基于CDIO理念的應(yīng)用型本科《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革初探※

孫峙華

（江漢大學(xué)，湖北 武漢 430056）

基于CDIO理念的應(yīng)用型本科《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革初探※

孫峙華

（江漢大學(xué)，湖北 武漢 430056）

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化、貫徹國家創(chuàng)新驅(qū)動的戰(zhàn)略，培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師已成為我國工程教育的迫切任務(wù)。通過分析應(yīng)用型本科《材料力學(xué)》課程教學(xué)的特點(diǎn)及實(shí)際狀況，在學(xué)習(xí)和借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入了CDIO的工程教學(xué)理念，對《材料力學(xué)》課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革進(jìn)行了初步探討，以實(shí)現(xiàn)“少學(xué)時(shí)、新內(nèi)容、高水平、好效果”的課程改革要求。

CDIO；教學(xué)改革；材料力學(xué)

一、應(yīng)用型本科《材料力學(xué)》課程教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

材料力學(xué)是工科院校一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。它既要為機(jī)電工程和建筑工程等專業(yè)的后續(xù)課程如《機(jī)器零件》、《結(jié)構(gòu)分析》等奠定所必需的力學(xué)基礎(chǔ)，又要在培養(yǎng)學(xué)生分析、研究、解決工程問題的能力、提高專業(yè)素養(yǎng)方面起到重要的作用。

材料力學(xué)自S·鐵摩辛柯的《Strength of Materials》一書在1930年出版開始，至今已有漫長的歷史，在長期的發(fā)展過程中已形成了本身理論的完整系統(tǒng)。它將工程中的實(shí)際問題抽象出力學(xué)模型，因而注重了冗長的理論推導(dǎo)和繁瑣的數(shù)字計(jì)算，而缺少工程背景。

因此，在《材料力學(xué)》課程的教學(xué)中，教師則長期采用“滿堂灌”的教學(xué)方法，以傳授知識為主導(dǎo)，缺少探索性和創(chuàng)新性，制約了對學(xué)生的能力培養(yǎng)。

對于在大學(xué)二年級上學(xué)期開課學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》課程的學(xué)生來說，他們對于工程無論是直接經(jīng)驗(yàn)或間接經(jīng)驗(yàn)均較缺乏，而課程本身又缺少工程背景，則感到抽象難懂，只能靠死記硬背來應(yīng)付“閉卷”考試。加之實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的諸多不足，使得學(xué)習(xí)的主動性積極性就不高，更談不上提高發(fā)現(xiàn)、分析、解決工程實(shí)際問題的能力。

二、CDIO理念[1]

CDIO是由美國麻省理工學(xué)院和瑞典幾所高校推出的一種基于構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作全過程培養(yǎng)學(xué)生工程能力的新型工程教育模式。

CDIO是四個(gè)英文單詞（Conceive,Design,Implement,Operate）的首字母。它以產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO模式強(qiáng)調(diào)綜合的創(chuàng)新能力與社會大環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)更關(guān)注工程實(shí)踐，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。它要求在每門課程、每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都能落實(shí)產(chǎn)業(yè)對能力的要求，以滿足產(chǎn)業(yè)對工程人才質(zhì)量的要求。并將這種能力分為工程基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力。

CDIO繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，系統(tǒng)地提出了可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施及檢驗(yàn)測評的12條標(biāo)準(zhǔn)。該理念體現(xiàn)了當(dāng)今工程教育的國際共識，為我們實(shí)現(xiàn)工程教育國際化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、基于CDIO理念的《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革初探

（一）改革的總體思路

課程教學(xué)改革要考慮科學(xué)技術(shù)的發(fā)展（如微電子技術(shù)、新型傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)等）和工程實(shí)際的需要（如低碳、節(jié)能、環(huán)保等）以學(xué)生獲取知識為基礎(chǔ)、開發(fā)智力為手段、發(fā)展創(chuàng)造能力為核心、提高綜合素質(zhì)為目標(biāo)，通過改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，提高學(xué)生解決具體力學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生將工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)為力學(xué)建模的能力及自主獲取知識的能力，以形成創(chuàng)新型人材培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)模式。

