基于CDIO教育理念的土木工程專業(yè)材料力學(xué)實驗教學(xué)改革★

趙 穎 　 丁 衛(wèi) 　 劉 瑤 　 吳鶴翔

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

材料力學(xué)是土木工程專業(yè)學(xué)生必修的、并且具有較強工程應(yīng)用性的專業(yè)基礎(chǔ)課程。材料力學(xué)實驗不僅是對材料力學(xué)基本理論知識的驗證，更是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生動手能力的課堂[1-3]。筆者通過深刻分析傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式存在的諸多弊端，將CDIO教育理念引入土木工程專業(yè)材料力學(xué)實驗教學(xué)課程改革中，以適應(yīng)教育部提出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的發(fā)展要求。

1　傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗教學(xué)模式

重視理論知識、輕視實踐能力的材料力學(xué)實驗教學(xué)模式無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，導(dǎo)致學(xué)生對于問題的分析和解決能力有所下降。傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗教學(xué)，學(xué)生只要按照實驗指導(dǎo)書的要求就能夠完成對某些原理或定律驗證。實驗指導(dǎo)書中詳細介紹了儀器設(shè)備的使用方法，實驗具體的操作過程，以及涉及到的實驗原理、實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)等。這樣的實驗教學(xué)模式學(xué)生始終處于被動地位，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無法實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力的培養(yǎng)。具體存在如下問題：1)實驗課程的目的僅限于對理論課所學(xué)知識進行單一的驗證，并沒有將所學(xué)的知識進行系統(tǒng)的聯(lián)系，更是缺乏與其他相關(guān)課程、工程實踐的聯(lián)系，不能夠體現(xiàn)當(dāng)代高等教育的發(fā)展水平；2)實驗教學(xué)中缺少對學(xué)生的思考能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，嚴(yán)重影響到學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，抑制了學(xué)生的自主發(fā)揮能力；3)實驗教學(xué)考核辦法多數(shù)以學(xué)生的出勤率和實驗報告質(zhì)量作為評定依據(jù)， 對于實驗完成效果不夠重視。此種考核制度不能夠反映出學(xué)生的真實成績，也無法評價學(xué)生的實踐動手能力，更不能督促每個學(xué)生都能認(rèn)真獨立完成實驗；4)實驗室、實驗設(shè)備不能統(tǒng)一管理和使用，利用率低；5)實驗技術(shù)人員難以統(tǒng)一管理。

2　CDIO工程教育理念

2000年，麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等大學(xué)開始研究并創(chuàng)建了CDIO工程教育模式，這也是國際上關(guān)于教育改革的最新研究成果[4-6]。將教學(xué)與實踐緊密聯(lián)系，以“做中學(xué)”的教育理念激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。CDIO教學(xué)模式能夠很好地解決高等教育中存在的重視理論知識學(xué)習(xí)、輕視實踐能力培養(yǎng)，重視個人能力提高、忽略團隊合作精神。

CDIO教學(xué)大綱就是要體現(xiàn)系統(tǒng)性和完成性的教育目標(biāo)，使工科老師能夠理解并予以實現(xiàn)，這些目標(biāo)已成為我們合理設(shè)計課程結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)。學(xué)生畢業(yè)后無論是成為工程師還是研究人員，都要求他們在大學(xué)的學(xué)習(xí)里經(jīng)歷系統(tǒng)及產(chǎn)品的CDIO全過程實踐，這對于增強畢業(yè)生在現(xiàn)代工程環(huán)境下的適應(yīng)能力極為重要。圖1說明了CDIO大綱的開發(fā)及其一體化過程，反映從需求到目標(biāo)到CDIO教學(xué)大綱到制定課程大綱到專業(yè)目標(biāo)，以及將專業(yè)目標(biāo)整合到課程計劃的全過程。

3　實驗教學(xué)改革

3.1　教學(xué)內(nèi)容改革

根據(jù)我校土木工程專業(yè)的特點，基于CDIO教育理念，遵循從基礎(chǔ)到提高再到創(chuàng)新，逐級提高的原則來構(gòu)建多層次的材料力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容。第一層次是驗證性實驗，是對課堂所學(xué)理論知識的驗證，主要是培訓(xùn)學(xué)生基本的實驗操作能力，培養(yǎng)基本的科學(xué)研究態(tài)度。第二層次是綜合性實驗，實驗教師給定實驗項目，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識進行交流討論，確定實驗方案，完成實驗項目，主要是考察學(xué)生的自學(xué)能力和對知識的綜合運用能力。第三層次是自主設(shè)計性實驗，屬于開放形式實驗，學(xué)生根據(jù)本專業(yè)的特點，結(jié)合實驗室的實際情況，自主選題。通過對實驗的立項依據(jù)、具體實施方案、可行性分析等進行綜合論述來申請實驗項目，最后由老師審核通過后方可進行實驗研究。在實驗進展過程中要定期進行匯報，保證實驗順利開展，實驗完成后要有書面的總結(jié)。開展自主設(shè)計性實驗項目的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新意識及團隊協(xié)作精神。基于CDIO模式下材料力學(xué)實驗項目及要求見表1。驗證性實驗，例如常溫、靜載下的軸向拉伸實驗(通常選用低碳鋼材料)是研究材料力學(xué)性能最基本、最常用的實驗之一。在理論課的學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)掌握了低碳鋼拉伸時的力學(xué)性能，通過實驗可以觀察到低碳鋼材料的拉伸變形過程(彈性階段、屈服階段、強化階段、局部變形階段)，以及破壞現(xiàn)象，測定低碳鋼材料的強度性能指標(biāo)(屈服強度和抗拉強度)，塑性指標(biāo)(斷后延伸率和面積收縮率)，加深了對理論知識的驗證和理解。綜合性實驗，例如梁的彎曲正應(yīng)力測定實驗，實驗教師對本次實驗要用到的電測法基本原理進行講解，對實驗設(shè)備進行簡單介紹，布置本次實驗的目的要求，重點是要求學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，根據(jù)測試要求設(shè)計電橋連接方法，設(shè)置溫度補償，掌握用電測法測量梁在純彎曲時的正應(yīng)力沿截面高度的分布情況。設(shè)計性實驗，實驗內(nèi)容與專業(yè)知識、工程實踐緊密結(jié)合，實驗以開放性的形式進行，要求學(xué)生獨立完成整個實驗過程。學(xué)生要在充分了解本學(xué)科專業(yè)發(fā)展前沿的基礎(chǔ)上進行自主選題，然后通過對實驗的選題依據(jù)、具體實施計劃、擬解決的關(guān)鍵問題、創(chuàng)新點和可行性分析等進行綜合論述來申請實驗項目。經(jīng)實驗教師討論研究審核通過后方可進行實驗研究。實驗成果的驗收以書面報告和答辯的形式進行。

