基于CDIO理念的非饱和土壤入渗实验教学模式初探

杨文新 陶洪飞 赵经华 马亮 姜有为

[摘 要]灌溉排水工程学实验课程是农业水利工程专业的核心实验课程，如何提高学生的实验热情，培养学生解决日常生产中的相关问题和创新能力一直是实验教学面临的问题。文章基于CDIO理念的非饱和土壤入渗实验教学模式改革，落实高级工程技术人才培养目标，并以“实验促进理论理解，实践重于理论”“做中学”理念进行实验教学模式改革，在实验过程培养学生的实验设计和操作能力，实践能力和工程素质，团队精神、自主学习能力和创新思维。

[关键词]CDIO理念;教学模式改革;土壤入渗实验;创新思维;团队精神

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）09-0078-03

引言

党的十九大报告明确指出：优先发展教育事业。落实立德树人根本任务，发展素质教育，推进教育公平，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人[1]。随着教育理念的不断发展，重视人的思想道德素质、能力培养、个性发展、身体和心理健康教育，已成为各个高校的人才培养目标。

中共中央和国务院颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》、《关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》，国务院《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》（国办发〔2015〕36号）、《教育部〈关于全面提高高等教育质量的若干意见〉（高教三十条）（高教〔2012〕4号）》等文件中都明确提出要坚持立德树人的根本任务，重视大学生的创新精神、实践能力和创业意识培养，深入推进教育教学改革和创新创业教育改革，不断提高教育教学质量，推动高水平大学建设，培养创新型应用型人才[2]。

CDIO 是构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）、运作（operate）的英文简写，由美国麻省理工学院、瑞典林克平大学、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典皇家技术学院等4所工程大学共同发起，23 所来自全球各区域的大学合作开发的一个国际工程教育合作项目[3]。这个项目的实施可使学生在掌握基础知识的同时，还能获得终身学习能力、团队协作素养以及在社会和企业环境下构建产品过程和系统的能力。即根据学生自身的基础和爱好进行分层培养，注重学生的个性化发展与综合素质培养，并与CDIO项目进行有机结合;将因材施教的思想与CDIO进行有机结合，强调做人与做事相结合，做人通过做事体现，做事通过做人保证，并在各个培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的毕业生具备良好的职业道德，正直且富有责任感[4]。

农业水利工程专业学生主要学习水利、土木工程学科的基本知识、基本理论以及农业水利工程学科的相关知识，了解国内外水利工程学科、农业工程学科及相关学科的学科前沿和发展趋势，是建设社会主义新农村、落实乡村振兴战略的主力军。本专业培养能在农业水利工程领域从事工程勘测、规划、设计、施工、监理和管理等工作的高级工程技术人才。农业水利工程专业作为交叉性应用型的学科，具有很强的实践性，要求学生具备很强的动手能力、分析能力、创新能力和团队协作能力。因此，按照培养目标以及农业水利工程专业课程自身的特点，对实验教学模式进行改革，构建有助于新时代实验教学发展的实验教学平台，对提高本专业课程的本科实验教学质量具有促进作用。

灌溉排水工程学实验是将理论知识加以实际应用的操作和验证，是引导学生理解理论知识、提高动手能力和解决实际问题能力的平台。2014年3月，教育部明确指出本科高等院校的改革方向要以应用技术型为办学定位[5]。新疆农业大学的培养实干创新型人才理念，要求本校工程技术人才的培养过程要注重学生实际工程问题解决能力的培养，因此，实验课程的重要作用不言而喻。农业水利教研团队更应该努力要求自己，提出实验教学模式的改革方案，使其适应高级工程技术人才培养的需求。本文提出基于CDIO理念下非饱和土壤入渗实验教学模式改革，提出新的教学模式和考核方法，目的在于提高实验教学的质量，為其他专业实验教学提供改革的经验。构建将CDIO 工程教育理念与高级工程技术人才培养要求相结合的实验教学模式，改革灌溉排水工程学实验中非饱和土壤入渗实验教学模式，这对本科生掌握实验相关知识技能、培养具有综合创新能力的应用型人才具有重要意义。

