基于前沿CDIO 理念的材料力學課程教學改革方法研究

馮萬輝 唐昀超

（仲愷農業工程學院城鄉建設學院 廣東廣州 510000）

CDIO 理念的推行，為工程專業課程的教學改革指明了方向。若能推動材料力學課程教學與CDIO 理念的融合，意味著材料力學課程教學再上一層樓，吻合工程領域專業人才的實際要求。鑒于CDIO 理念的重要價值，有必要探討在材料力學課程教學改革中的具體應用方式。

一、CDIO 理念概述

（一）CDIO 理念含義

CDIO 理念是一種專注于培養學生工程能力的教育路徑，涵蓋工程教育中常見的構思、設計、實施、運作等環節。CDIO理念覆蓋工程產品從研發到最終應用的全部環節，引導學生主動參與到工程學習中，借助課程中的實踐模式完成課程學習。CDIO 理念強調社會環境適應與創新能力培養之間的融合與協調，強調工程實踐的作用并提升學生的實踐應用能力。在CDIO 理念背景下，強調產業要求與課程教學的對接，確保專業人才培養吻合產業發展要求。在此基礎上細分人員能力要求，具體包括基礎知識掌握程度，個人能力、協作能力以及工程系統意識。CDIO 理念融合了工程類課程教學改革的成果與精華，為培養學生能力提出了新的要求和思路，確保學生培養過程的可操作性。結合CDIO 理念的要求，逐步擬定有關課程實施和考評的具體標準，吻合全球范圍內對工程教育的共識，也為我國工程類專業教育改革指明了方向。

（二）與材料力學教學改革的聯系

借助CDIO 理念推動材料力學教學，有效解決材料力學教學中的問題，在CDIO 理念指導下，重新梳理并整合材料力學知識要素并確立全新的知識框架。結合CDIO 理念中的“四要素”確定具體的教學內容形式，在鞏固材料力學基礎知識的同時，強調實踐與應用的重要性，并推動材料力學教學創新。換言之，就是在材料力學教學中秉承“理論與實踐相結合”理念，以材料力學課程問題為線索，引導學生思考分析課程問題，找到解決問題的思路。在材料力學教學中注重實踐創新，強調課程教學中的應用能力導向，逐步強化學生的實際應用能力。在材料力學教學中要發揮實驗操作和工程案例的獨到作用，將其作為材料力學課程的“第二課堂”，重視案例分析的作用。以“一個材料力學課堂”為依托，融合多個層次的教學環節，逐步構建靈活有機的材料力學課程體系，吻合CDIO 理念的要求，全面鍛煉學生的學科能力，為培養更多、更優質的工程技術人才打牢基礎。

（三）材料力學教學改革基本思路

在充分理解CDIO 理念的前提下，定位CDIO 理念的要求和標準，確定具體的能力體現形式。關于CDIO 背景下的人才培養構架，應當涵蓋構思、設計、開發與運行四個階段，并將其作為培養專業人才能力的重要載體，拓展學生的知識面并建立學生的大工程意識。定位材料力學課程的工程能力要求后，將其細化為多種能力點，并與材料力學課程教學相融合。與此同時結合我國在工程類人才培養方面的具體要求，設定合理可靠的材料力學教學安排。設置材料力學教學改革綱要時，要注意大綱要求的目標深度并設置多條能力標準，逐步形成適應材料力學課程以及專業特征的評價指標。

