基于CDIO-OBE的工程材料课实践教学模式探索

吴福飞，董双快，王 红，朱 丹，黄宗辉

(贵州师范大学 a. 材料与建筑工程学院；b.教务处实验室安全管理科，贵州 贵阳 550025)

0 前 言

工程材料课程作为土木工程、市政工程、水利工程、工程管理等大土木专业的基础课程。该课程涵盖内容相对较广，主要包括材料的基本性质、无机胶凝材料、混凝土、砂浆、砌体材料、沥青及沥青混合料、合成高分子材料、木材、建筑钢材、石材、吸声材料与装饰材料等教学内容，其理论性、实践性和应用性较强，是大土木专业必须掌握的基础课程之一。根据高等学校专业指导委员会的要求，工程材料课程的教学目的是要求学生掌握工程材料的制备、性质、用途和使用方法，以及质量检测与控制方法。通过本课程的学习，学生应能针对不同工程及条件合理选用工程材料，并能与后续相关课程密切结合。由于工程材料课程内容和教学目的特殊性，要求教师具有较深的理论功底、较多的实践经历。为此，各高校对工程材料课程教学的模式进行深入研究，赵亮等[1]提出基于“新工科”背景下土木工程材料实验课程的改革与创新；陈静[2]提出土木工程材料课程多维度结合的教学方式；张武满等[3]提出以设计性、综合性及创新性试验为主，验证性实验为辅的多元化人才培养体系；沈燕[4]提出基于创新能力培养的土木工程材料实验教学改革模式。

基于此，我校材料与建筑工程学院引进CDIO-OBE工程教育模式[5-6]运用于工程材料课程，积极探索工程材料课程实践教学模式，使我院土木工程、工程管理和工程造价专业的学生掌握和应用好工程材料课的基本知识，为后续课程的讲解做铺垫。

1 传统工程材料课实践教学存在的问题

工程材料课是大土木专业使用最多的建筑材料，该课程涉及范围广、概念多和专业术语多；各章节之间逻辑性差，涉及的经验性内容多和技术要求多。因此，该课程的实践教学能帮助学生理解和掌握理论课程的基本知识，并提高学生的动手能力和创新能力。

1)实验内容单一，工程背景不强。该课程目前主要开展水泥的基本性质、砂石料的基本性质和预拌混凝土。对于混凝土试验也未与工程实际接轨，仅开展常规混凝土，如未与工程中的自密实混凝土、碾压混凝土、纤维混凝土等接轨。其余试验如砂浆、钢材、沥青、新型材料、装饰材料、复合材料等更未见。

2)实践教学的重视程度不够、课时少，考核方式落后。在该课程的教学中，普遍存在的现象是“重理论、轻实践”。为适应国家素质教育的需要，大学本科专业课程的教学学时逐渐缩减，工程材料课的课时已经缩减到24学时的理论教学和8学时的实验教学，不仅出现理论课上不完的现象，也出现实践教学课时严重不足的问题，完全不能实现2～3人/组的情况。由于理论课程和实践课程统一安排，该实践课程不计入成绩，致使实践课程“名存实亡”。

3)设备陈旧、数量少。在师范院校开展工科专业，往往由于投入多、产出少的问题，一再压缩工科专业实践教学的费用，导致设备无法更新，年复一年，设备只减不增。

2 基于CDIO-OBE的工程材料课教学模式构建

CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的简写，是以实际项目工程为载体，使学生主动、积极学习工程。OBE是基于学习产出的教育模式(Outcomes Based Education)，注重通过教学，使学生达到某种目标。

1)CDIO-OBE人才培养模式。结合CDIO的国际教学培养大纲和OBE的三个目标(即知识、能力和素养)，突出能力本位教育，即实现教学目标(OBE)和教学手段(CDIO)的相辅相成。另外，为了适应OBE的需要。至少要实现如下五方面转变：①从灌输课堂向对话课堂的转变；②从封闭课堂向开放课堂的转变；③从知识课堂向能力课堂的转变；④从重学轻思向学思结合转变；⑤从重教轻学向教主于学转变。通过上述五方面的转变，从而实现OBE教学主张的教学理念：即“教不为教，学为学会”；达到OBE教学主张的教学原则：即“教主于学”，即达到“乐学、会学、学会”的目的。

