CDIO工程教育理念的結構力學課程教學改革研究

莫春美 黃君 黃家聰

摘? 要：為提高結構力學教學效果，培養學生解決實際工程問題能力和創新能力，文章在對當前結構力學課程教學存在問題進行剖析的基礎上，探索CDIO工程教育模式在結構力學課程教學過程中的設計和應用，以項目為載體，對結構力學課堂教學內容進行項目設計化，實施“四層階梯式”結構力學實踐教學模式改革，注重理論知識工程應用化，加強綜合實踐能力和創新能力的培養。實踐證明，CDIO的教學模式能激發學生學習興趣，讓學生更加清晰地認識結構力學與工程的密切關系，培養學生科學素養，啟迪其工程思維，提高學生解決土木工程領域相關工程問題的能力和創新能力。

關鍵詞：CDIO;工程教育;結構力學;課程改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2022）17-0136-04

結構力學是土木工程專業的專業核心課，課程理論性強且與工程實踐密切相關，為土木工程專業的學生將來工作解決實際工程中力學問題提供科學的思路和方法，在應用型人才培養計劃中占著重要地位。

2004年由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學研究出了CDIO工程教育模式，代表著“構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operation）”，CDIO工程教育模式下以工程項目為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程知識，培養專業知識、個人能力和團隊協作能力[1]。2005年CDIO模式最早由我國的汕頭大學發起研究，在國內引起了強烈反響，在教育部的高度重視下，各高校紛紛將CDIO工程教育模式引入課程改革中，并取得不少研究成果[2-6]。

南寧學院是教育部首批應用科技大學改革試點高校之一，堅持地方性、應用型辦學定位，努力為新時代區域經濟社會發展培養高素質應用型人才。立足于辦學定位和社會對土木工程專業人才需求情況，針對目前結構力學教學中存在的問題，學校將CDIO理念引進結構力學課程教學中，從教學方式、教學模式和教學內容等方面進行改革，優化考核評價機制，注重學生過程性培養，提高學生的專業性、實踐性和創新性，為高校培養土木工程專業復合型人才助力。

一、教學現狀

結構力學作為土木工程專業的一門重要專業課程，重點培養學生掌握結構的受力特點并學會進行綜合分析的能力，在整個專業培養計劃中占有重要的地位，然而在現有的培養模式下，一些院校對結構力學的學時進行了一定程度的壓縮，這使得教學過程中既要保證最大信息量，又要保證教學效果，使學習過程變得更加困難，導致學生積極性不高，學習效率低，考試不理想、掛科現象嚴重等情況。當前在結構力學的教學中主要存在三個方面問題：教學形式比較局限;重教輕學、重理論輕實踐;學生的團隊協作意識較差，使得學生的測試和實習結果均不理想，不能達到教學目標的要求，亟待進行相應的教學改革。

（一）教學形式比較局限

結構力學課程理論性很強，涉及結構多樣且計算量大，傳統的教學方法大多是依靠板書和PPT進行講述，教師通過口頭講述概念、演示計算和推導公式等形式將知識傳授于學生，這種“填鴨式”的教學方法久而久之會讓課堂顯得沉悶乏味，使學生很難提起學習的興趣。

（二）重教輕學、重理論輕實踐

結構力學涉及的計算量多且課時有限，在傳統的課堂教學中，教師花更多時間去講授每道題的計算方法和步驟，理論知識的講授占據了課程絕大多數甚至全部的時間，學生自主學習、思考的機會并不多，久而久之，學生只重視最終計算結果，并不能有效地將力學知識與實際工程問題相聯系，積極性和主動性也漸漸降低，這種模式不利于培養學生的自主學習能力和實踐能力，學生創新能力的培養也受到了制約。

（三）學生的團隊協作意識較差

以往課堂教學內容偏重理論知識講解，學生的學習任務大多是完成課后練習和期末考試，學生團隊協作、共同解決問題環節很少，不利于培養學生的團隊合作意識和提高交流溝通能力。

