基于虛擬仿真平臺(tái)的CDIO創(chuàng)新型人才《材料力學(xué)》課程教學(xué)模式探索

馬雯波　許福

摘 要：CDIO模式強(qiáng)調(diào)工程活動(dòng)的完整生命周期，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operate），注重工程師系統(tǒng)構(gòu)建能力的培養(yǎng)?！恫牧狭W(xué)》是一門理論性較強(qiáng)、在各工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。該課程知識(shí)需要對(duì)工程活動(dòng)的完整生命周期的各個(gè)階段進(jìn)行系統(tǒng)化、定量化與科學(xué)化的描述。為解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，考慮《材料力學(xué)》課程的特點(diǎn)及目的，提出基于虛擬仿真平臺(tái)的CDIO創(chuàng)新型人才力學(xué)課程教學(xué)模式探索。在CDIO模式下，以實(shí)際工程活動(dòng)中產(chǎn)生的問題激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)以虛擬仿真平臺(tái)中的工程實(shí)例為中心進(jìn)行授課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程思想。教學(xué)實(shí)踐表明，基于CDIO理念，結(jié)合力學(xué)虛擬仿真平臺(tái)，能夠提高《材料力學(xué)》課程的教學(xué)效果，這也對(duì)高校學(xué)生全過程參與到工程活動(dòng)的完整生命周期中，成為能為工程項(xiàng)目的完整生命周期全方位服務(wù)的工程師提供有力支持。

關(guān)鍵詞：CDIO；虛擬仿真平臺(tái)；材料力學(xué)；創(chuàng)新性人才

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）06-0019-03

Abstract： CDIO model emphasizes the full cycle of conceive， design， implementation and operation of engineering activities， and focuses on the training of engineers' system construction capabilities. Material Mechanics is a basic theory of science， which has a strong theoretical relationship with engineering and technology. The conceive， design， implementation， and operation of the product， process， and system need systematically， quantitatively and scientifically description of their processes based on the course. In order to solve the shortcomings in the traditional teaching and based on the characteristics and purpose of the Material Mechanics course， this paper proposes an exploration of the teaching mode of CDIO innovative talents mechanics course based on the virtual simulation platform. In the CDIO mode， students 'interest in the course is stimulated by the problems arising from the actual engineering activities. At the same time， the courses are given centering on the engineering examples in the virtual simulation platform， with a focus on cultivating students' engineering thinking. The teaching effect can be improved based on CDIO and virtual simulation platform of mechanics. It also provides a strong support for the university students to participate in the complete life cycle of engineering activities and become a full-service engineer for the complete life cycle of the engineering project.

Keywords： CDIO； virtual simulation platform； Material Mechanics； innovative talents

一、CDIO理念

當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，工程師面臨的工程實(shí)踐環(huán)境日漸復(fù)雜化、多樣化，工程活動(dòng)過程中的不確定性與風(fēng)險(xiǎn)加劇，對(duì)工程師提出了更高的要求。工程活動(dòng)不僅需要工程師掌握簡單的科學(xué)和技術(shù)原理，還需要其具有更廣闊的技能和系統(tǒng)性的思維[1]。但是傳統(tǒng)教學(xué)模式培養(yǎng)下的工程師對(duì)于當(dāng)今社會(huì)的工程實(shí)踐環(huán)境無法較好應(yīng)對(duì)，當(dāng)前社會(huì)發(fā)展要求工程師具有更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、更高超的技術(shù)水平、良好團(tuán)隊(duì)合作能力及系統(tǒng)構(gòu)建能力。

