車金如,馬永政,郭翠芳,齊 暉,趙 莉
(寧波工程學(xué)院,浙江 寧波 315016)
為了推進(jìn)“工業(yè)興國,人才強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實施,教育部于2010年聯(lián)合多部門啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(以下簡稱“卓越計劃”)。寧波工程學(xué)院作為以培養(yǎng)應(yīng)用開發(fā)型工程技術(shù)和管理人才為特色的本科高校,于2011年成為61 所“卓越計劃”試點高校之一。在進(jìn)行“卓越計劃”頂層設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出了“卓越計劃的123”人才培養(yǎng)模式。為此,學(xué)校大力倡導(dǎo)在工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課教學(xué)中實施CDIO 教學(xué)理念,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,大力培養(yǎng)行業(yè)急需的卓越工程師,以逐步推進(jìn)課程改革的具體實施。
美國教育家杜威認(rèn)為:“做中學(xué)”,“就是從生活中學(xué)”,“從經(jīng)驗中學(xué)”。毛澤東同志曾經(jīng)教導(dǎo)我們:“讀書是學(xué)習(xí),使用也是學(xué)習(xí),而且是更重要的學(xué)習(xí)”。國務(wù)院前總理溫家寶同志也指出:“做中學(xué)才是真正的學(xué),做中教才是真正的教”。
根據(jù)認(rèn)識論,人們總是通過具象的事物形成抽象的認(rèn)識,又用抽象的認(rèn)識來指導(dǎo)新的具象的實踐。我們結(jié)合“卓越計劃123”模式的要求和CDIO 理念的實施步驟,率先創(chuàng)建了力學(xué)類課程實踐教學(xué)的人才培養(yǎng)模式。即“做中學(xué),學(xué)中做,做中教,教中做”。
我們在建筑專業(yè)力學(xué)類課程的教學(xué)中,緊緊圍繞應(yīng)用開發(fā)型卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo),實施“寓教于樂,寓樂于做,寓做于賽”的建筑力學(xué)課程教學(xué)模式。這種做法在建筑力學(xué)的教學(xué)實踐中深受學(xué)生的歡迎。
文獻(xiàn)指出:“高等工程教育的目標(biāo)是培養(yǎng)未來的工程師,高等工程教育是圍繞著CDIO 進(jìn)行,卓越計劃也是圍繞著CDIO 展開?!薄肮こ處煹膶嵺`活動有賴于其思維能力和實踐能力,而工程師的思維能力又受益于力學(xué)的思維方式,實踐能力則有賴于深厚的力學(xué)基礎(chǔ)?!痹诖嘶A(chǔ)上,我們以項目教學(xué)為導(dǎo)向,創(chuàng)建了基于CDIO 理念的建筑力學(xué)課程教學(xué)體系(簡稱AM-CDIO)如圖1 所示,結(jié)合卓越工程師的培養(yǎng),進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。
圖1 以設(shè)計為導(dǎo)向的建筑力學(xué)課程教學(xué)體系示意圖
1.教學(xué)內(nèi)容的重新整合
(1)整合教學(xué)內(nèi)容的必要性
傳統(tǒng)的建筑力學(xué)包括:理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué),教學(xué)內(nèi)容基本上按照這三大塊組織講授,存在的主要問題有:一是課程程序和內(nèi)容安排不完全符合工程知識的認(rèn)知規(guī)律,尤其是在材料力學(xué)各章節(jié)的講解中,首先著重討論應(yīng)力和應(yīng)變的計算,而到結(jié)構(gòu)力學(xué)中才重點講授結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算,這與先計算荷載、再將荷載作用到結(jié)構(gòu)上計算內(nèi)力、最后計算應(yīng)力的工程設(shè)計思維不盡一致;二是課程教學(xué)只是抽象的理論學(xué)習(xí),課程之間相對獨立缺乏聯(lián)系,而且教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)課程聯(lián)系也不密切;三是三門課之間自成體系,講究其系統(tǒng)性、邏輯性、嚴(yán)密性和獨立性,教材中的內(nèi)容有交叉與重復(fù),如桁架內(nèi)力的計算、簡單超靜定問題等概念及基本內(nèi)容在理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中都有論述。這樣的內(nèi)容安排與卓越工程師的培養(yǎng)要求不盡相符。
