基于CDIO理念的應(yīng)用型本科院?！恫牧狭W(xué)》課程教學(xué)改革初探

馬麗珠 趙中華 張晚來

摘 ?要：CDIO是一種新型的工程教育理念，注重對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。《材料力學(xué)》課程是土木工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的學(xué)習(xí)效果將直接影響到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及土木工程專業(yè)技術(shù)人才專業(yè)知識(shí)體系的構(gòu)建。為了解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，針對(duì)《材料力學(xué)》的課程特點(diǎn)，文章提出基于CDIO工程教育理念的材料力學(xué)課程教學(xué)改革新思路，從而對(duì)材料力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法以及考核方式等方面進(jìn)行了初步的探索。

關(guān)鍵詞：CDIO;材料力學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）13-0109-03

Abstract： CDIO is a new concept of engineering education， and focuses on the training of students' engineering application capabilities. Material Mechanics course is a very important basic course of professional for civilengineering. The learning effect of this course will have a direct impact on the follow-up professional courses of study and the construction of professional knowledge system for civil engineering technical professionals. In order to solve the deficiencies in the traditional teaching and based on the characteristics of the Material Mechanics course， a new teaching reform program of the Material Mechanics course based on CDIO engineering education concept is proposed， and the teaching content， teaching mode， teaching method and the assessment method of Material Mechanics course are preliminarily explored.

Keywords： CDIO; material mechanics; teaching reform

一、CDIO工程教育理念

CDIO是由四個(gè)英文單詞的首字母組成，即Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和Operate（運(yùn)作），是近些年來國際上新興的一種工程教育模式。由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國研究團(tuán)隊(duì)自2000年起獲得Knut and Alice Wallenberg基金會(huì)近2000萬美元的巨額資助，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為命名的國際合作組織。CDIO工程教育模式以產(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(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的三個(gè)核心文件：1個(gè)愿景、1個(gè)大綱和12條標(biāo)準(zhǔn)，首次將工程畢業(yè)生必須具備的幾項(xiàng)能力：工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力以逐級(jí)細(xì)化的方式表達(dá)出來，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[1]，并且對(duì)整個(gè)模式的實(shí)施和檢驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的指引，使得工程教育改革更加具體化、可操作、可測量，并對(duì)學(xué)生和教師都具有重要的指導(dǎo)意義。CDIO工程教育模式體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢[2]。

CDIO的工程教育理念繼承和發(fā)展了歐美國家20多年來工程教育改革的理念，為工程教育的系統(tǒng)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。截至2013年，已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO組織，均取得了良好效果，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生也深受社會(huì)與企業(yè)的歡迎。

但是，目前世界各國對(duì)工程技術(shù)人才的需求仍不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要。而我國擁有世界上最大規(guī)模的工程教育，因此盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師是我國高等工科教育目前的首要任務(wù)。CDIO工程教育模式經(jīng)過專家和學(xué)者的多年努力，不斷的完善，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)成為首個(gè)中國高校CDIO成員，其改革目標(biāo)是通過注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，尤其是項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施能力，以及較強(qiáng)的自學(xué)能力、組織溝通能力和協(xié)調(diào)能力，吸收世界先進(jìn)的工程教育理念，建立符合國際工程教育共識(shí)的課程體系。汕頭大學(xué)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)我國的工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式改革產(chǎn)生了重大的影響[3]。

CDIO工程教育模式本身就是通過實(shí)證研究和實(shí)踐探索總結(jié)而來，其價(jià)值更多地體現(xiàn)在思想、理念和方法上。它不是一成不變的固定模式，不同類型的學(xué)校和專業(yè)都可以根據(jù)社會(huì)的多樣化需求、學(xué)校的定位和特色，以及學(xué)生的特點(diǎn)，從CDIO模式中獲得啟示和借鑒，靈活構(gòu)建具有實(shí)效性的CDIO人才培養(yǎng)模式。為了使這種工程人才培養(yǎng)模式在中國得到進(jìn)一步的普及和推廣，為更多的國內(nèi)高校服務(wù)，汕頭大學(xué)以及國內(nèi)外的兄弟院校在教育部高教司理工處的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，圍繞著CDIO開展了各種形式的交流、研討、推廣和培訓(xùn)活動(dòng)：2007年11月教育部組織召開了2007中國高等工程教育改革論壇和CDIO國際合作組織會(huì)議兩個(gè)大型會(huì)議;2008年4月，教育部高等教育司發(fā)文成立“CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組”;同年12月14日至15日，教育部高教司理工處和汕頭大學(xué)聯(lián)合主辦了CDIO工程教育模式試點(diǎn)工作會(huì)議;自2009年起，試點(diǎn)工作組每年舉行兩次全國性的CDIO試點(diǎn)工作會(huì)議，對(duì)CDIO試點(diǎn)工作進(jìn)行交流、研討和總結(jié)，并舉辦相關(guān)的CDIO培訓(xùn)班，為全國高校實(shí)施CDIO培養(yǎng)骨干人才;自2011年起，試點(diǎn)工作組以年會(huì)和培訓(xùn)班的形式對(duì)CDIO研究與實(shí)踐工作進(jìn)行交流、研討和總結(jié);2016年1月8日至9日，“全國CDIO工程教育聯(lián)盟”成立大會(huì)在廣東汕頭開幕;2017年4月27日至28日，2017 CDIO工程教育聯(lián)盟會(huì)議在浙江大學(xué)城市學(xué)院召開。這些有益的探索與實(shí)踐必將為在中國全面推進(jìn)發(fā)展CDIO工程教育模式，提高工程教育質(zhì)量，滿足國家戰(zhàn)略發(fā)展需要提供強(qiáng)大的新興工程科技人才支撐。