2004年美國的“2020工程師（The Engineer of 2020）”計(jì)劃發(fā)表了名為《2020的工程師：新世界工程的愿景》的報(bào)告，對(duì)未來工程師的關(guān)鍵特征進(jìn)行了描述：“2020的工程師應(yīng)當(dāng)具備什么特征？他應(yīng)當(dāng)具有莉蓮·吉爾布雷斯的聰慧，愛因斯坦科學(xué)的洞察力，戈登·摩爾解決問題的能力，畢加索的創(chuàng)造力，埃莉諾·羅斯福的道德心，萊特兄弟的果斷，馬丁路德金的遠(yuǎn)見，以及小朋友的好奇心”。英國皇家工程院于2007年發(fā)布名為《培養(yǎng)21世紀(jì)的工程師》報(bào)告，該報(bào)告認(rèn)為未來社會(huì)急切需要那些具有“真實(shí)產(chǎn)業(yè)環(huán)境的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)”的工科畢業(yè)生，工程人才最重要的特質(zhì)就是“對(duì)理論知識(shí)的理解和創(chuàng)新，并具有團(tuán)隊(duì)合作、技術(shù)廣度和商務(wù)技能等”[2]。未來社會(huì)和產(chǎn)業(yè)界不僅僅只關(guān)注工程人員的技術(shù)專長，而逐漸重視工程人員綜合素質(zhì)和能力。

但是，目前世界各國均面臨著工程人才在質(zhì)量與數(shù)量上均不能滿足社會(huì)發(fā)展需要的問題。英國工程及科技學(xué)會(huì)（IET）2013年度工程和技術(shù)技能與行業(yè)需求調(diào)查報(bào)告表明，一半的工程公司招聘到滿足條件的工程師越來越困難；與2012年相比，更多的公司對(duì)剛畢業(yè)的大學(xué)生在校所學(xué)專業(yè)知識(shí)與學(xué)校教學(xué)內(nèi)容感到不滿；42%的受訪者認(rèn)為由于缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工程技術(shù)人才的專業(yè)技能水平較低。在日本，工程技術(shù)人才缺失嚴(yán)重，僅數(shù)字技術(shù)行業(yè)就有近50萬工程師的缺口，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是在西化現(xiàn)象的沖擊下，更多的年輕人選擇藝術(shù)、金融等相關(guān)專業(yè)，而不選擇制造業(yè)。截止2013年，我國91.5%的本科高校均開設(shè)有工科相關(guān)專業(yè)，2013年，普通工科本科與研究生在校生超過百萬人，普通本科工科畢業(yè)生達(dá)百萬人?？梢姡覈鴵碛惺澜缟献畲笠?guī)模的工程教育[3]。但我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量仍落后于世界先進(jìn)水平，其中最主要原因就是工程實(shí)際訓(xùn)練不足、缺乏技術(shù)創(chuàng)新能力和工程創(chuàng)新意識(shí)等。

CDIO模式由美國麻省理工學(xué)院（MIT）為主導(dǎo)，聯(lián)合瑞典的皇家技術(shù)學(xué)院（Royal Institute of Technology）、林雪平大學(xué)（Linkopin University）和查爾姆斯工業(yè)大學(xué)（Chalmers University of Technology）于2000年提出。CDIO模式，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate），它包含工程活動(dòng)的整個(gè)生命周期，強(qiáng)調(diào)工程活動(dòng)來源于實(shí)際的工程環(huán)境，提倡學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的工程人才培養(yǎng)模式。CDIO的四部分囊括了整個(gè)工程活動(dòng)的所有階段，明確了現(xiàn)代工程師在工程活動(dòng)各個(gè)階段應(yīng)當(dāng)完成的工作，該模式提出的出發(fā)點(diǎn)就是使培養(yǎng)的工程人才成為能夠勝任整個(gè)工程活動(dòng)周期工作的工程師[4]。

為加快創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，我國在2010年制定發(fā)布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》，同時(shí)教育部正式啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，該舉措是我國從工程教育大國走向工程教育強(qiáng)國的關(guān)鍵一步，旨在培養(yǎng)一批滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高創(chuàng)新意識(shí)、高質(zhì)量工程人才，為我國的社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)人才，使我國的綜合國力和核心競爭力得以提高。另外我國于2013年6月正式成為《華盛頓協(xié)議》的第21個(gè)簽約成員國，這在一定程度表明在中國社會(huì)多方不懈努力下，工程教育的質(zhì)量增高并得到國際普遍認(rèn)可。

