在《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革中貫徹CDIO理念的探索

摘要：為了培養(yǎng)滿足經(jīng)濟全球化對現(xiàn)代工程師的要求的人才，本文詳細分析了具有國際共識的CDIO工程教育模式，結(jié)合我們的教學(xué)實踐，對在《材料力學(xué)》課程教學(xué)中貫徹CDIO理念進行了初步探討，有益于《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；CDIO；教學(xué)

在經(jīng)濟全球化的進程中，隨著一帶一路建設(shè)的發(fā)展要求，我國已在一帶一路沿線國家開展了大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、在國內(nèi)則大力發(fā)展實體經(jīng)濟，這就使得人才需求日顯突出，迫切需要大量的滿足社會需求、與國際接軌的現(xiàn)代化綜合性工程技術(shù)人才。

如何培養(yǎng)這種具有技術(shù)基礎(chǔ)扎實、專業(yè)知識寬廣、工程應(yīng)用能力強和良好團隊協(xié)作能力的工程師，就成為我國工程教育面對的首要課題。而目前我國工程教育的現(xiàn)狀與上述要求尚有一定的差距，還不能完全適應(yīng)這種要求，出路就在教學(xué)改革。

一、CDIO理念

CDIO是由美國麻省理工學(xué)院和瑞典幾所高校推出的一種基于構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）全過程培養(yǎng)學(xué)生工程能力的新型工程教育模式。該模式強調(diào)綜合的創(chuàng)新能力與社會大環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時更關(guān)注工程實踐、加強培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，并提出了可操作性性的實施及檢驗測評的12條標準[1]。

CDIO是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行維護和廢棄的全生命周期為載體，建立相互支撐和有機聯(lián)系的一體化課程體系，讓學(xué)生以主動、實踐的方式學(xué)習工程。

CDIO模式以專業(yè)理論為基礎(chǔ)，關(guān)注實踐，強調(diào)新一代卓越工程師培養(yǎng)的核心信念。它是系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進性的統(tǒng)一，反映了當代工程教育的發(fā)展趨勢。

隨著CDIO理念的推出，這種工程教育模式迅速推廣到世界各國，很快就形成了國際共識。在歐美高等工程教學(xué)改革試驗中獲得了巨大成功。至今國內(nèi)外有近百所大學(xué)加入了CDIO組織，在人才培養(yǎng)水平上取得了良好效果，其培養(yǎng)的學(xué)生深受企業(yè)與社會青睞。

在國內(nèi)，推廣CDIO理念的高校也日益增多，并取得了良好的預(yù)期效果。國家教育部也舉辦了關(guān)于CDIO的專題研討會，使其契合我國中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃的要求。

二、CDIO理念下的教學(xué)改革

為了貫徹CDIO理念，教學(xué)改革的目標應(yīng)是通過注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，尤其是項目的構(gòu)思、設(shè)計、開發(fā)和實踐能力，以及較強的自學(xué)能力、組織溝通能力和協(xié)調(diào)能力，吸收世界先進的工程教育理念，建立符合國際工程教育共識的課程體系。

工程教育應(yīng)以工程應(yīng)用為主線，以工程實例為中心，以項目設(shè)計為導(dǎo)向，拓展課程的知識范圍、加強課程之間的聯(lián)系、拓寬課程的應(yīng)用范圍，提高學(xué)生的工程素質(zhì)和工程思想。為此，需要對教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法進行全方位的改革。以達到貫徹CDIO的四個層次——即工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力、工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，成為高級工程專業(yè)人才的目的。

三、CDIO理念下的《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革

（一）《材料力學(xué)》課程的任務(wù)及特點

《材料力學(xué)》課程的任務(wù)是在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計既經(jīng)濟又安全的構(gòu)件，提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法[2]。

由于工程構(gòu)件的多樣性，則在研究構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性時，須抽象出其中的力學(xué)模型。因此建立力學(xué)模型就成為應(yīng)用力學(xué)知識分析工程實際的第一步。

