關于理論力學教與學中CDIO理念應用的思考

洪哲浩++丁智++李丹薇

基于國際先進的CDIO工程教育理念，在《理論力學》這門土木工程必修課的教學中，讓學生自由分組開展基于理論力學課程的CDIO項目的建模分析與實踐，教師通過學生課堂上的成果展示進行評價和指導，可以有效的提升學生對理論力學的理解，更利于學生團隊合作精神、科學探索思維、實踐創新能力的培養。

教學創新理論力學CDIO項目一、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，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學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，經過四年的探索研究，創立了 CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織。

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它改變了重理論輕視實踐的傳統教育模式，注重培養學生掌握扎實的工程基礎理論和專業知識，在此基礎上通過貫穿于學生個人團隊設計和創新實踐能力的培養，讓學生以主動的、實踐的、與課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，大綱要求以綜合的培養方式使學生達到預定目標。

CDIO作為一種創新的教育模式，國內外經驗表明這一理念和方法是先進可行的，在工程領域教學改革創新方面得到了廣泛認同和大力推廣。浙江大學城市學院的土木工程和機械工程是教育部首批CDIO工程教育試點專業之一。在工程教育的大氛圍和大環境下《理論力學》中引入了CDIO項目，為本課程帶來改革創新，提高了課程教育質量。本文將從CDIO項目對學習《理論力學》這門課程的理解及其對教學方法的啟迪進行論述。

二、理論力學課程介紹及教學現狀

1.課程介紹

《理論力學》研究物體機械運動的一般規律，是高等院校工科專業的一門核心基礎課程，是與工程實際緊密聯系的課程。系統介紹靜力學、運動學與動力學的基本概念、基本原理以及處理問題的基本方法，不僅為《材料力學》《結構力學》《彈性力學》等后續課程的學習打下基礎，更在于培養學生的邏輯思維、抽象思維能力。作為土木工程專業的基礎必修課程，理論力學的課程學習效果將直接影響土木工程專業學生的后續學習能力和以后的發展。

2.教學現狀

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

（2）受傳統教育觀念的影響，與其他課程一樣，現階段的理論力學課程，無論教材還是教學內容，都重理論，輕實踐應用。

三、理論力學中CDIO項目的應用及效果

1.CDIO項目在理論力學中的應用

在理論力學的教學過程中，CDIO項目作為一個不可分割的存在，以一種不同于平時教學方法的形式，讓同學們自己對靜力學模型進行受力分析，得出結論，并進行展示來加深對理論力學的理解。

在開展CDIO項目之前，要求同學們先進行自由分組（3人以下包括3人），并將分組結果上傳至BB平臺。然后要求小組成員從身邊的生活和工程實際問題中選擇一個靜力學模型，確定其不同的約束類型并對其進行簡化。再對簡化之后的模型進行受力分析，列出力學方程，計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PPT和計算書對力學模型進行介紹和分析，所有分析和計算過程在PPT和計算書上必須有所體現。最后在課堂上進行小組展示，其他小組以及老師通過對展示的小組進行提問和指導以及他們所展示的內容進行評分。在所有小組展示完畢后，每個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項目的最終得分有小組自評、同學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，學生獨立分析問題并對其他小組的展示進行提問，不僅鞏固了所學到的知識，還對理論力學這門課程有了更為深刻的理解，為日后的專業課學習奠定了基礎。

2.CDIO項目在理論力學教學中的效果

針對CDIO項目對理論力學教學效果、學生學習成效，本文選取本學期理論力學期末成績進行分析。

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行排序，再畫出其對應的總評成績曲線。分析圖中曲線可知，CDIO項目對于期末成績較差的同學來說，對總成績的幫助很明顯。對于成績較為優秀的同學來說，對總評成績的提高不是特別明顯，甚至還有一些同學雖然期末卷面成績很不錯，但是由于CDIO項目沒有做好，導致總評成績有所下降。可見CDIO項目的實施更有效地考察了學生的知識綜合運用水平。

圖2中的期末成績是學生的期末卷面成績，總評成績是學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數段分別所占的人數。從中可以看出，CDIO項目對于期末卷面成績相對較低的同學來說，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的影響就不是很大。但還是能從圖中看出，CDIO項目的分數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這個分數段人數所占的比例，降低了60分以下和60～69分數段的人數。可見CDIO項目的實施對學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、理論力學中的優秀CDIO項目成果展示

本學期理論力學CDIO項目進展順利，同學們分別對塔吊、升降起重機、龍門吊、橋梁、以及窗戶等身邊的生活和工程實際問題進行提煉、抽象出一個靜力學模型，并進行獨立的思考分析。在完成項目的過程中提升了對理論力學的學習認識，培養了學生團隊合作精神、科學探索思維和實踐創新能力。下面是一個小組的CDIO項目實例：endprint

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

Design（設計階段）。根據構思階段的構思確立所有任務后，根據小組成員個人特長，進行合理分工，以及根據項目成果要求和組員課余時間，確立工作分配與時間安排表。

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

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

該小組的成果展示，讓同學們對剪叉式液壓升降機的工作原理，以及受力分析和力學計算過程都有了一個較為全面系統的理解。它極大的激發了同學對理論力學學習的興趣，也能幫助同學對力學分析的理解，對同學集中課堂注意力也起到了良好的作用。在項目展示課堂上，不同小組之間的互相交流更是讓同學們對許多工程、生活中的理論力學應用有了廣泛的了解，將理論課堂延伸拓展到實際運用。

五、CDIO項目對教學的啟示

理論力學一直是學生認為的較為枯燥又難理解的課程，如果老師在教學時能將模型與教學內容相結合，能將簡易模型在受力分析時展示給同學，并演示其動態過程，能較大的激發學生學習理論力學的積極性。

此外，將做模型作為一種課后作業或者期末總評分標準，讓同學們根據課上所要分析的模型或者知識點，自己動手制作簡化模型。同學們在制作的過程中掌握了理論力學知識，同時也提高了結合理論力學與實踐的能力，更鍛煉了自主學習能力、組織協調能力和團隊合作精神，提高了上課的進度和效率。

六、結語

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

參考文獻：

[1]李紅霞，張淑佳，李樂.基于CDIO工程教育大綱的理論力學教學改革[J].神州，2011，（05）：14-15.

[2]孟祥勃，丁智，沈旭棟.模型加載實驗在《材料力學》中的應用[J].文藝生活，2014，（06）：248.

本文系2015年浙江省課堂教學改革項目（Kg2015510）、浙江大學城市學院第七期重點課程建設項目（CD1401）。endprint