1.基礎知識目標

這一目標涵蓋的能力點有基本概念原理、核心工程基礎知識以及高等工程的基礎知識，對應的能力點包括分析問題的方法以及解題技能。

2.個人能力目標

涵蓋的能力點包括“實驗中探索知識”“借助工程建模方式解決問題”以及“建立系統思維”，對應的能力體現方式包括分析問題的方法、動手能力與創新能力。

3.協作能力目標

能力點具體包括“個人技能與道德”“職業能力與道德”“團隊合作與溝通”，對應的能力體現方式是軟件應用能力與合作交流。

4.工程系統目標

涵蓋“工程環境”“構思工程系統”“設計實施運行”等能力點，著重強調學生的“自學創新能力”。

二、材料力學教學改革落腳點

（一）課程設置

材料力學課程與工程領域緊密相關，具有較高的應用價值。由于材料力學課程中涵蓋了很多知識點和理論基礎，課程內容相對抽象，很多知識點需要花費較多時間講解，意味著材料力學課程教學的難度較大。在課程教學改革不斷深入的背景下，以材料力學為代表的理論類課程的課時被逐步壓縮，進一步導致材料力學教學中的課時緊張局面。如何通過優化材料力學課程教學實現課程中的補償效應成為重要課題，對材料力學課程設置提出較高要求。教師在掌握材料力學課程編排的基礎上，將培養學生能力、提升學生的工程素養擺在非常重要的位置，巧妙解決材料力學理論教學與培養工程素質之間的矛盾，幫助學生在鞏固材料力學基礎知識的前提下，在實踐能力領域有所收獲和提升，為適應更復雜的工程應用環境打好基礎。換言之，通過材料力學教學改革，讓學生利用更少的課時獲得更好的材料力學理論知識學習效果，認識到材料力學課程的核心，還能靈活應用材料力學課程中的概念和知識解決實際問題，最終在潛移默化中形成屬于學生的工程素質。

（二）實踐設置

當前“工匠精神”已經成為工程類專業教學的重要指導思想，在培養學生“工匠精神”的基礎上推動教學創新，強化學生的創新意識。在材料力學課程教學全過程中，都要將創新能力的培養擺在非常關鍵的位置，強調實踐教學在材料力學課程中的重要地位。傳統材料力學教學中，注重課程理論知識的傳授，對實踐教學的重視力度不夠。由于材料力學實踐課時難以保障，學生運用材料力學知識參與實踐的機會可謂少之又少。教師擬訂的材料力學實踐方案未必與課程知識吻合，甚至導致材料力學理論與實踐教學脫節，無法建立基于材料力學課程的整體感知思維。CDIO 理念強調“大工程”理念，意味著材料力學課程教學必須緊扣“大工程”要求，將大工程背景作為材料力學課程教學背景，拓展課程教學輻射范圍，確保材料力學教學與工程背景順利對接，逐步形成屬于學生的大工程素養。CDIO 理念融合在材料力學教學中，構建優質的材料力學教學模式，與工程教育模式的要求吻合。

（三）考核模式設置

材料力學教學改革要有考核模式的支撐，課程考核點應當全面，涵蓋知識、主體與時間三個維度。教師首先關注到學生通過學習材料力學課程獲得何種能力，在此基礎上從學生的角度出發，不斷激發學生主動參與材料力學學習的潛力，并將學生的積極性與創新意識作為材料力學考核的重要指標。時間維度對考核模式的靈活性有較高要求，教師根據材料力學課程時間節點的要求安排不同的考核模式。傳統的材料力學課程考核采用“期末考試+考勤+實驗”的三段法，雖然覆蓋材料力學課程全過程，但實際執行過程形式化明顯，不能起到應有的考核效果。而且傳統的考核模式指標設置簡單，也不能真實反映學生參與材料力學課程的實際情況。在CDIO 理念引導下，教師要逐步優化材料力學課程評價過程，將更容易調動學生主觀能動性的因素納入考評模式中，引導學生在材料力學課程中勇于創新，積極推動理論與實際的結合，促進材料力學課程知識的轉化應用。

三、材料力學教學改革思路

（一）重視基礎知識的教學

在工程背景與課程教學融合的背景下，將工程背景作為講授知識的重要載體，加強材料力學理論知識與計算方法的講解與推演，讓學生“知其然更知其所以然”，并引導學生利用材料力學的基本知識解決實際工程問題，培養學生的運用能力。借助上述方式，學生對工程問題到模型的轉換方式理解更加深刻，掌握模型的建立方式和求解過程，真正認識到材料力學課程的價值。在材料力學各個章節的教學過程中，應當結合多種構件與載荷形式，秉承“由簡及繁”的原則，逐步強化學生的建模意識和能力。傳統材料力學教學中側重于使用計算簡圖，在力學分析中存在短板。采用建模方式分析材料力學問題，有效提升學生的職業能力。

