CDIO模式下航天专业固体力学系列课程的设计与应用

谢燕　蒋建平　李家文

摘要：本文提出将国际工程教育模式—CDIO模式（Conception，Design，Implementation，Operation，简称CDIO）引入至航天专业固体力学系列课程的设计与应用，是增加航天专业学生实践比重、培养工程能力的一种有益尝试。本文给出了CDIO模式与航天专业力学系列课程的结合途径，并描述了CDIO模式下航天专业固体力学系列课程的具体设计与教学实践等具体内容，希望为目前航天或力学专业工程师的培养提供参考。

关键词：CDIO模式；航天专业；课程体系；大学生创新实践项目

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0051-02

一、引言

目前诸多高校针对空间工程、飞行器系统与工程、导弹工程等多种航天专业设置的本科生课程，可划分为力学、航空宇航、电子、信息与控制等多个系列课程。同时，航空航天等技术领域内很多问题，其研究对象可能既是航天问题又是力学问题，具有与多学科多专业广泛交叉、相互渗透，与实际工程结合紧密的特点。基于上述原因，为了提高航天专业本科人才的培养质量，如何在有限的课时计划内、在有限的课程数目内有效设计航天专业固体力学系列课程，是一个值得探讨的问题。

随着高校内部增大学生的实践比重、面向工程能力培养的呼声日渐高涨，笔者所在的教学组借鉴了起源于美国麻省理工MIT的国际工程教育模式——CDIO模式，在航天专业的固体力学系列课程的设计与应用中进行了相应的教学探索与教学实践，期望通过该模式在教学实践中的正确引入与有效发展，更新教师教学理念与实践手段，增加课程实践比重，充分调动学生学习效率与积极性，为航天或力学专业工程师的培养提供参考。

二、CDIO模式与航天专业力学系列课程的结合途径

国际工程教育模式CDIO，是以产品、过程和系统全生命周期的开发与运用为背景，包含了构思、设计、实施和运行（Conception，Design，Implementation，Operation，简称CDIO）4个教育和实践训练环节。它与航天专业力学系列课程的有机结合，可以考虑如下几个途径：

（一）CDIO模式的起源

CDIO是一种基于传授航天领域技术知识与培养预备工程师能力而起源产生的工程教育模式，其创始人是美国麻省理工MIT航空航天系Edward Crawley教授，其发展初期在2004年左右。可见，将CDIO模式与航天专业力学系列课程的结合，则具有一定的合理性和先天优势，是一种积极有益的尝试。

（二）基于CDIO教育理念形成课程观

CDIO模式是基于“做中学”的教育理念，是一种将实践过程与理论教育相结合的教育理念，结合该模式在航天专业力学系列课程的设计中可形成两种课程观：首先，是一种凸显了“社会需求”的课程观，即根据工程师的社会角色与责任，培养工科毕业生具备较好的工程能力与深厚的技术基础知识，在课程体系与课程内容上，并不是按照严密的学科知识体系来组织课程，而是强调基于社会现实需求来选择和编排；其次，亦是一种强调了“学生为主体”的课程观，即学生的学习效果侧重于从学生的实践感知和实践经验出发来构件知识和能力，基于“做中学”强化学生探究兴趣和实践能力，从而体现了学与做的结合、知与行的统一。

（三）明确实践对象与执行方案

CDIO工程教育模式主要特点是深化技术知识基础和实际职业能力的二元学习经验模式，且该模式的基本原则是反复强化实践，因此CDIO模式的实践必须包括两个或者更多的设计与实施环节。具体来说，航天专业固体力学系列课程体系的实践对象包括如下三类环节：第一个是突出导论性基础课程，即引导学生入门工程实践，领略工程技术的魅力；第二个是初级的实践环节，即针对核心基础课程《工程力学》开展课堂一线教学改革研究；第三个是高级的实践环节，即针对来源于科研任务的设计综合项目进行教学改革实践。

三、CDIO模式下航天专业固体力学系列课程的具体设计与教学实践

教学理念的转变最终体现为课程设置、教学内容与实践对象的改革。在我校2012本科人才培养方案中，我院结合CDIO模式对航天专业固体力学系列导论课程进行了具体设计与教学实践的工作，主要包括如下三个方面：

（一）导论性课程的设置

导论性课程是一个早期的基础工科课程，我院针对航天专业的大一新生设置了导论课程《空天工程导论》，要求选课学生具有一定的数理基础即可。该课程内容主要介绍飞行简史、工程学简介、航空器飞行原理、结构与动力系统等基本概念、基本知识，通过它为入学新生搭建了航空航天器设计、构造、应用所需的知识框架。同时，课程还提供了一个初级的设计—实现的实践，让学员参与水火箭或LTA飞行器的设计与制作。