本实验教学模式改革基于CDIO理念，结合新疆农业大学水利与土木工程学院农业水利工程专业特点，根据本学院新修订的灌溉排水工程学实验教学大纲，开展非饱和土壤入渗实验改革，其研究成果有助于促进学生综合能力的提升。

一、实验课程教学的现状和问题

灌溉排水工程学实验课程是农业水利工程专业的核心实验课，目前存在授课模式单一，缺乏与学生互动，学生做实验的积极性不高、主动性不强，教师的主导性、学生的学习潜能有待进一步加强。而且理论课时较多，而实验课时相对较少。实验目标固定，导致学生的创新能力和动手动力不足，实践能力得不到更好的培养，创新思维没有得到有效锻炼。考核方式单一，过度注重结果，忽略实验过程，进而导致学生在学习过程中只注重概念、原理和规律性内容的学习，而其实践能力、分析解决问题能力和工程素质得不到有效的培养和提高。教学形式固化，主要以课题教授为主。学生不能放开手脚做实验，更不能有效开展创新活动。

综上，实验课程教学环节必须进行改革。课题组借鉴 CDIO 工程教育模式，在教学设计、教学模式、考核方法等多个方面，对非饱和土壤入渗实验课程进行改革探索，落实高级工程技术人才培养目标，“以实验促进理论理解，实践重于理论”“做中学”等理念为教学指导思想[6]，使学生具有完备的工程实践能力，满足社会对应用型人才的需求。

二、以CDIO 模式指导非饱和土壤入渗实验教学模式改革

非饱和土壤入渗实验教学模式改革的核心内容，是以CDIO 模式理论为指导，将“以理论灌输为主”的教学模式转变为“以实验促进理论理解，实践重于理论”的教学模式。这个改革贯彻该课程教学的全过程，采取以学生为主体的教学方式，教师在关键环节引领学生，辅助学生，给学生构建开放式思维的学习情境，以小组讨论和探究型学习为主，注重实验过程，注重对学生动手能力、分析能力、问题解决能力和创新思维的考核，引导学生自主构建实验知识体系框架。

（一）实验构思

实验构思是实验的准备环节，也是其中一个很重要的部分，考查学生在学习理论知识和实验准备中发现问题的能力，是确保实验顺利实施的筹划阶段。实验构思关键在于学生在教师的指导下掌握理论知识和提高相关实践能力等方面。在实验大纲和实验条件满足的情况下完善实验教学，调动学生学习的主观能动性，结合农业日常生产实际情况，理论联系实践。

实验构思的前提是理解实验的意义。非饱和土壤入渗实验是降雨和灌水时水分向土壤中入渗，入渗速度、一定时段内的累计入渗量、入渗后水分在土壤剖面上的分布，是确定灌水定额、制定灌溉制度的重要依据。

例如：学生通过学习理论知识了解到农田灌溉或降雨在田面形成水层时，水向土中入渗的过程及其变化规律。大多数灌溉都是在非饱和土壤中开展的，无论是地面灌溉、普通灌溉以及微灌，土壤入渗都是重要环节。土壤下渗的过程是难以直接观察到的，如何利用实验模拟现实中的土壤进而进行观察是构思的主要内容。

在学生进行思考之后，教师对现有实验仪器设备、实验室的条件以及实验的意义向学生进行阐述，发放可参考的文献、实验仪器的使用说明书等，学生根据实验室现有的资源以及老师对实验仪器的讲解，初步熟悉实验仪器，再通过查阅相关规范、文献、教材以及其他资料，对即将开展的实验进行构思。

（二）实验设计

实验设计是实验课程的关键环节，理论知识、社会实践、实验经验和实验技术是完成实验设计的必要条件。在实验构思完毕后，学生在实验老师的指导下进行实验方案设计。学生首先需要弄清楚入渗实验的目的，熟悉土壤的物理化学特性，了解实验的关键步骤，初步设计实验方案，小组进行讨论，听教师进行实验剖析后再进行方案优化。

明确实验目的是完成实验设计的重要步骤，非饱和土壤入渗实验的目的包括以下几方面：观测积水条件下土壤入渗过程，掌握累积入渗量与湿润峰变化规律;了解评价土壤入渗能力的指标，观察入渗速度随时间的规律;使用考斯加可夫入渗公式拟合函数关系曲线，通过实验资料求得土壤水分入渗参数;熟悉相关实验装置的工作原理及测试方法。