二、基于CDIO工程教育理念的教學改革

培養應用型高素質人才是結構力學課程的最終目標，如果一直按照傳統的教學方式進行授課，不利于學生的實踐創新能力的培養，而讓學生以主動實踐的方式學習工程知識的CDIO理念，從工程知識、個人和團隊能力等層面進行培養，與應用型高校培養復合型人才目標一致，因此本研究基于CDIO工程教育理念，從結構力學課程教學方法、教學模式和教學內容等方面進行改革嘗試，旨在提高學生的專業水平，提高學生的實踐能力、團隊協作能力和創新能力。

（一）調整教學方法和教學模式

將多元化教學方法引進結構力學課程中，提高學生的學習興趣。

1. 案例教學法：培養畢業生具備工程專業技術能力是CDIO工程教育理念下的專業培養的目標之一，結構力學課程知識點與實際工程密不可分，教學過程應結合實際工程，突出專業性和前沿性。如講授“桁架”章節時，教師可引導學生先進行文獻、資料的查閱，使其了解工程背景，然后建立其力學簡圖，并進行內力分析，最后再回歸到工程實際中。

2. 項目教學法：CDIO工程教育模式以工程項目為載體，因此將結構力學的教學內容重新整合，并進行項目化，如開展“結構設計”項目實踐環節，可以以小組形式進行展開，學生通過團隊協作，查找相關資料，共同構思設計方案、對結構進行設計、結構建模分析及優化，最后進行模型制作，整個項目完成過程中個人能力得以施展，團隊協作能力創新能力也得到了提升。

3. 討論法：在工程案例分析的基礎上，教師依據學生的知識掌握程度設計1—2個的拓展性問題，組織學生分組討論，注重學生的課堂教學參與度，以工程案例為背景激發學生的興趣并調動其積極性，引導學生主動思考，進而提高學生應用工程知識解決實際問題的能力[7]。

合適的教學模式有利于課堂教學目標達成，主動的學習方式在眾多現代學習方式中是學習效率最高的，“對分課堂”教學模式將課堂分成兩部分，其中一部分就交給學生以討論的形式進行互助學習，充分發揮學生的主體性。在結構力學課堂中采用“對分課堂”教學模式，教師不需事無巨細地講授，需要學生了解學習的內容框架、重難點等，預留給學生一定空間，引導學生對教師預先設計好的問題進行自主思考、然后依托“亮考幫”開展小組合作學習，最后進行全班交流。“對分課堂”教學模式強調師生互動和生生互動，充分發揮學生的主體性[3-9]。

（二）教學內容改革

在CDIO教育理念指導下，本研究對結構力學課程涉及的結構幾何組合分析、結構內力分析、結構位移分析等三個模塊相關內容進行項目化設計，實施以項目為載體的“四層階梯式”實踐教學模式，具體見表1。

1. 夯實課程理論基礎

打好扎實的理論基礎是后續實踐應用和創新的基石。該層次階梯主要要求學生掌握結構的幾何特征、計算簡圖的簡化要點、約束類型等基本概念、原理，能根據實際結構特征，分析其幾何構造并繪制正確的力學簡圖，在學習完該部分內容后，各小組學生根據教師布置的項目要求，制作一個幾何不變體系的模型，最后以各小組展示、匯報的形式進行過程性考評，強化學生的工程素質，夯實理論基礎，為提高學生實踐技能提供必要條件。

2. 加強知識應用和課程拓展

教師應及時更新優化課堂教學內容，將梁、拱和桁架的相關內容進行項目化設計，引入工程背景，讓學生自行分析各項目的工程結構背景，分析結構特點，繪制力學簡圖，選取合適方法進行內力分析，通過完成雨篷梁、公路橋梁、拱橋和鋼屋架的受力分析等項目，能夠將理論知識進行充分吸收及應用，培養學生嚴謹的工程思維邏輯和提高知識的應用能力。

