CDIO工程教育理念的結構力學課程教學改革研究

莫春美 黃君 黃家聰

摘? 要：為提高結構力學教學效果，培養(yǎng)學生解決實際工程問題能力和創(chuàng)新能力，文章在對當前結構力學課程教學存在問題進行剖析的基礎上，探索CDIO工程教育模式在結構力學課程教學過程中的設計和應用，以項目為載體，對結構力學課堂教學內容進行項目設計化，實施“四層階梯式”結構力學實踐教學模式改革，注重理論知識工程應用化，加強綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實踐證明，CDIO的教學模式能激發(fā)學生學習興趣，讓學生更加清晰地認識結構力學與工程的密切關系，培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)，啟迪其工程思維，提高學生解決土木工程領域相關工程問題的能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：CDIO;工程教育;結構力學;課程改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）17-0136-04

結構力學是土木工程專業(yè)的專業(yè)核心課，課程理論性強且與工程實踐密切相關，為土木工程專業(yè)的學生將來工作解決實際工程中力學問題提供科學的思路和方法，在應用型人才培養(yǎng)計劃中占著重要地位。

2004年由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學研究出了CDIO工程教育模式，代表著“構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operation）”，CDIO工程教育模式下以工程項目為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程知識，培養(yǎng)專業(yè)知識、個人能力和團隊協(xié)作能力[1]。2005年CDIO模式最早由我國的汕頭大學發(fā)起研究，在國內引起了強烈反響，在教育部的高度重視下，各高校紛紛將CDIO工程教育模式引入課程改革中，并取得不少研究成果[2-6]。

南寧學院是教育部首批應用科技大學改革試點高校之一，堅持地方性、應用型辦學定位，努力為新時代區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展培養(yǎng)高素質應用型人才。立足于辦學定位和社會對土木工程專業(yè)人才需求情況，針對目前結構力學教學中存在的問題，學校將CDIO理念引進結構力學課程教學中，從教學方式、教學模式和教學內容等方面進行改革，優(yōu)化考核評價機制，注重學生過程性培養(yǎng)，提高學生的專業(yè)性、實踐性和創(chuàng)新性，為高校培養(yǎng)土木工程專業(yè)復合型人才助力。

一、教學現(xiàn)狀

結構力學作為土木工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，重點培養(yǎng)學生掌握結構的受力特點并學會進行綜合分析的能力，在整個專業(yè)培養(yǎng)計劃中占有重要的地位，然而在現(xiàn)有的培養(yǎng)模式下，一些院校對結構力學的學時進行了一定程度的壓縮，這使得教學過程中既要保證最大信息量，又要保證教學效果，使學習過程變得更加困難，導致學生積極性不高，學習效率低，考試不理想、掛科現(xiàn)象嚴重等情況。當前在結構力學的教學中主要存在三個方面問題：教學形式比較局限;重教輕學、重理論輕實踐;學生的團隊協(xié)作意識較差，使得學生的測試和實習結果均不理想，不能達到教學目標的要求，亟待進行相應的教學改革。

（一）教學形式比較局限

結構力學課程理論性很強，涉及結構多樣且計算量大，傳統(tǒng)的教學方法大多是依靠板書和PPT進行講述，教師通過口頭講述概念、演示計算和推導公式等形式將知識傳授于學生，這種“填鴨式”的教學方法久而久之會讓課堂顯得沉悶乏味，使學生很難提起學習的興趣。

（二）重教輕學、重理論輕實踐

結構力學涉及的計算量多且課時有限，在傳統(tǒng)的課堂教學中，教師花更多時間去講授每道題的計算方法和步驟，理論知識的講授占據(jù)了課程絕大多數(shù)甚至全部的時間，學生自主學習、思考的機會并不多，久而久之，學生只重視最終計算結果，并不能有效地將力學知識與實際工程問題相聯(lián)系，積極性和主動性也漸漸降低，這種模式不利于培養(yǎng)學生的自主學習能力和實踐能力，學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也受到了制約。

