CDIO工程教育理念在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的實踐

孟瑋　李十泉

摘要：在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中引入CDIO工程教育理念，以工程設(shè)計為導(dǎo)向，以項目訓(xùn)練為載體，對課程教學(xué)模式進行重新的思考和設(shè)計。實踐證明，該理念指導(dǎo)下的課程改革可以建立符合獨立學(xué)院學(xué)生學(xué)習特點的教學(xué)模式，更好地實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標。

關(guān)鍵詞：CDIO；工程教育；結(jié)構(gòu)力學(xué)；課程改革

中圖分類號：G642；TU311 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2015）03-0070-08

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程實踐性強，與工程技術(shù)密不可分，對培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實際問題的能力有著非常重要的作用；同時，該課程也是學(xué)習后續(xù)專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。該課程傳統(tǒng)教學(xué)方式為教師課堂講解—學(xué)生課后練習—課程考試，教學(xué)方法與考核方式單一，也容易將學(xué)生引入題海學(xué)習的誤區(qū)中，而教學(xué)內(nèi)容的“重計算，輕實踐”，則無法充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習的主體作用，對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)往往達不到預(yù)想的效果。

CDIO工程教育理念是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等經(jīng)過4年的探索和研究而創(chuàng)立的。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate），它體現(xiàn)了現(xiàn)代工程師所應(yīng)具備的服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，從構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)到運行的全過程所必須擁有的基本能力。CDIO工程教育理念就是以此全過程為載體，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。此能力不僅包括學(xué)科知識，而且包括學(xué)生的個人能力、人際交流能力，以及產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程的建造能力。該工程教育理念2005年引入中國，對國內(nèi)工程教育產(chǎn)生了重要的影響，以汕頭大學(xué)為首的院校紛紛開展了專業(yè)教育改革的嘗試[1-2]，并取得了不少研究成果[3-9]。以下主要以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院的教學(xué)改革為對象展開研究。

一、 CDIO工程教育理念下結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革的嘗試

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院屬于獨立學(xué)院，旨在培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟社會發(fā)展需要的專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力強的應(yīng)用技術(shù)型人才。學(xué)院具有良好的辦學(xué)條件和扎實的工程教育基礎(chǔ)，2010年被教育部確定為CDIO工程教育改革試點

高校，CDIO工程教育理念的貫徹實施有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力，增強學(xué)生與社會大環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的能力。

（一） 課程改革的總思路及項目設(shè)計

課程改革以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院土木工程學(xué)院基于一級項目（即專業(yè)核心課程）建立起來的專業(yè)課程體系為總的指導(dǎo)，如表1所示。

2.2.1 建立假設(shè)

2.2.2 查詢相關(guān)書刊或者電子文獻

2.2.3 實驗探索

2.2.4 假設(shè)檢驗和論證

2.4.3 創(chuàng)造性思維

3.1.2 團隊工作運行

4.5.4 硬件、軟件的結(jié)合

4.5.5 測試、驗證、認證以及取得證書

三年級一般工程建筑、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計能力；

施工管理及組織能力；

建筑工程計量及計價的能力2.4.2 執(zhí)著與變通

2.4.5 自省個人的知識、技能、態(tài)度

2.5.2 職業(yè)行為

3.2.3 寫作交流

3.2.4 電子和多媒體交流

3.2.5 圖表交流

3.2.6 口頭表達和人際交流

4.1.1 工程師的角色和責任

4.5.6 實施過程管理

四年級運用專業(yè)軟件的能力；

鑒定、檢測、加固建筑物及構(gòu)筑物能力；

綜合交叉設(shè)計能力2.5.1 職業(yè)道德、正直、責任感和負責任

2.5.2 職業(yè)行為

2.5.3 主動規(guī)劃個人職業(yè)