设置导论课程的主要目的快速引导学生了解航天器的基本构造及工作原理，让学生参与入门的工程实践，从而激发学生兴趣和后期加强学习的主动性。

目前，我院30学时的《空天工程导论》课程已经成功申请为我校的精品视频课程，主讲教师的授课教案和讲义脚本已经完成，且授课视频录制已完成一半以上。

（二）《工程力学》课程的教学改革

首先，调研了近年来国内高校在《工程力学》课程中的改革研究：例如，天津科技大学的李秋玥在建构主义教学基础上建立“刨设问题情境”教学法[1]，山东英才学院的来小丽实施项目驱动教学法[2]，哈尔滨学院的张田梅探索了研究性教学法在工程力学课程教学中的实践。上述内容从不同方法与形式来提高学生处理分析和解决工程实际问题的能力，均可作为低年级核心力学课程改革的组成部分。

其次，调整了我院的《工程力学》教学内容：在静力学部分中重点介绍构件的受力分析、简化与平衡规律；在材料力学部分中以杆件的轴向拉压、扭转和弯曲三个基本变形为研究目标，以“内力分析—内力计算—应力应变计算”为逻辑分析主线，结合强度理论、稳定性分析或能量法来优化组织教学内容，并删除了图乘法和摩尔圆等内容。

然后，改革了我院的《工程力学》教学方法与成绩评定：理论讲授采用了习题讲解、启发式、研讨式、案例式等多元化教学方法；实验操作侧重学生动手能力培养，要求学生按照2～3人合作或单人独立完成课程内13项实验内容，同时实验室采取了鼓励课外开放式实验的机制；成绩评定是将考核点分布于教学全过程中，即由平时成绩、课堂讨论、实验操作、实验报告、科技小论文、期末成绩等考核点综合评定最终成绩。

最后，给出《工程力学》课程近年内取得的成绩：2015年《工程力学》评为校优课程；2015年委托科学出版社再版了《工程力学》教材；2015年成功申报了36学时的MOOC课程《工程力学》，目前主讲人和授课内容已确定，2015年完成了省精品课程《工程力学》复核工作，并向湖南省高校数字教学资源中心提交了课程教学视频、课件、教学大纲、电子教案、教学案例、试题习题、文献资料、教学成果、软件工具等电子材料整理；2015年该课程主讲老师分别获得了学校教学质量新星奖和学校本科教学优秀个人一等奖；2015年实验室新增加了XL3418K互动式普及型材料力学实验装置，完成了12个虚拟实验的材料整理。

（三）大学生创新实践项目与本科毕业设计综合项目的优化

CDIO模式将顶峰级实践体验作为本科教育的顶点。该实践环节往往侧重于学生对以前所学知识的综合运用以及创新能力的培养，要求学生在大三或大四年级中申请了综合项目实践，以团队或个人形式承担来源于科研项目的、更为复杂的实际任务。

我院高年级本科生顶峰级实践环节大多数包括大学生创新实践项目与本科毕业设计综合项目两类。例如，为了优化本科毕业设计模式，笔者所在课题团队采取“双团队设计项目”的集成教学方法进行了如下实践工作：首先，成立了以航天方面的学科带头人为核心，包括结构动力学与设计、振动控制、姿态控制、电子电路共5人组成的教师团队；将总体设计、主控分系统、姿控分系统、动力学建模与分析、帆板振动分系统、星体结构设计等六个子项目形成课题任务书，让学生自主选择，并形成了自然分工、相互合作的学生团队；之后，学生会在教师的指导下，按照任务书计划在规定的时间段内（两个或多个学期）逐步完成开题审查、中期检查、方案设计、理论推导与计算、设计制造、实验验证、撰写报告、项目验收或毕业答辩等步骤。

在课题团队的努力下，近年来取得了如下可喜的成绩：2015年课题团队成员指导的省级大学生创新实践项目《座椅弹性缓冲器等效刚度分析与实验研究》顺利验收，并且验收结论为优秀；课题团队指导了2015年国家级大学生创新实践项目《非对称复合材料拉伸-扭转耦合结构设计》，目前为在研阶段；继续完善了学校级的基础力学虚拟仿真实验教学分中心、应用力学虚拟仿真实验教学分中心、力学与航天工程虚拟仿真实验教学中心的工作，并且在省实践教学示范中心的基础上，实验室2016年成功申请为国家级力学与航天工程虚拟仿真实验教学中心。

四、结束语

对航天专业固体力学系列课程进行设计与应用的教学实践表明，由于航天航空领域内很多问题是多学科交叉融合、与实际工程联系紧密的问题，应用CDIO教育理念中深化技术知识基础和实际职业能力的二元学习经验模式，对于学生掌握扎实的专业知识和技能，感受鲜活的科学研究过程，激发创新意识起到了良好的促进作用。

参考文献：

[1]李秋玥，马健，刘恒科.刨设问题情境教学法在“工程力学”教学中的应用[J].教育时空，2012，（1）：211.

[2]来小丽.项目驱动教学法在“工程力学”教学中的应用[J].中国电力教育，课程教材，2011，（31）：103-104.