（三）學生的團隊協(xié)作意識較差

以往課堂教學內容偏重理論知識講解，學生的學習任務大多是完成課后練習和期末考試，學生團隊協(xié)作、共同解決問題環(huán)節(jié)很少，不利于培養(yǎng)學生的團隊合作意識和提高交流溝通能力。

二、基于CDIO工程教育理念的教學改革

培養(yǎng)應用型高素質人才是結構力學課程的最終目標，如果一直按照傳統(tǒng)的教學方式進行授課，不利于學生的實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而讓學生以主動實踐的方式學習工程知識的CDIO理念，從工程知識、個人和團隊能力等層面進行培養(yǎng)，與應用型高校培養(yǎng)復合型人才目標一致，因此本研究基于CDIO工程教育理念，從結構力學課程教學方法、教學模式和教學內容等方面進行改革嘗試，旨在提高學生的專業(yè)水平，提高學生的實踐能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

（一）調整教學方法和教學模式

將多元化教學方法引進結構力學課程中，提高學生的學習興趣。

1. 案例教學法：培養(yǎng)畢業(yè)生具備工程專業(yè)技術能力是CDIO工程教育理念下的專業(yè)培養(yǎng)的目標之一，結構力學課程知識點與實際工程密不可分，教學過程應結合實際工程，突出專業(yè)性和前沿性。如講授“桁架”章節(jié)時，教師可引導學生先進行文獻、資料的查閱，使其了解工程背景，然后建立其力學簡圖，并進行內力分析，最后再回歸到工程實際中。

2. 項目教學法：CDIO工程教育模式以工程項目為載體，因此將結構力學的教學內容重新整合，并進行項目化，如開展“結構設計”項目實踐環(huán)節(jié)，可以以小組形式進行展開，學生通過團隊協(xié)作，查找相關資料，共同構思設計方案、對結構進行設計、結構建模分析及優(yōu)化，最后進行模型制作，整個項目完成過程中個人能力得以施展，團隊協(xié)作能力創(chuàng)新能力也得到了提升。

3. 討論法：在工程案例分析的基礎上，教師依據(jù)學生的知識掌握程度設計1—2個的拓展性問題，組織學生分組討論，注重學生的課堂教學參與度，以工程案例為背景激發(fā)學生的興趣并調動其積極性，引導學生主動思考，進而提高學生應用工程知識解決實際問題的能力[7]。

合適的教學模式有利于課堂教學目標達成，主動的學習方式在眾多現(xiàn)代學習方式中是學習效率最高的，“對分課堂”教學模式將課堂分成兩部分，其中一部分就交給學生以討論的形式進行互助學習，充分發(fā)揮學生的主體性。在結構力學課堂中采用“對分課堂”教學模式，教師不需事無巨細地講授，需要學生了解學習的內容框架、重難點等，預留給學生一定空間，引導學生對教師預先設計好的問題進行自主思考、然后依托“亮考幫”開展小組合作學習，最后進行全班交流?！皩Ψ终n堂”教學模式強調師生互動和生生互動，充分發(fā)揮學生的主體性[3-9]。

（二）教學內容改革

在CDIO教育理念指導下，本研究對結構力學課程涉及的結構幾何組合分析、結構內力分析、結構位移分析等三個模塊相關內容進行項目化設計，實施以項目為載體的“四層階梯式”實踐教學模式，具體見表1。

1. 夯實課程理論基礎

打好扎實的理論基礎是后續(xù)實踐應用和創(chuàng)新的基石。該層次階梯主要要求學生掌握結構的幾何特征、計算簡圖的簡化要點、約束類型等基本概念、原理，能根據(jù)實際結構特征，分析其幾何構造并繪制正確的力學簡圖，在學習完該部分內容后，各小組學生根據(jù)教師布置的項目要求，制作一個幾何不變體系的模型，最后以各小組展示、匯報的形式進行過程性考評，強化學生的工程素質，夯實理論基礎，為提高學生實踐技能提供必要條件。