我們結(jié)合我校建筑類專業(yè)的建筑力學(xué)課程教學(xué)實際進(jìn)行了教學(xué)改革的探索。按照CDIO 的要求,精簡了建筑力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容,將建筑力學(xué)課程分為基本理論、簡單力學(xué)對象建模分析,綜合性的專題與項目分析等幾大模塊,使力學(xué)基礎(chǔ)理論課程與建筑類專業(yè)課程教學(xué)之間相互滲透、緊密銜接,避免兩者脫節(jié)和交叉重復(fù)。這樣既突出了力學(xué)知識結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、系統(tǒng)性和完整性及前后內(nèi)容連續(xù)性,也實現(xiàn)了課程體系的整體優(yōu)化,有利于學(xué)生知識、能力、素質(zhì)三者的全面發(fā)展和提高。
(2)具體做法與體會
為了使學(xué)生更好地按照認(rèn)知規(guī)律掌握知識,加強(qiáng)建筑力學(xué)知識在建筑類專業(yè)實踐中的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的能力,我們先講授各類工程荷載的簡化,進(jìn)而講授傳統(tǒng)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。以解決工程實際問題為背景,大量引入機(jī)械和建筑類工程實例,著眼于力學(xué)類與結(jié)構(gòu)類課程(混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等)的相互滲透和銜接。在課堂教學(xué)中,按照力的基本概念——工程荷載——內(nèi)力分析——應(yīng)力分析——強(qiáng)度分析——變形分析——剛度分析——穩(wěn)定分析——數(shù)值模擬等內(nèi)容來組織教學(xué)。通過三門課程的整合重組,使學(xué)生更好地掌握力學(xué)知識,同時培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成運用工程思維的方法和力學(xué)知識解決工程實際問題的習(xí)慣。
2.注重力學(xué)實踐知識與后續(xù)結(jié)構(gòu)類課程的銜接
為了培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和實踐技能,我們通過課內(nèi)、課外布置并指導(dǎo)學(xué)生制作完成建筑類專業(yè)的常見約束、各類結(jié)點和結(jié)構(gòu)模型等,強(qiáng)化建筑力學(xué)實踐教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)感知和動手能力。包括以下環(huán)節(jié)。
(1)理論力學(xué)的靜力學(xué)部分,我們著重講解各類約束(如:柔性體約束、光滑面約束)、結(jié)構(gòu)中各種節(jié)點(如:鉸結(jié)點、剛結(jié)點和組合結(jié)點等)模型的制作,各種平面力系的簡化與平衡方程的應(yīng)用,并布置同學(xué)課下制作工程中常見的超靜定結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增加、深化對力學(xué)類、結(jié)構(gòu)類知識的認(rèn)識,為今后專業(yè)學(xué)習(xí)和工作實踐打下堅實的基礎(chǔ)。
(2)材料力學(xué)的基本變形部分,主要講解拉伸(壓縮)、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、應(yīng)力狀態(tài)、強(qiáng)度理論、組合變形和壓桿穩(wěn)定等基本知識,通過完成靜定梁模型的制作使學(xué)生加深力學(xué)知識的理解。其中包括:簡支梁、外伸梁、懸臂和多跨靜定梁等,為結(jié)構(gòu)力學(xué)部分學(xué)習(xí)內(nèi)力及位移計算打下基礎(chǔ)。約束的制作、結(jié)點的制作、簡單結(jié)構(gòu)的制作練習(xí)又為學(xué)生參加浙江省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、力學(xué)競賽以及國家級同類競賽做好知識和技能上的準(zhǔn)備。
(3)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化。第一、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)部分。在靜定結(jié)構(gòu)的計算中以講授結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算為主;在超靜定結(jié)構(gòu)部分,側(cè)重講授力法、位移法和漸進(jìn)法、極限荷載設(shè)計和矩陣位移法等;第二、結(jié)構(gòu)動力學(xué)部分。在結(jié)構(gòu)力學(xué)的動力學(xué)部分,主要講授移動荷載的影響線、彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、單自由度與多自由度系統(tǒng)的震動及頻率的近似計算方法等。
1.實踐教學(xué)體系的構(gòu)建
