楊文新 陶洪飛 趙經(jīng)華 馬亮 姜有為

[摘 要]灌溉排水工程學實驗課程是農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的核心實驗課程，如何提高學生的實驗熱情，培養(yǎng)學生解決日常生產(chǎn)中的相關問題和創(chuàng)新能力一直是實驗教學面臨的問題。文章基于CDIO理念的非飽和土壤入滲實驗教學模式改革，落實高級工程技術人才培養(yǎng)目標，并以“實驗促進理論理解，實踐重于理論”“做中學”理念進行實驗教學模式改革，在實驗過程培養(yǎng)學生的實驗設計和操作能力，實踐能力和工程素質(zhì)，團隊精神、自主學習能力和創(chuàng)新思維。

[關鍵詞]CDIO理念;教學模式改革;土壤入滲實驗;創(chuàng)新思維;團隊精神

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）09-0078-03

引言

黨的十九大報告明確指出：優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)。落實立德樹人根本任務，發(fā)展素質(zhì)教育，推進教育公平，培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人[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)、個性發(fā)展、身體和心理健康教育，已成為各個高校的人才培養(yǎng)目標。

中共中央和國務院頒布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》、《關于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》，國務院《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》（國辦發(fā)〔2015〕36號）、《教育部〈關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見〉（高教三十條）（高教〔2012〕4號）》等文件中都明確提出要堅持立德樹人的根本任務，重視大學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)意識培養(yǎng)，深入推進教育教學改革和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，不斷提高教育教學質(zhì)量，推動高水平大學建設，培養(yǎng)創(chuàng)新型應用型人才[2]。

CDIO 是構思（conceive）、設計（design）、實現(xiàn)（implement）、運作（operate）的英文簡寫，由美國麻省理工學院、瑞典林克平大學、瑞典查爾姆斯技術學院、瑞典皇家技術學院等4所工程大學共同發(fā)起，23 所來自全球各區(qū)域的大學合作開發(fā)的一個國際工程教育合作項目[3]。這個項目的實施可使學生在掌握基礎知識的同時，還能獲得終身學習能力、團隊協(xié)作素養(yǎng)以及在社會和企業(yè)環(huán)境下構建產(chǎn)品過程和系統(tǒng)的能力。即根據(jù)學生自身的基礎和愛好進行分層培養(yǎng)，注重學生的個性化發(fā)展與綜合素質(zhì)培養(yǎng)，并與CDIO項目進行有機結合;將因材施教的思想與CDIO進行有機結合，強調(diào)做人與做事相結合，做人通過做事體現(xiàn)，做事通過做人保證，并在各個培養(yǎng)過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，正直且富有責任感[4]。

農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)學生主要學習水利、土木工程學科的基本知識、基本理論以及農(nóng)業(yè)水利工程學科的相關知識，了解國內(nèi)外水利工程學科、農(nóng)業(yè)工程學科及相關學科的學科前沿和發(fā)展趨勢，是建設社會主義新農(nóng)村、落實鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主力軍。本專業(yè)培養(yǎng)能在農(nóng)業(yè)水利工程領域從事工程勘測、規(guī)劃、設計、施工、監(jiān)理和管理等工作的高級工程技術人才。農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)作為交叉性應用型的學科，具有很強的實踐性，要求學生具備很強的動手能力、分析能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。因此，按照培養(yǎng)目標以及農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)課程自身的特點，對實驗教學模式進行改革，構建有助于新時代實驗教學發(fā)展的實驗教學平臺，對提高本專業(yè)課程的本科實驗教學質(zhì)量具有促進作用。

灌溉排水工程學實驗是將理論知識加以實際應用的操作和驗證，是引導學生理解理論知識、提高動手能力和解決實際問題能力的平臺。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用技術型為辦學定位[5]。新疆農(nóng)業(yè)大學的培養(yǎng)實干創(chuàng)新型人才理念，要求本校工程技術人才的培養(yǎng)過程要注重學生實際工程問題解決能力的培養(yǎng)，因此，實驗課程的重要作用不言而喻。農(nóng)業(yè)水利教研團隊更應該努力要求自己，提出實驗教學模式的改革方案，使其適應高級工程技術人才培養(yǎng)的需求。本文提出基于CDIO理念下非飽和土壤入滲實驗教學模式改革，提出新的教學模式和考核方法，目的在于提高實驗教學的質(zhì)量，為其他專業(yè)實驗教學提供改革的經(jīng)驗。構建將CDIO 工程教育理念與高級工程技術人才培養(yǎng)要求相結合的實驗教學模式，改革灌溉排水工程學實驗中非飽和土壤入滲實驗教學模式，這對本科生掌握實驗相關知識技能、培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力的應用型人才具有重要意義。