（二）確定改革方向，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

“少學(xué)時(shí)、新內(nèi)容、高水平、好效果”是力學(xué)課程改革的方向[2]。但是，現(xiàn)行的《材料力學(xué)》課程是自成系統(tǒng)的，在拉、壓、剪、扭、彎等基本力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)的理論推導(dǎo)和計(jì)算，求取材料的應(yīng)力和變形。由于缺少工程背景，學(xué)生對于這些基本力學(xué)模型感到過于抽象難懂，逐漸失去學(xué)習(xí)興趣。為了適應(yīng)課程改革方向，就必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整、對教學(xué)方法進(jìn)行改革。達(dá)到既少學(xué)時(shí)，又提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性及提高學(xué)生力學(xué)建模能力的好效果。

對教學(xué)內(nèi)容，可對各類基本力學(xué)模型引入工程背景。如桁架（屋架）在結(jié)點(diǎn)載荷作用下，組成桁架的各桿件所受軸向拉伸或壓縮，起重設(shè)備中的吊索等等；機(jī)器中的鉚釘連接中的鉚釘、螺栓連接中的螺栓、銷釘連接中的銷釘均為剪切的工程背景。而機(jī)械中的各類傳動軸、石油鉆井中的鉆桿則為扭轉(zhuǎn)變形的典型工程背景。大量存在于房屋建筑中的樓板梁、起重行車的鋼梁，火車輪軸等等則是彎曲變形的工程背景的實(shí)例。而組合變形則廣泛存在于工程和生活中。

這些工程背景的引入，可增加學(xué)生的感性知識，產(chǎn)生由物理模型轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型的學(xué)習(xí)興趣，逐步提高由觀察工程實(shí)際到解決工程實(shí)際問題的能力。但是這些引入并不導(dǎo)致增加課程學(xué)時(shí)，因?yàn)檫@些工程背景的引入可借助多媒體（圖片、視頻、動畫）來完成。達(dá)到少學(xué)時(shí)、好效果的目的。

此外，在教學(xué)中還要注意新聞中發(fā)生的與工程實(shí)際相關(guān)的問題，使學(xué)生在實(shí)際工程問題的解決中學(xué)習(xí)知識，如航天飛機(jī)隔熱裝置由于疲勞損傷而導(dǎo)致的重大事故等等。

而對獲取重要基礎(chǔ)知識、尤其是涉及計(jì)算與理論推導(dǎo)部分，則應(yīng)適當(dāng)增加板書內(nèi)容，如求解力的平衡方程、彎曲應(yīng)力計(jì)算等，使學(xué)生了解求解過程及步驟，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，提高舉一反三解決同類問題的能力。

（三）建立多樣化教學(xué)手段和方法

1、課堂教學(xué)

學(xué)習(xí)知識是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程。在這個(gè)過程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)和輔助下，進(jìn)行自主式學(xué)習(xí)尤其重要。為此，教師應(yīng)明確在《材料力學(xué)》課程中學(xué)生應(yīng)該掌握的基本知識和能力，引導(dǎo)學(xué)生將這些基本知識和能力與工程實(shí)踐相結(jié)合，提出若干思考題，教會學(xué)生查閱資料，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行思考和討論，提出解決問題的方案，或組織統(tǒng)一答疑，學(xué)生寫出專題學(xué)習(xí)小結(jié)，由此提高學(xué)生自我獲取知識的能力以及撰寫專業(yè)論文的能力。這種教學(xué)方法的改變還可以克服單純依靠“閉卷”考試的某些弊端，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

2、實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)的目的是使學(xué)生接觸工程實(shí)際、增強(qiáng)對理論學(xué)習(xí)的認(rèn)識、提高進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)的動手能力。因此它包含力學(xué)實(shí)驗(yàn)及接觸工程實(shí)際等多個(gè)方面。