眾所周知,高等工程教育的目的是培養(yǎng)未來的卓越工程師,而工程知識應(yīng)用及創(chuàng)新能力是卓越工程師應(yīng)具備的核心能力,從這一基本要求出發(fā),在材料力學(xué)教學(xué)中,我們除了讓學(xué)生完成課程中的拉伸(壓縮)、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲和組合變形等知識的學(xué)習(xí)以及各種基本力學(xué)實驗外,還注重將力學(xué)課程的基礎(chǔ)知識應(yīng)用到工程類專業(yè)的建模分析,加強(qiáng)構(gòu)件(或結(jié)構(gòu))力學(xué)模型簡化的教學(xué)環(huán)節(jié),結(jié)合卓越計劃的實施創(chuàng)建了基于CDIO 理念的建筑力學(xué)的實踐教學(xué)體系,如圖2 所示(簡稱AMP-CDIO)。
為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論聯(lián)系實際的環(huán)節(jié)。我們布置學(xué)生完成靜定結(jié)構(gòu)(如:多跨靜定梁、三鉸拱和三鉸剛架、簡單桁架和靜定組合結(jié)構(gòu)等)以及超靜定結(jié)構(gòu)(連續(xù)梁、超靜定剛架、超靜定桁架、超靜定拱及其超靜定組合結(jié)構(gòu)等)模型制作。在制作活動初期,給學(xué)生提出制作結(jié)構(gòu)的基本要求,其中包括:結(jié)構(gòu)調(diào)研、概念設(shè)計、手工繪圖、模型制作、加載試驗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等環(huán)節(jié)。在考核與評價階段,以模擬學(xué)科技能競賽的方式進(jìn)行,讓學(xué)生參與效果評價。還以學(xué)生們熟知常見的工業(yè)廠房為例,講解荷載的簡化,體系的簡化,桿件的簡化,約束和節(jié)點的簡化等。荷載的簡化著重講解如何將空間力系簡化為平面力系和如何將平面力系簡化為線分布荷載和集中荷載等;體系的簡化著重讓學(xué)生弄清如何將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu);約束的簡化著重加深學(xué)生們?nèi)绾螌⒖臻g約束簡化為平面約束的理解;結(jié)點的簡化著重向?qū)W生說明如何將空間的節(jié)點簡化為平面的節(jié)點(其中包括:鉸結(jié)點、剛結(jié)點和組合結(jié)點)等。
圖2 基于CDIO 理念的建筑力學(xué)實踐教學(xué)體系圖
2.課內(nèi)、外相協(xié)同的實踐教學(xué)活動
為了提高大學(xué)生的個人能力、合作能力、產(chǎn)品程序和系統(tǒng)的建造能力,我們除了組織學(xué)生開展課內(nèi)制作訓(xùn)練外,還開展課外學(xué)科競賽活動,做到以賽促學(xué),以賽促教,以賽促練,以賽促導(dǎo)。以全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、浙江省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、力學(xué)競賽和校結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、力學(xué)競賽為平臺,開展力學(xué)的實踐教學(xué)活動,實現(xiàn)力學(xué)類與結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)的有效銜接以及力學(xué)類知識在結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)中的應(yīng)用,努力將“卓越計劃123”人才培養(yǎng)落實到各個實踐環(huán)節(jié),實現(xiàn)卓越工程師培養(yǎng)的多方聯(lián)動,多管齊下培養(yǎng)大學(xué)生的工程技術(shù)知識及創(chuàng)新實踐能力。例如:我們每年組織校內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽和力學(xué)競賽,參賽學(xué)生多達(dá)48%,今年我校學(xué)生獲得了全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽二等獎1 項,全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽優(yōu)秀獎1 項,浙江省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽一等獎和三等獎各1 項,浙江省大學(xué)生力學(xué)競賽三等獎1 項。
傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師的“教”為中心,評價的關(guān)注點在于教師的教,考核的方式以學(xué)生卷面成績?yōu)橹?,評價方式比較單一。CDIO 教學(xué)模式是以學(xué)生的“學(xué)”為中心,評價的關(guān)注點既關(guān)注教師的“教”,更關(guān)注學(xué)生的“學(xué)”,對學(xué)生采用多元化方式進(jìn)行評價?!敖獭焙汀皩W(xué)”均關(guān)注基礎(chǔ)知識、個人能力、團(tuán)隊合作能力、產(chǎn)品、程序和系統(tǒng)建造能力。
