關(guān)于理論力學(xué)教與學(xué)中CDIO理念應(yīng)用的思考

洪哲浩++丁智++李丹薇

基于國際先進(jìn)的CDIO工程教育理念，在《理論力學(xué)》這門土木工程必修課的教學(xué)中，讓學(xué)生自由分組開展基于理論力學(xué)課程的CDIO項(xiàng)目的建模分析與實(shí)踐，教師通過學(xué)生課堂上的成果展示進(jìn)行評價(jià)和指導(dǎo)，可以有效的提升學(xué)生對理論力學(xué)的理解，更利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神、科學(xué)探索思維、實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

教學(xué)創(chuàng)新理論力學(xué)CDIO項(xiàng)目一、引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年起，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2000萬美元巨額資助，經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立了 CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織。

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它改變了重理論輕視實(shí)踐的傳統(tǒng)教育模式，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在此基礎(chǔ)上通過貫穿于學(xué)生個(gè)人團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、與課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

CDIO作為一種創(chuàng)新的教育模式，國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明這一理念和方法是先進(jìn)可行的，在工程領(lǐng)域教學(xué)改革創(chuàng)新方面得到了廣泛認(rèn)同和大力推廣。浙江大學(xué)城市學(xué)院的土木工程和機(jī)械工程是教育部首批CDIO工程教育試點(diǎn)專業(yè)之一。在工程教育的大氛圍和大環(huán)境下《理論力學(xué)》中引入了CDIO項(xiàng)目，為本課程帶來改革創(chuàng)新，提高了課程教育質(zhì)量。本文將從CDIO項(xiàng)目對學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》這門課程的理解及其對教學(xué)方法的啟迪進(jìn)行論述。

二、理論力學(xué)課程介紹及教學(xué)現(xiàn)狀

1.課程介紹

《理論力學(xué)》研究物體機(jī)械運(yùn)動的一般規(guī)律，是高等院校工科專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，是與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的課程。系統(tǒng)介紹靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)的基本概念、基本原理以及處理問題的基本方法，不僅為《材料力學(xué)》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《彈性力學(xué)》等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，更在于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、抽象思維能力。作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，理論力學(xué)的課程學(xué)習(xí)效果將直接影響土木工程專業(yè)學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)能力和以后的發(fā)展。

2.教學(xué)現(xiàn)狀

（1）理論力學(xué)的發(fā)展歷史悠久，傳統(tǒng)性知識比例較大，內(nèi)容大多幾代沿襲，知識陳舊，力學(xué)模型過于抽象，工程背景不夠明顯，學(xué)生普遍覺得課程枯燥乏味、難以掌握；另一方面，課堂教學(xué)方法和手段過于單一，導(dǎo)致學(xué)生參與教學(xué)程度低。

（2）受傳統(tǒng)教育觀念的影響，與其他課程一樣，現(xiàn)階段的理論力學(xué)課程，無論教材還是教學(xué)內(nèi)容，都重理論，輕實(shí)踐應(yīng)用。

三、理論力學(xué)中CDIO項(xiàng)目的應(yīng)用及效果

1.CDIO項(xiàng)目在理論力學(xué)中的應(yīng)用

在理論力學(xué)的教學(xué)過程中，CDIO項(xiàng)目作為一個(gè)不可分割的存在，以一種不同于平時(shí)教學(xué)方法的形式，讓同學(xué)們自己對靜力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，得出結(jié)論，并進(jìn)行展示來加深對理論力學(xué)的理解。