二、應(yīng)用型本科院校《材料力學(xué)》課程教學(xué)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

在國內(nèi)外所有高校的土木工程專業(yè)課程設(shè)置中，《材料力學(xué)》都是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程學(xué)習(xí)效果的好壞將直接影響到學(xué)生對(duì)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》的分析和計(jì)算能力，從而影響到許多后續(xù)設(shè)計(jì)類專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果，如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等，故該課程的學(xué)習(xí)效果也是影響土木工程系學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的重要因素之一。而土木工程專業(yè)是以實(shí)踐性為主的工科專業(yè)，突出應(yīng)用是土木工程專業(yè)應(yīng)用型本科教育的核心與立足點(diǎn)。在轉(zhuǎn)型的大背景下，土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)思維活躍、專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、具有相當(dāng)?shù)耐聊竟こ烫厣?、一定的?chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力、吃苦耐勞、善于溝通和協(xié)作的“應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型”高素質(zhì)本科人才。

《材料力學(xué)》作為土木工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長的時(shí)間，其經(jīng)典理論在現(xiàn)代工程和科學(xué)技術(shù)中一直被廣泛應(yīng)用，而對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用型本科院校而言，《材料力學(xué)》的教學(xué)主要存在以下三個(gè)方面的問題：一是理論教學(xué)方面，材料力學(xué)的經(jīng)典理論將工程中的實(shí)際問題抽象成力學(xué)模型，因而注重了冗長的理論推導(dǎo)和繁瑣的數(shù)字計(jì)算[4]，卻很少去介紹工程背景。因此，在《材料力學(xué)》課程的教學(xué)過程中，任課教師則容易拘泥于其系統(tǒng)性，課堂上以講授為主，學(xué)生只能被動(dòng)的接受，不能給學(xué)生足夠的思維空間，抑制了學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力，而且講授內(nèi)容偏重于理論的講解與推導(dǎo)，不能很好地聯(lián)系實(shí)際工程，學(xué)生帶有很大的盲目性去學(xué)習(xí)，可想而知不會(huì)有好的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生自然也就不知道在工程實(shí)踐中應(yīng)該如何應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)[5]，制約了對(duì)學(xué)生的工程素質(zhì)的培養(yǎng)。二是實(shí)踐環(huán)節(jié)方面，材料力學(xué)作為工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，自然與工程實(shí)際之間有著緊密的聯(lián)系，對(duì)于教師：大多數(shù)教師都是多年從事教學(xué)工作，工程經(jīng)驗(yàn)十分匱乏，在教學(xué)過程中也是避重就輕，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)不夠重視;對(duì)于學(xué)生：筆者所在的應(yīng)用型本科院校，在第三個(gè)學(xué)期就開設(shè)《材料力學(xué)》課程，對(duì)于大學(xué)二年級(jí)的他們來講，無論是直接工程經(jīng)驗(yàn)還是間接工程經(jīng)驗(yàn)均較為缺乏，而課程本身對(duì)于工程背景的介紹又很缺乏，所以學(xué)生會(huì)感到抽象難懂，遇到實(shí)際工程問題不懂得具體問題具體分析，只會(huì)照搬照抄教材，不懂得舉一反三，缺少靈活性和創(chuàng)新性。最后是課程考核方面，現(xiàn)在的課程成績雖然也是由期末的筆試成績和平時(shí)成績組成，但是期末的筆試成績占絕大比例，而平時(shí)成績也基本是由出勤，作業(yè)和測驗(yàn)等組成，缺少對(duì)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的考核，所以大多數(shù)學(xué)生不注重課堂的平時(shí)積累，就是期末的幾天靠死記硬背來應(yīng)付考試，這樣大大打消了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也影響老師上課的精神狀態(tài)，對(duì)于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際工程問題的能力就更難實(shí)現(xiàn)了。

