CDIO模式下航天專業固體力學系列課程的設計與應用

謝燕　蔣建平　李家文

摘要：本文提出將國際工程教育模式—CDIO模式（Conception，Design，Implementation，Operation，簡稱CDIO）引入至航天專業固體力學系列課程的設計與應用，是增加航天專業學生實踐比重、培養工程能力的一種有益嘗試。本文給出了CDIO模式與航天專業力學系列課程的結合途徑，并描述了CDIO模式下航天專業固體力學系列課程的具體設計與教學實踐等具體內容，希望為目前航天或力學專業工程師的培養提供參考。

關鍵詞：CDIO模式；航天專業；課程體系；大學生創新實踐項目

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0051-02

一、引言

目前諸多高校針對空間工程、飛行器系統與工程、導彈工程等多種航天專業設置的本科生課程，可劃分為力學、航空宇航、電子、信息與控制等多個系列課程。同時，航空航天等技術領域內很多問題，其研究對象可能既是航天問題又是力學問題，具有與多學科多專業廣泛交叉、相互滲透，與實際工程結合緊密的特點。基于上述原因，為了提高航天專業本科人才的培養質量，如何在有限的課時計劃內、在有限的課程數目內有效設計航天專業固體力學系列課程，是一個值得探討的問題。

隨著高校內部增大學生的實踐比重、面向工程能力培養的呼聲日漸高漲，筆者所在的教學組借鑒了起源于美國麻省理工MIT的國際工程教育模式——CDIO模式，在航天專業的固體力學系列課程的設計與應用中進行了相應的教學探索與教學實踐，期望通過該模式在教學實踐中的正確引入與有效發展，更新教師教學理念與實踐手段，增加課程實踐比重，充分調動學生學習效率與積極性，為航天或力學專業工程師的培養提供參考。

二、CDIO模式與航天專業力學系列課程的結合途徑

國際工程教育模式CDIO，是以產品、過程和系統全生命周期的開發與運用為背景，包含了構思、設計、實施和運行（Conception，Design，Implementation，Operation，簡稱CDIO）4個教育和實踐訓練環節。它與航天專業力學系列課程的有機結合，可以考慮如下幾個途徑：

（一）CDIO模式的起源

CDIO是一種基于傳授航天領域技術知識與培養預備工程師能力而起源產生的工程教育模式，其創始人是美國麻省理工MIT航空航天系Edward Crawley教授，其發展初期在2004年左右。可見，將CDIO模式與航天專業力學系列課程的結合，則具有一定的合理性和先天優勢，是一種積極有益的嘗試。

（二）基于CDIO教育理念形成課程觀

CDIO模式是基于“做中學”的教育理念，是一種將實踐過程與理論教育相結合的教育理念，結合該模式在航天專業力學系列課程的設計中可形成兩種課程觀：首先，是一種凸顯了“社會需求”的課程觀，即根據工程師的社會角色與責任，培養工科畢業生具備較好的工程能力與深厚的技術基礎知識，在課程體系與課程內容上，并不是按照嚴密的學科知識體系來組織課程，而是強調基于社會現實需求來選擇和編排；其次，亦是一種強調了“學生為主體”的課程觀，即學生的學習效果側重于從學生的實踐感知和實踐經驗出發來構件知識和能力，基于“做中學”強化學生探究興趣和實踐能力，從而體現了學與做的結合、知與行的統一。

（三）明確實踐對象與執行方案

CDIO工程教育模式主要特點是深化技術知識基礎和實際職業能力的二元學習經驗模式，且該模式的基本原則是反復強化實踐，因此CDIO模式的實踐必須包括兩個或者更多的設計與實施環節。具體來說，航天專業固體力學系列課程體系的實踐對象包括如下三類環節：第一個是突出導論性基礎課程，即引導學生入門工程實踐，領略工程技術的魅力；第二個是初級的實踐環節，即針對核心基礎課程《工程力學》開展課堂一線教學改革研究；第三個是高級的實踐環節，即針對來源于科研任務的設計綜合項目進行教學改革實踐。

三、CDIO模式下航天專業固體力學系列課程的具體設計與教學實踐

教學理念的轉變最終體現為課程設置、教學內容與實踐對象的改革。在我校2012本科人才培養方案中，我院結合CDIO模式對航天專業固體力學系列導論課程進行了具體設計與教學實踐的工作，主要包括如下三個方面：

（一）導論性課程的設置

導論性課程是一個早期的基礎工科課程，我院針對航天專業的大一新生設置了導論課程《空天工程導論》，要求選課學生具有一定的數理基礎即可。該課程內容主要介紹飛行簡史、工程學簡介、航空器飛行原理、結構與動力系統等基本概念、基本知識，通過它為入學新生搭建了航空航天器設計、構造、應用所需的知識框架。同時，課程還提供了一個初級的設計—實現的實踐，讓學員參與水火箭或LTA飛行器的設計與制作。

