CDIO-OBE工程教育模式的材料力學實踐教學研究與探索

周雙喜， 韓 震， 黃 強

(華東交通大學 土木建筑學院,南昌 330013)

0 引 言

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進和“八縱八橫”高鐵網的規劃建設，提升我國建設科技水平對增強我國基建企業的國際競爭力和高鐵事業的科學持續發展顯得尤為重要。近年來，我國啟動了“卓越計劃”“2011計劃”等一系列國家重大改革項目，以培養具備科技創新能力和實踐應用能力的“創新—應用”型人才，但我國目前工程技術人才缺口依然十分巨大。人社部就業司公布的2017年第一季度人力資源統計數據顯示，建筑業和制造業對新型技術人才的需求與2016年相比同比增長27%和38.3%[1]。材料力學是土木工程、機械設計等專業的一門重要基礎課，學生對其掌握與否直接影響到后續專業技術課的學習。而材料力學實驗作為材料力學教學的重要實踐部分，能夠加深學生對理論知識的理解，提高學生動手實踐、分析解決問題以及團隊協作的能力，其授課質量的提高對促進我國新型技術人才的培育事業發展具有重要意義。而現今我國高校材料力學實驗教學卻普遍存在與培養要求不協調的問題，亟待進行深入改革。因此，近年來各高校對材料力學實驗教學內容和教學模式進行了深入的探索，吳新如等[2]通過豐富實驗教學內容和與學生互動教學的方式傳授課程內容的同時多方面培養學生的科學研究素養；鄧輝等[3]將研討式案例教學法引入材料力學中，極大提高了學生思維能力、研討能力以及分析解決問題能力的培養,但此種教學方法對教師的知識儲備、組織能力和反應應變能力有極高要求，推廣難度較大；吳艾輝[4]將同伴教學法引入到材料力學教學實踐中，以提高學生學習積極性和主動性，但囿于學生需具備較強的自控能力和花費大量的課余時間預習；柒維斯等[5]建立了“引導-設計-實驗-掌握”的創新實驗教學模式，極大地調動了學生學習興趣，以提高教學質量，但該模式加大了理論基礎薄弱的同學完成實驗的難度，存在一定的局限性；劉小蠻等[6]認為材料力學教學要求不應局限于“會做”，提出了“會做、會意、會用”的新要求，培養學生養成嚴謹的科研思維和創新意識，卻未形成一套完善的教學實施方法。

鑒于此，我校土建學院積極探索材料力學實驗教學新模式,引進國外先進的CDIO-OBE工程教育模式，取得了良好的教學效果，為參評國家實驗教學示范中心打下了良好的基礎。

1 傳統材料力學實驗的局限性

材料力學作為一門研究固體材料在外力作用下強度、剛度、穩定性等問題的課程，蘊含著豐富的科學思想和科學方法，對于學生工程思維的養成具有重要意義[8-9]。而材料力學實驗能夠幫助學生在更好掌握理論課知識的同時培養學生的動手能力，逐步使學生具有一定獨立實驗的能力[10]。但傳統的教學模式存在很多不足之處，嚴重制約了我國人才培養質量的提高，其主要體現為：

(1) 實驗內容單一，形式老套，工程背景不強。當前國內高校材料力學實驗教學內容多為金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉等單元性、驗證性實驗，內容單一。學生在實驗時基本按照實驗書給定的步驟順序完成，形式一成不變，且工程背景薄弱，極大地束縛了學生學習的主觀能動性。

(2) 實驗設備老舊，更新滯后，配套師資薄弱。高校的擴招，科技的飛速發展與實驗室師資力量的更新滯后構成巨大矛盾，表現為：①以往的實驗場所與設備難以滿足激增的學生需求，形成實驗由個別人操作，其他人觀摩的現象，難以保證每個同學都能獲得實驗操作的機會，同學敷衍了事；②實驗室設備老舊，已不能滿足新時代、新規范的使用要求。

(3) 重視程度不夠，課時較少，考核方式落后。在傳統“重理論，輕實踐”以及現今“厚基礎、寬口徑、強能力、重特色”教學觀念下，材料力學的課時被不斷的壓縮，材料力學實驗僅安排了6～8個課時，甚至還被理論課占用，且有時僅把期末考試成績作為考核的唯一標準，實驗不納入考核，其地位可見一斑！

2 CDIO—OBE工程教育模式材料力學實驗構建思路

基于學習產出的教育模式(Outcomes Based Education,OBE)最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革，其核心思想是教育者對學生畢業時應達到的能力及其水平有清楚的構想，然后尋求設計適宜的教育結構來保證學生達到這些預期目標，即注重的不是學生了解什么，知道什么，而是關心學生能做什么[11-12]。CDIO即為構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)的縮寫，CDIO工程教育理念由麻省理工學院等4家單位研究創立,是現今國際上新起的先進培養理念，該培養理念是指以項目為載體,學生以主動、實踐、課程之間有機聯系的方式學習工程，以培養其工程專業知識、個人能力、團隊協作能力和工程系統能力[13-14]。材料力學實驗教學引進CDIO—OBE工程教育模式，能夠克服當前存在的重理論、輕實踐、教學課時短、實驗內容與工程實際脫節以及考核方式落后等問題，提高學生積極主動性，有利于學生創新意識和綜合素質的發展。

