基于CDIO工程教育理念的材料力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

劉安中，張 速

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

基于CDIO工程教育理念的材料力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐

劉安中，張 速

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

針對材料力學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行改革，將CDIO工程教育理念引入到課程的教學(xué)過程中，教學(xué)實(shí)踐表明：在材料力學(xué)課程教學(xué)中，采用CDIO工程教育理念，學(xué)生不僅動手能力、創(chuàng)新思維能力得到提高，而且也激發(fā)了他們學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的興趣.

CDIO工程教育理念；材料力學(xué)；教學(xué)；實(shí)踐

0 引言

在土木類和機(jī)械類工科院校中，材料力學(xué)課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課.但是，在傳統(tǒng)的教學(xué)方法下，由于材料力學(xué)課程內(nèi)容比較多，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中缺乏必要的工程背景，一些學(xué)生便會對該課程產(chǎn)生畏難情緒，覺得枯燥無味，逐漸對這門課程失去了學(xué)習(xí)的興趣.而材料力學(xué)課程的基礎(chǔ)不扎實(shí)，將對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生很大的影響.根據(jù)這種情況，我們嘗試將CDIO工程教育理念引入到材料力學(xué)課程教學(xué)中.

CDIO是由麻省理工學(xué)院連同瑞典3所頂尖工業(yè)大學(xué)共同倡導(dǎo)，集多國工程教育精英耗資數(shù)百萬美元所建立的一整套工程教育理念和實(shí)施體系［1-2］.CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Imple?ment）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(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、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程［3-4］.根據(jù)CDIO工程教育理念，將其運(yùn)用到材料力學(xué)課程教學(xué)過程，教師只是作為課程教學(xué)的啟發(fā)者，而不是作為課程教學(xué)的灌輸者.教師在課程教學(xué)過程中，根據(jù)實(shí)際情況，可采用多種有效形式和手段，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，通過提出問題，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，從而使學(xué)生掌握所學(xué)的知識.在課堂上，教師可根據(jù)課程的教學(xué)任務(wù)和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力為學(xué)生設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.在實(shí)踐課堂上，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，分組合作、互相配合，培養(yǎng)學(xué)生動手的能力和團(tuán)隊(duì)合作的能力.

1 教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

1）改進(jìn)教學(xué)手段，把過去枯燥的課程教學(xué)變成讓學(xué)生感興趣的課，加深對課程內(nèi)容的理解.2）在課程教學(xué)中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和團(tuán)體合作意識.3）在課程教學(xué)中，將課程內(nèi)容與力學(xué)建模結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力.

2 基于CDIO工程教育理念的材料力學(xué)課程教學(xué)

2.1 課程內(nèi)容教學(xué)方法的改進(jìn)

針對每一章、每一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，首先對其進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)：即采用什么樣的教學(xué)方法、手段，如何引入學(xué)生感興趣的圖片、視頻等，有條件的話不妨帶學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察；然后構(gòu)思、設(shè)計(jì)進(jìn)行運(yùn)作.例如，在講授等直圓桿扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件這一節(jié)時，按照CDIO工程教育理念，采用的方法是引導(dǎo)教學(xué)法［5］，引導(dǎo)教學(xué)法就是引導(dǎo)學(xué)生通過閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論等途徑主動去提出問題、研究問題和總結(jié)規(guī)律，以達(dá)到獲得知識的過程.在講授這一節(jié)內(nèi)容前，首先讓學(xué)生閱讀教材，然后根據(jù)所閱讀的教材提出問題.例如，有的學(xué)生提的問題是：塑性材料低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞截面是橫截面，脆性材料鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞截面是斜截面，感到不好理解.根據(jù)學(xué)生所提出的問題，我們采用的教學(xué)手段是：在課堂上先給學(xué)生放有關(guān)這兩種材料發(fā)生扭轉(zhuǎn)的視頻，增加學(xué)生的感性認(rèn)識；接著讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里通過對這兩種材料的構(gòu)件做扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行觀察，然后對所觀察的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)；最后根據(jù)學(xué)生總結(jié)的結(jié)果，進(jìn)行針對性、啟發(fā)式講解.實(shí)踐表明：通過這種改進(jìn)方法和手段，把過去枯燥的課程教學(xué)變成生動的課程教學(xué)，學(xué)生不僅掌握了所學(xué)的知識，而且也激發(fā)學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的興趣.