1.現(xiàn)場教學(xué)法
在講解懸臂梁、多跨靜定梁、連續(xù)梁和超靜定剛架等力學(xué)模型的簡化和支座反力與內(nèi)力的計算時,首先帶領(lǐng)學(xué)生參觀校園內(nèi)教學(xué)樓的遮雨棚,在現(xiàn)場給學(xué)生講授雨棚結(jié)構(gòu)中哪些構(gòu)件承受彎曲變形,怎樣將其簡化為連續(xù)梁和懸臂梁模型等;哪些構(gòu)件承受拉伸(壓縮)變形,怎樣將其簡化為軸向拉(壓)桿(二力桿)的力學(xué)模型等。此外,我們還將建筑物中的受彎梁、受壓柱、受彎板及其組合結(jié)構(gòu)等拍成照片做成PPT,在課堂上再結(jié)合這些教學(xué)內(nèi)容給學(xué)生講解各類構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的簡化,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移計算、力法和位移法解超靜定等問題打下基礎(chǔ)。我們還針對上述構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行具體的荷載的簡化、體系的簡化、支座的簡化等,進(jìn)而講解約束反力的計算和內(nèi)力圖的繪制等。使所授內(nèi)容化難為易,化繁為簡,便于理解,加強(qiáng)了教學(xué)的直觀性和實效性。
2.演示教學(xué)法
在講解細(xì)長壓桿的失穩(wěn)內(nèi)容時,我們首先帶領(lǐng)學(xué)生到力學(xué)實驗室分組獨立操作細(xì)長壓桿失穩(wěn)演示儀,仔細(xì)觀察并切身體會細(xì)長壓桿的力學(xué)失穩(wěn)現(xiàn)象,讓學(xué)生了解細(xì)長壓桿失穩(wěn)的全過程;其次用薄竹片模擬做成窄條矩形截面細(xì)長受壓桿演示壓桿失穩(wěn)破壞試驗,最后將其卷成空心圓截面的短粗桿進(jìn)行壓縮實驗,比較兩種桿件橫截面的破壞形式和承載力大小的差異,進(jìn)一步深化對細(xì)長受壓桿失穩(wěn)破壞和短粗桿強(qiáng)度破壞的理解;最后再講授歐拉臨界力公式及穩(wěn)定設(shè)計的方法和步驟。這樣有助于將感性認(rèn)識盡快上升到理性認(rèn)識,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合和比較的能力,使學(xué)生所學(xué)到的知識掌握得更準(zhǔn)確、更牢固。
3.案例教學(xué)法
我們結(jié)合國內(nèi)外,特別是學(xué)校所在地當(dāng)今生產(chǎn)和生活中頻發(fā)的房屋建筑工程、道路橋梁工程以及地下巖土工程等事故為例,應(yīng)用學(xué)過的力學(xué)知識分析這些結(jié)構(gòu)破壞的原因,包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效、剛度失效和穩(wěn)定失效等。例如,我們經(jīng)常結(jié)合所講內(nèi)容,給學(xué)生介紹某種實際工程中的結(jié)構(gòu)往往是因為個別構(gòu)件的強(qiáng)度(或剛度或穩(wěn)定性)出了問題,就可能引起整個結(jié)構(gòu)的坍塌(或失穩(wěn)),充分挖掘案例中滲透著的各種力學(xué)失效現(xiàn)象,詳細(xì)地為學(xué)生們加以解釋,對掌握教學(xué)內(nèi)容大有裨益。警示他們在以后的方案設(shè)計和實際工作中要縝密思考、多方實踐,并引以為戒。
4.項目教學(xué)法
我們結(jié)合學(xué)生以后將要在專業(yè)課程中學(xué)到的工程構(gòu)筑物。如梁、板、柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為詳細(xì)的力學(xué)模型的抽象簡化及分析計算,從結(jié)構(gòu)體系到桿件和荷載的簡化,再到支座約束的簡化,最后到強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計與計算等環(huán)節(jié),結(jié)合至少一兩個實際構(gòu)件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的講授。比如,我們在課堂上結(jié)合同學(xué)在全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中獲得二等獎的“竹高橋”結(jié)構(gòu)模型實物,講解這種結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化、材料性能的測試、力學(xué)計算書的撰寫、實際承載的過程等,使學(xué)生們感到力學(xué)知識學(xué)有所用,力學(xué)模型并不抽象,就在他們生活周圍,大大提高了學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動性和自覺性,這樣學(xué)生們學(xué)到的力學(xué)知識,更具整體性、連續(xù)性、系統(tǒng)性、真實性、專業(yè)性和應(yīng)用性等。
