀獎多次；獲“三創(chuàng)賽” 省級一、二、三和優(yōu)秀獎多次；國家級和省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目30余項，校級大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃24項，獲得BIM比賽團體獎和個人獎多次。與此同時，教師也獲得不少成績，如成立了山區(qū)坡地建筑工程施工技術(shù)與組織現(xiàn)場實習(xí)虛擬仿真實驗室，成立貴州師范大學(xué)司法鑒定研究院，成立了驗房團和檢測單位等。

5 結(jié) 語

CDIO-OBE實踐教學(xué)模式的使用，能在一定程度上轉(zhuǎn)變“重理論、輕實踐”的觀念。能提高學(xué)生的積極性、動手能力和團隊協(xié)作能力，同時能激發(fā)學(xué)生對大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃和各種比賽的興趣，從而達(dá)到提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

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