2.1 CDIO—OBE人才培養模式

CDIO—OBE工程教育模式由CDIO和OBE兩個部分組成，其中OBE是目標，CDIO是手段，兩者相輔相成。OBE根據國際上對畢業生所應具備的11條能力對課程內容進行“逆向設計”，即實現每一課程內容與所要求的能力矩陣相匹配，否則，必須對其重新設計；CDIO是對OBE所設立的目標的具體實踐，其與傳統教學法相比主要有三大轉變：①學生由圍繞課本學習到圍繞項目學習；②學習過程由教師講授為主到以學生學習為主；③由記憶理解知識點到內化應用知識點[12]。故為保證該模式的順利落地，教育者必須對當前教學模式進行從教學內容、教學條件、教學方法等方面進行全面梳理改革。

2.2 建立多層次、創新型實驗內容

中心在緊貼當前培養要求的基礎上，調整更新實驗內容。①力求減少驗證性、單元性實驗，增加電阻應變片的粘貼實驗、電阻應變片的接橋實驗等設計性、拓展性、創新性實驗，以培養學生解決問題的能力，激發其創新思維；②結合土木工程專業交通特色，將工程背景引入實驗，比如鋼、砼彈性模量及泊松比的測試實驗，引入當前橋梁工程中廣泛使用的“鋼-砼”組合結構。通過將所學理論知識與工程實踐的結合，不僅能夠加深學生對理論知識的掌握理解，更能增強同學的工程應用意識。③鼓勵有志于在該領域繼續深造的同學，參加“周培源大學生力學競賽”“挑戰杯”等科技賽事，并進一步參與教師的課題研究，以科研和賽事活動為載體，結合學院導師制的實施，以研促學，以賽促學，幫助學生學有所用，開闊視野，掌握專業前沿發展動態。

2.3 構建現代化、開放式實驗平臺

隨著我國工業化進程的持續推進，許多新近投入使用的新型材料需進行力學性能測試，而該項工作的實施離不開先進的實驗設備，因此材料力學實驗設備必須與時俱進。硬件方面，面對材料力學設備不足和資金緊張的難題，中心先是購買引進了如微機控制電子式扭轉試驗機、高頻疲勞試驗機等先進設備；此外，自主研發了DZST-3C型材料力學多功能試驗臺和HD-16A型靜態電阻應變儀，前者可進行切變模量的測定、復合梁的實驗以及根據需要可擴充三鉸拱、應力集中、T形梁和工字鋼彎曲正應力實驗等共17個實驗項目，且轉換簡單，占地面積小，目前實驗室共有該組合實驗臺共40座，可以同時容納一個班同學實驗。HD-16A型靜態電阻應變儀為測力儀和應變儀二合一的組合產品，具有16個通道，可以同時對16個測點同時進行測試，在綜合性、設計性實驗中使用極其方便，尤其是在配合多媒體教學的情況下，學生可獨立完成實驗操作，大大減輕了老師的負擔。目前上述兩設備已在20余家高等院校得到推廣，反饋效果良好。軟件方面，中心以國家實驗教學示范中心評審指標體系為標準，努力將中心建設成為現代化的材料力學科學實驗中心。面對課時壓縮問題，實驗室實行開放式管理，實驗時間不再局限于課堂，學生可自行協調實驗時間，并通過實驗預約系統預約實驗。

2.4 搭建網絡型、自主化教學體系

針對以往教學中存在的重理論，輕實踐、學生積極性和動手能力不足等問題，中心緊緊圍繞學生為主、教師為輔的教學主旨，從教學手段、教學方法和考核指標3個方面探索創新，搭建起網絡型、自主化教學體系。在教學手段上，有機的采用多媒體進行教學，借助其展示直觀，信息豐富的特點，活化課堂，提高課堂效率，解決課時和師資不足的問題。此外，為拓展學習渠道，增強學生自學能力，緩解課時壓縮的壓力，中心還增添了MOOC(大型開放式網絡課程)。在教學方法上，結合CDIO—OBE工程教學模式特點，采用啟發式教學，將“授人于魚變為授之于漁”的教育理念貫穿全過程，充分發揮學生主體作用，提高其解決問題的能力。針對重理論、輕實踐的問題，中心將實驗納入考核，實驗成績占學科期末成績的30%～50%，而考核的指標主要是CDIO—OBE工程教育模式定義的“學習成果”的達成度，包括學生在項目實施過程中的協作能力，項目最終的質量及創新性等，從而加強材料力學實驗地位，以培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的工程技術人才。

