基于CDIO理念的应用型本科院校《材料力学》课程教学改革初探

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　　 摘  要：CDIO是一种新型的工程教育理念，注重对学生工程应用能力的培养。《材料力学》课程是土木工程专业的一门非常重要的专业基础课，该课程的学习效果将直接影响到后续专业课程的学习以及土木工程专业技术人才专业知识体系的构建。为了解决传统教学中存在的不足，针对《材料力学》的课程特点，文章提出基于CDIO工程教育理念的材料力学课程教学改革新思路，从而对材料力学课程的教学内容、教学模式、教学方法以及考核方式等方面进行了初步的探索。
　　关键词：CDIO;材料力学;教学改革
　　中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）13-0109-03
　　 Abstract： CDIO is a new concept of engineering education， and focuses on the training of students' engineering application capabilities. Material Mechanics course is a very important basic course of professional for civilengineering. The learning effect of this course will have a direct impact on the follow-up professional courses of study and the construction of professional knowledge system for civil engineering technical professionals. In order to solve the deficiencies in the traditional teaching and based on the characteristics of the Material Mechanics course， a new teaching reform program of the Material Mechanics course based on CDIO engineering education concept is proposed， and the teaching content， teaching mode， teaching method and the assessment method of Material Mechanics course are preliminarily explored.
　　Keywords： CDIO; material mechanics; teaching reform
　　 一、CDIO工程教育理念
　　CDIO是由四个英文单词的首字母组成，即Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作），是近些年来国际上新兴的一种工程教育模式。由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究团队自2000年起获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元的巨额资助，经过四年的探索研究，创立了CDIO 工程教育理念，并成立了以CDIO为命名的国际合作组织。CDIO工程教育模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO的三个核心文件：1个愿景、1个大纲和12条标准，首次将工程毕业生必须具备的几项能力：工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力以逐级细化的方式表达出来，要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标[1]，并且对整个模式的实施和检验进行了系统的、全面的指引，使得工程教育改革更加具体化、可操作、可測量，并对学生和教师都具有重要的指导意义。CDIO工程教育模式体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势[2]。