2. 加強知識應用和課程拓展

教師應及時更新優(yōu)化課堂教學內容，將梁、拱和桁架的相關內容進行項目化設計，引入工程背景，讓學生自行分析各項目的工程結構背景，分析結構特點，繪制力學簡圖，選取合適方法進行內力分析，通過完成雨篷梁、公路橋梁、拱橋和鋼屋架的受力分析等項目，能夠將理論知識進行充分吸收及應用，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)墓こ趟季S邏輯和提高知識的應用能力。

3. 培養(yǎng)綜合實踐能力

加強綜合實踐能力的提升，將靜定結構和超靜定結構內力、位移分析相關內容進行項目化，利用工程實例強化學生結構力學與實際工程相結合的綜合應用能力，各小組根據(jù)單層工業(yè)廠房和混凝土框架結構施工圖，根據(jù)CDIO思想，首先對問題進行構思，從方便性和原結構特點的真實性方面考慮，對原結構的其中一榀框架進行分析。其次，對工程問題進行設計，結合混凝土結構原理、鋼結構等專業(yè)課知識，對項目中各結構的梁、柱等構件進行截面設計。最后，對工程問題進行實施和運行，利用PKPM結構設計軟件或者ABAQUS數(shù)值仿真軟件對結構進行建模分析和優(yōu)化。該環(huán)節(jié)注重學生綜合能力的培養(yǎng)，提高學生的團隊協(xié)作能力，促進結構力學與其他專業(yè)課知識的有效結合，使學生的專業(yè)知識更加系統(tǒng)化。

4. 提高學生創(chuàng)新能力

該教學層次是以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向的實踐層。大學生結構設計競賽內容主要包括結構構思、結構類型設計、結構模型制作和結構分析等四大環(huán)節(jié)，CDIO與大學生結構設計競賽流程相吻合。高?？砷_展結構設計競賽，實現(xiàn)專業(yè)與創(chuàng)新教育有機融合，學生通過結構方案設計、分析及模型制作，鞏固專業(yè)知識，加強實踐動手和團隊合作，突出創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的科學研究興趣?；诮Y構設計競賽和CDIO理念的結構力學教學模式路徑圖如圖1所示。

（三）優(yōu)化課程評價考核機制

在CDIO工程教育模式下，不再采用以往的平時成績和期末考試成績各占30%和70%的考核形式，而是提高過程性考核比例，優(yōu)化課程評價考核機制，更注重學生的課堂參與度和過程能力培養(yǎng)，具體考核評定方法見表2。

三、結語

CDIO工程教育理念代表當代工程教育的發(fā)展趨勢，本研究基于CDIO工程教育理念，調整傳統(tǒng)教學方法、模式，并對結構力學課堂教學內容進行項目化，以學生為中心，實施“四層階梯式”結構力學實踐教學。改革實踐證明，通過項目設計化，課程不再枯燥乏味，學生學習興趣高漲，有效實現(xiàn)了理論與實踐相結合，學生分析問題、解決問題的能力和實踐創(chuàng)新能力均有所提高，為推進高素質應用型人才的培養(yǎng)全過程提供了有效的方式。

參考文獻：

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[8] 魏科豐，陳凱，孔來穩(wěn). 獨立學院結構力學課程分類教學的探索與實踐——以長江大學工程技術學院為例[J]. 四川建材，20 13（05）：246-247+249.

[9] 于桂蘭，曹艷梅，賈影，等. 工程化教學理念在《結構力學》課程中的實踐[J]. 教育教學論壇，2018（07）：99-101.

（薦稿人：肖湘，南寧學院教授）

基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目“基于虛擬仿真技術的應用型本科《結構力學》教學改革研究與實踐 ”（項目編號：2020JGB430）;南寧學院本科專業(yè)核心課程建設項目“結構力學”（項目編號：2019BKHXK02）;南寧學院校級教學團隊“OBE+CDIO 教學團隊”（項目編號：2021XJJXTD03）。

作者簡介：莫春美（1990—），女，碩士，南寧學院土木工程教研室講師，研究方向為土木工程、計算結構力學;黃君（1987—），女，博士，南寧學院土木工程教研室講師，工程師，研究方向為結構工程、計算結構力學;黃家聰（1987—），男，碩士，南寧學院土木工程教研室講師，研究方向為橋梁工程。