在講授材料力學中的拉伸、壓縮等課程內容時，可以將活塞桿引入課程內容中，了解在油壓和工作阻力的影響下發生拉伸變形的情況。力學課程中可以引入的工程實例還有很多，教師要善于利用工程實例中的力學因素，以常見的工程實例作為傳授知識的載體，對“拉伸變形”的認識更加深刻，由此得到拉伸變形的力學模型。在引入液壓傳動機構活塞桿的實例時，引導學生注意到外載種類與構件之間的關系。如果外載荷作用線與構件縱軸線相同，但是力作用在構件內部，則會導致壓縮變形的情況，將其作為力學模型。借助力學模型，明確模型與構件載荷的受力點方向有關。在此基礎上延展壓縮變形的場景，引入內燃機連桿燃氣爆發沖程場景，進一步展示壓縮變形的特征。通過引入工程實例，不難看出構件與載荷之間的相對位置與方向直接影響壓縮變形的形態，并對應不同的力學模型，逐步形成屬于學生的工程思維。此前展示的力學模型，存在外載荷作用方向與縱軸線共線的特征。但是很多工程場景中，兩者并不是共線的關系，而是呈現出相互垂直的狀態，意味著壓縮變形呈現出彎曲的狀態，這種情況下需要創建新的力學模型，反映壓縮變形的彎曲狀態。另外，載荷的種類也會影響力學模型的建立，在教學中選擇并展示反映載荷種類變化對力學模型影響的工程案例。

在上述材料力學的教學過程中，采用了層層推進的方式，并融合諸多工程背景。借助工程背景載體，學生意識到力學模型的建立取決于多種因素的影響，對工程實例到實際模型的轉換認識更加深刻，自身的建模能力也在潛移默化中提升，推動材料力學知識與實際情況的有效結合。

教師引入工程實例時，注意結合多媒體手段，全面展示工程實例的實際情況。例如教師將圖片、微視頻等融合在工程實例的展示階段，評價工程實例可能引發的安全事故以及理論發展過程，幫助學生從多個角度理解材料力學知識，更好地定位理論與技術之間的關系，對工程技術的認識更深一層，同時擴展了學生的視野，認識到材料力學知識的應用價值。多媒體方式的應用，還能簡化教師的知識講授過程，課時資源應用效率更高，充分適應材料力學課程改革要求，獲得更優質的課程教學效果。

（二）重視個人能力培養

工程類專業人才的能力包括思維能力與動手能力。在個人能力培養過程中，結合材料力學課程教學進程融合專題知識競賽，教師根據材料力學的某個知識點提出工程問題并作為探究作業，學生根據教師提供的主題檢索相關資料和文獻，總結處理工程問題的思路和方式，并對擬訂的方案進行可行性論證，最終以實驗報告或者小論文的方式提交給教師，由教師評選優勝者。專題知識競賽與材料力學教學的融合，幫助學生盡快將材料力學理論知識轉化為實際應用的成果。以專題知識競賽為載體，在解決問題的過程中，加深對材料力學知識的理解，并強化個人的運用能力，潛移默化中形成學生的思維能力。

材料力學知識的價值要通過應用方可實現，在培養學生思維能力的同時，也要重視動手能力的培養，意味著材料力學實驗在課程教學中扮演關鍵角色。在材料力學教學中，一定要保證思維與動手能力的平衡，避免出現材料力學學科內的“偏科”現象。由于實驗課在材料力學教學中居于重要地位，可以將開放實驗室融合在材料力學教學中。將開放實驗室作為材料力學實驗教學的載體，設置多級別的實驗課程，在吻合教學進階特征的同時，滿足不同類型的學生需求。關于材料力學的基本實驗，以材料力學課程大綱中要求的實驗內容為主要內容。材料力學自選實驗則根據學生和項目的實際情況，合理安排自選項目的具體方案。學生獨立完成材料力學的自選項目可能比較困難，教師可以協助學生完成實驗器材的安裝與調試任務，但是不能包辦過多的事項。學生在親自安排實驗方案、動手調試實驗設備的過程中，真正掌握實驗設備的操作方式，對材料力學知識原理的理解也更加深刻。借助材料力學實驗教學，對傳感器、測試技術有更加到位的認識，對于學生進入職場大有裨益。對于學有余力的學生，可以進一步提升材料力學實驗的深度和難度，以力學模型為基礎，將計算機仿真技術融入其中，引導學生利用更先進的技術完成更復雜的材料力學實驗任務，并將實驗成果與心得寫成電子版的論文。

