基于CDIO模式的材料力學(xué)實踐教學(xué)研究與探索1)

周雙喜 韓 震 黃 強

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌330013)

基于CDIO模式的材料力學(xué)實踐教學(xué)研究與探索1)

周雙喜2)韓 震 黃 強

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌330013)

為解決當(dāng)前國內(nèi)對培養(yǎng) “創(chuàng)新--應(yīng)用”型人才的高等教育要求同滯后的材料力學(xué)實驗教學(xué)條件、方法間的矛盾，通過引進國際先進的“CDIO”工程教育理念，依托土木工程專業(yè)特色，對材料力學(xué)實驗教學(xué)模式進行了創(chuàng)新改革.“電阻應(yīng)變片的接橋方法”實驗的具體實踐表明該模式能夠有力地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動手實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，具有很強的可操作性，對促進國內(nèi)高校 “創(chuàng)新 — 應(yīng)用”型人才培養(yǎng)具有重要意義.

材料力學(xué)實驗,教學(xué)改革,CDIO模式,自主學(xué)習(xí)

當(dāng)前，我國正處于由工程大國走向工程強國的攻堅時期，對具備科技創(chuàng)新和實踐應(yīng)用能力的 “創(chuàng)新–應(yīng)用”型人才需求日益迫切,“一帶一路”的推進和 “八縱八橫”的建設(shè)更是加大了我國工程技術(shù)人才的缺口.根據(jù)人社部就業(yè)司所公布的2017年第一季度人力資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，與2016年相比,建筑業(yè)和制造業(yè)對新型技術(shù)人才的需求增長率分別為27%和 38.3%[1].在高校工科背景學(xué)生的培養(yǎng)過程中，材料力學(xué)實驗教學(xué)對提高學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作精神、問題處理能力具有巨大的作用，其質(zhì)量直接關(guān)系到我國新型技術(shù)人才的培育.而今我國高校材料力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀卻不容樂觀，存在較多與培養(yǎng)要求不協(xié)調(diào)的問題，迫切需要進行深入改革.近年來各高校對材料力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和方法等進行了深入的探索.吳新如等[2]在材料力學(xué)實驗課程中加入更多內(nèi)容,并與學(xué)生互動,清楚闡述課程內(nèi)容的同時多方面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng).吳艾輝[3]將同伴教學(xué)法引入材料力學(xué)的教學(xué)課程中，提高了學(xué)生上課的興趣，尤其是獨立思考的積極性.此法的有效前提是需要學(xué)生課前花費大量時間進行預(yù)習(xí)工作，對學(xué)生自我控制能力有較高要求.柴維斯等[4]建立了“引導(dǎo)--設(shè)計--實驗--掌握”的新教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，進一步提高了教學(xué)質(zhì)量;但是這種新的教學(xué)模式加大了理論薄弱學(xué)生的實驗完成難度，一定程度上限制了其推廣發(fā)展.劉小蠻等[5]認(rèn)為材料力學(xué)實驗的教學(xué)不應(yīng)僅僅讓學(xué)生“會做”，還要 “會用”和 “會意”，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和發(fā)明創(chuàng)造的意識.遺憾的是目前還未形成一整套完善的實施方法.

鑒于此，華東交通大學(xué)土木工程實驗教學(xué)中心(以下簡稱“中心”)以參評國家實驗教學(xué)示范中心為契機,引進國際先進“CDIO”工程教育理念，對材料力學(xué)實驗教學(xué)模式積極探索，取得了良好的教學(xué)效果.

1 傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗教學(xué)的局限

材料力學(xué)(mechanics of materials)是一門研究材料的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度、穩(wěn)定性等問題的課程，是高等工科院校土木類等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是學(xué)生將所學(xué)基礎(chǔ)理論聯(lián)系具體專業(yè)知識的重要過渡，直接影響后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)、橋梁工程等專業(yè)課的學(xué)習(xí)[67].而材料力學(xué)實驗教學(xué)具有直觀、實踐性強等特點，有助于增強學(xué)生獨立思考和科研能力，是材料力學(xué)教學(xué)重要延伸補充，而當(dāng)前材料力學(xué)實驗教學(xué)面臨的問題是：

(1)實驗內(nèi)容單一，與工程實際脫節(jié).目前國內(nèi)高校材料力學(xué)實驗內(nèi)容多是桿件的拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲正應(yīng)力測定等單元性、基礎(chǔ)性、驗證性實驗，在實驗過程中，學(xué)生只需按照老師的演示或指導(dǎo)書上實驗步驟操作，便可得到實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告.