我校的《材料力學(xué)》課程是在大學(xué)二年級上學(xué)期開課。在機械工程、土木工程等專業(yè)中，其相關(guān)先期課程有《高等數(shù)學(xué)》、《理論力學(xué)》等，其后續(xù)相關(guān)課程有《機械原理及機械零件》、《機械設(shè)計基礎(chǔ)》等。在這個課程群中，它在先期課程的基礎(chǔ)上，為后期課程提供必不可少的理論基礎(chǔ)知識和計算方法，起著承前啟后的作用，成為工科教學(xué)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。

《材料力學(xué)》教程致力于構(gòu)件的力學(xué)分析和計算，但由于工程構(gòu)件的種類繁多、載荷狀況各異，因而在其長期發(fā)展的過程中，重視傳統(tǒng)的經(jīng)典理論并應(yīng)用大量教學(xué)工具進行公式推導(dǎo)，逐步形成了自身的完整體系。這種系統(tǒng)性、完整性和抽象性的特點，常使學(xué)生感到難懂難記。加之對于大學(xué)二年級的學(xué)生來說，無論是工程直接經(jīng)驗還是間接經(jīng)驗都極其缺乏，而課程本身又缺少工程背景，使得理論與工程實際脫節(jié)，減弱了學(xué)生將工程實際轉(zhuǎn)換為力學(xué)問題的訓(xùn)練。

（二）《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革

《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革是相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革中的一個組成部分，應(yīng)在整體教學(xué)改革的框架下，結(jié)合自身的特點與相關(guān)課程的教學(xué)進行溝通與協(xié)調(diào)，以達到整體推進的目的。

國內(nèi)在CDIO理念下進行的工科教學(xué)改革已在多門課程中推開。如《理論力學(xué)》、《工程力學(xué)》、《土木工程》、《軟件工程》、《信息工程》等，而對《材料力學(xué)》教學(xué)改革的研究卻相對較少。

《材料力學(xué)》既是基礎(chǔ)科學(xué)，又是技術(shù)科學(xué)，因而它必須與工程實際相結(jié)合。由此，我們可環(huán)繞CDIO的四個層次實施對《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革，首先確立以引入工程背景為手段、以提高學(xué)生解決工程實際問題的能力為導(dǎo)向、提高學(xué)生綜合實踐及創(chuàng)新能力為目標的教學(xué)改革目標及包括教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段與方法的總體改革框架。然后在CDIO的四個層次上進行改革。

1.在專業(yè)基礎(chǔ)知識培養(yǎng)的層次。在課堂教學(xué)中，我們在大量引入工程背景的基礎(chǔ)上，重視理論知識及計算方法的講解和推演，加強應(yīng)用教學(xué)工具解決工程問題的能力。使學(xué)生清晰地了解由工程實際問題轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型的方法、步驟和求解過程，還可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和主動性。

按照這個思路，我們在各章節(jié)的課堂教學(xué)中都針對不同的構(gòu)件形式和載荷種類，由簡單到復(fù)雜，逐漸提高學(xué)生建立力學(xué)模型的能力，克服了學(xué)生以前只能根據(jù)已給出的計算簡圖才能分析實際力學(xué)問題的不足，增強了職業(yè)能力。

如在拉伸、壓縮和剪切一章中，我們引入液壓傳動機構(gòu)中的活塞桿，在油壓和工作阻力下產(chǎn)生的拉伸變形，起重鋼索在起吊重物時的拉伸變形和拉刀進行拉削時的拉伸變形等工程實例。然后引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注外載的種類及與構(gòu)件的相互關(guān)系，即外載的作用線與構(gòu)件的縱軸線共線，且力的方向指向構(gòu)件體外，從而形成構(gòu)件的拉伸變形。由此得到了拉伸變形的力學(xué)模型。