3. 培養綜合實踐能力

加強綜合實踐能力的提升，將靜定結構和超靜定結構內力、位移分析相關內容進行項目化，利用工程實例強化學生結構力學與實際工程相結合的綜合應用能力，各小組根據單層工業廠房和混凝土框架結構施工圖，根據CDIO思想，首先對問題進行構思，從方便性和原結構特點的真實性方面考慮，對原結構的其中一榀框架進行分析。其次，對工程問題進行設計，結合混凝土結構原理、鋼結構等專業課知識，對項目中各結構的梁、柱等構件進行截面設計。最后，對工程問題進行實施和運行，利用PKPM結構設計軟件或者ABAQUS數值仿真軟件對結構進行建模分析和優化。該環節注重學生綜合能力的培養，提高學生的團隊協作能力，促進結構力學與其他專業課知識的有效結合，使學生的專業知識更加系統化。

4. 提高學生創新能力

該教學層次是以創新能力培養為導向的實踐層。大學生結構設計競賽內容主要包括結構構思、結構類型設計、結構模型制作和結構分析等四大環節，CDIO與大學生結構設計競賽流程相吻合。高校可開展結構設計競賽，實現專業與創新教育有機融合，學生通過結構方案設計、分析及模型制作，鞏固專業知識，加強實踐動手和團隊合作，突出創新能力，激發學生的科學研究興趣。基于結構設計競賽和CDIO理念的結構力學教學模式路徑圖如圖1所示。

（三）優化課程評價考核機制

在CDIO工程教育模式下，不再采用以往的平時成績和期末考試成績各占30%和70%的考核形式，而是提高過程性考核比例，優化課程評價考核機制，更注重學生的課堂參與度和過程能力培養，具體考核評定方法見表2。

三、結語

CDIO工程教育理念代表當代工程教育的發展趨勢，本研究基于CDIO工程教育理念，調整傳統教學方法、模式，并對結構力學課堂教學內容進行項目化，以學生為中心，實施“四層階梯式”結構力學實踐教學。改革實踐證明，通過項目設計化，課程不再枯燥乏味，學生學習興趣高漲，有效實現了理論與實踐相結合，學生分析問題、解決問題的能力和實踐創新能力均有所提高，為推進高素質應用型人才的培養全過程提供了有效的方式。

參考文獻：

[1] 顧佩華，胡文龍，陸小華，等. 從CDIO在中國到中國的CDIO發展路徑產生的影響及其原因研究[J]. 高等工程教育研究，2017，1（01）：24-43.

[2] 劉哲，胡文龍. 基于CDIO理念及實踐類項目的結構力學課程改革研究[J]. 高等建筑教育，2014，23（03）：52-57.

[3] 張文茹，湯重熹. CDIO視域下“項目驅動”教學模式研究——以工業設計工程專業為例[J]. 設計藝術研究，2021，11（04）：123-128.

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[7] 孟瑋，李十泉. CDIO工程教育理念在結構力學課程教學中的實踐——以南京理工大學泰州科技學院為例[J]. 高等建筑教育，2015，24（03）：70-73.

[8] 魏科豐，陳凱，孔來穩. 獨立學院結構力學課程分類教學的探索與實踐——以長江大學工程技術學院為例[J]. 四川建材，20 13（05）：246-247+249.

[9] 于桂蘭，曹艷梅，賈影，等. 工程化教學理念在《結構力學》課程中的實踐[J]. 教育教學論壇，2018（07）：99-101.

（薦稿人：肖湘，南寧學院教授）

基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目“基于虛擬仿真技術的應用型本科《結構力學》教學改革研究與實踐 ”（項目編號：2020JGB430）;南寧學院本科專業核心課程建設項目“結構力學”（項目編號：2019BKHXK02）;南寧學院校級教學團隊“OBE+CDIO 教學團隊”（項目編號：2021XJJXTD03）。

作者簡介：莫春美（1990—），女，碩士，南寧學院土木工程教研室講師，研究方向為土木工程、計算結構力學;黃君（1987—），女，博士，南寧學院土木工程教研室講師，工程師，研究方向為結構工程、計算結構力學;黃家聰（1987—），男，碩士，南寧學院土木工程教研室講師，研究方向為橋梁工程。