基于“卓越工程师教育培养计划”的建筑力学教学体系的研究与实践

2013-10-09车金如马永政郭翠芳

河北能源职业技术学院学报 2013年4期

车金如，马永政，郭翠芳，齐晖，赵莉

(宁波工程学院，浙江宁波 315016)

为了推进“工业兴国，人才强国”战略的实施，教育部于2010年联合多部门启动了“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)。宁波工程学院作为以培养应用开发型工程技术和管理人才为特色的本科高校，于2011年成为61 所“卓越计划”试点高校之一。在进行“卓越计划”顶层设计的基础上，提出了“卓越计划的123”人才培养模式。为此，学校大力倡导在工程类专业的专业基础和专业课教学中实施CDIO 教学理念，优化教学内容，大力培养行业急需的卓越工程师，以逐步推进课程改革的具体实施。

一、创建建筑力学课程人才培养模式

(一)模式创建的理论依据

美国教育家杜威认为:“做中学”，“就是从生活中学”，“从经验中学”。毛泽东同志曾经教导我们:“读书是学习，使用也是学习，而且是更重要的学习”。国务院前总理温家宝同志也指出:“做中学才是真正的学，做中教才是真正的教”。

(二)人才培养的课程模式

根据认识论，人们总是通过具象的事物形成抽象的认识，又用抽象的认识来指导新的具象的实践。我们结合“卓越计划123”模式的要求和CDIO 理念的实施步骤，率先创建了力学类课程实践教学的人才培养模式。即“做中学，学中做，做中教，教中做”。

(三)人才培养的实施手段

我们在建筑专业力学类课程的教学中，紧紧围绕应用开发型卓越工程师的培养目标，实施“寓教于乐，寓乐于做，寓做于赛”的建筑力学课程教学模式。这种做法在建筑力学的教学实践中深受学生的欢迎。

二、建筑力学课程体系的优化

(一)理论教学体系

文献指出:“高等工程教育的目标是培养未来的工程师，高等工程教育是围绕着CDIO 进行，卓越计划也是围绕着CDIO 展开。”“工程师的实践活动有赖于其思维能力和实践能力，而工程师的思维能力又受益于力学的思维方式，实践能力则有赖于深厚的力学基础。”在此基础上，我们以项目教学为导向，创建了基于CDIO 理念的建筑力学课程教学体系(简称AM－CDIO)如图1 所示，结合卓越工程师的培养，进一步优化教学内容。

图1 以设计为导向的建筑力学课程教学体系示意图

1.教学内容的重新整合

(1)整合教学内容的必要性

传统的建筑力学包括:理论力学、材料力学和结构力学，教学内容基本上按照这三大块组织讲授，存在的主要问题有:一是课程程序和内容安排不完全符合工程知识的认知规律，尤其是在材料力学各章节的讲解中，首先着重讨论应力和应变的计算，而到结构力学中才重点讲授结构内力的计算，这与先计算荷载、再将荷载作用到结构上计算内力、最后计算应力的工程设计思维不尽一致;二是课程教学只是抽象的理论学习，课程之间相对独立缺乏联系，而且教学内容与专业课程联系也不密切;三是三门课之间自成体系，讲究其系统性、逻辑性、严密性和独立性，教材中的内容有交叉与重复，如桁架内力的计算、简单超静定问题等概念及基本内容在理论力学、材料力学和结构力学中都有论述。这样的内容安排与卓越工程师的培养要求不尽相符。

我们结合我校建筑类专业的建筑力学课程教学实际进行了教学改革的探索。按照CDIO 的要求，精简了建筑力学的教学内容，将建筑力学课程分为基本理论、简单力学对象建模分析，综合性的专题与项目分析等几大模块，使力学基础理论课程与建筑类专业课程教学之间相互渗透、紧密衔接，避免两者脱节和交叉重复。这样既突出了力学知识结构的科学性、系统性和完整性及前后内容连续性，也实现了课程体系的整体优化，有利于学生知识、能力、素质三者的全面发展和提高。

(2)具体做法与体会

为了使学生更好地按照认知规律掌握知识，加强建筑力学知识在建筑类专业实践中的应用，培养学生解决工程实际问题的能力，我们先讲授各类工程荷载的简化，进而讲授传统的理论力学、材料力学、结构力学的相关内容。以解决工程实际问题为背景，大量引入机械和建筑类工程实例，着眼于力学类与结构类课程(混凝土结构、钢结构等)的相互渗透和衔接。在课堂教学中，按照力的基本概念——工程荷载——内力分析——应力分析——强度分析——变形分析——刚度分析——稳定分析——数值模拟等内容来组织教学。通过三门课程的整合重组，使学生更好地掌握力学知识，同时培养学生养成运用工程思维的方法和力学知识解决工程实际问题的习惯。

2.注重力学实践知识与后续结构类课程的衔接

为了培养学生的工程意识和实践技能，我们通过课内、课外布置并指导学生制作完成建筑类专业的常见约束、各类结点和结构模型等，强化建筑力学实践教学，培养学生的力学感知和动手能力。包括以下环节。