如果外載荷的作用線與構(gòu)件的縱軸線共線，但力的方向指向構(gòu)件體內(nèi)，則構(gòu)件出現(xiàn)壓縮變形，形成壓縮變形的力學(xué)模型。由此引導(dǎo)學(xué)生了解到構(gòu)件受力的力學(xué)模型與構(gòu)件與載荷的受力點和方向有關(guān)。如工程實際中的內(nèi)燃機連桿在燃氣爆發(fā)的沖程中、千斤頂?shù)穆輻U在頂起重物時，都產(chǎn)生壓縮變形。

由上可見，構(gòu)件與載荷之間由于不同的相互位置及方向，會形成不同的變形形態(tài)，因而需要用不同的力學(xué)模型來進行設(shè)計和計算。這就使學(xué)生開始建立了觀察、分析構(gòu)件與載荷相互關(guān)系的工程思維。

進一步，對實際工程中，如橋式起重機大梁、火車輪軸等，它們外載荷的作用方向與桿的縱軸線不共線，而是相垂直，其產(chǎn)生的變形形態(tài)為彎曲，則需要建立新的力學(xué)模型——即彎曲變形的力學(xué)模型。

當載荷的種類發(fā)生變化，不是單純的外力而是在桿件的兩端作用兩個大小相等、方向相反、且作用平面垂直于桿件軸線的力偶，則桿件的變形形態(tài)就變成使桿件的任意兩個橫截面都發(fā)生繞著桿件軸線的相對轉(zhuǎn)動。如汽車轉(zhuǎn)向軸、汽車傳動軸、攪拌機軸、攻絲時絲錐的受力等都將產(chǎn)生這種變形形態(tài)——扭轉(zhuǎn)變形。因此對于此類構(gòu)件的力學(xué)分析，就需要建立扭轉(zhuǎn)變形的力學(xué)模型。

這種逐步推進的方法，依靠引入大量的工程背景，使學(xué)生逐步認識到工程結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立不僅與構(gòu)件和載荷的相互位置及方向有關(guān)，還與載荷的種類有關(guān)。同時也學(xué)習了由工程實際轉(zhuǎn)換為力學(xué)建模的步驟和方法，提高了力學(xué)建模的能力及觀察、分析工程實際的能力。

在解決了拉、壓、剪、扭、彎這些基本變形的力學(xué)建模問題后，我們?nèi)砸怨こ虒嶋H為背景，針對工程實際中大量存在的復(fù)合變形，如電動機主軸、水輪機主軸、機床傳動軸、鏜削時鏜桿的受載產(chǎn)生的變形等，學(xué)習了對它們通過靜力等效和疊加原理來建立構(gòu)件在組合變形下的力學(xué)模型的過程。這種面向工程實際的、處理復(fù)雜的工程問題的培養(yǎng)方法，消除了學(xué)生對建立力學(xué)模型很抽象的感覺，提高了他們解決復(fù)雜工程問題的信心和能力，為他們順利進入職場和獨立工作能力奠定了基礎(chǔ)。

在引入大量工程背景時，我們利用圖片、視頻和動畫等多媒體將所學(xué)的理論知識與工程實際相結(jié)合，評介眾多的工程安全事故及理論發(fā)展的脈絡(luò)，使學(xué)生加深了對理論知識的理解，從而使學(xué)生對技術(shù)基礎(chǔ)知識的掌握更加扎實，提高了學(xué)生應(yīng)用理論知識解決工程實際問題的能力和信心，還擴大了學(xué)生的工程視野，也順理成章的解決了“為什么學(xué)”的問題。

由于采用多媒體方式引入工程實際，也節(jié)省了教學(xué)時間，有助于克服當前”課時少與內(nèi)容多”的矛盾，符合當前《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革“少學(xué)時、新內(nèi)容、高水平，好效果”[3]的目標。

