基于CDIO模式的滴头和滴灌管（带）水力性能实验教学改革构思

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　　摘   要：针对滴头和滴灌管（带）水力性能实验中存在的问题，将CDIO模式应用于实验改革。从实验任务分解、方案设计、实施操作，直至最后整理总结、评价，学生全过程主导，教师只起到辅助作用，实现教师与学生主体地位的互换，以达到培养学生的创新能力、团队协作精神和精密思维能力的最终目的。
　　关键词：CDIO模式  水力性能  实验教学改革
　　中图分类号：H191                                  文献标识码：A                        文章編号：1674-098X（2019）10（c）-0187-03
　　Abstract： Aiming at the problems existed in the experimental teaching of hydraulic performance of emitter and drip irrigation tube（tape）， CDIO model was applied in the reform. In order to training students’ ability in innovation， team collaboration and exact thinking， students occupied the leading position through the experiment， including steps of task decompose， scheme design， operation， summary and evaluation. With the position exchange of teacher and students， teacher played a role of guider in the course of experiment.
　　Key Words： CDIO model; Hydraulic performance; Experimental teaching reform
　　随着经济结构的调整和产业结构的转型升级，国家对于水利行业人才需求也有了新的要求，应用、创新成为了人才培养的关键词[1-2]。“应用”是对专业技术和实践能力的要求，本质是能利用专业技术知识进行实践操作和解决问题;“创新”则是对深层次思考的要求，需要在已有知识、技术等方面加入自己的想法进行革新。在这样的趋势下，教学与实践如何科学的结合应该成为水利类院校人才培养中不能忽视的研究内容[3]。
　　近年来，一种新型的教学模式CDIO正逐渐进入各大高校的教学改革当中。
　　CDIO模式来源于教育过程与工程产品的生命周期的结合，是构思（conceive）、设计（design）、实现（implement）、运作（operate）的英文简写，是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所工程类高校2001年共同开发的工程教育理念与实施体系[4]。在CDIO模式下，学生要对发现的理论或实践问题进行分析，小组合作形成解决方法（案），实施并总结归纳。在解决问题的过程中，学生处于主导地位，教师起引导、辅助的作用[5]，学生的自主分析能力、团队沟通协作能力、动手操作能力、创新能力都会得到锻炼。将CDIO模式引入实验课，对实践与教学的有机融合具有重要意义。
　　灌溉排水工程学是农业水利工程专业的核心课程，是研究如何合理利用水利资源为农业生产发展服务的科学，内容涉及农田水分状况和有关地区水情的变化规律及其调节措施[6]。在灌溉排水工程学的课程安排中，实验是很重要的实践环节，许多知识点需要通过实验来验证。在新疆农业大学农业水利工程专业的本科实验教学中存在授课模式单一、缺乏与学生互动等问题，过多表现出教师的主体性，学生的实践操作能力和团队协作能力都很难有机会得到提高。针对这些问题以及CDIO模式的优势，本文以滴头和滴灌管（带）水力性能实验为研究对象，探索引入CDIO教学模式对传统的实验教学模式进行改革，以期把以往的“知识储备型学生”转化培养为“实干创新型学生”，进而能够培育出具备一定相关专业知识技能，同时有较强的创新能力、团队协作精神和精密思维能力的应用型毕业生。
