基于CDIO理念的非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式初探

楊文新 陶洪飛 趙經(jīng)華 馬亮 姜有為

[摘 要]灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)的核心實(shí)驗(yàn)課程，如何提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，培養(yǎng)學(xué)生解決日常生產(chǎn)中的相關(guān)問(wèn)題和創(chuàng)新能力一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問(wèn)題。文章基于CDIO理念的非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，落實(shí)高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，并以“實(shí)驗(yàn)促進(jìn)理論理解，實(shí)踐重于理論”“做中學(xué)”理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作能力，實(shí)踐能力和工程素質(zhì)，團(tuán)隊(duì)精神、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維。

[關(guān)鍵詞]CDIO理念;教學(xué)模式改革;土壤入滲實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新思維;團(tuán)隊(duì)精神

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）09-0078-03

引言

黨的十九大報(bào)告明確指出：優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)。落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，推進(jìn)教育公平，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人[1]。隨著教育理念的不斷發(fā)展，重視人的思想道德素質(zhì)、能力培養(yǎng)、個(gè)性發(fā)展、身體和心理健康教育，已成為各個(gè)高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

中共中央和國(guó)務(wù)院頒布的《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》、《關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》，國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2015〕36號(hào)）、《教育部〈關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)〉（高教三十條）（高教〔2012〕4號(hào)）》等文件中都明確提出要堅(jiān)持立德樹(shù)人的根本任務(wù)，重視大學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)意識(shí)培養(yǎng)，深入推進(jìn)教育教學(xué)改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，不斷提高教育教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)高水平大學(xué)建設(shè)，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才[2]。

CDIO 是構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）、運(yùn)作（operate）的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，由美國(guó)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所工程大學(xué)共同發(fā)起，23 所來(lái)自全球各區(qū)域的大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的一個(gè)國(guó)際工程教育合作項(xiàng)目[3]。這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施可使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，還能獲得終身學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作素養(yǎng)以及在社會(huì)和企業(yè)環(huán)境下構(gòu)建產(chǎn)品過(guò)程和系統(tǒng)的能力。即根據(jù)學(xué)生自身的基礎(chǔ)和愛(ài)好進(jìn)行分層培養(yǎng)，注重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展與綜合素質(zhì)培養(yǎng)，并與CDIO項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合;將因材施教的思想與CDIO進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)做人與做事相結(jié)合，做人通過(guò)做事體現(xiàn)，做事通過(guò)做人保證，并在各個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中注重人文精神的熏陶，從而使培養(yǎng)出的畢業(yè)生具備良好的職業(yè)道德，正直且富有責(zé)任感[4]。

農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)水利、土木工程學(xué)科的基本知識(shí)、基本理論以及農(nóng)業(yè)水利工程學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，了解國(guó)內(nèi)外水利工程學(xué)科、農(nóng)業(yè)工程學(xué)科及相關(guān)學(xué)科的學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢(shì)，是建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村、落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主力軍。本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)能在農(nóng)業(yè)水利工程領(lǐng)域從事工程勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和管理等工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)作為交叉性應(yīng)用型的學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要求學(xué)生具備很強(qiáng)的動(dòng)手能力、分析能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。因此，按照培養(yǎng)目標(biāo)以及農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)課程自身的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，構(gòu)建有助于新時(shí)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)提高本專(zhuān)業(yè)課程的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有促進(jìn)作用。

灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)是將理論知識(shí)加以實(shí)際應(yīng)用的操作和驗(yàn)證，是引導(dǎo)學(xué)生理解理論知識(shí)、提高動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力的平臺(tái)。2014年3月，教育部明確指出本科高等院校的改革方向要以應(yīng)用技術(shù)型為辦學(xué)定位[5]。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的培養(yǎng)實(shí)干創(chuàng)新型人才理念，要求本校工程技術(shù)人才的培養(yǎng)過(guò)程要注重學(xué)生實(shí)際工程問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)，因此，實(shí)驗(yàn)課程的重要作用不言而喻。農(nóng)業(yè)水利教研團(tuán)隊(duì)更應(yīng)該努力要求自己，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革方案，使其適應(yīng)高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。本文提出基于CDIO理念下非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，提出新的教學(xué)模式和考核方法，目的在于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，為其他專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供改革的經(jīng)驗(yàn)。構(gòu)建將CDIO 工程教育理念與高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)要求相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，改革灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)中非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，這對(duì)本科生掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)技能、培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才具有重要意義。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革基于CDIO理念，結(jié)合新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，根據(jù)本學(xué)院新修訂的灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，開(kāi)展非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)改革，其研究成果有助于促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提升。

