在《材料力學》課程教學改革中貫徹CDIO理念的探索

摘要：為了培養滿足經濟全球化對現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，結合我們的教學實踐，對在《材料力學》課程教學中貫徹CDIO理念進行了初步探討，有益于《材料力學》課程的教學改革。

關鍵詞：材料力學；CDIO；教學

在經濟全球化的進程中，隨著一帶一路建設的發展要求，我國已在一帶一路沿線國家開展了大規模的基礎設施建設、在國內則大力發展實體經濟，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、與國際接軌的現代化綜合性工程技術人才。

如何培養這種具有技術基礎扎實、專業知識寬廣、工程應用能力強和良好團隊協作能力的工程師，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狀與上述要求尚有一定的差距，還不能完全適應這種要求，出路就在教學改革。

一、CDIO理念

CDIO是由美國麻省理工學院和瑞典幾所高校推出的一種基于構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）全過程培養學生工程能力的新型工程教育模式。該模式強調綜合的創新能力與社會大環境的協調發展，同時更關注工程實踐、加強培養學生的實踐能力，并提出了可操作性性的實施及檢驗測評的12條標準[1]。

CDIO是以產品研發到產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系的一體化課程體系，讓學生以主動、實踐的方式學習工程。

CDIO模式以專業理論為基礎，關注實踐，強調新一代卓越工程師培養的核心信念。它是系統性、科學性和先進性的統一，反映了當代工程教育的發展趨勢。

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改革試驗中獲得了巨大成功。至今國內外有近百所大學加入了CDIO組織，在人才培養水平上取得了良好效果，其培養的學生深受企業與社會青睞。

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

二、CDIO理念下的教學改革

為了貫徹CDIO理念，教學改革的目標應是通過注重培養學生系統工程技術能力，尤其是項目的構思、設計、開發和實踐能力，以及較強的自學能力、組織溝通能力和協調能力，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。

工程教育應以工程應用為主線，以工程實例為中心，以項目設計為導向，拓展課程的知識范圍、加強課程之間的聯系、拓寬課程的應用范圍，提高學生的工程素質和工程思想。為此，需要對教學模式、教學內容、教學手段和方法進行全方位的改革。以達到貫徹CDIO的四個層次——即工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力、工程系統能力的培養，成為高級工程專業人才的目的。

三、CDIO理念下的《材料力學》課程的教學改革

（一）《材料力學》課程的任務及特點

《材料力學》課程的任務是在滿足強度、剛度和穩定性的要求下，為設計既經濟又安全的構件，提供必要的理論基礎和計算方法[2]。

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

我校的《材料力學》課程是在大學二年級上學期開課。在機械工程、土木工程等專業中，其相關先期課程有《高等數學》、《理論力學》等，其后續相關課程有《機械原理及機械零件》、《機械設計基礎》等。在這個課程群中，它在先期課程的基礎上，為后期課程提供必不可少的理論基礎知識和計算方法，起著承前啟后的作用，成為工科教學中一門重要的專業基礎課。

《材料力學》教程致力于構件的力學分析和計算，但由于工程構件的種類繁多、載荷狀況各異，因而在其長期發展的過程中，重視傳統的經典理論并應用大量教學工具進行公式推導，逐步形成了自身的完整體系。這種系統性、完整性和抽象性的特點，常使學生感到難懂難記。加之對于大學二年級的學生來說，無論是工程直接經驗還是間接經驗都極其缺乏，而課程本身又缺少工程背景，使得理論與工程實際脫節，減弱了學生將工程實際轉換為力學問題的訓練。

（二）《材料力學》課程的教學改革

《材料力學》課程的教學改革是相關專業教學改革中的一個組成部分，應在整體教學改革的框架下，結合自身的特點與相關課程的教學進行溝通與協調，以達到整體推進的目的。

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

《材料力學》既是基礎科學，又是技術科學，因而它必須與工程實際相結合。由此，我們可環繞CDIO的四個層次實施對《材料力學》課程的教學改革，首先確立以引入工程背景為手段、以提高學生解決工程實際問題的能力為導向、提高學生綜合實踐及創新能力為目標的教學改革目標及包括教學模式、教學內容、教學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.在專業基礎知識培養的層次。在課堂教學中，我們在大量引入工程背景的基礎上，重視理論知識及計算方法的講解和推演，加強應用教學工具解決工程問題的能力。使學生清晰地了解由工程實際問題轉換為力學模型的方法、步驟和求解過程，還可激發學生的學習興趣和主動性。

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

如在拉伸、壓縮和剪切一章中，我們引入液壓傳動機構中的活塞桿，在油壓和工作阻力下產生的拉伸變形，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。然后引導學生關注外載的種類及與構件的相互關系，即外載的作用線與構件的縱軸線共線，且力的方向指向構件體外，從而形成構件的拉伸變形。由此得到了拉伸變形的力學模型。

如果外載荷的作用線與構件的縱軸線共線，但力的方向指向構件體內，則構件出現壓縮變形，形成壓縮變形的力學模型。由此引導學生了解到構件受力的力學模型與構件與載荷的受力點和方向有關。如工程實際中的內燃機連桿在燃氣爆發的沖程中、千斤頂的螺桿在頂起重物時，都產生壓縮變形。

由上可見，構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，因而需要用不同的力學模型來進行設計和計算。這就使學生開始建立了觀察、分析構件與載荷相互關系的工程思維。