現(xiàn)行的《材料力學(xué)》實(shí)驗(yàn)大綱，限于學(xué)時(shí)和某些原因，多數(shù)是屬于演示試驗(yàn)，學(xué)生失去了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動手操作儀器設(shè)備的機(jī)會。為了克服這種不足，應(yīng)建立開放實(shí)驗(yàn)室，帶著工程實(shí)際中的課題，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選用合適的儀器設(shè)備，學(xué)生自己（或在教師幫助指導(dǎo)下）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并作出觀測記錄，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

除了力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，接觸工程實(shí)際也是重要的一個(gè)方面。要爭取條件，帶著目的參觀工廠、工地，接觸實(shí)際。學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。還可參觀各類相關(guān)產(chǎn)業(yè)博覽會，如醫(yī)療器械、起重機(jī)械、工程機(jī)械、包裝機(jī)械、機(jī)器人等，擴(kuò)大視野，了解力學(xué)的工程應(yīng)用，拓寬知識面。

3、建立完整的考核方式

由于在基于CDIO理論理論下《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法均已作出了改變，則對課程的考核與評價(jià)體系也需作相應(yīng)的改變。

按照CDIO的理念，應(yīng)以記錄、報(bào)告、自評、互評等方式進(jìn)行評估，建立完整的評價(jià)系統(tǒng)。而在《材料力學(xué)》教學(xué)改革中，針對新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，我們可根據(jù)課堂講授、個(gè)人作業(yè)和小組的項(xiàng)目來分別進(jìn)行測試。對于課堂講授，可用傳統(tǒng)的試卷測試。對個(gè)人作業(yè)（包括小結(jié)和論文）可根據(jù)其作業(yè)中的創(chuàng)新性和完成情況進(jìn)行測評。對于小組的項(xiàng)目可根據(jù)自評、互評、口頭測試及發(fā)表論文的情況進(jìn)行綜合評價(jià)。

由于這種評價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)新生事物，涉及面很廣，又涉及學(xué)生的切身利益，故應(yīng)逐步推行，根據(jù)情況逐步完善。

四、結(jié)束語

本文將CDIO理念引入到應(yīng)用型本科《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革中，對該課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及評價(jià)體系進(jìn)行了討論，為《材料力學(xué)》課程教學(xué)與國際接軌進(jìn)行了有益的探索。

[1]林藝真，CDIO高等工程教育模式探析[J]，哈爾濱學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，29（4）：137～140.

[2]Zh an Shifang,Zhan Shupeng,Li Jiuxi,Teaching Innovation for MechanicsofMaterials[J].ChinaEducationResearch,2006(11):80-80(ch)

[3]張世芳，趙樹明，李久熙，芻議《材料力學(xué)》教學(xué)創(chuàng)新[J]。中國高教研究，2006（11）：80-80.

責(zé)任編校：饒 敏

Curriculum Reform of"Material Mechanics"of Applied Undergraduates Based on CDIO Concept

SUN Zhi-hua
(Jianghan University,Wuhan,Hubei,430056,China)

In order to adapt to economic globalization,implement the strategy of national innovation drive,it has become urgent in China to nurture Chinese engineers in line with international standards.After analyzing the characteristics and the actual situation of the course"Material Mechanics",the paper puts forth its preliminary discussion on the reform of the teaching mode,teaching content and teaching method of the course by introducing CDIO engineering teaching ideas based on the reference of foreign experience.The reform is intended to meet the curriculum reform demands of"teaching renewed content of higher level in fewer teaching hours and achieving good effect".

CDIO;education reform;Material Mechanism

O341-4;C642

A

2095-7955（2016）05-0094-03

2013年武漢市屬高校教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2013001）。

2016-09-11

孫峙華：江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院教師，博士。主要研究方向：材料力學(xué)。