2)构建虚拟教学和试验仿真平台。为了满足实践教学的需要，贵州师范大学材料与建筑工程学院与广东腾跃、贵州建工等单位通过校企协同，成立了山区坡地建筑工程施工技术与组织现场实习虚拟仿真实验室。旨在以省级标准化工程项目为案例，结合贵州喀斯特山区工程地质、建筑特色、施工技术和管理现状，利用VR全景和BIM技术，实现试验和施工全过程全景呈现。通过这一平台的建设，将理论课程未讲授完的部分上传至平台，通过时间节点的设置，实时监控学生学习情况，并通过平台随机抽题考查学生的学习情况。另外，基于试验设备有限的问题，通过BIM 和VR全景技术，首先通过平台演示，让学生理解和掌握试验过程应该注意的问题，从而达到提高学生的实践能力。

3)建立综合性、创新性试验。结合工程材料课的教学大纲，重新调整试验实践教学。①减少材料的基本特性试验，钢筋和沥青的基本试验，将其通过虚拟试验进行。增加混凝土、高强和高韧性混凝土、钢筋混凝土和沥青混凝土的制备、测试和应用。②结合工程材料课测量和环境与可持续课程的情况，开展房屋验收与检测工作，即对房屋的建筑面积、层高、甲醛、瓷砖空鼓等指标进行检测，让学生亲身体验房屋验收与检测工作。③结合创新学分和培养目标的需要，鼓励学生积极参加“互联网+”、“挑战杯”、“节能减排”和“三创赛”等比赛以及积极申报大学生科研训练计划和大学生创新创业训练计划，实现学生以研促学和以赛促学的目的。

3 基于CDIO-OBE的混凝土极限拉伸实验教学设计与实践

以混凝土极限拉伸为例，简述基于CDIO-OBE的工程材料课实践教学模式。在成型混凝土极限拉伸试件时，根据学生的分组情况，可制备常规混凝土、碾压混凝土、粉煤灰混凝土、外掺氧化镁混凝土等试件，根据掺量和种类等的不同，可制备形式多样的试件。试验完成后，学生需提交配合比设计表格和试验报告，并通过PPT等形式汇报整个极限拉伸过程及失误情况。

1)构思阶段。以贵州省都匀大河水库对外掺MgO碾压混凝土的需要为例，通过分组和达到对比的需要，让学生构思常规混凝土、碾压混凝土、粉煤灰混凝土、外掺氧化镁混凝土等试件。基于此，学生需收集混凝土极限拉伸的相关资料，以及准备混凝土原材料用量的计算。

2)设计阶段。由于混凝土极限拉伸试件中原材料用量的不同，学生需通过工程实际需要，选择合适的水胶比、砂石、水泥、水和掺合料等用量。教师在此阶段需检查学生计算的准确性和适用性。

3)制备阶段。根据设计阶段的计算结果，准备混凝土试件所需的原材料，按设计比例成型混凝土。此阶段老师需检查混凝土原材料是否合适、制备流程的正确与否。制备结束后，放入养护室进行养护。

4)试验阶段。根据虚拟仿真实验平台，首先通过虚拟仿真技术，演示混凝土极限拉伸的试验过程及注意事项。然后将养护后的试件进行极限拉伸试验，试验过程中及时记录应变数据，试验结束后，绘制应变关系，并完成实验报告。

5)检查阶段。完成报告后，总结试验过程的得与失，将整个试验过程通过PPT讲解。通过这一检查手段，提高学生的动手能力、团队合作意识和表达能力。

4 实践教学实施效果

从2017年应用基于CDIO-OBE的工程材料课实践教学模式以来，我院学生获得互联网+省级金奖、银奖和铜奖各一次，优秀奖多次；获“三创赛” 省级一、二、三和优秀奖多次；国家级和省级大学生创新创业项目30余项，校级大学生科研训练计划24项，获得BIM比赛团体奖和个人奖多次。与此同时，教师也获得不少成绩，如成立了山区坡地建筑工程施工技术与组织现场实习虚拟仿真实验室，成立贵州师范大学司法鉴定研究院，成立了验房团和检测单位等。

5 结 语

CDIO-OBE实践教学模式的使用，能在一定程度上转变“重理论、轻实践”的观念。能提高学生的积极性、动手能力和团队协作能力，同时能激发学生对大学创新创业训练计划、大学生科研训练计划和各种比赛的兴趣，从而达到提高学生的实践创新能力。

[ID:009711]