表1　基于CDIO模式下材料力學(xué)實驗項目及要求一覽表

3.2　教學(xué)模式改革

陶行知先生曾經(jīng)說過，“教學(xué)做是一件事，不是三件事。我們要在做上教，在做上學(xué)。不在做上用功夫，教固不成為教，學(xué)也不成為學(xué)。”由此可以理解“教學(xué)做”是一個一體化統(tǒng)一的教學(xué)過程，邊教邊學(xué)邊做其實質(zhì)就是理論聯(lián)系實踐，能夠做到學(xué)以致用。開展邊教邊學(xué)邊做實驗教學(xué)模式，能夠使學(xué)生從被動地接受知識轉(zhuǎn)變到通過動手主動獲取知識，使教師從傳統(tǒng)的講授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者。在實驗教學(xué)過程中，教師宜通過提問題來引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生積極思考。 在實驗教學(xué)模式的改革過程中，還要注重多媒體、各種仿真軟件等教學(xué)資源的利用和開發(fā)。針對實驗課程中的重點和難點，對實驗過程進行仿真模擬，生動形象的展示整個實驗過程，增加了直觀性，能夠加深學(xué)生對知識的理解和掌握。例如，低碳鋼拉伸實驗，通過計算機數(shù)值仿真模擬可以使學(xué)生清楚地觀察到低碳鋼試件拉伸破壞整個過程，能夠直觀地觀察到試件表面45°滑移線的產(chǎn)生，清楚地觀察到頸縮現(xiàn)象及破壞后試件斷口形狀，這有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強實驗教學(xué)的效果。

3.3　考核制度改革

目前，大多數(shù)高校以學(xué)生的出勤情況、提交實驗報告的書寫質(zhì)量作為實驗課的考核依據(jù)。這種考核辦法出現(xiàn)了很多弊端，實驗教學(xué)分組形式常采用每組多人，在實驗操作過程中，有的同學(xué)動手能力強，能夠認(rèn)真完成每次實驗。相反，也有一部分同學(xué)存在依賴心理，在實驗過程中缺乏主動性，自己不動手做實驗，抄襲同組同學(xué)的實驗報告，也能夠得到很好的實驗成績。這樣的考核形式難以反映出學(xué)生真實的能力和水平。

根據(jù)材料力學(xué)實驗課程CDIO教學(xué)模式的特點制定多元化的考核制度。除了對學(xué)生的出勤率和實驗報告完成質(zhì)量進行考核，還要對學(xué)生的實驗操作性能力、解決實際問題能力、創(chuàng)新精神、團隊中組員之間的交流溝通能力等進行考核，并根據(jù)專業(yè)特點按不同權(quán)重計入最終成績。根據(jù)我校土木工程專業(yè)的特點，實驗考核由以下幾部分組成：出勤情況(20%)、實驗預(yù)習(xí)(20%)、課堂表現(xiàn)(40%)、實驗報告(20%)。對于出勤情況的考核，每次實驗課都要點名，認(rèn)真記錄實際出勤情況。實驗教學(xué)中教師要以提問的形式檢查學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況，并進行考核。課堂表現(xiàn)方面，實驗教師可以根據(jù)學(xué)生的動手操作能力、觀察和分析實驗現(xiàn)象的能力、試驗數(shù)據(jù)處理的能力等方面進行綜合考核。學(xué)生實驗后按時提交實驗報告，要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、作圖標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容完整、書寫整潔等，教師根據(jù)實驗報告完成情況給出相應(yīng)成績。

4　結(jié)語

目前我國高校對于土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方面提出更高層次的要求，如何使他們成為具有較強的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，如何使他們具備團隊協(xié)作精神和溝通交流能力的應(yīng)用型人才，成為我國高等教育事業(yè)關(guān)注的熱點。引進國際CDIO工程教育理念，結(jié)合我校土木工程專業(yè)的特點，實施材料力學(xué)實驗課程教學(xué)改革，使學(xué)生能夠做到理論聯(lián)系實踐，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化社會發(fā)展需求的土木工程專業(yè)人才。

參考文獻：

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