3.2.6 口頭表達和人際交流

4.1.1 工程師的角色和責任

4.4.3 設(shè)計中對知識的利用

4.4.4學(xué)科專業(yè)設(shè)計

4.5.5 測試、驗證、認證以及取得證書

圍繞專業(yè)核心課程體系與CDIO能力指標的對應(yīng)關(guān)系，以及學(xué)院應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)

目標，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院土木工程學(xué)院力學(xué)教研組針對三級項目的具體要求，確定了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的改革思路，即將CDIO理念貫穿于課程的教學(xué)目標中，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習的主體性，以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)能力和人際合作能力為中心，著重進行學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、實踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)的增加、考核方式的改進等手段，進行工程教育理念指導(dǎo)下的三級項目的設(shè)計，如表2所示。

（二）課程改革的具體實施

1.教學(xué)內(nèi)容的項目化設(shè)計

在工程教育的理念下，教學(xué)過程中應(yīng)更加注重工程背景的引入，突出教學(xué)案例的基礎(chǔ)性和前沿性，注重學(xué)生創(chuàng)造性及動手能力的培養(yǎng)。筆者在課程教學(xué)內(nèi)容上充分結(jié)合CDIO能力指標進行項目化設(shè)計。如在學(xué)生學(xué)習完“拱結(jié)構(gòu)”相關(guān)知識后，布置學(xué)生從身邊的工程實例出發(fā)，建立拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求解內(nèi)力，對結(jié)果給予分析，并以此為基礎(chǔ)制作模型進行加載設(shè)計；在講解完漸近法中的“力矩分配法”后，要求學(xué)生以三層框架結(jié)構(gòu)為例進行荷載作用下的受力及變形分析，自主查閱資料編寫Excel命令求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，同時與結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的內(nèi)力求解結(jié)果作比對分析。所有項目成果都要求以小組為單位作總結(jié)匯報。通過項目化設(shè)計，強調(diào)“做中學(xué)”，加深學(xué)生對課程教學(xué)大綱難重點的理解與掌握，以達到CDIO相應(yīng)能力指標要求。

3.2.4 電子和多媒體交流

3.2.6 口頭表達和人際交流

鋼結(jié)構(gòu)廠房沉降分析模型制作、微視頻錄制、PPT演示、計算機軟件計算分析、小論文總結(jié)小組匯報2.1.2 建立模型

2.2.1 建立假設(shè)

2.2.2 查詢相關(guān)書刊或者電子文獻

2.2.3 實驗探索

2.2.4 假設(shè)檢驗和論證

2.4.3 創(chuàng)造性思維

3.1.2 團隊工作運行

4.5.4 硬件，軟件的結(jié)合

4.4.3 設(shè)計中對知識的利用

2.利用學(xué)生的關(guān)注點進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

筆者在注重教學(xué)內(nèi)容工程背景的基礎(chǔ)上，還充分利用學(xué)生的最新關(guān)注點，拉近與學(xué)生的距離，調(diào)動課堂氣氛。如在講授每一章節(jié)知識后，引入“i微視頻”環(huán)節(jié)，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容或工程案例，引導(dǎo)學(xué)生進行微視頻、微課堂的制作，由學(xué)生與教師溝通并選定相關(guān)主題，以宿舍成員為單位組成小組來制作道具和視頻，在視頻中對自己制作的分析模型作力學(xué)原理的介紹，實現(xiàn)CDIO中創(chuàng)新性思維、團隊合作能力的培養(yǎng)目標。圖1為學(xué)生在學(xué)習“平面體系的幾何機動分析”后制作的微視頻道具。學(xué)生制作相應(yīng)視頻后，在課堂上展示成果，讓學(xué)生學(xué)會對所學(xué)理論知識的綜合應(yīng)用，同時增強團隊合作