三、基于CDIO理念的《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革初探

（一）轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)理念是教學(xué)過程的旗幟和核心[6]。傳統(tǒng)的《材料力學(xué)》課程的教學(xué)理念是以教師講授為主，忽視了學(xué)生的中心地位。而在工程教育認(rèn)證理念中，教學(xué)過程中的中心是學(xué)生，應(yīng)該讓學(xué)生的自主能動(dòng)性得到充分的發(fā)揮。所以，在課程教學(xué)中應(yīng)該以理論為本，以實(shí)踐為輔，將CDIO理念運(yùn)用到《材料力學(xué)》的教學(xué)中。依據(jù)CDIO理念，課堂教學(xué)不僅僅是要將課程最基本的理論知識(shí)傳授給學(xué)生，更重要的是對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，即能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)去分析和解決工程中具體的實(shí)際問題，樹立“以學(xué)生為主體，教為學(xué)服務(wù)”的新型教學(xué)理念，以學(xué)生為核心，讓學(xué)生成為整個(gè)教學(xué)過程的主體。教師也需要改變傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方式，通過靈活多樣的教學(xué)手段對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和啟發(fā)，在課堂上講授基本知識(shí)的同時(shí)要引入相關(guān)的工程案例，并且積極引導(dǎo)學(xué)生參與其中，展開積極的討論與思考，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)去解決實(shí)際工程問題的能力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的《材料力學(xué)》課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的忽視。

材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化也應(yīng)以應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)為主線加以貫穿，主要體現(xiàn)在工程上的應(yīng)用。并且要協(xié)調(diào)好材料力學(xué)與其他力學(xué)課程間的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)一些重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合。使材料力學(xué)與其他課程之間可以相互貫通、相互補(bǔ)充，相輔相成，形成一個(gè)完整完善的整個(gè)課程體系?；诖?，在教學(xué)大綱的目的要求之下，我們將材料力學(xué)的授課內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)知識(shí)和拓展知識(shí)兩部分?；A(chǔ)知識(shí)面向全體學(xué)生講授，可對(duì)各類基本力學(xué)模型引入工程背景，例如講到軸向拉壓變形時(shí)可以提到桁架在結(jié)點(diǎn)載荷作用下，組成桁架的各桿件所發(fā)生的變形;講到剪切變形時(shí)可以提到螺栓連接中的螺栓和銷釘連接中的銷釘;講到彎曲變形時(shí)可以提到房屋建筑中的樓板、梁和火車輪軸等。一方面使學(xué)生能夠掌握和理解所學(xué)的知識(shí)，為后續(xù)的專業(yè)課程打好基礎(chǔ);另一方面通過工程背景的引入，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，也有助于加深學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的概念和定理的理解。而拓展知識(shí)主要是面向那些學(xué)有余力或者是有考研計(jì)劃的學(xué)生，同樣通過引入工程背景向他們重點(diǎn)介紹廣泛存在于工程和生活中的組合變形，一方面使學(xué)生能夠掌握材料力學(xué)中各種基本變形之間的組合與聯(lián)系，另一方面又能夠使材料力學(xué)與其他課程間形成緊密的聯(lián)系與補(bǔ)充。對(duì)于這部分拓展知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生自由組合成若干個(gè)小組，每個(gè)小組有一個(gè)組長，且組長采取輪流制，組長協(xié)助老師工作，負(fù)責(zé)工作進(jìn)度、成員的工作任務(wù)安排等。這樣既可以加深課程之間內(nèi)容的交融，又可以加深學(xué)生對(duì)各課程之間聯(lián)系的理解，有助于對(duì)學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力以及整體分析能力的培養(yǎng)。

（二）改革教學(xué)模式，改進(jìn)教學(xué)方法

CDIO工程教育理念強(qiáng)調(diào)重視學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的主體地位，重視培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)的意識(shí)，使學(xué)生具備獨(dú)立獲取知識(shí)的能力?；诖耍槍?duì)材料力學(xué)的課程特點(diǎn)以及傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，對(duì)材料力學(xué)課程的教學(xué)模式以及教學(xué)方法進(jìn)行改革。