在開展CDIO項(xiàng)目之前，要求同學(xué)們先進(jìn)行自由分組（3人以下包括3人），并將分組結(jié)果上傳至BB平臺。然后要求小組成員從身邊的生活和工程實(shí)際問題中選擇一個(gè)靜力學(xué)模型，確定其不同的約束類型并對其進(jìn)行簡化。再對簡化之后的模型進(jìn)行受力分析，列出力學(xué)方程，計(jì)算出所有約束力的大小和方向，受力分析之后要求小組成員制作成果匯報(bào)PPT和計(jì)算書對力學(xué)模型進(jìn)行介紹和分析，所有分析和計(jì)算過程在PPT和計(jì)算書上必須有所體現(xiàn)。最后在課堂上進(jìn)行小組展示，其他小組以及老師通過對展示的小組進(jìn)行提問和指導(dǎo)以及他們所展示的內(nèi)容進(jìn)行評分。在所有小組展示完畢后，每個(gè)小組需要將自己小組的成果文檔、小組自評分和對其他小組的評分上傳至BB平臺。CDIO項(xiàng)目的最終得分有小組自評、同學(xué)互評和老師的評分總和而成，并占期末總評的15%。

在這一過程中，學(xué)生獨(dú)立分析問題并對其他小組的展示進(jìn)行提問，不僅鞏固了所學(xué)到的知識，還對理論力學(xué)這門課程有了更為深刻的理解，為日后的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

2.CDIO項(xiàng)目在理論力學(xué)教學(xué)中的效果

針對CDIO項(xiàng)目對理論力學(xué)教學(xué)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)成效，本文選取本學(xué)期理論力學(xué)期末成績進(jìn)行分析。

圖1中的期末成績是指期末的卷面成績，總評成績是指期末卷面成績與CDIO成績按比例相加之后的成績。圖1中將期末成績按高到低進(jìn)行排序，再畫出其對應(yīng)的總評成績曲線。分析圖中曲線可知，CDIO項(xiàng)目對于期末成績較差的同學(xué)來說，對總成績的幫助很明顯。對于成績較為優(yōu)秀的同學(xué)來說，對總評成績的提高不是特別明顯，甚至還有一些同學(xué)雖然期末卷面成績很不錯(cuò)，但是由于CDIO項(xiàng)目沒有做好，導(dǎo)致總評成績有所下降?？梢奀DIO項(xiàng)目的實(shí)施更有效地考察了學(xué)生的知識綜合運(yùn)用水平。

圖2中的期末成績是學(xué)生的期末卷面成績，總評成績是學(xué)生的期末卷面成績和CDIO的成績按比例相加后的總成績。圖2的柱狀圖表示了期末成績和總評成績在不同的分?jǐn)?shù)段分別所占的人數(shù)。從中可以看出，CDIO項(xiàng)目對于期末卷面成績相對較低的同學(xué)來說，對總成績的提高有比較大的幫助。對于卷面成績原本就比較高的同學(xué)的影響就不是很大。但還是能從圖中看出，CDIO項(xiàng)目的分?jǐn)?shù)對于期末總評成績的提高還是有一定的幫助，尤其提高了80～89這個(gè)分?jǐn)?shù)段人數(shù)所占的比例，降低了60分以下和60～69分?jǐn)?shù)段的人數(shù)?？梢奀DIO項(xiàng)目的實(shí)施對學(xué)生期末知識掌握程度的考察更為全面，而不僅是停留在單一看卷面成績的階段。

四、理論力學(xué)中的優(yōu)秀CDIO項(xiàng)目成果展示

本學(xué)期理論力學(xué)CDIO項(xiàng)目進(jìn)展順利，同學(xué)們分別對塔吊、升降起重機(jī)、龍門吊、橋梁、以及窗戶等身邊的生活和工程實(shí)際問題進(jìn)行提煉、抽象出一個(gè)靜力學(xué)模型，并進(jìn)行獨(dú)立的思考分析。在完成項(xiàng)目的過程中提升了對理論力學(xué)的學(xué)習(xí)認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神、科學(xué)探索思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力。下面是一個(gè)小組的CDIO項(xiàng)目實(shí)例：endprint

Conceive（構(gòu)思階段）。該小組通過查找資料和觀察生活和工程實(shí)際問題，討論確立了基于工程背景下工程實(shí)際中的剪叉式液壓升降起重機(jī)為小組CDIO項(xiàng)目的力學(xué)模型?？紤]到理論力學(xué)主要是對靜力學(xué)的分析，可以先制作出簡易的剪叉式液壓升降機(jī)的模型，使得受力分析變得更加簡單和直觀。再對其進(jìn)行簡化的受力分析。在成果匯報(bào)階段便于同學(xué)們理解。