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，其產生的變形形態為彎曲，則需要建立新的力學模型——即彎曲變形的力學模型。

當載荷的種類發生變化，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，則桿件的變形形態就變成使桿件的任意兩個橫截面都發生繞著桿件軸線的相對轉動。如汽車轉向軸、汽車傳動軸、攪拌機軸、攻絲時絲錐的受力等都將產生這種變形形態——扭轉變形。因此對于此類構件的力學分析，就需要建立扭轉變形的力學模型。

這種逐步推進的方法，依靠引入大量的工程背景，使學生逐步認識到工程結構力學模型的建立不僅與構件和載荷的相互位置及方向有關，還與載荷的種類有關。同時也學習了由工程實際轉換為力學建模的步驟和方法，提高了力學建模的能力及觀察、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建模問題后，我們仍以工程實際為背景，針對工程實際中大量存在的復合變形，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生的變形等，學習了對它們通過靜力等效和疊加原理來建立構件在組合變形下的力學模型的過程。這種面向工程實際的、處理復雜的工程問題的培養方法，消除了學生對建立力學模型很抽象的感覺，提高了他們解決復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。

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的理論知識與工程實際相結合，評介眾多的工程安全事故及理論發展的脈絡，使學生加深了對理論知識的理解，從而使學生對技術基礎知識的掌握更加扎實，提高了學生應用理論知識解決工程實際問題的能力和信心，還擴大了學生的工程視野，也順理成章的解決了“為什么學”的問題。

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

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

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

個人能力對于工程技術人才來說，除了具有很強的工程思維能力外，良好的工程實驗能力也尤顯重要。然而在過去的教學中也發現有所謂的“高分低能”現象。雖然造成這種現象的原因是多方面的，但是在當前的《材料力學實驗》的教學中，由于學生數量多、儀器設備相對不足，致使《材料力學實驗》課多為演示性實驗，使學生失去參與實驗設計和動手的機會。但由于學時所限，難以增加實驗課的學時。面對這種困難，我們與實驗課程協調，提出開放實驗室的構想。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《材料力學實驗》課程的教學時間內，完成該實驗課程教學大綱中規定的實驗項目。

在此基礎上，利用開放實驗室進行學生自選項目的實驗。由學生根據項目或自身情況自主安排，利用實驗室現有的儀器設備，在老師的幫助下，確定實驗方案，自主完成儀器設備的安裝、調試及試驗的全過程。在此過程中，學生可實際接觸及了解各種儀器設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的知識，這對于訓練學生進入職場后的動手能力有極大的幫助。

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

3.在人際團隊能力培養的層次。現代的機械工程、土木工程往往是綜合性極強的龐大的系統工程。它涵蓋由基礎科學到技術科學、由經濟學到管理科學，甚至涉及能源、交通、環境保護和生態保護等各個方面。因此在工程的組織機構、各部門的任務分工與協調、資源分配等各個方面應必須統籌考慮，形成精干、高效的工程團隊。

針對現代工程建設的這種特點，作為培養卓越工程師為目標的高等工程教育，就必須增強對學生人際團隊能力的培養，創造機會進行這方面的訓練。

由于學科龐雜，在整個教育體系中，各個專業都應根據各自的特點來完成培養人際團隊能力的任務。

作為技術基礎課的《材料力學》也須根據課程為力學分析的特點來加強這方面的訓練。根據課程的教學進程，在相關理論的學習中，提出適當的課題，將學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。如建模中的數學問題有時就要與數學方面的人員交流、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。通過上述方式的訓練，使學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、工地或到企業調研，與相關人員進行座談。利用這些機會一方面使學生更深入地接觸社會、接觸工程實際，既擴大了學生的視野，又培養了學生的觀察能力，同時也培養了學生的人際交往能力。

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

首先要使學生了解到《材料力學》在工程中并不是孤立存在的，而是在出現的工程實際問題中，為了工程的安全，經過對問題的觀察、思考和反復試驗驗證而提煉出來的一套解決工程結構的力學問題的理論和計算方法。因此，要了解《材料力學》在工程中的作用和地位，就必須具有工程系統能力。為了培養這種能力，我們在全部教學過程中，始終強調引入眾多工程背景，在各種工程背景中分析構件的載荷狀態、進而分析構件的力學性能，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的安全。這樣就從一開始應將各類構件與整個工程系統聯系在一起。同時我們還通過多種教學環節和多種教學方式引入與力學分析相關的傳感器技術、計算機技術、測試技術及試驗技術，使力學問題由單一學科形成多學科的集合、成為一個整體的工程系統。使學生養成一種工程系統思維習慣。

此外，我們還不失時機地組織學生參加社會上舉辦的相關研討會、參觀相關的產業博覽會，如醫療器械、起重機械、工程機械、包裝機械和工業機器人等。引導學生關注新工藝、新技術、新裝備和新材料的應用和發展趨勢，為提高工程系統能力提供知識儲備。

四、小結

本文對在《材料力學》課程的教學改革中貫徹CDIO理念的具體實施進行了探索，構建了新的教學模式、教學內容及教學方式和手段，希望在《材料力學》課程教學中，為培養現代的、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模式與現行的學校管理制度尚有某些不夠協調的地方，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（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，江漢大學機電與建筑工程學院教師，博士，主要研究方向：材料力學、工程力學。