能力，提高學(xué)生的溝通與表達能力，也為學(xué)生創(chuàng)造一個輕松的課堂氛圍。

3.課堂表現(xiàn)形式的多樣化設(shè)計

CDIO理念倡導(dǎo)以“項目實現(xiàn)”作為工程實踐教育的組織原則，培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通能力和多學(xué)科、大系統(tǒng)的掌控意識和能力，鼓勵將教師與學(xué)生的關(guān)系從教師單向的知識傳授擴展至師生基于問題解決的互動學(xué)習。教師在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中除課堂講授外，還精心設(shè)計了小組匯報及專題討論會環(huán)節(jié)，提供幾大討論主題：“瞬變體系有哪些特點”、“速畫彎矩圖的訣竅”、“力法基本結(jié)構(gòu)是否一定為超靜定結(jié)構(gòu)”、“如何繪制梁的變形曲線”等等。要求學(xué)生提前查閱資料做好準備，課堂上組織交流討論，鼓勵學(xué)生更多參與思想交流，進一步激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習的積極性。

4.課程考評方式

課程評價不應(yīng)是一個孤立的行為。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程考評內(nèi)容由“i微視頻”制作（占10%）、模型制作（占20%）、計算機軟件應(yīng)用（占10%）、PPT制作及報告（占10%）、平時作業(yè)及試卷考核（占50%）等五部分組成，通過小組內(nèi)自評、互評和教師評價等形式，重點考察學(xué)生在項目中所起的作用、個人負責部分項目完成的質(zhì)量情況，以及與其他同學(xué)團結(jié)協(xié)作能力等指標，旨在促進學(xué)生的學(xué)習積極性，保證項目實施的效果。

通過相應(yīng)課程評價方式的改革，學(xué)生對課程學(xué)習產(chǎn)生了濃厚的興趣。同時由于“i微視頻”是學(xué)生自己制作完成的，因而受到學(xué)生的關(guān)注。通過幾個階段的教學(xué)實踐，學(xué)生感到“結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的學(xué)習有意義，對專業(yè)課程的學(xué)習有幫助”，“創(chuàng)新能力得到了提高”。

二、實踐成果

CDIO工程理念在教學(xué)實踐中的貫徹和實施，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了顯著提高。通過三級項目的實施，加強了學(xué)生理論知識與工程實踐的聯(lián)系，從根本上增強了學(xué)生對力學(xué)知識的理解和掌握，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

在每年一屆的江蘇省土木工程大學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽上，學(xué)校作為參賽數(shù)量不多的獨立學(xué)院，連續(xù)幾年均有良好表現(xiàn)。圖2為學(xué)生制作的參賽模型“沙漏天文館”，在2011年江蘇省土木工程大學(xué)生“雙高杯”結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽中獲得三等獎。圖3為學(xué)生對該模型提取的空間計算模型，該成果是學(xué)生針對課程項目“超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析”而制作的結(jié)構(gòu)模型。圖4為學(xué)生針對課程項目“拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析”而設(shè)計的桁架拱，在2014年江蘇省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中獲得現(xiàn)場模型制作與加載試驗類二等獎。

三、結(jié)語

實踐證明，在CDIO工程教育理念指導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程改革，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)的熱愛，學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)得到加強，在學(xué)生中營造了一種團結(jié)向上的學(xué)習氛圍，全面提高了學(xué)生的綜合能力，所采用的教學(xué)模式符合獨立學(xué)院學(xué)生學(xué)習特點，同時也符合學(xué)院應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)目標。

值得進一步思考的是，本三層次院校要更好地實現(xiàn)CDIO能力培養(yǎng)目標，對教師的業(yè)務(wù)能力和水平應(yīng)提出更高的要求。同時，在現(xiàn)有的專業(yè)教學(xué)計劃下，課程教學(xué)學(xué)時受到局限。要更好地為項目的設(shè)計及實施提供空間，除了將教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化和對課堂進行充分設(shè)計外，還需要充分利用學(xué)生的課余時間，這也給學(xué)生課后學(xué)習帶來壓力。上述問題，有待在今后的實踐中去探討解決。參考文獻：

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（編輯 王 宣）