Design（設(shè)計(jì)階段）。根據(jù)構(gòu)思階段的構(gòu)思確立所有任務(wù)后，根據(jù)小組成員個(gè)人特長，進(jìn)行合理分工，以及根據(jù)項(xiàng)目成果要求和組員課余時(shí)間，確立工作分配與時(shí)間安排表。

Implement（實(shí)現(xiàn)階段）。首先制作出剪叉式液壓升降機(jī)的簡化模型，在對模型進(jìn)行了觀察和分析后，運(yùn)用木材在上下兩個(gè)底面制作了簡易的凹槽，使其能實(shí)現(xiàn)升降的功能。再運(yùn)用少量的木材在中間支撐整個(gè)模型，同時(shí)也模擬了液壓器的原理和功能。再畫出它的簡化模型，進(jìn)行受力分析，得到所有約束力。將結(jié)果和分析方式融合制作成果匯報(bào)PPT和計(jì)算書。

Operate（運(yùn)作階段，即成果展示）。先由小組長上臺介紹剪叉式液壓升降機(jī)，并通過所制作的模型更加形象的向同學(xué)們解釋其原理。之后再結(jié)合PPT講解受力分析過程，同時(shí)組員通過將模型在同學(xué)之間相互傳閱的方式，加強(qiáng)臺下同學(xué)們對該組模型的理解。

該小組的成果展示，讓同學(xué)們對剪叉式液壓升降機(jī)的工作原理，以及受力分析和力學(xué)計(jì)算過程都有了一個(gè)較為全面系統(tǒng)的理解。它極大的激發(fā)了同學(xué)對理論力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，也能幫助同學(xué)對力學(xué)分析的理解，對同學(xué)集中課堂注意力也起到了良好的作用。在項(xiàng)目展示課堂上，不同小組之間的互相交流更是讓同學(xué)們對許多工程、生活中的理論力學(xué)應(yīng)用有了廣泛的了解，將理論課堂延伸拓展到實(shí)際運(yùn)用。

五、CDIO項(xiàng)目對教學(xué)的啟示

理論力學(xué)一直是學(xué)生認(rèn)為的較為枯燥又難理解的課程，如果老師在教學(xué)時(shí)能將模型與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，能將簡易模型在受力分析時(shí)展示給同學(xué)，并演示其動態(tài)過程，能較大的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的積極性。

此外，將做模型作為一種課后作業(yè)或者期末總評分標(biāo)準(zhǔn)，讓同學(xué)們根據(jù)課上所要分析的模型或者知識點(diǎn)，自己動手制作簡化模型。同學(xué)們在制作的過程中掌握了理論力學(xué)知識，同時(shí)也提高了結(jié)合理論力學(xué)與實(shí)踐的能力，更鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力、組織協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高了上課的進(jìn)度和效率。

六、結(jié)語

CDIO工程教育模式是直接按照業(yè)界要求建立的一整套工程教育實(shí)施體系，它從“培養(yǎng)什么人”和“怎樣培養(yǎng)人”這兩個(gè)根本問題出發(fā)探索工程教育問題。而理論力學(xué)課程是土木工程專業(yè)的重點(diǎn)必修課程，相信在引入CDIO的理念后，將能更好的把實(shí)踐與理論相結(jié)合，使其更便于理解，并提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究、分析的能力，為課堂教與學(xué)改革帶來了的積極意義。本文的項(xiàng)目實(shí)例可為CDIO理念運(yùn)用于更多的工程課程提供參考，相信以后會有更多類似項(xiàng)目開展，使大學(xué)課堂成為一個(gè)綜合運(yùn)用知識的樂學(xué)善用平臺。

參考文獻(xiàn)：

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本文系2015年浙江省課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（Kg2015510）、浙江大學(xué)城市學(xué)院第七期重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（CD1401）。endprint