(1)理论力学的静力学部分，我们着重讲解各类约束(如:柔性体约束、光滑面约束)、结构中各种节点(如:铰结点、刚结点和组合结点等)模型的制作，各种平面力系的简化与平衡方程的应用，并布置同学课下制作工程中常见的超静定结构，进一步增加、深化对力学类、结构类知识的认识，为今后专业学习和工作实践打下坚实的基础。

(2)材料力学的基本变形部分，主要讲解拉伸(压缩)、剪切、扭转、弯曲、应力状态、强度理论、组合变形和压杆稳定等基本知识，通过完成静定梁模型的制作使学生加深力学知识的理解。其中包括:简支梁、外伸梁、悬臂和多跨静定梁等，为结构力学部分学习内力及位移计算打下基础。约束的制作、结点的制作、简单结构的制作练习又为学生参加浙江省大学生结构设计竞赛、力学竞赛以及国家级同类竞赛做好知识和技能上的准备。

(3)结构力学教学内容的整合与优化。第一、结构静力学部分。在静定结构的计算中以讲授结构的内力和位移计算为主;在超静定结构部分，侧重讲授力法、位移法和渐进法、极限荷载设计和矩阵位移法等;第二、结构动力学部分。在结构力学的动力学部分，主要讲授移动荷载的影响线、弹性结构稳定理论、单自由度与多自由度系统的震动及频率的近似计算方法等。

(二)实践教学体系

1.实践教学体系的构建

众所周知，高等工程教育的目的是培养未来的卓越工程师，而工程知识应用及创新能力是卓越工程师应具备的核心能力，从这一基本要求出发，在材料力学教学中，我们除了让学生完成课程中的拉伸(压缩)、剪切、扭转、弯曲和组合变形等知识的学习以及各种基本力学实验外，还注重将力学课程的基础知识应用到工程类专业的建模分析，加强构件(或结构)力学模型简化的教学环节，结合卓越计划的实施创建了基于CDIO 理念的建筑力学的实践教学体系，如图2 所示(简称AMP－CDIO)。

为了加强结构力学理论联系实际的环节。我们布置学生完成静定结构(如:多跨静定梁、三铰拱和三铰刚架、简单桁架和静定组合结构等)以及超静定结构(连续梁、超静定刚架、超静定桁架、超静定拱及其超静定组合结构等)模型制作。在制作活动初期，给学生提出制作结构的基本要求，其中包括:结构调研、概念设计、手工绘图、模型制作、加载试验、结构优化等环节。在考核与评价阶段，以模拟学科技能竞赛的方式进行，让学生参与效果评价。还以学生们熟知常见的工业厂房为例，讲解荷载的简化，体系的简化，杆件的简化，约束和节点的简化等。荷载的简化着重讲解如何将空间力系简化为平面力系和如何将平面力系简化为线分布荷载和集中荷载等;体系的简化着重让学生弄清如何将空间结构简化为平面结构;约束的简化着重加深学生们如何将空间约束简化为平面约束的理解;结点的简化着重向学生说明如何将空间的节点简化为平面的节点(其中包括:铰结点、刚结点和组合结点)等。

图2 基于CDIO 理念的建筑力学实践教学体系图

2.课内、外相协同的实践教学活动

为了提高大学生的个人能力、合作能力、产品程序和系统的建造能力，我们除了组织学生开展课内制作训练外，还开展课外学科竞赛活动，做到以赛促学，以赛促教，以赛促练，以赛促导。以全国大学生结构设计竞赛、浙江省大学生结构设计竞赛、力学竞赛和校结构设计竞赛、力学竞赛为平台，开展力学的实践教学活动，实现力学类与结构类课程教学的有效衔接以及力学类知识在结构类课程教学中的应用，努力将“卓越计划123”人才培养落实到各个实践环节，实现卓越工程师培养的多方联动，多管齐下培养大学生的工程技术知识及创新实践能力。例如:我们每年组织校内结构设计竞赛和力学竞赛，参赛学生多达48%，今年我校学生获得了全国大学生结构设计竞赛二等奖1 项，全国周培源大学生力学竞赛优秀奖1 项，浙江省大学生结构设计竞赛一等奖和三等奖各1 项，浙江省大学生力学竞赛三等奖1 项。

三、“卓越计划123”优选力学课程的教学方法

(一)传统教学与CDIO 新理念的比较

传统的教学模式是以教师的“教”为中心，评价的关注点在于教师的教，考核的方式以学生卷面成绩为主，评价方式比较单一。CDIO 教学模式是以学生的“学”为中心，评价的关注点既关注教师的“教”，更关注学生的“学”，对学生采用多元化方式进行评价。“教”和“学”均关注基础知识、个人能力、团队合作能力、产品、程序和系统建造能力。