(2)師資力量薄弱，實驗設(shè)備老舊.高校的擴招給材料力學(xué)實驗教學(xué)帶來了巨大壓力.學(xué)生只能以分組的形式進行實驗，多人共同完成一個實驗，有時甚至一個組10多個人.

(3)實驗課時較少，重視程度不高.在重視學(xué)生綜合素質(zhì)發(fā)展和“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強能力、重特色”的人才培養(yǎng)目標(biāo)的“指揮棒”下，材料力學(xué)課時被不斷地壓縮，實驗課時更是被壓縮至6～8個課時，有時還被理論課占用，在如此實驗條件和短時間下根本無法達到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo).

2 材料力學(xué)實驗“CDIO”工程理念教學(xué)模式構(gòu)建思路

“CDIO”即為構(gòu)思 (conceive)、設(shè)計 (design)、實現(xiàn)(implement)和運作(operate)的縮寫.該教育理念由麻省理工學(xué)院等四家單位研究創(chuàng)立,是現(xiàn)今國際上新起的先進培養(yǎng)理念，其實現(xiàn)是以項目為載體,讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，以培養(yǎng)其工程專業(yè)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力[89].材料力學(xué)實驗教學(xué)引進“CDIO”工程教育理念，能夠克服當(dāng)前存在的重理論、輕實踐、教學(xué)課時短、實驗內(nèi)容與工程實際脫節(jié)等問題，提高學(xué)生積極性，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的發(fā)展.

“CDIO”工程教學(xué)理念要求學(xué)生將實驗以項目的形式按照構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作四個階段完成，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和教師的導(dǎo)學(xué)作用，由 “要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)?“我要學(xué)”，保證學(xué)生做到“三會”，即會做、會用、會意，增強學(xué)生建模能力，提高學(xué)生的工程專業(yè)素質(zhì)和綜合素質(zhì)[5].中心以建立“學(xué)科基礎(chǔ)實驗平臺+學(xué)科專業(yè)實驗平臺+科技創(chuàng)新實踐平臺”的教學(xué)體系，在教學(xué)、科研和社會服務(wù)上提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)為總目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法等方面對當(dāng)下教學(xué)模式進行梳理改革，確保該教育理念的落地.

2.1 推陳出新，設(shè)計多層次、創(chuàng)新型實驗內(nèi)容

首先，在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，力求減少單元性、驗證性實驗，增加電阻應(yīng)變片的粘貼、電阻應(yīng)變片的接橋等設(shè)計性實驗，新型材料(如塑料、有色金屬、復(fù)合材料)的彈性模量、泊松比測試等拓展性實驗以及“鋼--砼”組合結(jié)構(gòu)設(shè)計探究等創(chuàng)新性實驗，避免了實驗步驟和結(jié)果千篇一律，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維和解決問題的能力.其次，結(jié)合土木工程專業(yè)特色，將工程背景引入實驗，如桿件的拉伸、壓縮實驗，引入桁架橋工程結(jié)構(gòu)，此舉不僅可以使晦澀難懂的概念形象化，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象，形成深刻的記憶，促進教學(xué)效率的提高，也有利于增強學(xué)生工程意識，將理論與實際進行結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，樹立起成為一名卓越工程師的自信心.最后，鼓勵學(xué)有余力且有志于在本專業(yè)繼續(xù)深造的同學(xué)，參加老師科研活動及 “周培源大學(xué)生力學(xué)競賽”“挑戰(zhàn)杯”等科技創(chuàng)新賽事，以科研和賽事活動為載體，結(jié)合學(xué)院導(dǎo)師制的實施，以研促學(xué)，以賽促學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)有所用，開闊視野，掌握最前沿的專業(yè)發(fā)展動態(tài)！

