基于結構設計競賽的應用型本科院校土木類專業(yè)力學課程體系的CDIO教學改革實踐

封焱杰，付旭，劉曉立，張友恒，白俊峰，盧嘉軒，于金貝，游業(yè)剛，劉思堯

一 前言

自2005年起由浙江大學倡導的全國大學生結構設計競賽至今已舉辦12屆，逐漸形成了土木類專業(yè)全國 性知名學科競賽，并取得了豐碩的成果。結構設計競賽從選型、制作、計算、答辯到加載多環(huán)節(jié)考察參賽選手的能力水平，賽題也越來越趨近實際工況，該賽事不僅可以為應用型本科院校搭建工程實踐能力訓練平臺，還可 以培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新精神、團隊協(xié)作意識等工程師基本素養(yǎng)，是提高應用型本科人才培養(yǎng)質量重要手段之一[1-3]。

近年來，由麻省理工學院所倡導建立的CDIO工程教育模式為全面、系統(tǒng)地培養(yǎng)適應時代需求的應用型本科工程人才提供了一套可行的理念、方法論和操作指 南[4]。CDIO代表構思、設計、實施、操作，將其核心理念應用到土木類專業(yè)可以理解為以工程項目開發(fā)到工程項目運營的全生命周期為載體，以項目為驅動，以學生為中心，構建實踐與理論知識有機結合的方式來培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。目前，CDIO工程教育理念在國際范圍內(nèi)已逐步得到推廣，也引起了我國眾多高校的積極響應[5]。

結構設計競賽整個流程與CDIO工程教育模式相吻合。將結構設計競賽與CDIO工程教育理念相結合，不僅能夠促進學生對工程項目全生命周期內(nèi)所涉及的專業(yè)知識的學習，更能夠做到創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)。

二 課程改革背景

隨著時代與科學的快速發(fā)展，我國目前的土木類專業(yè)教育模式已出現(xiàn)了嚴重的弊端，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)和社會生活的需要。首先，對于人才的培養(yǎng)模式單一化，制約了人才的全面發(fā)展；其次，現(xiàn)有的實踐教學環(huán)節(jié)比較薄弱，這與土木類專業(yè)實踐性強的特點恰恰相反；最后，土木類專業(yè)缺乏對探索性與創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

2008年，汕頭大學首次將一門獨立的工程倫理課納入到了本科課程教育體系來解決中國工程倫理教育的稀缺問題。課程內(nèi)容選擇了與當代問題相對應的三個主題：工程師的社會責任、知識產(chǎn)權和工程安全標準。案例教學和小組討論等一系列流行的教學方法應用于倫理教學。

丹麥理工大學自2008年起開始實施CDIO工程教育改革。在制定的CDIO教育手冊中，明確了大學生在畢業(yè)時應掌握的職業(yè)所需要的技能。在遵循CDIO標準的過程中，不同的項目記錄了教育過程中的連貫性與進步，包括學生的實習。學生分組制作產(chǎn)品的方式對于培養(yǎng)工程師團隊協(xié)作意識來說非常的重要，同時也讓學生們學到了很多課堂知識[6]。

鑒于目前土木類專業(yè)教育模式所存在的不足和國內(nèi)外大學CDIO教育模式的實施情況，2017年起我院將大學生結構設計競賽納入到了土木類專業(yè)的CDIO教學改革中，希望可以培養(yǎng)出具備解決復雜工程問題能力的優(yōu)秀應用型本科人才。

三 教改實施路徑與內(nèi)容

我院的土木類專業(yè)力學課程CDIO教學改革基本思路為：遵循土木類專業(yè)實踐性比較強的學科特點，秉承兼顧知識的覆蓋面與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)及幫助學生形成工程概念的原則，將結構設計競賽逐步融于大學課堂，減少復雜的理論講述，將應用型的內(nèi)容作為教學重點，加強實踐性教學環(huán)節(jié)，提高動手制作能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

對于應用型本科院校土木類專業(yè)，力學課程屬于基礎學科內(nèi)容，并與專業(yè)課緊密結合在一起貫穿于整個大學期間。隨著力學知識體系學習的一步步深入，將力學課程分為三級，每一級別課程對應相應難度的實踐項目加以訓練，將結構設計競賽備戰(zhàn)全過程融入到力學課程教學中。力學課程體系CDIO教學改革實施路徑如圖1所示。

圖1 力學課程體系CDIO教改實施路徑圖

（一）三級項目實施內(nèi)容

三級項目屬于最基本的項目，對應的是土木類專業(yè)最基礎的力學課程即理論力學。該課程要求學生具有將工程問題抽象為理論力學模型并采用靜力學、運動學或動力學理論進行分析與計算的能力。在該環(huán)節(jié)中，教師通過向學生展示歷屆比賽的獲獎作品，從力學角度對不同的荷載形式和多種結構形式進行講解。然后，采用頭腦風暴的模式，讓學生提出他們設計結構模型的新想法，使學生了解要解決的問題與已有的知識的聯(lián)系，同時了解學生在學習中的困惑與難題，并運用探究式學習方式進行新知識的學習與運用。 如圖2為課堂展示用渡槽支撐結構和圖3為課堂展示用大跨度屋蓋結構均已應用于桁架結構的教學中。不僅激發(fā)了學生的學習興趣，而且使學生深入認識工程對象中靜力學、運動學、動力學相關問題的解決過程與方法。