　　1  灌溉排水工程学实验教学现状
　　灌溉排水工程学实验教学改革的适用对象为新疆农业大学农业水利工程专业的本科生，人数在100～120人。实验课程开设在第七学期，共计6个学时。根据新疆农业大学水利与土木工程学院新修订的实验教学大纲要求，包含以下三个实验课程：非饱和土壤入渗特性实验、滴头和滴灌管（带）水力性能实验、输引水渠道横断面设计水深测试及计算综合性实验。本文主要研究滴头和滴灌管（带）水力性能实验教学模式的改革，开展实验的场地为农业水利工程实验室，面积为1320m2，实验室配备了滴头和滴灌管（带）水力性能试验台、恒温供水加压系统及中继控制系统及软件等实验必备的仪器与设备，能够满足实验教学要求。
　　2  滴头和滴灌管（带）水力性能实验教学存在问题
　　滴头和滴灌管（带）水力性能实验是灌溉排水工程学课程中非常重要的实验，可加深农业水利工程专业学生对灌溉排水工程学知识点的理解，对后续节水灌溉技术课程的学习具有铺垫作用，在传统的教学模式下，实验教学面临着以下几个问题。
　　（1）授课模式单一。 　　在传统的实验教学中，实验课的常见模式是教师现场演示、学生跟着操作，老师处于主导地位，授课模式单一，缺乏与学生互动。在动手操作环节，即使没有听老师讲解，学生也只需要按照指导书中的步骤操作同样可以完成实验。在这样的环境中，学生的自主性和独立思考能力都很难有机会得到提高。
　　（2）学生参与形式单一。
　　实验课堂中，实验目的、过程与方法都已给定，学生参与的主要形式是实际操作。但由于场地和仪器数量的限制，不是每名学生都能参与到实验的操作中，存在想参与的同学没机会、不想参与的同学有空钻的情况，学生的学习主动性会受到影响。
　　（3）评价方法片面。
　　实验教学成果的检验是基于最终的实验报告，能力的获得并不在考核范围内，这种考核方式对于实践操作课来说评价点不全面，学生容易形成完成报告就是完成实验的思想，不利于学生学习积极性的调动，无法达到实验的最终目的。
　　3  基于CDIO模式的实验教学方案/措施
　　3.1 构思（Conceive）
　　（1）教师：带领学生参观滴头和滴灌管（带）水力性能试验台，熟悉实验背景，布置实验具体任务：通过实测额定工作压力下滴头和滴灌管（带）上的流量完成流量变异系数（又称为制造偏差系数）Cv和平均流量相对于额定流量的偏差率C的计算，给学生列出与本实验相关的参考资料，并鼓励学生通过图书馆、网络等多种途径进行资料收集。
　　（2）学生：通过参观新疆农业大学水利与土木工程学院的农业水利工程实验室，了解滴头和滴灌管（带）水力性能实验所用的实验台，初步掌握其构成、功能及工作原理等内容，对滴头和滴灌管（带）水力性能实验硬件形成初步认识。在此基础上查阅教师提供的规范、文献、教材等参考资料，根据实验任务进行所需知识的重组与架构，初步确定实验原理。依据实验原理分解任务，划分实验环节，并进行小组内部第一次分工，组内成员根据分工收集整理操作规范、注意事项的资料。
　　3.2 设计（Design）
　　（1）教师：根据实验教学大纲及最新的有关塑料节水灌溉器材规范要求，开展实验剖析，适当穿插滴头和滴灌管（带）水力性能实验所需的相关知识点，依据学生综合能力水平、对实验的认识情况、实验的准备和知识点掌握的程度，利用已经完善的滴头和滴灌管（带）水力性能实验指导书对学生的设计进行指导。
　　（2）学生：在老师实验剖析和指導的基础上，对实验构思内容以及任务分工进行调整和细化，根据实验任务的要求，设计出滴头和滴灌管（带）水力性能实验详细的操作步骤，标明涉及的仪器和设备以及计算公式和负责人。完成的设计方案可以通过小组间的讨论进行可行性论证，预估操作过程中可能出现的问题和解决方案。
　　3.3 实现（Implement）
　　（1）教师：运用实验教学课件系统的梳理滴头和滴灌管（带）水力性能实验的知识点，对难点进行解析，通过提问的方式检查各组学生实验准备情况，强调操作过程中的注意事项，在学生开始操作前预留两个问题：影响灌水均匀度的因素有哪些;实验中哪些参数可以作为判断产品质量的依据，引导学生在实验中进行更深层次的思考。
　　（2）学生：理解老师的解析和提示内容后，按照实验方案的设计步骤和分工进行实验操作：选好实验用滴灌带（管），在实验平台上布置好滴灌带（管），按照既定方案，开始操作，记录滴灌带（管）的每个出水孔流量，根据计算公式计算所需参数。