　　CDIO的工程教育理念继承和发展了欧美国家20多年来工程教育改革的理念，为工程教育的系统化发展奠定了基础。截至2013年，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，均取得了良好效果，按CDIO模式培养的学生也深受社会与企业的欢迎。
　　但是，目前世界各国对工程技术人才的需求仍不能满足社会发展的需要。而我国拥有世界上最大规模的工程教育，因此尽快培养与国际接轨的中国工程师是我国高等工科教育目前的首要任务。CDIO工程教育模式经过专家和学者的多年努力，不断的完善，被认为是如今国际工程教育改革中十分成功的典范。2006年，汕头大学成为首个中国高校CDIO成员，其改革目标是通过注重培养学生系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实施能力，以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力，吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程教育共识的课程体系。汕头大学率先在中国进行CDIO工程教育模式改革，意味着CDIO工程教育模式正式进入中国。到如今，CDIO模式在我国工程教育界逐渐开花结果，对我国的工程技术人才培养模式改革产生了重大的影响[3]。
　　CDIO工程教育模式本身就是通过实证研究和实践探索总结而来，其价值更多地体现在思想、理念和方法上。它不是一成不变的固定模式，不同类型的学校和专业都可以根据社会的多样化需求、学校的定位和特色，以及学生的特点，从CDIO模式中获得启示和借鉴，灵活构建具有实效性的CDIO人才培养模式。为了使这种工程人才培养模式在中国得到进一步的普及和推广，为更多的国内高校服务，汕头大学以及国内外的兄弟院校在教育部高教司理工处的领导和支持下，围绕着CDIO开展了各种形式的交流、研讨、推广和培训活动：2007年11月教育部组织召开了2007中国高等工程教育改革论坛和CDIO国际合作组织会议两个大型会议;2008年4月，教育部高等教育司发文成立“CDIO工程教育模式研究与实践课题组”;同年12月14日至15日，教育部高教司理工处和汕头大学联合主办了CDIO工程教育模式试点工作会议;自2009年起，试点工作组每年举行两次全国性的CDIO试点工作会议，对CDIO试点工作进行交流、研讨和总结，并举办相关的CDIO培训班，为全国高校实施CDIO培养骨干人才;自2011年起，试点工作组以年会和培训班的形式对CDIO研究与实践工作进行交流、研讨和总结;2016年1月8日至9日，“全国CDIO工程教育联盟”成立大会在广东汕头开幕;2017年4月27日至28日，2017 CDIO工程教育联盟会议在浙江大学城市学院召开。这些有益的探索与实践必将为在中国全面推进发展CDIO工程教育模式，提高工程教育质量，满足国家战略发展需要提供强大的新兴工程科技人才支撑。 　　二、应用型本科院校《材料力学》课程教学的特点及现状
　　在国内外所有高校的土木工程专业课程设置中，《材料力学》都是一门重要的专业基础课。该课程学习效果的好坏将直接影响到学生对《结构力学》的分析和计算能力，从而影响到许多后续设计类专业课程的学习效果，如《混凝土结构设计原理》和《钢结构设计原理》等，故该课程的学习效果也是影响土木工程系学生培养质量的重要因素之一。而土木工程专业是以实践性为主的工科专业，突出应用是土木工程专业应用型本科教育的核心与立足点。在转型的大背景下，土木工程专业人才培养目标应该是培养思维活跃、专业基础扎实，知识结构合理、具有相当的土木工程特色、一定的创新意识和创新能力、吃苦耐劳、善于沟通和协作的“应用型、复合型、创新型”高素质本科人才。