2.在個人能力培養(yǎng)的層次。在機械工程、土木工程的相關(guān)專業(yè)中，個人能力主要包括工程思維能力和動手能力。為了培養(yǎng)這種能力，一方面我們根據(jù)課程教學(xué)進程，適時組織非紙上談兵的專題知識競賽。由老師根據(jù)所學(xué)的理論知識提出一個相關(guān)的工程實際問題，指導(dǎo)學(xué)生通過搜集資料、查閱文獻、分析工程實際問題的力學(xué)性質(zhì)、提出解決問題的設(shè)計方案并進行可行性論證，然后寫出報告或小論文，經(jīng)過評議選出優(yōu)勝者。

通過這種專題知識競賽，可使學(xué)習較快地進入將理論知識轉(zhuǎn)化為解決工程實際問題的訓(xùn)練，掌握解決工程實際問題的途徑和方法，有效地提高學(xué)生的工程思維能力。

個人能力對于工程技術(shù)人才來說，除了具有很強的工程思維能力外，良好的工程實驗?zāi)芰σ灿蕊@重要。然而在過去的教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)有所謂的“高分低能”現(xiàn)象。雖然造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，但是在當前的《材料力學(xué)實驗》的教學(xué)中，由于學(xué)生數(shù)量多、儀器設(shè)備相對不足，致使《材料力學(xué)實驗》課多為演示性實驗，使學(xué)生失去參與實驗設(shè)計和動手的機會。但由于學(xué)時所限，難以增加實驗課的學(xué)時。面對這種困難，我們與實驗課程協(xié)調(diào)，提出開放實驗室的構(gòu)想。將實驗分為基本實驗、自選實驗和研究型實驗三類。

基本實驗是在《材料力學(xué)實驗》課程的教學(xué)時間內(nèi)，完成該實驗課程教學(xué)大綱中規(guī)定的實驗項目。

在此基礎(chǔ)上，利用開放實驗室進行學(xué)生自選項目的實驗。由學(xué)生根據(jù)項目或自身情況自主安排，利用實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，在老師的幫助下，確定實驗方案，自主完成儀器設(shè)備的安裝、調(diào)試及試驗的全過程。在此過程中，學(xué)生可實際接觸及了解各種儀器設(shè)備的原理性能和使用方法，增加了對各種傳感器及測試技術(shù)的知識，這對于訓(xùn)練學(xué)生進入職場后的動手能力有極大的幫助。

對于學(xué)有余力的學(xué)生，還可利用開放實驗室，根據(jù)不同的力學(xué)模型，以實驗或計算機仿真來完成所選課題的研究任務(wù)、形成電子版的小論文。

3.在人際團隊能力培養(yǎng)的層次。現(xiàn)代的機械工程、土木工程往往是綜合性極強的龐大的系統(tǒng)工程。它涵蓋由基礎(chǔ)科學(xué)到技術(shù)科學(xué)、由經(jīng)濟學(xué)到管理科學(xué)，甚至涉及能源、交通、環(huán)境保護和生態(tài)保護等各個方面。因此在工程的組織機構(gòu)、各部門的任務(wù)分工與協(xié)調(diào)、資源分配等各個方面應(yīng)必須統(tǒng)籌考慮，形成精干、高效的工程團隊。

針對現(xiàn)代工程建設(shè)的這種特點，作為培養(yǎng)卓越工程師為目標的高等工程教育，就必須增強對學(xué)生人際團隊能力的培養(yǎng)，創(chuàng)造機會進行這方面的訓(xùn)練。