2.2 課程教學(xué)過程中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合

在以往的材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，采用的教學(xué)方法基本上是滿堂灌的教學(xué)方式，至于如何將理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力卻很少涉及.為解決這個問題，按照CDIO工程教育理念：構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作，在課程某些章的教學(xué)中，將理論與實(shí)踐相結(jié)合.例如，在講授壓桿穩(wěn)定這一章中，在教學(xué)前，首先構(gòu)思設(shè)計(jì)引入什么樣的動畫和工程圖片；理論結(jié)合實(shí)踐，采用什么樣的教學(xué)方法和手段，以及如何讓學(xué)生設(shè)計(jì)一些感興趣的項(xiàng)目，自己動手制作.經(jīng)過具體的構(gòu)思、設(shè)計(jì)后，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作.在教學(xué)中采用的動畫是：細(xì)長壓桿受荷載作用，穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡；工程圖片有：加拿大魁北克橋失穩(wěn)、南京電視臺演播中心屋頂澆筑混凝土?xí)r，腳手架失穩(wěn)等圖片；理論與實(shí)踐相結(jié)合，采用的教學(xué)方法是探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)法［5］，首先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)書本上的理論自己先提出問題，找出解決問題的方案.然后，按照方案來實(shí)踐.例如，為了研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有些學(xué)生提出設(shè)計(jì)一個桁架結(jié)構(gòu)來觀察.根據(jù)學(xué)生提出的設(shè)計(jì)方案，采用的教學(xué)手段是：讓學(xué)生齊心協(xié)力動手制作.圖1是學(xué)生在學(xué)習(xí)完這一章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在課外科技活動中自己動手制作的一個桁架模型，為了防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，桁架頂部用兩根交叉木桿固定.最后將實(shí)踐結(jié)果讓教師來點(diǎn)評.對于學(xué)生所做的理論與實(shí)踐相結(jié)合的方案，以及實(shí)踐得出結(jié)果，教師不僅點(diǎn)評，而且給予鼓勵.實(shí)踐表明，按照CDIO工程教育理念來教學(xué)，不僅活躍學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的課堂氣氛，拉近教師和學(xué)生的距離，而且也培養(yǎng)他們動手和團(tuán)結(jié)合作的能力.

圖1 學(xué)生動手制作的桁架模型

2.3 加強(qiáng)學(xué)生建模能力的培養(yǎng)

在實(shí)際工程中，建立力學(xué)模型是用力學(xué)知識分析問題的第一步，但是在以往材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，關(guān)于力學(xué)建模這方面的知識卻很少介紹，以至于學(xué)生們只會做書本上力學(xué)模型已經(jīng)建立好的題目，對于碰到的力學(xué)模型還沒有建立的實(shí)際問題，如何進(jìn)行力學(xué)分析，卻不知道如何解決.根據(jù)這種情況，按照CDIO工程教育理念，先考慮采用什么樣的方法來進(jìn)行教學(xué)，然后具體如何運(yùn)作.經(jīng)過研究后，采用的方法是啟發(fā)式教學(xué)方法和研究式教學(xué)法綜合［5］，就是先由教師指定課題，提供閱讀材料（必要時做些提示），由學(xué)生自己去研究，得出答案.在此基礎(chǔ)上，再讓學(xué)生自己去找題研究，寫出報告或研究心得，最后老師或做結(jié)論，或不做結(jié)論.例如，在講授構(gòu)件受沖擊荷載作用時動應(yīng)力計(jì)算這一節(jié)時，就給了實(shí)際生活中一個跳水運(yùn)動員從跳板上跳水時動應(yīng)力如何計(jì)算的題目，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識查資料.首先建立跳板的力學(xué)模型，然后再進(jìn)行動應(yīng)力計(jì)算.學(xué)生們根據(jù)所給的條件經(jīng)過研究后選用的力學(xué)模型是超靜定梁，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了動應(yīng)力計(jì)算.完成這項(xiàng)工作后，就讓同學(xué)自己去找題研究，例如在課外科技活動中，學(xué)生就學(xué)會自己找題大家齊心合力來研究，圖2就是學(xué)生通過自己找題進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力這方面研究的實(shí)踐.通過實(shí)踐，由老師對學(xué)生所做的結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評.總之，按照CDIO工程教育理念進(jìn)行課程教學(xué)，實(shí)踐表明：不僅培養(yǎng)了學(xué)生研究分析問題的能力，而且還鍛煉了團(tuán)結(jié)協(xié)作、互相配合的能力，更重要的是提高了他們的創(chuàng)新思維的能力.

圖2 學(xué)生課外科技活動

3 結(jié)語

圍繞CDIO工程教育理念進(jìn)行材料力學(xué)課程教學(xué)，將多種教學(xué)方法融入到課程的教學(xué)過程中，理論與實(shí)踐相結(jié)合，使枯燥的材料力學(xué)課程教學(xué)變成學(xué)生感興趣的課程教學(xué)，不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的積極性，而且也加強(qiáng)了學(xué)生動手能力、建模能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng).

［1］邵廣軍，呂平，王軍.CDIO工程教育模式下大學(xué)生非專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)研究［J］.黑龍江高教研究，2011（5）：136-138.

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

［3］田海梅，朱保平，陳愛萍.基于CDIO模式的綜合項(xiàng)目改革的實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（4）：130-132.

［4］王金娥.基于興趣和自主的CDIO教學(xué)模式研究［J］.現(xiàn)代教育科學(xué)，2012（2）：89-91.

［5］劉舒生.教學(xué)法大全［M］.北京：經(jīng)濟(jì)日報出版社，1992：375-382.

Teaching Practice of Material Mechanics Based on CDIO Engineering Education Concept

LIU Anzhong，ZHANG Su
（School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，230601，Hefei，Anhui，China）

Regarding the reform the traditional teaching method of material mechanics，the concept of CDIO engineering education is introduced in the teaching process of the mentioned course.Years of teaching prac?tice show that after the introduction of CDIO engineering education，students′problem-solving ability and creative thinking have been improved.It will also stimulate students′interest in learning the course.

CDIO engineering education；material mechanics；teaching practice

TB 301-4

C

2095-0691（2016）04-0086-03

2016-09-14

安徽省級重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目資助（2014jyxm244）

劉安中（1958- ），男，安徽合肥人，教授，研究方向：材料、固體力學(xué).