在教學(xué)過程中，將CDIO工程教育理念引入到教學(xué)模式的改革和實(shí)踐中，以實(shí)際的工程問題為載體，在講述理論知識(shí)時(shí)對(duì)各類力學(xué)模型引入工程背景進(jìn)而闡述相關(guān)工程項(xiàng)目的全過程，讓學(xué)生在了解相關(guān)工程項(xiàng)目運(yùn)行過程的同時(shí)，分析整個(gè)過程中可能遇到的各種力學(xué)問題。實(shí)際工程的復(fù)雜多樣性僅僅靠材料力學(xué)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決的，還需要借助后續(xù)一系列專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，這樣老師只需提到其中涉及的知識(shí)點(diǎn)，督促學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中加以注意，這樣自然就建立起了材料力學(xué)與后續(xù)其他專業(yè)課程以及工程實(shí)際之間的聯(lián)系。提高學(xué)生解決具體力學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生將工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)為力學(xué)建模的能力及自主獲取知識(shí)的能力，以形成創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)模式。

基于上述教學(xué)模式的改革，為了達(dá)到事半功倍的效果，對(duì)于材料力學(xué)的教學(xué)方法也要進(jìn)行改進(jìn)和完善，改變傳統(tǒng)的“灌輸式”方法，將CDIO理念引入到教學(xué)方法的改革和實(shí)踐中，采用理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的教學(xué)方式，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。在教學(xué)過程中，無論是理論教學(xué)還是實(shí)踐環(huán)節(jié)均以小組的形式進(jìn)行。其中在理論教學(xué)中，教師在講授課程內(nèi)容之前先提出問題，隨著講課過程的深入，針對(duì)提出的問題小組內(nèi)進(jìn)行討論，然后小組間互相討論，最后任課教師總結(jié)，這樣既創(chuàng)造了良好的師生互動(dòng)氛圍，又提高了學(xué)生的課堂參與度，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，我們給出了一些自主學(xué)習(xí)的方案，比如：閱讀材料力學(xué)相關(guān)課外書籍，寫讀書報(bào)告;針對(duì)某一工程問題的學(xué)習(xí)，寫研究報(bào)告;梳理課堂知識(shí)，寫知識(shí)框架圖等。學(xué)生可以根據(jù)興趣自主選擇其中某一項(xiàng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)成果以書面形式上交記入平時(shí)考核成績。這樣一來，在整個(gè)的學(xué)習(xí)過程中就體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，教師主要起到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的作用，引導(dǎo)學(xué)生將課堂中學(xué)習(xí)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐項(xiàng)目中，并在實(shí)踐中驗(yàn)證學(xué)到的理論知識(shí)，真正做到“學(xué)中做，做中學(xué)”。

（三）改革課程考核方式

在上述新的教學(xué)模式和教學(xué)方法下，有必要對(duì)《材料力學(xué)》課程的考核與評(píng)價(jià)體系進(jìn)行改革。將原來的單一筆試的考核方式改為多種考核方式相結(jié)合。首先我們需要提高平時(shí)成績所占的比例，且應(yīng)該突出對(duì)學(xué)習(xí)過程的考核。例如課堂上以小組為單位的交流討論、小組成員的自評(píng)互評(píng)、口頭測試、課外自主學(xué)習(xí)的讀書報(bào)告、發(fā)表的小論文以及針對(duì)某一工程問題的學(xué)習(xí)研究報(bào)告等均記入平時(shí)成績。其次，要注重對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的考核。目前筆者所在院校已經(jīng)將材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)成績以一定的比例計(jì)入到期末成績中，除了力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，我們還可以在材料力學(xué)的期末考試試題中加入工程實(shí)踐部分的思考題，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)靈活分析實(shí)際問題。讓學(xué)生能夠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)作的各個(gè)過程，這也與CDIO的工程理念不謀而合，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和工程思想。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)應(yīng)用型本科院校《材料力學(xué)》課程的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)的教學(xué)中存在的不足，將CDIO工程教育理念引入到其教學(xué)改革中，對(duì)該課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法以及考核方式進(jìn)行了初步的探索與討論。在教學(xué)中，以實(shí)際的工程問題為驅(qū)動(dòng)，積極引導(dǎo)學(xué)生參與課堂討論，使學(xué)生在構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)的過程中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，主動(dòng)學(xué)習(xí)，深刻理解材料力學(xué)的基本概念和方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，同時(shí)還能有效地解決工程理論與工程實(shí)踐之間存在較大差距的問題，滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型工程人才的大量需求，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用型人才需求與本科教育的無縫對(duì)接。今后我們還將繼續(xù)探索、不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，更好地完善CDIO工程教育理念與土木工程專業(yè)各個(gè)課程教育之間的融合，為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才發(fā)揮重要的作用。

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