設置導論課程的主要目的快速引導學生了解航天器的基本構造及工作原理，讓學生參與入門的工程實踐，從而激發學生興趣和后期加強學習的主動性。

目前，我院30學時的《空天工程導論》課程已經成功申請為我校的精品視頻課程，主講教師的授課教案和講義腳本已經完成，且授課視頻錄制已完成一半以上。

（二）《工程力學》課程的教學改革

首先，調研了近年來國內高校在《工程力學》課程中的改革研究：例如，天津科技大學的李秋玥在建構主義教學基礎上建立“刨設問題情境”教學法[1]，山東英才學院的來小麗實施項目驅動教學法[2]，哈爾濱學院的張田梅探索了研究性教學法在工程力學課程教學中的實踐。上述內容從不同方法與形式來提高學生處理分析和解決工程實際問題的能力，均可作為低年級核心力學課程改革的組成部分。

其次，調整了我院的《工程力學》教學內容：在靜力學部分中重點介紹構件的受力分析、簡化與平衡規律；在材料力學部分中以桿件的軸向拉壓、扭轉和彎曲三個基本變形為研究目標，以“內力分析—內力計算—應力應變計算”為邏輯分析主線，結合強度理論、穩定性分析或能量法來優化組織教學內容，并刪除了圖乘法和摩爾圓等內容。

然后，改革了我院的《工程力學》教學方法與成績評定：理論講授采用了習題講解、啟發式、研討式、案例式等多元化教學方法；實驗操作側重學生動手能力培養，要求學生按照2～3人合作或單人獨立完成課程內13項實驗內容，同時實驗室采取了鼓勵課外開放式實驗的機制；成績評定是將考核點分布于教學全過程中，即由平時成績、課堂討論、實驗操作、實驗報告、科技小論文、期末成績等考核點綜合評定最終成績。

最后，給出《工程力學》課程近年內取得的成績：2015年《工程力學》評為校優課程；2015年委托科學出版社再版了《工程力學》教材；2015年成功申報了36學時的MOOC課程《工程力學》，目前主講人和授課內容已確定，2015年完成了省精品課程《工程力學》復核工作，并向湖南省高校數字教學資源中心提交了課程教學視頻、課件、教學大綱、電子教案、教學案例、試題習題、文獻資料、教學成果、軟件工具等電子材料整理；2015年該課程主講老師分別獲得了學校教學質量新星獎和學校本科教學優秀個人一等獎；2015年實驗室新增加了XL3418K互動式普及型材料力學實驗裝置，完成了12個虛擬實驗的材料整理。

（三）大學生創新實踐項目與本科畢業設計綜合項目的優化

CDIO模式將頂峰級實踐體驗作為本科教育的頂點。該實踐環節往往側重于學生對以前所學知識的綜合運用以及創新能力的培養，要求學生在大三或大四年級中申請了綜合項目實踐，以團隊或個人形式承擔來源于科研項目的、更為復雜的實際任務。

我院高年級本科生頂峰級實踐環節大多數包括大學生創新實踐項目與本科畢業設計綜合項目兩類。例如，為了優化本科畢業設計模式，筆者所在課題團隊采取“雙團隊設計項目”的集成教學方法進行了如下實踐工作：首先，成立了以航天方面的學科帶頭人為核心，包括結構動力學與設計、振動控制、姿態控制、電子電路共5人組成的教師團隊；將總體設計、主控分系統、姿控分系統、動力學建模與分析、帆板振動分系統、星體結構設計等六個子項目形成課題任務書，讓學生自主選擇，并形成了自然分工、相互合作的學生團隊；之后，學生會在教師的指導下，按照任務書計劃在規定的時間段內（兩個或多個學期）逐步完成開題審查、中期檢查、方案設計、理論推導與計算、設計制造、實驗驗證、撰寫報告、項目驗收或畢業答辯等步驟。

在課題團隊的努力下，近年來取得了如下可喜的成績：2015年課題團隊成員指導的省級大學生創新實踐項目《座椅彈性緩沖器等效剛度分析與實驗研究》順利驗收，并且驗收結論為優秀；課題團隊指導了2015年國家級大學生創新實踐項目《非對稱復合材料拉伸-扭轉耦合結構設計》，目前為在研階段；繼續完善了學校級的基礎力學虛擬仿真實驗教學分中心、應用力學虛擬仿真實驗教學分中心、力學與航天工程虛擬仿真實驗教學中心的工作，并且在省實踐教學示范中心的基礎上，實驗室2016年成功申請為國家級力學與航天工程虛擬仿真實驗教學中心。

四、結束語

對航天專業固體力學系列課程進行設計與應用的教學實踐表明，由于航天航空領域內很多問題是多學科交叉融合、與實際工程聯系緊密的問題，應用CDIO教育理念中深化技術知識基礎和實際職業能力的二元學習經驗模式，對于學生掌握扎實的專業知識和技能，感受鮮活的科學研究過程，激發創新意識起到了良好的促進作用。

參考文獻：

[1]李秋玥，馬健，劉恒科.刨設問題情境教學法在“工程力學”教學中的應用[J].教育時空，2012，（1）：211.

[2]來小麗.項目驅動教學法在“工程力學”教學中的應用[J].中國電力教育，課程教材，2011，（31）：103-104.