一、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和問(wèn)題

灌溉排水工程學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是農(nóng)業(yè)水利工程專(zhuān)業(yè)的核心實(shí)驗(yàn)課，目前存在授課模式單一，缺乏與學(xué)生互動(dòng)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性不高、主動(dòng)性不強(qiáng)，教師的主導(dǎo)性、學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能有待進(jìn)一步加強(qiáng)。而且理論課時(shí)較多，而實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)較少。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)固定，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手動(dòng)力不足，實(shí)踐能力得不到更好的培養(yǎng)，創(chuàng)新思維沒(méi)有得到有效鍛煉。考核方式單一，過(guò)度注重結(jié)果，忽略實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只注重概念、原理和規(guī)律性?xún)?nèi)容的學(xué)習(xí)，而其實(shí)踐能力、分析解決問(wèn)題能力和工程素質(zhì)得不到有效的培養(yǎng)和提高。教學(xué)形式固化，主要以課題教授為主。學(xué)生不能放開(kāi)手腳做實(shí)驗(yàn)，更不能有效開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)。

綜上，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)必須進(jìn)行改革。課題組借鑒 CDIO 工程教育模式，在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式、考核方法等多個(gè)方面，對(duì)非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革探索，落實(shí)高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，“以實(shí)驗(yàn)促進(jìn)理論理解，實(shí)踐重于理論”“做中學(xué)”等理念為教學(xué)指導(dǎo)思想[6]，使學(xué)生具有完備的工程實(shí)踐能力，滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

二、以CDIO 模式指導(dǎo)非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的核心內(nèi)容，是以CDIO 模式理論為指導(dǎo)，將“以理論灌輸為主”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫?shí)驗(yàn)促進(jìn)理論理解，實(shí)踐重于理論”的教學(xué)模式。這個(gè)改革貫徹該課程教學(xué)的全過(guò)程，采取以學(xué)生為主體的教學(xué)方式，教師在關(guān)鍵環(huán)節(jié)引領(lǐng)學(xué)生，輔助學(xué)生，給學(xué)生構(gòu)建開(kāi)放式思維的學(xué)習(xí)情境，以小組討論和探究型學(xué)習(xí)為主，注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程，注重對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、分析能力、問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新思維的考核，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系框架。

（一）實(shí)驗(yàn)構(gòu)思

實(shí)驗(yàn)構(gòu)思是實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，也是其中一個(gè)很重要的部分，考查學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，是確保實(shí)驗(yàn)順利實(shí)施的籌劃階段。實(shí)驗(yàn)構(gòu)思關(guān)鍵在于學(xué)生在教師的指導(dǎo)下掌握理論知識(shí)和提高相關(guān)實(shí)踐能力等方面。在實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)條件滿(mǎn)足的情況下完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性，結(jié)合農(nóng)業(yè)日常生產(chǎn)實(shí)際情況，理論聯(lián)系實(shí)踐。

實(shí)驗(yàn)構(gòu)思的前提是理解實(shí)驗(yàn)的意義。非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)是降雨和灌水時(shí)水分向土壤中入滲，入滲速度、一定時(shí)段內(nèi)的累計(jì)入滲量、入滲后水分在土壤剖面上的分布，是確定灌水定額、制定灌溉制度的重要依據(jù)。

例如：學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)理論知識(shí)了解到農(nóng)田灌溉或降雨在田面形成水層時(shí)，水向土中入滲的過(guò)程及其變化規(guī)律。大多數(shù)灌溉都是在非飽和土壤中開(kāi)展的，無(wú)論是地面灌溉、普通灌溉以及微灌，土壤入滲都是重要環(huán)節(jié)。土壤下滲的過(guò)程是難以直接觀(guān)察到的，如何利用實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)中的土壤進(jìn)而進(jìn)行觀(guān)察是構(gòu)思的主要內(nèi)容。

在學(xué)生進(jìn)行思考之后，教師對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室的條件以及實(shí)驗(yàn)的意義向?qū)W生進(jìn)行闡述，發(fā)放可參考的文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)儀器的使用說(shuō)明書(shū)等，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源以及老師對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的講解，初步熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，再通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)、教材以及其他資料，對(duì)即將開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)思。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)課程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，理論知識(shí)、社會(huì)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)是完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要條件。在實(shí)驗(yàn)構(gòu)思完畢后，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。學(xué)生首先需要弄清楚入滲實(shí)驗(yàn)的目的，熟悉土壤的物理化學(xué)特性，了解實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，小組進(jìn)行討論，聽(tīng)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)剖析后再進(jìn)行方案優(yōu)化。