(二)教学中尝试的主要教学方法

1.现场教学法

在讲解悬臂梁、多跨静定梁、连续梁和超静定刚架等力学模型的简化和支座反力与内力的计算时，首先带领学生参观校园内教学楼的遮雨棚，在现场给学生讲授雨棚结构中哪些构件承受弯曲变形，怎样将其简化为连续梁和悬臂梁模型等;哪些构件承受拉伸(压缩)变形，怎样将其简化为轴向拉(压)杆(二力杆)的力学模型等。此外，我们还将建筑物中的受弯梁、受压柱、受弯板及其组合结构等拍成照片做成PPT，在课堂上再结合这些教学内容给学生讲解各类构件和结构的力学模型的简化，为后续的结构内力、位移计算、力法和位移法解超静定等问题打下基础。我们还针对上述构件和结构的受力情况进行具体的荷载的简化、体系的简化、支座的简化等，进而讲解约束反力的计算和内力图的绘制等。使所授内容化难为易，化繁为简，便于理解，加强了教学的直观性和实效性。

2.演示教学法

在讲解细长压杆的失稳内容时，我们首先带领学生到力学实验室分组独立操作细长压杆失稳演示仪，仔细观察并切身体会细长压杆的力学失稳现象，让学生了解细长压杆失稳的全过程;其次用薄竹片模拟做成窄条矩形截面细长受压杆演示压杆失稳破坏试验，最后将其卷成空心圆截面的短粗杆进行压缩实验，比较两种杆件横截面的破坏形式和承载力大小的差异，进一步深化对细长受压杆失稳破坏和短粗杆强度破坏的理解;最后再讲授欧拉临界力公式及稳定设计的方法和步骤。这样有助于将感性认识尽快上升到理性认识，进一步培养学生的分析、综合和比较的能力，使学生所学到的知识掌握得更准确、更牢固。

3.案例教学法

我们结合国内外，特别是学校所在地当今生产和生活中频发的房屋建筑工程、道路桥梁工程以及地下岩土工程等事故为例，应用学过的力学知识分析这些结构破坏的原因，包括结构强度失效、刚度失效和稳定失效等。例如，我们经常结合所讲内容，给学生介绍某种实际工程中的结构往往是因为个别构件的强度(或刚度或稳定性)出了问题，就可能引起整个结构的坍塌(或失稳)，充分挖掘案例中渗透着的各种力学失效现象，详细地为学生们加以解释，对掌握教学内容大有裨益。警示他们在以后的方案设计和实际工作中要缜密思考、多方实践，并引以为戒。

4.项目教学法

我们结合学生以后将要在专业课程中学到的工程构筑物。如梁、板、柱等结构进行较为详细的力学模型的抽象简化及分析计算，从结构体系到杆件和荷载的简化，再到支座约束的简化，最后到强度、刚度和稳定性的设计与计算等环节，结合至少一两个实际构件和结构进行具体的讲授。比如，我们在课堂上结合同学在全国大学生结构设计竞赛中获得二等奖的“竹高桥”结构模型实物，讲解这种结构模型的优化、材料性能的测试、力学计算书的撰写、实际承载的过程等，使学生们感到力学知识学有所用，力学模型并不抽象，就在他们生活周围，大大提高了学生们学习的主动性和自觉性，这样学生们学到的力学知识，更具整体性、连续性、系统性、真实性、专业性和应用性等。

四、寓教于乐，娱乐于做，寓做于赛

现代卓越工程师要具备多种知识、能力和素质。为此，我们在建筑力学课程的教学中，辅之于项目学习、合作学习和竞赛学习等教学形式，着重培养学生的技术知识、学习方法、个人能力、团队能力、职业素质等。通过制作各类结构模型(如广告牌结构模型、飞行器结构模型、高跷结构模型、塔吊结构模型、屋顶结构模型、模板支撑结构模型、桥梁结构模型等)，加强力学基础知识的训练、应用和巩固。为了掌握制作上述结构所用材料的力学性能，如白卡纸、牛皮纸、塑料板、铅发丝、易拉罐铁皮、竹片、桐木片等，进一步熟悉并掌握对未知材料力学性能的检测技术。实验室全天向学生开放并安排专门指导教师进行指导，组织学生开展力学、材料、结构等知识相结合的学科竞赛。具体做法是，每项比赛3－5 人1 组，打破院系、专业界线，自由结组，自主推举负责人，在老师的指导下，利用课余时间，按照工程师技能培养的要求，制作相应的结构模型。采用做中学，学中做，做中教，教中做，用中学，学中用，边做边学，边学边做，边做边教，边教边做，边用边教，边教边用等方式，在规定的时间内完成工程结构模型的学习与制作。比赛时聘请校内外专家，通过理论计算、陈述答辩和加载试验等环节进行能力测试，综合考虑学生作品的结构选型、力学计算和模型制作等因素进行成绩评定。最后产生一、二、三等奖。从制作简单的约束开始，到制作简单的构件，再到制作复杂的结构等，进而做到对实际工程结构特征的整体把握，进一步熟悉力学模型的简化和强度、刚度、稳定性的计算及优化设计思想。“构思、设计、实施、运作”是对学生自身知识、能力、素质和技能的全过程检验，也是学生自我认识、自我提高的必经之路。