CDIO工程教育模式經(jīng)過專家學(xué)者多年的不斷完善被認(rèn)為是如今國際工程教育改革中十分成功的典范。2006年，汕頭大學(xué)成為中國高校第一個(gè)CDIO成員，率先在中國進(jìn)行CDIO工程教育模式改革，意味著CDIO工程教育模式正式進(jìn)入中國。到如今，CDIO模式在我國工程教育界逐漸開花結(jié)果，對(duì)我國的工程人才培養(yǎng)模式改革產(chǎn)生了重大影響。

CDIO模式自進(jìn)入中國以來，便受到了一些高校與學(xué)者的關(guān)注與推廣，如今，該模式已經(jīng)受到國際社會(huì)的認(rèn)可。為使該模式在中國得到更大范圍的傳播應(yīng)用，高校與政府等做出了多方面努力，圍繞CDIO模式開展了多種多樣的研討會(huì)議和交流推廣活動(dòng)，這些努力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 舉辦各類會(huì)議和交流活動(dòng)

2007年教育部組織召開了“2007年國際CDIO研討會(huì)”，來自麻省理工學(xué)院、香港大學(xué)、清華大學(xué)等大學(xué)在內(nèi)的40多所國內(nèi)外高校的專家學(xué)者就如何推進(jìn)CDIO項(xiàng)目開展以及未來的工作安排等內(nèi)容進(jìn)行了討論，認(rèn)識(shí)到當(dāng)今時(shí)代下必須要進(jìn)行工程教育改革以滿足社會(huì)需要，將CDIO工程教育改革提上日程。隨后，在教育部高教司理工處支持下，汕頭大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)外高校針對(duì)CDIO模式舉辦了各類國際級(jí)別和國家級(jí)別的會(huì)議和交流活動(dòng)，CDIO理念在我國得以廣泛傳播， CDIO工程教育模式試點(diǎn)工作隨之開展。

2. 成立研究與實(shí)踐課題組及試點(diǎn)工作組

我國于2008年4月正式成立“CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組”，主要任務(wù)就是研究國際CDIO工程教育改革的理念和做法，吸收經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，調(diào)查分析我國工程教育實(shí)際狀況，對(duì)試點(diǎn)工作進(jìn)行指導(dǎo)。同年12月，汕頭大學(xué)聯(lián)合教育部高教司理工處召開了CDIO工程教育模式試點(diǎn)工作會(huì)議，會(huì)議確定了首批CDIO試點(diǎn)高校名單，同時(shí)成立了CDIO試點(diǎn)工作組，對(duì)試點(diǎn)工作進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流，為我國的工程教育改革做出重大貢獻(xiàn)。

3. 國內(nèi)高校聯(lián)合啟動(dòng)，開展試點(diǎn)工作

自汕頭大學(xué)正式加入CDIO國際合作組織后，隨后包括北京交通大學(xué)、清華大學(xué)在內(nèi)的七所大學(xué)也先后加入該組織。與此同時(shí)，各校CDIO改革試點(diǎn)工作在教育部高教司的全力支持下得以全面開展，并迅速發(fā)展起來，目前我國共有39所大學(xué)參與CDIO工程教育改革試點(diǎn)工作，這個(gè)數(shù)字還在繼續(xù)增加。