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭瓿蓪?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要步驟，非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)的目的包括以下幾方面：觀(guān)測(cè)積水條件下土壤入滲過(guò)程，掌握累積入滲量與濕潤(rùn)峰變化規(guī)律;了解評(píng)價(jià)土壤入滲能力的指標(biāo)，觀(guān)察入滲速度隨時(shí)間的規(guī)律;使用考斯加可夫入滲公式擬合函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)資料求得土壤水分入滲參數(shù);熟悉相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理及測(cè)試方法。

開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定哪些數(shù)據(jù)是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的。例如：理解考斯加可夫入滲公式的含義，用公式中所需的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)行，獲取土壤入滲能力的指標(biāo);熟悉馬氏瓶的工作原理，并對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題做出應(yīng)對(duì)措施和補(bǔ)救方法，明確小組成員分工，確保實(shí)驗(yàn)記錄完整、操作有序開(kāi)展，順利成功地完成實(shí)驗(yàn)。

（三）實(shí)驗(yàn)實(shí)施

在完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化后，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、設(shè)備的熟悉程度、操作步驟，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器和其他實(shí)驗(yàn)條件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)實(shí)施是考核團(tuán)隊(duì)綜合素質(zhì)的過(guò)程，是檢驗(yàn)前期實(shí)驗(yàn)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要部分，更是考查學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和工程素質(zhì)的過(guò)程，同時(shí)也是提高學(xué)生解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新思維的階段。

為了讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，教師有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行提問(wèn)，系統(tǒng)地強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)知識(shí)。例如：1.入滲實(shí)驗(yàn)中將水灌入馬氏瓶，把馬氏瓶的出水孔和圓筒的進(jìn)水口用橡膠管連接好，土柱和馬氏瓶的相對(duì)高度如何調(diào)節(jié)，為什么？2.裝入土柱的土需要過(guò)多大孔徑的篩子，每次填土厚度是多少，裝土?xí)r還有哪些注意事項(xiàng)？3.給供水箱加水需要注意哪些問(wèn)題？如果灌水漏斗與水箱之間接縫漏氣該怎么處理？要求每個(gè)小組根據(jù)所掌握的知識(shí)或查找相關(guān)資料進(jìn)行回答。根據(jù)現(xiàn)有的儀器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，小組人員要按照任務(wù)分工實(shí)施操作，此過(guò)程是為了讓每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成相互協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神。實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和優(yōu)化都是由學(xué)生團(tuán)隊(duì)提出和完成的，這樣有助于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)的參與度和積極性，為實(shí)驗(yàn)順利實(shí)施提供保障。

（四）實(shí)驗(yàn)運(yùn)行（結(jié)果展示）

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行主要是數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)完成效果的評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)采集包括測(cè)量土筒直徑，馬氏瓶長(zhǎng)、寬、高等尺寸，根據(jù)馬氏瓶的面積和土柱的面積求出單位時(shí)段內(nèi)入滲水量、累積入滲水量;效果評(píng)價(jià)包括構(gòu)思的合理性、設(shè)計(jì)的適用性、實(shí)驗(yàn)操作的流暢性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性五方面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交實(shí)驗(yàn)過(guò)程照片，特別是土柱中的濕潤(rùn)鋒圖片和壓實(shí)土柱內(nèi)土層的照片，以及方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)與優(yōu)化的資料，作為本實(shí)驗(yàn)課程考核的重要參考。通過(guò)過(guò)程考核綜合考慮評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)效果，具體的實(shí)驗(yàn)完成效果評(píng)價(jià)表見(jiàn)表1。

三、結(jié)語(yǔ)

CDIO理念注重學(xué)習(xí)過(guò)程，倡導(dǎo)以實(shí)踐為主的教學(xué)模式，符合工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的要求?；贑DIO理念下非飽和土壤入滲實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革將有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，幫助學(xué)生提升自主學(xué)習(xí)灌溉排水工程實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的動(dòng)力，促進(jìn)學(xué)生提升對(duì)理論知識(shí)的理解及應(yīng)用水平，同時(shí)以小組模式的團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)作和提出方案的能力，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的工程素質(zhì)，為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供平臺(tái)，使學(xué)生更加重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程，注重培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力、團(tuán)結(jié)精神和創(chuàng)新思維。CDIO四個(gè)階段的實(shí)施，使學(xué)生感受到理清實(shí)驗(yàn)思維的重要性，認(rèn)識(shí)到每個(gè)階段都是不可或缺的，并且很好地鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

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