3 基于CDIO-OBE模式的組合梁彎曲正應力實驗教學設計與實踐

以組合梁彎曲正應力實驗為例，介紹基于CDIO—OBE工程教育理念的材料力學實驗模式。該實驗以工程中常見的由兩種材料的兩根梁以簡單疊合形式的復合加強梁為背景，研究上述組合梁受力后的應力分布。由于本實驗具有鋼—鋼疊梁、鋼—鋁疊梁、鋼—鋁膠黏疊梁等多種形式，靈活多變，可以很好地鍛煉學生的發散思維和實驗能力。設定實驗以小組的形式完成，每組2或3名成員，實驗時間設定4課時，其中實驗操作3個課時，實驗完成后學生需提交相關的實驗設計報告、實驗分析報告以及實驗的總結且組員須以PPT的形式對整個實驗的完成情況及得失演示報告，考驗的是學生的表達能力和團隊協作能力。

3.1 構思階段

學生選做該實驗后，通過資料檢索或者MOOC等方式查找包括測試原理、測試方法等實驗知識，并選定實驗測試方法，在分析報告上列出實驗所需的技術支持等，隨后征求指導老師意見，老師檢查實驗的科學正確性，并對關鍵點提出指導意見，如：本實驗中的應變片的粘貼布置和理論計算公式的推算等。

3.2 設計階段

實驗的初步構思通過后，學生須進行科學詳盡的實驗設計，并注明設備支持、計算理論等。如若該實驗以“鋼—鋁膠黏疊梁”進行設計，則至少需要多功能組合試驗臺和特制“鋼—鋁膠黏疊梁”一套，若是想研究鋼筋混凝土中鋼筋與澆混凝土的變形協調則需要提前預制該梁以及協調萬能材料試驗機等。

3.3 實現階段

按照設計的步驟實驗操作，收集數據，這里包括應變片的粘貼和搭橋，尤其是注意應變片粘貼位置必須平整、光滑以及絲柵與構件特征尺寸的交角關系準確，搭橋要熟悉電路原理，必要時尋求指導老師幫助。

3.4 運作階段

實驗操作完成后，學生對實驗數據進行分析處理，撰寫總結報告，并比較各個方式的優劣，總結得失，將實驗的感悟、體會和取得的成就制作為PPT,在實驗的驗收課上進行答辯。

調查發現，該模式確實能夠提高同學的動手積極性、解決問題的能力和口頭表達能力，之前上臺就緊張說不出話的同學，現在變得更加自信、沉穩。

4 實踐教學實施效果

我校土建學院材料力學實驗實踐教學體系滿足行業需要，培養了學生的創新意識和團隊協作精神，提高了學生的動手實踐能力、創新能力和工程能力，拓展了學生的綜合素質。實踐證明，將CDIO-OBE工程培養理念引進材料力學實驗教學，能夠改善以往材料力學教學存在的問題，較大程度上提高材料力學的教學質量。“土木工程實驗教學中心”自實施該舉措以來，取得了一系列喜人的成績：在參評國家實驗教學示范中心中，從全國120個參評的實驗教學中心中脫穎而出被評為國家級教學示范中心，這是我校首次獲得國家級實驗教學建設項目；此外，在全國各類力學競賽中，專業共有29人次獲省級及以上殊榮，創我院歷史之最。基于此，2015年，我院土木工程專業順利通過了住建部專業評估；根據艾瑞深中國校友會網“2017中國大學評價研究報告”最新發布2017中國大學本科專業排行榜，我校土木工程專業躍升至全國第17位。

5 推進CDIO-OBE工程教育模式的思考

在當前高校“重科研，輕教學”的背景下，盡管CDIO—OBE工程教育模式存在較多優點，但由于其推進,教師需投入較多的精力去預設學習目標及制定實施細則，無形中增加了不少教師的工作壓力,故難以調動教師積極性；此外，該模式也對教師的教育理論素養提出了較高的要求，包括教師要善于利用各類的教育資源，實時監測學生的知識、能力以及態度的發展水平，做到因材施教，促進學生的個性化發展[15-16]。故為促使該模式得到更廣泛有效的推廣，一定要改善現有教育模式，營造出重教學的校園文化，并增加對外學習交流的機會，不斷提高教師的教育理論水平與業務水平。

6 結 語

將“CDIO—OBE”工程教育模式應用到材料力學實驗教學中，能夠有效地解決當前高校實驗教學普遍存在的矛盾，改變我國以往的重理論、偏離實際的問題，激發了學生參加課外科技創新活動和學科競賽的興趣，增強了學生創新創業的積極性，提高了我校土木工程專業學生的實踐創新能力，有利于培養“創新—應用”型人才。