本實驗教學模式改革基于CDIO理念，結合新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)特點，根據(jù)本學院新修訂的灌溉排水工程學實驗教學大綱，開展非飽和土壤入滲實驗改革，其研究成果有助于促進學生綜合能力的提升。

一、實驗課程教學的現(xiàn)狀和問題

灌溉排水工程學實驗課程是農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的核心實驗課，目前存在授課模式單一，缺乏與學生互動，學生做實驗的積極性不高、主動性不強，教師的主導性、學生的學習潛能有待進一步加強。而且理論課時較多，而實驗課時相對較少。實驗目標固定，導致學生的創(chuàng)新能力和動手動力不足，實踐能力得不到更好的培養(yǎng)，創(chuàng)新思維沒有得到有效鍛煉。考核方式單一，過度注重結果，忽略實驗過程，進而導致學生在學習過程中只注重概念、原理和規(guī)律性內(nèi)容的學習，而其實踐能力、分析解決問題能力和工程素質(zhì)得不到有效的培養(yǎng)和提高。教學形式固化，主要以課題教授為主。學生不能放開手腳做實驗，更不能有效開展創(chuàng)新活動。

綜上，實驗課程教學環(huán)節(jié)必須進行改革。課題組借鑒 CDIO 工程教育模式，在教學設計、教學模式、考核方法等多個方面，對非飽和土壤入滲實驗課程進行改革探索，落實高級工程技術人才培養(yǎng)目標，“以實驗促進理論理解，實踐重于理論”“做中學”等理念為教學指導思想[6]，使學生具有完備的工程實踐能力，滿足社會對應用型人才的需求。

二、以CDIO 模式指導非飽和土壤入滲實驗教學模式改革

非飽和土壤入滲實驗教學模式改革的核心內(nèi)容，是以CDIO 模式理論為指導，將“以理論灌輸為主”的教學模式轉變?yōu)椤耙詫嶒灤龠M理論理解，實踐重于理論”的教學模式。這個改革貫徹該課程教學的全過程，采取以學生為主體的教學方式，教師在關鍵環(huán)節(jié)引領學生，輔助學生，給學生構建開放式思維的學習情境，以小組討論和探究型學習為主，注重實驗過程，注重對學生動手能力、分析能力、問題解決能力和創(chuàng)新思維的考核，引導學生自主構建實驗知識體系框架。

（一）實驗構思

實驗構思是實驗的準備環(huán)節(jié)，也是其中一個很重要的部分，考查學生在學習理論知識和實驗準備中發(fā)現(xiàn)問題的能力，是確保實驗順利實施的籌劃階段。實驗構思關鍵在于學生在教師的指導下掌握理論知識和提高相關實踐能力等方面。在實驗大綱和實驗條件滿足的情況下完善實驗教學，調(diào)動學生學習的主觀能動性，結合農(nóng)業(yè)日常生產(chǎn)實際情況，理論聯(lián)系實踐。

實驗構思的前提是理解實驗的意義。非飽和土壤入滲實驗是降雨和灌水時水分向土壤中入滲，入滲速度、一定時段內(nèi)的累計入滲量、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：學生通過學習理論知識了解到農(nóng)田灌溉或降雨在田面形成水層時，水向土中入滲的過程及其變化規(guī)律。大多數(shù)灌溉都是在非飽和土壤中開展的，無論是地面灌溉、普通灌溉以及微灌，土壤入滲都是重要環(huán)節(jié)。土壤下滲的過程是難以直接觀察到的，如何利用實驗模擬現(xiàn)實中的土壤進而進行觀察是構思的主要內(nèi)容。

在學生進行思考之后，教師對現(xiàn)有實驗儀器設備、實驗室的條件以及實驗的意義向?qū)W生進行闡述，發(fā)放可參考的文獻、實驗儀器的使用說明書等，學生根據(jù)實驗室現(xiàn)有的資源以及老師對實驗儀器的講解，初步熟悉實驗儀器，再通過查閱相關規(guī)范、文獻、教材以及其他資料，對即將開展的實驗進行構思。

（二）實驗設計

實驗設計是實驗課程的關鍵環(huán)節(jié)，理論知識、社會實踐、實驗經(jīng)驗和實驗技術是完成實驗設計的必要條件。在實驗構思完畢后，學生在實驗老師的指導下進行實驗方案設計。學生首先需要弄清楚入滲實驗的目的，熟悉土壤的物理化學特性，了解實驗的關鍵步驟，初步設計實驗方案，小組進行討論，聽教師進行實驗剖析后再進行方案優(yōu)化。

明確實驗目的是完成實驗設計的重要步驟，非飽和土壤入滲實驗的目的包括以下幾方面：觀測積水條件下土壤入滲過程，掌握累積入滲量與濕潤峰變化規(guī)律;了解評價土壤入滲能力的指標，觀察入滲速度隨時間的規(guī)律;使用考斯加可夫入滲公式擬合函數(shù)關系曲線，通過實驗資料求得土壤水分入滲參數(shù);熟悉相關實驗裝置的工作原理及測試方法。