在CDIO能力培養(yǎng)大綱的前提上，汕頭大學(xué)等一批學(xué)校根據(jù)自己的學(xué)科設(shè)置與教育目的等做了繼承基礎(chǔ)上的再創(chuàng)新，探索出了更適合自己實(shí)際的CDIO改革模式。汕頭大學(xué)的EIP-CDIO模式和大連東軟信息學(xué)院的TOPCARES-CDIO模式是目前國內(nèi)創(chuàng)新發(fā)展出的兩種比較有代表性的CDIO改革模式。汕頭大學(xué)考慮自身的教學(xué)目標(biāo)和辦學(xué)特點(diǎn)，探索研究出了一種以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的EIP-CDIO創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，該模式認(rèn)為如今社會(huì)需要工程師擁有更高的職業(yè)道德（Ethics）、誠信（Integrity）以及職業(yè)素養(yǎng)（Professionalism，在CDIO基本框架的基礎(chǔ)上，融入了E、I、P元素。大連東軟信息學(xué)院則結(jié)合我國工程教育現(xiàn)狀和IT行業(yè)的人才需求標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)學(xué)校的IT專業(yè)實(shí)際情況，探索出了具有東軟特色“TOPCARES-CDIO”工程人才培養(yǎng)模式。其中，TOPCARES每一個(gè)字母代表學(xué)生應(yīng)具備的一項(xiàng)能力，具體為T（Technical Knowledge and Reasoning）技術(shù)知識(shí)與推理能力，O（Open Minded and Innovation）開放式思維與創(chuàng)新，P（Personal and Professional Skills）個(gè)人職業(yè)能力，C（Communication and Teamwork）溝通表達(dá)與團(tuán)隊(duì)工作，A（Attitude and Manner）態(tài)度與習(xí)慣，R（Responsibility）責(zé)任感，E（Ethical Values）價(jià)值觀，S（Social Value Created by Application Practice）實(shí)踐應(yīng)用創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值，最終讓CDIO模式深深扎根于中國工程教育的土壤上。可以預(yù)想CDIO模式將應(yīng)用在中國的多種領(lǐng)域，更加富于多樣性與創(chuàng)新型。但目前大多數(shù)高等院校均只停留在對(duì)CDIO理念在課程安排中的創(chuàng)新，未能結(jié)合CDIO模式讓學(xué)生對(duì)實(shí)際工程活動(dòng)的完整生命周期（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作）進(jìn)行全方位認(rèn)識(shí)了解，且未將運(yùn)行成本更加低的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入高等院校的CDIO培養(yǎng)模式。

二、《材料力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀

《材料力學(xué)》是一門理論性較強(qiáng)、緊密聯(lián)系于實(shí)際工程實(shí)踐的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作的完整生命周期中都需要該專業(yè)知識(shí)去系統(tǒng)化、定量化和科學(xué)化地描述其過程[5]。故力學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生（包括工程力學(xué)專業(yè)、機(jī)械工程專業(yè)和土木工程專業(yè)等）應(yīng)熟練運(yùn)用所學(xué)定理、定律和結(jié)論，并了解產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作的完整生命周期，使得其所學(xué)知識(shí)能有的放矢地解決工程實(shí)際問題[6]。而對(duì)于大多數(shù)高等院校，《材料力學(xué)》的教學(xué)主要以下兩個(gè)方面的問題。

一是教學(xué)內(nèi)容和形式幾乎相似，難以滿足不同專業(yè)對(duì)《材料力學(xué)》教學(xué)要求，加上目前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整速度加快，需要對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行更新。“灌輸式”教學(xué)仍然是目前課堂教學(xué)的主流，學(xué)生被動(dòng)地接受教師所傳授的只是，師生之間互動(dòng)較少，課堂氛圍沉悶。

二是缺少有目的性的實(shí)踐練習(xí)，課堂上所講授的理論內(nèi)容沒有進(jìn)行充分地實(shí)踐練習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后仍然存在盲目性。所以，在課堂授課的基礎(chǔ)上應(yīng)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，杜絕學(xué)生只會(huì)照搬教材的方法、不會(huì)變通的教學(xué)困境。而高等學(xué)校所開設(shè)的實(shí)習(xí)工廠、實(shí)習(xí)基地等場地存在諸多限制（如學(xué)生培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)限制或本地缺乏工程活動(dòng)全周期的相關(guān)產(chǎn)業(yè)），使得在校學(xué)生不能完整地了解產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作的整個(gè)生命周期。

三、基于CDIO理念和虛擬仿真平臺(tái)的教學(xué)改革探索

本研究借鑒世界高等工程教育推崇的CDIO模式，找出在工程活動(dòng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作的完整生命周期中的“材料力學(xué)”相關(guān)問題，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬再現(xiàn)該工程活動(dòng)，讓高校學(xué)生能在更大范圍和更低成本下，更深入地分析工程活動(dòng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作等過程。提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)交流等能力。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

