基于CDIO理念的材料力學課程教學改革探索

摘 要 文章介紹了CDIO工程教育的特點，提出基于CDIO理念進行材料力學教學改革的基本思路，并從課程改革內(nèi)容、具體實施方法、實施效果等幾個方面對材料力學的工程教育進行了探索。實踐證明該項改革取得了良好的教學效果，培養(yǎng)了學生工程職業(yè)素質(zhì)、團隊協(xié)作精神，同時也為工程教育改革積累了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 材料力學 應(yīng)用能力 CDIO理念 三級項目

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.08.051

Abstract The characteristics of CDIO Engineering Education are introduced in this paper， and is presented， based on the concept of CDIO is the basic train of thought of the teaching reform of mechanics of materials， and from the contents of the curriculum reform， the concrete implementation method and implementation effect， and several other aspects of mechanics of Materials Engineering Education are explored. Practice has proved that the reform has achieved good teaching effect， cultivate students' engineering professional quality， teamwork spirit， but also accumulated valuable experience for the engineering education reform.

Key words material mechanics； application ability； CDIO concept； three-level project

0 引言

材料力學是應(yīng)用型本科院校機械專業(yè)一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。從近幾屆學生的畢業(yè)設(shè)計及學生工作后反饋的情況看，學生雖然較好地掌握了力學相關(guān)概念、理論知識，但是遇到工程中的實際問題，則無從下手，不知如何解決，即學生的應(yīng)用能力還有較大的欠缺。一方面是因為教學中例題、習題多為抽象的計算簡圖，相對簡單，而工程實際問題，首先需要建立力學模型，然后才能進一步分析計算，而力學模型如何建立一般教材很少提及；另一方面，學生缺少綜合性的、基于任務(wù)的交叉訓練，因此學生的綜合能力沒有得到很好的培養(yǎng)。

筆者結(jié)合多年的教學實踐，基于CDIO理念對材料力學教學過程進行設(shè)計如下：

1 課程改革思路

CDIO是由美國麻省理工學院等幾所世界著名大學，歷經(jīng)四年時間構(gòu)建的一種先進的工程教育理念。CDIO（Conceive- Design-Implement- Implement）表示構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作四個階段，以培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維為目標，是“做中學”的具體應(yīng)用。

從2009 年起，沈陽工程學院機械學院開始學習、探討CDIO 工程教育模式。CDIO項目一般分為三級：一級項目是指包含專業(yè)主干核心課程和能力的項目；二級項目是指由若干相關(guān)課程組成的項目；三級項目是針對單門課程設(shè)置的項目，用來增強和培養(yǎng)相關(guān)能力。

CDIO教育理念與材料力學的教學目標相吻合。CDIO 工程教育模式的核心思想是項目教學法，非常重視在實踐中進行知識和能力的學習和提高，然后將學習到的內(nèi)容進行升華轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撝R，最后通過完成一個項目和具體的產(chǎn)品來實現(xiàn)教學目標。

材料力學課程改革具體設(shè)想是在課程中設(shè)立一個三級項目。借助項目來實現(xiàn)這樣幾個目的：第一，項目內(nèi)容提前安排給學生，學生帶著問題聽課，學習目標更加明確，學習效率更高，對相關(guān)概念、理論的理解更加透徹；第二，每一個項目都是生活或工程實際問題，首先需要將研究問題抽象成力學模型，然后進一步分析，研究、設(shè)計方案，最后進行計算，寫報告。極大地提高了學生分析問題、解決實際問題的能力；第三，三級項目都是綜合性非常強的問題，一般涉及到多個章節(jié)的很多知識點，有學過的，也會遇到?jīng)]有學過的新知識，學生需要查閱資料或自學一些內(nèi)容，很好地培養(yǎng)了學生的查閱資料能力與自學能力。

2 課程改革內(nèi)容

2.1 項目內(nèi)容

在選擇項目之前應(yīng)明確專業(yè)培養(yǎng)目標及對力學知識、素質(zhì)和能力培養(yǎng)的要求，分析相關(guān)后續(xù)課程所涉及的知識點，構(gòu)建力學課程職業(yè)能力培養(yǎng)方向。所選項目基本是生活中或工程中實際問題，一般綜合性較強，涉及知識點較多，重點培養(yǎng)學生的力學建模能力、分析能力、計算能力和工程實踐能力。表1是部分項目名稱及教學目標。

2.2 項目安排與要求

項目以小組為單位進行。每個項目小組由4～5人組成，設(shè)組長1人。項目題目在學完第一章（軸向拉伸壓縮）就下發(fā)，因為學生已初步了解材料力學的學習目的及設(shè)計方法。提前下達任務(wù)使學生學習目標更加明確，更能有針對性地學習，進一步激發(fā)學生的學習主觀能動性。項目安排兩學時課堂輔導，兩學時答辯，

主要工作學生需要利用課后時間進行。各小組應(yīng)根據(jù)項目題目及課程的進度，按時進行資料的查閱、制定項目計劃、設(shè)計項目方案、項目設(shè)計與計算、撰寫項目報告。每組要定期匯報項目進展情況，每次由組內(nèi)成員輪流匯報，這樣增加每一個同學的參與意識和責任感。最后組織學生答辯，答辯結(jié)束后，學生需及時上交項目研究報告和個人總結(jié)。