圖2 課堂展示用渡槽支撐結構

圖3 課堂展示用大跨度屋蓋結構

（二）二級項目實施內(nèi)容

二級項目屬于中等復雜程度項目，對應于材料力學和結構力學Ⅰ課程。由于這兩門課程主要學習桿件和桿件系統(tǒng)的內(nèi)力、應力、變形、強度、剛度、穩(wěn)定性等知識，因此實踐性與理論性均較強。在三級項目感性認識及基礎理論學習的基礎上，學生已經(jīng)對結構的基本形式和原理有了一定的了解，在此階段教師可以將學生分為若干學習小組進行分組討論，并采用課上所學的新知識和查閱資料相結合的方式在課下對新型結構進行構思與制作。所制作的結構模型不宜過于復雜，但是要有一定的有益價值，教師需要留給學生充分的思索空間，僅參與方案論證和在復雜問題上提供指導。該級項目貫穿于整個第二學年上學期。學生在該項目實施過程中掌握結構設計的流程和問題解決的方法，培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維能力[7]。

（三）一級項目實施內(nèi)容

一級項目是最復雜的項目，也是與結構設計競賽結合最緊密的項目。該項目對應結構力學Ⅱ課程，并在課下在本院建立的創(chuàng)新實踐工作坊內(nèi)實施。該項目是在三級和二級項目訓練的基礎上，開始有針對性設計和制作結構設計競賽題目所要求的結構模型。一級項目制作過程包括：結構構思（已在三級項目中進行過訓練）、構型設計（已在二級項目中進行過訓練）、模型制作（需在創(chuàng)新實踐工作坊內(nèi)制作，已在二級項目中進行過基礎訓練）和結構優(yōu)化（需要自學數(shù)值模擬軟件，對已設計好的結構進行三維模擬分析）。在該級項目實施過程中，學生根據(jù)所學的理論知識，重新認知復雜工程問題和復雜系統(tǒng)，并獲得分析、解決和設計的能力，最終通過行動達成復雜問題的解決和系統(tǒng)實現(xiàn)。

本院近年來通過上述CDIO教學改革實施計劃所制作的實物模型如圖4所示。整個過程不僅使學生由簡到繁，由單一到綜合，達到將工程推理、解決問題、團隊協(xié)作、交流能力和專業(yè)知識進行有機融合，融匯貫通和掌握本專業(yè)核心知識的目的。

圖4 學生制作的結構模型

（四）考核方法

為了衡量在CDIO工程教育改革中學生們的學習效果，需要對學生的學習成績進行評估。本院從筆試、創(chuàng)新想法、課堂討論、產(chǎn)品審查、學習過程五個評估指標來對學生的學習效果進行評價。設評估指標集合為U={u1（筆試），u2（創(chuàng)新想法），u3（課堂討論），u4（作品審查），u5（學習過程）}，相應的指標權重A=[a1, a2, a3, a4, a5]，各權重ai滿足a1+a2+a3+a4+a5=1, ai≥0, i=1, 2, 3, 4, 5。

式中，ui表示第i項指標得分值，u表示學生的綜合得分。

綜合以上的計算結果，為了更加直觀地顯示一個學生五大指標的達成程度，引入蛛網(wǎng)模型圖來對學生進行整體分析，如圖5所示。圓心至圓上各點成遞增趨勢，其中圓心處I=0，圓上I=1。且每個指標在紅色區(qū)域內(nèi)為不及格，表明學生在這一方面的能力未達到要求，需加強練習。在青色區(qū)域為優(yōu)秀，越接近圓最外側表明學生在這一方面有潛在的能力。

圖5 蛛網(wǎng)評估圖

四 改革效果

（一）調(diào)研方案

根據(jù)CDIO大綱所確定的工程師能力要求設計了調(diào)查問卷，主要調(diào)研了學生的知識與技能的掌握程度。問卷采用評分形式，分值為1～5，分別對應{非常差、很差、一般、很好、非常滿意}五個標準。

本次調(diào)查主要針對學生在CDIO模式實施過程中知識與技能的掌握程度，同時也要包含認可教師的觀點，因此本次的調(diào)查對象包括在校學生與教師。在校生選擇大三學生，考慮到學生經(jīng)歷豐富，懂得就業(yè)所需要的技能與知識。共計收到有效問卷104份，涉及90名大三學生和14名教師。

（二）問卷分析

本文采用Microsoft office excel 2007對學生的調(diào)查問卷進行數(shù)據(jù)處理，通過餅圖的形式顯示學生知識與技能的掌握程度，如圖6所示。

圖6 學生知識與技能的掌握程度

通過調(diào)查問卷所得到的結果來分析，大多數(shù)人在CDIO教學模式下掌握了基本知識與技能，僅有少數(shù)人掌握不好。以此為依據(jù)，結合老師與學生的反饋意見，分析得出學生的不適應與教學模式的不完善導致學生對知識與技能的掌握程度不夠。因此優(yōu)化CDIO教學模式，讓更多的學生通過CDIO教學模式學到更多的知識與技能是目前最要緊的事。這樣不僅提高學生的學習能力，而且對學生的全面發(fā)展也有很大的幫助。

五 結語

目前，越來越多的高校采用CDIO工程教育理念來指導工科專業(yè)的教學改革，也取得了許多富有成效的成果。基于大學生結構設計競賽對力學課程體系進行“項目制”設計，符合當代土木類專業(yè)本科人才的培養(yǎng)方略。將CDIO工程教育理念應用于土木類專業(yè)本科教學中，不僅改變了重理論、偏實際的問題，也激發(fā)了學生參加課外科技創(chuàng)新活動和學科競賽的興趣，提高了我院土木類專業(yè)學生的實踐創(chuàng)新能力，后續(xù)工作將在調(diào)研的基礎上對CDIO教育模式進一步優(yōu)化改善。