（三）重視協作意識培養

材料力學課程中利用到的工程模型規模龐大，意味著任何教學任務都要由多名人員共同完成。與此同時，有關材料力學的工程知識涵蓋多個學科，意味著人員及部門之間的合作與協調也成為重要課題。在編制材料力學的工程教學方案時，要充分考慮部門之間任務分工與資源分配的情況，確保工程中的資源合理分配。在材料力學教學中，一定要有團隊意識，融合現代工程實際特征，提升材料力學的教學標準。在落實材料力學課程任務的同時，還要注重學生人際關系能力的培養，推動學生綜合素養全面提升。協作意識的培養應當結合材料力學課程的特征，由于材料力學知識體系相對復雜，人際關系層面的培養必須對接課程要求。

以材料力學課程中的力學分析教學為例，結合材料力學的課程知識提出相關的課題，由學生分組完成教師布置的課題。學生拿到材料力學課題后，將其分解為多項任務，例如建模、實驗驗證、撰寫報告等，小組團隊中的每一名成員都有各自的分工，團隊人員之間的合作至關重要。而且分解后的材料力學任務涉及多門學科，意味著相關的小組成員需要與對應的學科人員交流。例如完成電算任務時，需要與計算機專業人員交流編程的技巧和經驗。在撰寫實驗報告時，需要聽取小組全部成員的意見和建議，最終方可定稿。在力學分析的主題任務中，融合了很多人員之間的交流任務，反復強化小組成員之間的協作交流意識，顯著提升人員的協作配合能力。在此基礎上推動材料力學教學與工廠實地環境的對接，將參觀工廠的任務融合在材料力學課程中，為學生提供更多接觸實際環境的機會。學生在工程環境中，對工程實踐環境的認識更加深刻，有效擴展學生的視野和觀察能力。在與工廠人員的交流過程中，還能強化個人的人際交往能力。

（四）強化工程系統認識

材料力學課程知識的運用，與工程系統環境關系密切。強化學生的工程系統認識，引導學生站在更高的層次理解材料力學知識，促進能力的全面提升。材料力學雖然是一門獨立的課程，但是學科知識與諸多專業課程密切相關，在實際的工程環境中扮演關鍵角色。從安全角度出發，反復觀察工程結構并定位其中的力學問題，并借助反復的思考與驗證，確定解決材料力學問題的思路和方法。由此可見，若要真正認識到材料力學課程的重要性，必須有工程系統的認識，引導學生在工程系統環境中運用材料力學知識，體會到材料力學知識的獨到價值。在材料力學教學中充分發揮工程實例的關鍵作用，探討實際工程中全部構件的載荷狀態與力學性能，總結解決力學問題的有效思路和方法，列出處理問題的計算公式，保證工程系統的絕對安全。在材料力學教學中，注重構件與工程系統的聯系，并將傳感器、計算機等技術融合在材料力學教學中，引導學生真正認識到工程系統的特征，從多個角度看待工程系統的問題，并形成屬于自己的學科習慣。另外，教師可以將各類研討會、展會等因素融合在材料力學課程中，帶領學生接觸醫療器械、工業機器人、工程機械等高端裝備的研究成果，探討其中的材料力學知識，使得學生領悟到材料力學知識的巨大價值，為材料力學知識儲備奠定基礎。

（五）考核模式設置

關于材料力學考核模式，秉承“以學生為中心”的原則，結合CDIO 理念的要求細化考核的要求并分配權重，全面衡量學生的材料力學課程學習成果。考核模式要適應學生的實際情況，推動教學反饋與實施過程的結合，多角度保證考核結果的科學性，準確反饋學生在材料力學課程中的表現。例如教師編制材料力學課程的“綜合試卷”，考查學生對基本概念、理論和技能的掌握情況。將角色扮演方式融合在匯報答辯考核模式中，每個小組利用多媒體手段展示本小組的研究成果。另外將選題調研、產品開發、交流等環節融入材料力學考核中，確保考核過程的全面性。

結語

CDIO 理念覆蓋工程專業教學的全部過程，吻合專業課程教學改革的實際需求。在今后的教學過程中，在更廣闊的范圍內探索課程教學與CDIO 理念的融合路徑，推動專業課程教學取得新的突破，更好地適應全社會對工程人才的最新要求，保證工程專業人才的培養質量。