　　3.4 运行（Operate）
　　（1）教师：实验结束后针对学生的实验操作进行点评，对学生在实验全过程的表现进行考核评价，根据CDIO模式将考核内容分为实验构思、实验设计、实验实施、实验报告及展示四个部分，具体内容包括：实验任务分解、分工合理性，实验前期准备工作的充分性，内容构思的合理性，实验方案设计的实用性和方案可行性，以及现场操作、数据记录、图纸绘制和实验结果分析的正确性，实验过程中个人承担的工作量及表现，各部分内容在评价中所占比重见表1。其中，实验构思、实验设计这两项以小组为单位进行打分，实验实施和实验报告及展示根据个人表现打分。
　　（2）学生：实验完成后，按照实验所得数据计算滴头和滴灌管（带）上的流量变异系数Cv和平均流量相对于额定流量的偏差率C，结合实验原理和实验过程分析影响灌水均匀度的因素以及判断滴灌管（带）质量的参数，撰写滴头和滴灌管（带）水力性能实验报告。在教师点评后开展小组总结，分享实验心得，对任务分工、内容构思、方案设计、方案论证、实验操作、数据记录、图纸绘制、结论整理各项工作的完整性、正确性、规范性和完成情况进行组内评价，分析出现的问题并提出整改措施。
　　4  基于CDIO的实验教学改革的预期成效
　　4.1 由验证性实验变为设计性实验
　　未将CDIO模式引入实验改革时，学生在知晓滴头流量偏差系数Cv和毛管均匀系数算法的基础上，按照教师的示范测定滴头流量进行这两个参数的计算，属于验证性实验。实验改革后，教师给定试验目的：滴头的流量变异系数Cv和平均流量相对于额定流量的偏差率C的计算，并提供实验背景资料，由学生自己设计实验方案，这种实验形式属于设计性实验。这种转变为学生在实验中的定位增添了自主性，同时使学生具有了获取知识、应用知识的能力及创新能力，更符合农业水利工程专业的人才培养标准。
　　4.2 由“教会”向“会思考”、“会设计”、“会操作”、“会总结”转变
　　改革前，实验课的目标是加深和巩固知识点，锻炼学生的实践动手能力;引入CDIO模式后，通过让学生全过程参与实验，实验课增加了能力培养的任务，自主学习能力、实践、动手及团队协作能力、创新能力的培养成为了实验课的主要目的之一。
　　4.3 由结果性考核转变为过程性考核
　　在传统的实验课上，学生实验课成绩来自结果性考核，即学生的实验报告填写情况决定了他们实验课的成绩;改革后，教师采用过程性考核，从小组和个人两个角度出发，实验的任务分工、内容构思、方案设计、方案论证、实验操作、数据记录、结论整理各项工作都在考核范围内，评价更加全面、合理，实验报告填写要求突出个人在整个实验中的分工以及心得，有利于提高学生的学习主动性。
　　5  结语
　　针对目前滴头和滴灌管（带）水力性能实验教学中存在的问题，将CDIO模式引入到实验教学改革当中。CDIO模式强调学生在教学中的主体性，改变了传统教学中师生的地位。在实验教学中，学生的角色发生了本质的改变，由过去的“行为模仿者”变成了“方案设计者”、“程序操作者”、“成果评价者”，学生的身份随实验过程一直在改变，这种改变有利于创新能力、团队协作精神和精密思维能力的培养。学生能力的培养是一个持续的过程，需要在后续实验中通过实践继续探索。
　　参考文献
　　[1] 孙楠，刘东，刘嫄春.水利类专业创新型人才培养模式研究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2012（12）：90-92.
　　[2] 李梅华，赵海滨.应用型本科“分层次、个性化、导向式”人才培养模式探索[J].黄河水利职业技术学院学报，2018，30（4）：59-61.
　　[3] 龚萍，刘洪光，何新林.灌溉排水工程学实验教学改革探索[J].高校实验室工作研究，2015（3）：36-37.
　　[4] 王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2009，28（4）：116-119.
　　[5] 李燕，魏英勤，张永春，等.多媒体辅助CDIO模式提升天然药物化学实验教学效果的探索[J].山东化工，2018，47（22）：140-141.
　　[6] 汪志农.灌溉排水工程学[M].北京：中国农业出版社， 2000.
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