2.3 項目實施

首先提出項目要求，即構(gòu)思階段，學生需要弄清楚已知什么，需要解決什么問題，涉及哪些知識點，哪些內(nèi)容是學過的，還需要學習哪些內(nèi)容。為保證學生順利完成本項目，教師首先要充分了解學生的基礎(chǔ)知識和相關(guān)能力，教師可以通過提問方式進行，然后講授與項目相關(guān)的理論。學生帶著問題聽課，效果非常好，可以起到事半功倍的效果。當然還要留一些內(nèi)容讓學生自己研究。在這過程中學生互相討論，充分發(fā)揮主觀能動性，大大調(diào)動了積極性。第二，設(shè)計階段，學生充分研究討論，根據(jù)目標制定具體計劃，包括人員分工計劃、工作計劃、實施方案等。然后進入設(shè)計階段，包括建立力學模型、計算、繪圖、反復(fù)校對等等。第三，實現(xiàn)階段，即學生整理項目報告，作答辯PPT。學生需要分工合作，充分發(fā)揮各自的特長。最后，運作階段，即老師檢查，進行答辯，評價。學生在這個過程中，還需要互相提問題，互相評價，指出不足。整個項目由組長全權(quán)負責，依據(jù)組員的特點進行分工及項目工作進度安排。

2.4 項目評價

項目成績主要依據(jù)每一名學生在項目執(zhí)行期間的工作表現(xiàn)進行評定，由平時成績、撰寫研究報告、答辯情況、組內(nèi)互評四部分組成，由于最后答辯環(huán)節(jié)最能反映學生的研究水平、參與情況、工作態(tài)度，因而答辯環(huán)節(jié)占成績比重較大，為40%。組內(nèi)互評包括小組成員之間的成績互評和組員與組長間的成績互評，在項目研究中表現(xiàn)突出的學生應(yīng)給予一定獎勵。成績評定標準和具體內(nèi)容見表2。

項目成績評定是整個項目實施中的最后一個環(huán)節(jié)。成績評定一方面要考察每個項目小組的整體表現(xiàn)情況，同時還要對每個小組成員的貢獻情況有所掌握，這樣既能培養(yǎng)團隊合作精神，又能充分調(diào)動每一個同學的積極性，避免個別同學總想依賴他人的惰性思想。

3 課程改革效果

從項目的實施結(jié)果來看，三級項目的內(nèi)容合理，每個小組都按時完成全部內(nèi)容。多數(shù)學生反映，經(jīng)過這次三級項目的鍛煉，能夠?qū)⑺鶎W理論知識應(yīng)用到實際工程設(shè)計中，充分將理論知識與工程應(yīng)用相結(jié)合，增強了感性認識。例如機制11級兩組同學的題目是“箱包斜拉桿的強度計算”。這種工程實際問題有一定難度，計算量也較大。學生需要參閱資料，了解設(shè)計方法。首先將工程中的實際問題進行力學建模，然后分析變形方式，繪制內(nèi)力圖，找出危險點，進行計算。兩組同學經(jīng)過反復(fù)研究、校驗，很好地完成工作，解決實際問題的能力明顯提高。同時在具體的項目實施中發(fā)現(xiàn)自己知識的欠缺，主動學習，進行彌補，完善知識結(jié)構(gòu)。另外，項目小組的工作方式也培養(yǎng)了學生的團隊意識和溝通能力。利用PPT進行項目匯報和答辯提高了學生的表達能力。

在取得一些效果的同時，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，例如由于學生過多，工程實際題目相對較少。每組4～5人，因而有少數(shù)同學出工不出力，缺乏參與意識。個別學生的任務(wù)量偏少，沒有得到鍛煉和發(fā)揮。在今后的教學實踐中將進行適當?shù)恼{(diào)整，使每個學生得到充分鍛煉。

4 結(jié)語

通過這次三級項目的實施，改變了原有的教學方式。從原來零散的、碎片化的知識的學習轉(zhuǎn)變?yōu)槔庙椖孔鲆龑?，學生在完成一個具體項目中學習新的知識、新的理論，不僅體會到了“做中學”的樂趣，而且大大提高了學生的工程意識和實踐能力，為學生以后的工程實踐奠定了扎實的基礎(chǔ)。同時，這種“做中學”極大調(diào)動了學生學習的積極性和主動性，實現(xiàn)了從被動學習到積極自學的轉(zhuǎn)變，學生們普遍表示，這種基于項目的學習真正體現(xiàn)了從應(yīng)試教育向素質(zhì)教育的轉(zhuǎn)變，通過具體的項目鍛煉，增強了設(shè)計能力和工程實踐能力。學生不僅學到了理論知識，同時學會了分析問題、解決問題的方法。

在整個項目進行過程中，教師要啟發(fā)、鼓勵學生進行學習，帶領(lǐng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，因此對教師的教學水平提出了較高要求。作為教師在教學中一定要不斷探索與實踐，發(fā)現(xiàn)不足，加以改進，不斷完善，提高教學質(zhì)量。

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