現(xiàn)代卓越工程師要具備多種知識、能力和素質(zhì)。為此,我們在建筑力學(xué)課程的教學(xué)中,輔之于項目學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和競賽學(xué)習(xí)等教學(xué)形式,著重培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)知識、學(xué)習(xí)方法、個人能力、團(tuán)隊能力、職業(yè)素質(zhì)等。通過制作各類結(jié)構(gòu)模型(如廣告牌結(jié)構(gòu)模型、飛行器結(jié)構(gòu)模型、高蹺結(jié)構(gòu)模型、塔吊結(jié)構(gòu)模型、屋頂結(jié)構(gòu)模型、模板支撐結(jié)構(gòu)模型、橋梁結(jié)構(gòu)模型等),加強(qiáng)力學(xué)基礎(chǔ)知識的訓(xùn)練、應(yīng)用和鞏固。為了掌握制作上述結(jié)構(gòu)所用材料的力學(xué)性能,如白卡紙、牛皮紙、塑料板、鉛發(fā)絲、易拉罐鐵皮、竹片、桐木片等,進(jìn)一步熟悉并掌握對未知材料力學(xué)性能的檢測技術(shù)。實驗室全天向?qū)W生開放并安排專門指導(dǎo)教師進(jìn)行指導(dǎo),組織學(xué)生開展力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)等知識相結(jié)合的學(xué)科競賽。具體做法是,每項比賽3-5 人1 組,打破院系、專業(yè)界線,自由結(jié)組,自主推舉負(fù)責(zé)人,在老師的指導(dǎo)下,利用課余時間,按照工程師技能培養(yǎng)的要求,制作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。采用做中學(xué),學(xué)中做,做中教,教中做,用中學(xué),學(xué)中用,邊做邊學(xué),邊學(xué)邊做,邊做邊教,邊教邊做,邊用邊教,邊教邊用等方式,在規(guī)定的時間內(nèi)完成工程結(jié)構(gòu)模型的學(xué)習(xí)與制作。比賽時聘請校內(nèi)外專家,通過理論計算、陳述答辯和加載試驗等環(huán)節(jié)進(jìn)行能力測試,綜合考慮學(xué)生作品的結(jié)構(gòu)選型、力學(xué)計算和模型制作等因素進(jìn)行成績評定。最后產(chǎn)生一、二、三等獎。從制作簡單的約束開始,到制作簡單的構(gòu)件,再到制作復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等,進(jìn)而做到對實際工程結(jié)構(gòu)特征的整體把握,進(jìn)一步熟悉力學(xué)模型的簡化和強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的計算及優(yōu)化設(shè)計思想?!皹?gòu)思、設(shè)計、實施、運作”是對學(xué)生自身知識、能力、素質(zhì)和技能的全過程檢驗,也是學(xué)生自我認(rèn)識、自我提高的必經(jīng)之路。
結(jié)合卓越工程師的培養(yǎng)因素,重新構(gòu)建建筑力學(xué)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容,不斷改進(jìn)教育教學(xué)方法,教學(xué)過程更加關(guān)注力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程的有效銜接。通過嘗試不同的教學(xué)方法,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和自我管理能力,為學(xué)生今后的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ),為“卓越計劃”的課程實施提供了借鑒。
[1] Edward F.Crawley Johan Malmqvist Soren Ostlund Doris R.Brodeur,《Rethinking Engineering Education》.
[2] 查建中,何永汕著,中國工程教育改革三大戰(zhàn)略.北京理工大學(xué)出版社,2009年1月第一版.
[3] 林健,面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革[J].高等工程教育研究,2011(5).
[4] 王菁華,周軍,岳愛臣,楊澤慧,張新光.高等工程教育,“‘卓越計劃’123 模式”的創(chuàng)建與實踐研究,高等工程教育研究,2012年03 期.
[5] 王瑞胡,基于CDIO 卓越計劃下的工程應(yīng)用型研究生培養(yǎng)體系的構(gòu)建,重慶文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012(2)。
[6] 馬永政,習(xí)題環(huán)節(jié)結(jié)合教學(xué)研究,CAE 輔助手段主導(dǎo)的教學(xué)模式設(shè)計與應(yīng)用—工程力學(xué)教學(xué)改革研究與實踐,教學(xué)研究,2013(3).
[7] 車金如,基于CDIO 理念的TM-CDIO 理論力學(xué)教學(xué)改革的探索,寧波工程學(xué)院學(xué)報,2013(2).