由于學(xué)科龐雜，在整個教育體系中，各個專業(yè)都應(yīng)根據(jù)各自的特點來完成培養(yǎng)人際團隊能力的任務(wù)。

作為技術(shù)基礎(chǔ)課的《材料力學(xué)》也須根據(jù)課程為力學(xué)分析的特點來加強這方面的訓(xùn)練。根據(jù)課程的教學(xué)進程，在相關(guān)理論的學(xué)習中，提出適當?shù)恼n題，將學(xué)生進行分組所課題進行分解，如建模、電算、實驗驗證、資料整理、撰寫報告等。這樣在完成課題的過程中必然會涉及人際團隊能力的問題。如建模中的數(shù)學(xué)問題有時就要與數(shù)學(xué)方面的人員交流、電算中的程序編制問題就要與計算機軟件方面的人員交流、實驗驗證中的自主實驗就要與實驗人員交流、資料整理中的文字、圖表處理也需與計算機方面的人員交流。至于撰寫報告中的表述則要與各小組共同討論、定稿。通過上述方式的訓(xùn)練，使學(xué)生人際團隊能力得到大幅提高。

此外，我們有計劃地組織參觀工廠、工地或到企業(yè)調(diào)研，與相關(guān)人員進行座談。利用這些機會一方面使學(xué)生更深入地接觸社會、接觸工程實際，既擴大了學(xué)生的視野，又培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的人際交往能力。

4.在工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)層次。在學(xué)校工科教育中，《材料力學(xué)》課程也是作為單獨一門學(xué)科進行學(xué)習，而要在工程實際中加以運用就需要工程系統(tǒng)的能力。

首先要使學(xué)生了解到《材料力學(xué)》在工程中并不是孤立存在的，而是在出現(xiàn)的工程實際問題中，為了工程的安全，經(jīng)過對問題的觀察、思考和反復(fù)試驗驗證而提煉出來的一套解決工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題的理論和計算方法。因此，要了解《材料力學(xué)》在工程中的作用和地位，就必須具有工程系統(tǒng)能力。為了培養(yǎng)這種能力，我們在全部教學(xué)過程中，始終強調(diào)引入眾多工程背景，在各種工程背景中分析構(gòu)件的載荷狀態(tài)、進而分析構(gòu)件的力學(xué)性能，并提出解決各類問題的步驟、方法和計算公式，以滿足整個工程系統(tǒng)的安全。這樣就從一開始應(yīng)將各類構(gòu)件與整個工程系統(tǒng)聯(lián)系在一起。同時我們還通過多種教學(xué)環(huán)節(jié)和多種教學(xué)方式引入與力學(xué)分析相關(guān)的傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、測試技術(shù)及試驗技術(shù)，使力學(xué)問題由單一學(xué)科形成多學(xué)科的集合、成為一個整體的工程系統(tǒng)。使學(xué)生養(yǎng)成一種工程系統(tǒng)思維習慣。

此外，我們還不失時機地組織學(xué)生參加社會上舉辦的相關(guān)研討會、參觀相關(guān)的產(chǎn)業(yè)博覽會，如醫(yī)療器械、起重機械、工程機械、包裝機械和工業(yè)機器人等。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注新工藝、新技術(shù)、新裝備和新材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，為提高工程系統(tǒng)能力提供知識儲備。

四、小結(jié)

本文對在《材料力學(xué)》課程的教學(xué)改革中貫徹CDIO理念的具體實施進行了探索，構(gòu)建了新的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式和手段，希望在《材料力學(xué)》課程教學(xué)中，為培養(yǎng)現(xiàn)代的、具有國際視野的卓越工程師起到一定的作用。

我們也注意到新的教學(xué)模式與現(xiàn)行的學(xué)校管理制度尚有某些不夠協(xié)調(diào)的地方，需在進一步的改革中逐步完善。

參考文獻：

[1]Crawley EF，Malmqrist， etc. Rethinking Engineering Education： The CDIO Approach [M].New York ； Springer，2007.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2011.1.

[3]Zhan Shifang，Zhan Shupeng，LiJiuxi.Teaching Innoration for Mechanics of Materials [J].China Education Reseach，2006（11）：80（ch）.

基金項目：2013年武漢市屬高校教育研究重點項目（項目編號：2013001）

作者簡介：孫峙華，江漢大學(xué)機電與建筑工程學(xué)院教師，博士，主要研究方向：材料力學(xué)、工程力學(xué)。