2.2 外引內(nèi)造，構(gòu)建現(xiàn)代化、開放式實驗平臺

隨著我國工業(yè)化進程的持續(xù)推進，許多新型結(jié)構(gòu)材料被投入使用，新型材料力學(xué)性質(zhì)如何，需要我們進行材料力學(xué)實驗測試，而材料力學(xué)實驗的物質(zhì)條件是實驗設(shè)備，實驗設(shè)備是材料力學(xué)實驗開展的基石，是撬動材料力學(xué)實驗的杠桿，因此材料力學(xué)實驗設(shè)備必須“與時俱進”.硬件方面，面對材料力學(xué)設(shè)備不足和資金緊張問題，中心一方面購買引進了如微機控制電子式扭轉(zhuǎn)試驗機、沖擊試驗機、高頻疲勞試驗機等先進設(shè)備；另一方面，自主研發(fā)了DZST-3C型材料力學(xué)多功能試驗臺和HD-16A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，前者可進行切變模量的測定、復(fù)合梁的實驗以及根據(jù)需要可擴充三鉸拱、應(yīng)力集中、T形梁和工字鋼彎曲正應(yīng)力實驗等共17個實驗項目，且轉(zhuǎn)換簡單，占地面積小，目前實驗室共有該組合實驗臺40座，可以同時容納一個班同學(xué)實驗.HD-16A型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀為測力儀和應(yīng)變儀二合一的組合產(chǎn)品，具有16個通道，可以同時對16個測點同時進行測試，在綜合性、設(shè)計性實驗中使用極其方便，在配合多媒體教學(xué)的情況下，學(xué)生可獨立完成實驗操作，不需要老師示范教學(xué)，減輕了老師的負(fù)擔(dān).目前上述兩個設(shè)備已經(jīng)推廣至20多家高等院校，受到一致好評.軟件方面，中心以國家實驗教學(xué)示范中心評審指標(biāo)體系為標(biāo)準(zhǔn)，努力將中心建設(shè)成為現(xiàn)代化的材料力學(xué)科學(xué)實驗中心.面對課時壓縮問題，實驗室實行開放式管理，實驗時間不再局限于課堂，學(xué)生可自行協(xié)調(diào)實驗時間，并通過實驗預(yù)約系統(tǒng)預(yù)約實驗.

2.3 標(biāo)新立異，搭建網(wǎng)絡(luò)型、自主化教學(xué)體系

針對傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗教學(xué)模式重理論，輕實踐、學(xué)生積極性和動手能力不足等問題，實驗中心緊緊圍繞學(xué)生為主、教師為輔的教學(xué)主旨，從教學(xué)手段、教學(xué)方法和考核指標(biāo)三個方面探索創(chuàng)新，搭建起網(wǎng)絡(luò)型、自主化教學(xué)體系.在教學(xué)手段上，充分利用當(dāng)前的多媒體技術(shù)傳播信息量大、展示直觀的特點.多媒體的加入，提高了課堂的效率，緩解了課時和師資不足的問題，且多媒體展示直觀生動，有利于豐富教學(xué)過程，活躍課堂氛圍，提高教學(xué)質(zhì)量.此外，中心還引入MOOC(大規(guī)模開放式網(wǎng)絡(luò)課程)，增加學(xué)習(xí)渠道，提高學(xué)生自學(xué)能力，為課堂減負(fù).在教學(xué)方法上，采取啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生圍繞項目進行構(gòu)思、設(shè)計，對存在的問題通過資料檢索和觀看網(wǎng)絡(luò)視頻等手段尋找解決方案.老師就方案進行指導(dǎo)，學(xué)生的主體作用貫穿始終，此舉不光調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，還培養(yǎng)了其解決問題的能力.針對重理論、輕實踐的問題，中心將實驗納入考核體系，實驗成績占學(xué)科期末成績的30%～50%，而考核的指標(biāo)主要是“CDIO”理念所要求實驗設(shè)計的新穎性、完成度以及后續(xù)實驗項目成果展示綜合表現(xiàn)等，以加強材料力學(xué)在課程中的地位，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、專業(yè)基礎(chǔ)實、綜合素質(zhì)高的人才.