开展实验设计时，首先要确定哪些数据是要通过实验获取的。例如：理解考斯加可夫入渗公式的含义，用公式中所需的数据，指导实验测试运行，获取土壤入渗能力的指标;熟悉马氏瓶的工作原理，并对可能会出现的问题做出应对措施和补救方法，明确小组成员分工，确保实验记录完整、操作有序开展，顺利成功地完成实验。

（三）实验实施

在完成实验方案设计和优化后，根据学生实验预习情况、设备的熟悉程度、操作步骤，利用实验室现有实验仪器和其他实验条件开展实验操作。实验实施是考核团队综合素质的过程，是检验前期实验构思和实验设计的重要部分，更是考查学生动手能力、实践能力和工程素质的过程，同时也是提高学生解决问题能力和创新思维的阶段。

为了让学生进一步熟悉实验设计方案，教师有必要对实验实施过程中的关键环节进行提问，系统地强化实验重点知识。例如：1.入渗实验中将水灌入马氏瓶，把马氏瓶的出水孔和圆筒的进水口用橡胶管连接好，土柱和马氏瓶的相对高度如何调节，为什么？2.装入土柱的土需要过多大孔径的筛子，每次填土厚度是多少，装土时还有哪些注意事项？3.给供水箱加水需要注意哪些问题？如果灌水漏斗与水箱之间接缝漏气该怎么处理？要求每个小组根据所掌握的知识或查找相关资料进行回答。根据现有的仪器开展实验准备，小组人员要按照任务分工实施操作，此过程是为了让每个学生都参与实验，养成相互协作和团队精神。实验的构思、设计和优化都是由学生团队提出和完成的，这样有助于学生提高实验的参与度和积极性，为实验顺利实施提供保障。

（四）实验运行（结果展示）

实验运行主要是数据采集和实验完成效果的评价，数据采集包括测量土筒直径，马氏瓶长、宽、高等尺寸，根据马氏瓶的面积和土柱的面积求出单位时段内入渗水量、累积入渗水量;效果评价包括构思的合理性、設计的适用性、实验操作的流畅性、实验报告的完成情况和实验结果的正确性五方面。实验结束后，要求学生认真完成实验报告，提交实验过程照片，特别是土柱中的湿润锋图片和压实土柱内土层的照片，以及方案构思、设计与优化的资料，作为本实验课程考核的重要参考。通过过程考核综合考虑评价的实验效果，具体的实验完成效果评价表见表1。

三、结语

CDIO理念注重学习过程，倡导以实践为主的教学模式，符合工程专业人才培养的要求。基于CDIO理念下非饱和土壤入渗实验教学模式改革将有助于激发学生对实验学习的兴趣，帮助学生提升自主学习灌溉排水工程实验相关知识的动力，促进学生提升对理论知识的理解及应用水平，同时以小组模式的团队合作学习，培养学生相互协作和提出方案的能力，提高学生的动手能力，增强学生的工程素质，为学生实践创新能力的培养提供平台，使学生更加重视实验过程，注重培养解决实际问题的能力、团结精神和创新思维。CDIO四个阶段的实施，使学生感受到理清实验思维的重要性，认识到每个阶段都是不可或缺的，并且很好地锻炼了学生发现问题和解决问题的能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 朱旭东. 新时代教师队伍建设的新价值[J]. 中国教师， 2018（2）：5-7.

[2] 李振武. 基于CDIO教育理念的地方高校工科专业实践教学体系改革研究与实践[J]. 大学教育， 2018（10）：49-51+102.

[3] 查建中.工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J]. 中国大学教学， 2008（5）： 16-19.

[4] 王天宝，程卫东.基于CDIO的创新型工程人才培养模式研究与实践：成都信息工程学院的工程教育改革实践[J].高等工程教育研究， 2010（1）：25-31.

[5] 陈武华，胡志彪，张著森，等.应用型本科大学转型形势下物理化学实验教学的几点思考[J]. 高师理科学刊， 2016（5）：101.

[6] 邵兰洁，马睿.高校计算机专业《C语言程序设计》CDIO模式教学改革实践研究[J].软件导刊， 2014（5）：187-189.

[责任编辑：庞丹丹]