《材料力學(xué)》教學(xué)改革中，以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，增加“材料力學(xué)”課程在工程應(yīng)用方面講解。協(xié)調(diào)好“材料力學(xué)”課程與其他課程間的教學(xué)內(nèi)容的銜接，整合重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，使得“材料力學(xué)”與其他課目緊密聯(lián)系起來，形成整體教學(xué)。在教學(xué)大綱的目標(biāo)要求下，可將授課內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識(shí)和拓展知識(shí)兩部分內(nèi)容。基礎(chǔ)知識(shí)為所有學(xué)生應(yīng)熟練掌握的知識(shí)，該內(nèi)容為后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。拓展知識(shí)的內(nèi)容主要針對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，該內(nèi)容主要為“材料力學(xué)”與其他課程間的聯(lián)系內(nèi)容，需要任課教師與各相關(guān)專業(yè)課程教師協(xié)商后制定。主要以小組討論的形式進(jìn)行，學(xué)生針對(duì)任課老師所列工程問題，分小組（一般為4～5人一組）搜集資料、結(jié)合所學(xué)知識(shí)開展工程問題的解答。此處需要結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)中的工程實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)，其中工程實(shí)例由任課教師與各相關(guān)專業(yè)課程教師協(xié)商后制定。學(xué)生通過組隊(duì)完成工程問題可以加深各課程間聯(lián)系，提高思維能力和整體分析能力。

該方法通過激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣來達(dá)到增強(qiáng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)的目的，使其在學(xué)習(xí)過程中完成工程問題，感受到學(xué)習(xí)成功的快樂。其中，工程問題的設(shè)置中，不僅需要任課教師與各相關(guān)專業(yè)課程教師協(xié)商后制定，而且需要結(jié)合工程活動(dòng)中CDIO四個(gè)重要環(huán)節(jié)，以問題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)以工程實(shí)例為中心，圍繞工程實(shí)例進(jìn)行授課。以應(yīng)用為目標(biāo)，將教學(xué)活動(dòng)與工程任務(wù)結(jié)合在一起。

（二）改革課程考核方式

針對(duì)上述教學(xué)模式，需要對(duì)相應(yīng)的考核方式進(jìn)行必要修改。首先需要提高了平時(shí)成績的比例，以40%為宜，且增加平時(shí)成績的考核范圍。針對(duì)某一工程問題的學(xué)習(xí)，需要對(duì)研究報(bào)告、報(bào)告展示等進(jìn)行相關(guān)考核，記入平時(shí)成績；增加課堂中討論交流、課外讀書報(bào)告、小論文等方面的成績。針對(duì)學(xué)習(xí)過程中提出創(chuàng)新性想法的學(xué)生給予一定的加分。其次，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的考核。一方面“材料力學(xué)”虛擬工程實(shí)踐的成績作為平時(shí)成績計(jì)入期末成績；另一方面，在期末考試中加入工程實(shí)踐方面的考題，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析實(shí)際問題。讓高校學(xué)生能更深入地分析工程活動(dòng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作各個(gè)過程。提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)交流等能力。

四、結(jié)束語

針對(duì)《材料力學(xué)》課程的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，通過教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，提出基于虛擬仿真平臺(tái)的CDIO創(chuàng)新型人才力學(xué)課程教學(xué)模式探索。在教學(xué)中，以工程活動(dòng)中的問題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)以虛擬仿真平臺(tái)中的工程實(shí)例為中心進(jìn)行授課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程思想。教學(xué)實(shí)踐表明，基于CDIO理念，結(jié)合力學(xué)虛擬仿真平臺(tái)，能夠提高該課程的教學(xué)效果，這也為高校學(xué)生能更深入地分析工程活動(dòng)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作等過程，成為能為產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的生命周期全方位服務(wù)的工程師提供有力支持。今后我們還將不斷探索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善基于CDIO理念的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才發(fā)揮重要作用。

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