3 基于CDIO模式的“電阻應(yīng)變片的接橋方法”教學(xué)設(shè)計與實踐

以電阻應(yīng)變片的接橋方法實驗為例，介紹基于“CDIO”工程理念的材料力學(xué)實驗?zāi)Ｊ?電阻應(yīng)變片的接橋方法實驗主要研究電阻應(yīng)變片與被測構(gòu)件、被測點的相互關(guān)系，即何種不同位置、不同方向的應(yīng)變片的組合連接，以同時測量此組應(yīng)變的相互關(guān)系的方式，達到解出不同的終極力學(xué)量的目的.此實驗的測量手段和方法較多，采取不同的方法所得的實驗結(jié)果和精度不一樣，可以很好地鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維和實驗?zāi)芰?實驗時間設(shè)定為一周，其中實驗操作3個課時，以小組的形式完成，每組2～3名成員.實驗完成后學(xué)生需提交相關(guān)的實驗設(shè)計報告、實驗分析報告，以及實驗的總結(jié),最后各組組員在課堂上以 PPT的形式對整個實驗的完成情況及得失進行報告，鍛煉表達能力和團隊協(xié)作能力.

3.1 構(gòu)思階段

學(xué)生在接到教師布置的實驗任務(wù)后，首先，通過資料檢索或者MOOC等方式查找包括測試原理、測試方法等實驗知識;然后，選定實驗測試方法，在分析報告上列出實驗所需的技術(shù)支持等;最后,征求指導(dǎo)老師意見，老師檢查實驗的科學(xué)正確性，并結(jié)合現(xiàn)有條件提出指導(dǎo)意見.比如，若選定的應(yīng)變測量方式為光學(xué)裝置測量，而實驗室沒有該實驗設(shè)備，學(xué)生需要改用電阻應(yīng)變儀測量.方案初步擬定后，進行實驗的具體設(shè)計.

3.2 設(shè)計階段

學(xué)生需要在設(shè)計報告上對實驗的步驟進行詳細(xì)而科學(xué)的設(shè)計，并注釋出設(shè)備支持、計算理論等.如該實驗若是以等強度梁進行設(shè)計，則至少需要等強度梁實驗裝置一套;若是以彎扭變形設(shè)計則需要彎扭變形裝置.另外，電阻應(yīng)變片采用半橋外補償、半橋自補償和全橋自補償?shù)倪B接方式所計算的方法也不一樣，這些都需要認(rèn)真區(qū)別.

3.3 實現(xiàn)階段

在等強度梁實驗中，我們分別采用半橋外補償、半橋自補償和全橋自補償?shù)慕訕蚍椒?，實驗過程如下：

(1)應(yīng)變片的粘貼流程如圖1.

圖1 應(yīng)變片粘貼流程圖

(2)半橋及全橋的接橋方法.

等強度梁為一端固定，另一端自由的變截面懸臂梁，其任何界面上的正應(yīng)力均相等，該裝置受力情況及應(yīng)變片粘貼方位如圖2.

圖2 等強度梁實驗裝置的受力簡圖及應(yīng)變片粘貼方位

當(dāng)在懸臂砝碼盤上加上砝碼后，等強度梁的上表面的應(yīng)變片RA和RB產(chǎn)生的應(yīng)變值為εbe+εt,下表面的應(yīng)變片和產(chǎn)生的應(yīng)變值為εt，其中 εbe,εt分別代表彎曲導(dǎo)致的線應(yīng)變、溫度引起的線應(yīng)變.圖中RCO是補償片電阻.

其基本原理是：電阻應(yīng)變片組合構(gòu)成的電阻電路符合一般電路規(guī)則，其應(yīng)變儀讀數(shù)與測量橋路所測應(yīng)變存在下列關(guān)系：εr=εAB?εBC+εCD?εDA,由此可知，若將應(yīng)變值各個獨立、互不相關(guān)的4個測點的電阻應(yīng)變片分別接入測量橋路的4個橋臂，則電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)只是這四個測點應(yīng)變值的和差結(jié)果，無法從中分離出任一點的應(yīng)變值，因此，往往采用半橋零補償接法分別測量各點應(yīng)變值，但若某些測點之間有確定的關(guān)系，就可以利用電橋的加減特性，將他們組成適當(dāng)?shù)碾娐?，一方面可以提高測量精度；另一方面還可以將組合變形進行分解，消除某些不需要測出的應(yīng)變，而測取單一基本變形時的相應(yīng)的應(yīng)變.此處我們采用以下方法：

(1)半橋外補償(如圖3)

εf為儀器固定電阻的應(yīng)變.

圖3 半橋外補償

(2)半橋自補償(如圖4)

圖4 半橋自補償

(3)全橋自補償(如圖5)

圖5 全橋自補償

可見，接法(2)將彎曲應(yīng)變放大2倍顯示，接法(3)則將彎曲應(yīng)變放大至 4倍顯示，提高了測量精度.可見采用不同的接線方法，所得的實驗精度也不同，此外該實驗也能在彎扭組合變形的受力狀態(tài)下進行，靈活性較大，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維.