開展實驗設計時，首先要確定哪些數(shù)據(jù)是要通過實驗獲取的。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)，指導實驗測試運行，獲取土壤入滲能力的指標;熟悉馬氏瓶的工作原理，并對可能會出現(xiàn)的問題做出應對措施和補救方法，明確小組成員分工，確保實驗記錄完整、操作有序開展，順利成功地完成實驗。

（三）實驗實施

在完成實驗方案設計和優(yōu)化后，根據(jù)學生實驗預習情況、設備的熟悉程度、操作步驟，利用實驗室現(xiàn)有實驗儀器和其他實驗條件開展實驗操作。實驗實施是考核團隊綜合素質(zhì)的過程，是檢驗前期實驗構思和實驗設計的重要部分，更是考查學生動手能力、實踐能力和工程素質(zhì)的過程，同時也是提高學生解決問題能力和創(chuàng)新思維的階段。

為了讓學生進一步熟悉實驗設計方案，教師有必要對實驗實施過程中的關鍵環(huán)節(jié)進行提問，系統(tǒng)地強化實驗重點知識。例如：1.入滲實驗中將水灌入馬氏瓶，把馬氏瓶的出水孔和圓筒的進水口用橡膠管連接好，土柱和馬氏瓶的相對高度如何調(diào)節(jié)，為什么？2.裝入土柱的土需要過多大孔徑的篩子，每次填土厚度是多少，裝土時還有哪些注意事項？3.給供水箱加水需要注意哪些問題？如果灌水漏斗與水箱之間接縫漏氣該怎么處理？要求每個小組根據(jù)所掌握的知識或查找相關資料進行回答。根據(jù)現(xiàn)有的儀器開展實驗準備，小組人員要按照任務分工實施操作，此過程是為了讓每個學生都參與實驗，養(yǎng)成相互協(xié)作和團隊精神。實驗的構思、設計和優(yōu)化都是由學生團隊提出和完成的，這樣有助于學生提高實驗的參與度和積極性，為實驗順利實施提供保障。

（四）實驗運行（結果展示）

實驗運行主要是數(shù)據(jù)采集和實驗完成效果的評價，數(shù)據(jù)采集包括測量土筒直徑，馬氏瓶長、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段內(nèi)入滲水量、累積入滲水量;效果評價包括構思的合理性、設計的適用性、實驗操作的流暢性、實驗報告的完成情況和實驗結果的正確性五方面。實驗結束后，要求學生認真完成實驗報告，提交實驗過程照片，特別是土柱中的濕潤鋒圖片和壓實土柱內(nèi)土層的照片，以及方案構思、設計與優(yōu)化的資料，作為本實驗課程考核的重要參考。通過過程考核綜合考慮評價的實驗效果，具體的實驗完成效果評價表見表1。

三、結語

CDIO理念注重學習過程，倡導以實踐為主的教學模式，符合工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求?；贑DIO理念下非飽和土壤入滲實驗教學模式改革將有助于激發(fā)學生對實驗學習的興趣，幫助學生提升自主學習灌溉排水工程實驗相關知識的動力，促進學生提升對理論知識的理解及應用水平，同時以小組模式的團隊合作學習，培養(yǎng)學生相互協(xié)作和提出方案的能力，提高學生的動手能力，增強學生的工程素質(zhì)，為學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供平臺，使學生更加重視實驗過程，注重培養(yǎng)解決實際問題的能力、團結精神和創(chuàng)新思維。CDIO四個階段的實施，使學生感受到理清實驗思維的重要性，認識到每個階段都是不可或缺的，并且很好地鍛煉了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 朱旭東. 新時代教師隊伍建設的新價值[J]. 中國教師， 2018（2）：5-7.

[2] 李振武. 基于CDIO教育理念的地方高校工科專業(yè)實踐教學體系改革研究與實踐[J]. 大學教育， 2018（10）：49-51+102.

[3] 查建中.工程教育改革戰(zhàn)略“CDIO”與產(chǎn)學合作和國際化[J]. 中國大學教學， 2008（5）： 16-19.

[4] 王天寶，程衛(wèi)東.基于CDIO的創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)模式研究與實踐：成都信息工程學院的工程教育改革實踐[J].高等工程教育研究， 2010（1）：25-31.

[5] 陳武華，胡志彪，張著森，等.應用型本科大學轉型形勢下物理化學實驗教學的幾點思考[J]. 高師理科學刊， 2016（5）：101.

[6] 邵蘭潔，馬睿.高校計算機專業(yè)《C語言程序設計》CDIO模式教學改革實踐研究[J].軟件導刊， 2014（5）：187-189.

[責任編輯：龐丹丹]