　　《材料力学》作为土木工程专业的一门重要的专业基础课，其发展经历了漫长的时间，其经典理论在现代工程和科学技术中一直被广泛应用，而对于大多数应用型本科院校而言，《材料力学》的教学主要存在以下三个方面的问题：一是理论教学方面，材料力学的经典理论将工程中的实际问题抽象成力学模型，因而注重了冗长的理论推导和繁琐的数字计算[4]，却很少去介绍工程背景。因此，在《材料力学》课程的教学过程中，任课教师则容易拘泥于其系统性，课堂上以讲授为主，学生只能被动的接受，不能给学生足够的思维空间，抑制了学生的探索能力和创新能力，而且讲授内容偏重于理论的讲解与推导，不能很好地联系实际工程，学生带有很大的盲目性去学习，可想而知不会有好的学习效果，学生自然也就不知道在工程实践中应该如何应用所学的理论知识[5]，制约了对学生的工程素质的培养。二是实践环节方面，材料力学作为工科专业的一门重要的专业基础课，自然与工程实际之间有着紧密的联系，对于教师：大多数教师都是多年从事教学工作，工程经验十分匮乏，在教学过程中也是避重就轻，对实践环节的教学不够重视;对于学生：笔者所在的应用型本科院校，在第三个学期就开设《材料力学》课程，对于大学二年级的他们来讲，无论是直接工程经验还是间接工程经验均较为缺乏，而课程本身对于工程背景的介绍又很缺乏，所以学生会感到抽象难懂，遇到实际工程问题不懂得具体问题具体分析，只会照搬照抄教材，不懂得举一反三，缺少灵活性和创新性。最后是课程考核方面，现在的课程成绩虽然也是由期末的笔试成绩和平时成绩组成，但是期末的笔试成绩占绝大比例，而平时成绩也基本是由出勤，作业和测验等组成，缺少对学生实践应用能力的考核，所以大多数学生不注重课堂的平时积累，就是期末的几天靠死记硬背来应付考试，这样大大打消了学生的学习积极性，也影响老师上课的精神状态，对于提高学生发现、分析和解决实际工程问题的能力就更难实现了。
　　三、基于CDIO理念的《材料力学》课程教学改革初探
　　（一）转变教学理念，优化教学内容
　　教学理念是教学过程的旗帜和核心[6]。传统的《材料力学》课程的教学理念是以教师讲授为主，忽视了学生的中心地位。而在工程教育认证理念中，教学过程中的中心是学生，应该让学生的自主能动性得到充分的发挥。所以，在课程教学中应该以理论为本，以实践为辅，将CDIO理念运用到《材料力学》的教学中。依据CDIO理念，课堂教学不仅仅是要将课程最基本的理论知识传授给学生，更重要的是对学生能力的培养，即能够运用所学的理论知识去分析和解决工程中具体的实际问题，树立“以学生为主体，教为学服务”的新型教学理念，以学生为核心，让学生成为整个教学过程的主体。教师也需要改变传统的填鸭式教学方式，通过灵活多样的教学手段对学生进行引导和启发，在课堂上讲授基本知识的同时要引入相关的工程案例，并且积极引导学生参与其中，展开积极的讨论与思考，以培養学生运用所学的理论知识去解决实际工程问题的能力，弥补传统的《材料力学》课程教学中对学生工程应用能力培养的忽视。
　　材料力学教学内容的调整和优化也应以应用型人才培养目标为主线加以贯穿，主要体现在工程上的应用。并且要协调好材料力学与其他力学课程间的教学内容，对一些重复的教学内容进行整合。使材料力学与其他课程之间可以相互贯通、相互补充，相辅相成，形成一个完整完善的整个课程体系。基于此，在教学大纲的目的要求之下，我们将材料力学的授课内容划分为基础知识和拓展知识两部分。基础知识面向全体学生讲授，可对各类基本力学模型引入工程背景，例如讲到轴向拉压变形时可以提到桁架在结点载荷作用下，组成桁架的各杆件所发生的变形;讲到剪切变形时可以提到螺栓连接中的螺栓和销钉连接中的销钉;讲到弯曲变形时可以提到房屋建筑中的楼板、梁和火车轮轴等。一方面使学生能够掌握和理解所学的知识，为后续的专业课程打好基础;另一方面通过工程背景的引入，有助于培养学生的工程意识，也有助于加深学生对材料力学的概念和定理的理解。而拓展知识主要是面向那些学有余力或者是有考研计划的学生，同样通过引入工程背景向他们重点介绍广泛存在于工程和生活中的组合变形，一方面使学生能够掌握材料力学中各种基本变形之间的组合与联系，另一方面又能够使材料力学与其他课程间形成紧密的联系与补充。对于这部分拓展知识的学习，学生自由组合成若干个小组，每个小组有一个组长，且组长采取轮流制，组长协助老师工作，负责工作进度、成员的工作任务安排等。这样既可以加深课程之间内容的交融，又可以加深学生对各课程之间联系的理解，有助于对学生思维能力、创新能力以及整体分析能力的培养。
　　（二）改革教学模式，改进教学方法
　　CDIO工程教育理念强调重视学生在学习活动中的主体地位，重视培养学生主动探求知识的意识，使学生具备独立获取知识的能力。基于此，针对材料力学的课程特点以及传统教学中存在的问题，对材料力学课程的教学模式以及教学方法进行改革。