3.4 運作階段

實驗操作完成后，學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，撰寫總結(jié)報告，并比較各個方式的優(yōu)劣，總結(jié)得失，將實驗的感悟、體會和取得的成就制作為PPT,在驗收課上進行答辯.

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該模式確實能夠提高同學(xué)的動手積極性、解決問題的能力和口頭表達能力，之前上臺就緊張說不出話的同學(xué)，現(xiàn)在變得更加自信、沉穩(wěn).

4 實踐教學(xué)實施效果

我校土建學(xué)院材料力學(xué)實驗教學(xué)體系滿足行業(yè)需要，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作精神，提高了學(xué)生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力和工程能力，拓展了學(xué)生的綜合素質(zhì).實踐證明，將 “CDIO”工程培養(yǎng)理念引進材料力學(xué)實驗教學(xué)，能夠改善以往材料力學(xué)教學(xué)存在的問題，較大程度上提高材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量.中心自實施該舉措以來，在參評國家實驗教學(xué)示范中心中，從全國120個參評的實驗教學(xué)中心中脫穎而出被評為國家級教學(xué)示范中心，這是我校首次獲得實驗教學(xué)建設(shè)項目.此外，在全國各類力學(xué)競賽中，共有29人次獲省級及以上殊榮，創(chuàng)我院歷史之最.

5 結(jié)語

將“CDIO”工程培養(yǎng)理念應(yīng)用到材料力學(xué)實驗教學(xué)中，能夠有效地解決當(dāng)前高校實驗教學(xué)普遍存在的矛盾，改變我國以往的重理論、偏離實際的問題，激發(fā)了學(xué)生參加課外科技創(chuàng)新活動和學(xué)科競賽的興趣，增強了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的積極性，提高了我校土木工程專業(yè)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)“創(chuàng)新--應(yīng)用”型人才，同時，也為類似課程群的實踐教學(xué)改革起到示范和輻射作用.

1中華人民共和國人力資源和社會保障部.2017年第一季度部分城市公共就業(yè)服務(wù)機構(gòu)市場供求狀況分析.2017-05-10

2吳新如,王習(xí)術(shù).激發(fā)大學(xué)生材料力學(xué)實驗動手與分析的能動性.力學(xué)與實踐,2006,28(6):81-83

3吳艾輝.同伴教學(xué)法在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)的應(yīng)用.力學(xué)與實踐,2016,38(6):673-675

4柴維斯,謝靈.高等院校材料力學(xué)實驗教學(xué)新模式.力學(xué)與實踐,2008,30(5):101-102

5劉小蠻,杜國君.材料力學(xué)實驗教學(xué)思考 –– 會做、會用、會意.力學(xué)與實踐,2013,35(4):74-77

6李建華，喬箭，陳亮亮.材料力學(xué)實驗“互動式”教學(xué)模式探索.實驗技術(shù)與管理,2013，30(12)：181-183

7孫峙華.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.武漢商學(xué)院學(xué)報,2016，30(5):94-96

8王碩旺，洪成文．CDIO：美國麻省理工學(xué)院工程教育的經(jīng)典模式––基于對CDIO課程大綱的解讀．理工高教研究，2009，(4)：39-44

9金丹青.基于CDIO模式的卓越專業(yè)大學(xué)物理實驗的教改實踐.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015，14(4)：71-75

G642.0

A

10.6052/1000-0879-17-173

2017–05–25收到第1稿，2017–07–20 收到修改稿.

1)國家自然科學(xué)基金(51662008)和江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究重點項目(JX-JG-16-5-3)資助.

2)周雙喜，副教授，主要研究方向為材料力學(xué)及土木工程材料.E-mail：green.55@163.com

周雙喜,韓震,黃強.基于CDIO模式的材料力學(xué)實踐教學(xué)研究與探索.力學(xué)與實踐,2017,39(6):623-627

Zhou Shuangxi,Han Zhen,Huang Qiang.The teaching reform and practice of experimental of material mechanics based on CDIO pattern.Mechanics in Engineering,2017,39(6):623-627

(責(zé)任編輯:周冬冬)