　　在教学过程中，将CDIO工程教育理念引入到教学模式的改革和实践中，以实际的工程问题为载体，在讲述理论知识时对各类力学模型引入工程背景进而阐述相关工程项目的全过程，让学生在了解相关工程项目运行过程的同时，分析整个过程中可能遇到的各种力学问题。实际工程的复杂多样性仅仅靠材料力学的知识是远远不能解决的，还需要借助后续一系列专业课程的学习，这样老师只需提到其中涉及的知识点，督促学生在以后的学习中加以注意，这样自然就建立起了材料力学与后续其他专业课程以及工程实际之间的联系。提高学生解决具体力学问题的能力，培养学生将工程实际问题转为力学建模的能力及自主获取知识的能力，以形成创新型人才培养目标的教学模式。 　　基于上述教学模式的改革，为了达到事半功倍的效果，对于材料力学的教学方法也要进行改进和完善，改变传统的“灌输式”方法，将CDIO理念引入到教学方法的改革和实践中，采用理论教学与实践环节相结合的教学方式，着重培养学生的综合能力。在教学过程中，无论是理论教学还是实践环节均以小组的形式进行。其中在理论教学中，教师在讲授课程内容之前先提出问题，随着讲课过程的深入，针对提出的问题小组内进行讨论，然后小组间互相讨论，最后任课教师总结，这样既创造了良好的师生互动氛围，又提高了学生的课堂参与度，有利于激发学生学习的积极性。在实践环节中，我们给出了一些自主学习的方案，比如：阅读材料力学相关课外书籍，写读书报告;针对某一工程问题的学习，写研究报告;梳理课堂知识，写知识框架图等。学生可以根据兴趣自主选择其中某一项进行学习，学习成果以书面形式上交记入平时考核成绩。这样一来，在整个的学习过程中就体现了学生的主体地位，教师主要起到引导学生学习和实践的作用，引导学生将课堂中学习的理论知识运用到实践项目中，并在实践中验证学到的理论知识，真正做到“学中做，做中学”。
　　（三）改革课程考核方式
　　在上述新的教学模式和教学方法下，有必要对《材料力学》课程的考核与评价体系进行改革。将原来的单一笔试的考核方式改为多种考核方式相结合。首先我们需要提高平时成绩所占的比例，且应该突出对学习过程的考核。例如课堂上以小组为单位的交流讨论、小组成员的自评互评、口头测试、课外自主学习的读书报告、发表的小论文以及针对某一工程问题的学习研究报告等均记入平时成绩。其次，要注重对学生工程实践能力的考核。目前笔者所在院校已经将材料力学的实验成绩以一定的比例计入到期末成绩中，除了力学实验外，我们还可以在材料力学的期末考试试题中加入工程实践部分的思考题，要求学生综合运用所学的理论知识灵活分析实际问题。让学生能够更深入地分析工程活动的构思、设计、实施和运作的各个过程，这也与CDIO的工程理念不谋而合，从而培养学生的工程素质和工程思想。
　　四、结束语
　　本文针对应用型本科院校《材料力学》课程的特点以及传统的教学中存在的不足，将CDIO工程教育理念引入到其教学改革中，对该课程的教学理念、教学内容、教学模式、教学方法以及考核方式进行了初步的探索与讨论。在教学中，以实际的工程问题为驱动，积极引导学生参与课堂讨论，使学生在构思-设计-实现的过程中，激发学生的学习兴趣，主动学习，深刻理解材料力学的基本概念和方法，培养学生的工程能力，同时还能有效地解决工程理论与工程实践之间存在较大差距的问题，满足社会对创新型工程人才的大量需求，实现工程应用型人才需求与本科教育的无缝对接。今后我们还将继续探索、不断地总结经验，更好地完善CDIO工程教育理念与土木工程专业各个课程教育之间的融合，为培养工程应用型人才发挥重要的作用。
　　参考文献：
　　[1]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.
　　[2]李颖.基于CDIO理念在《工程力学》教学实践中的应用[J].中国科技信息，2013（6）：174-174.
　　[3]马雯波，许福.基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才《材料力学》课程教学模式探索[J].高教学刊，2018（6）：19-21.
　　[4]孙峙华.基于CDIO理念的应用型本科《材料力学》课程教学改革初探[J].武汉商学院学报，2016，30（5）：94-96.
　　[5]陈静.基于CDIO思想的工程力學教学改革探索[J].高教学刊，2016（9）：131-132.
　　[6]李燕.基于CDIO理念的《无机材料科学基础》课程教学改革初探[J].教育教学论坛，2018（14）：138-139.
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