在《材料力学》课程教学改革中贯彻CDIO理念的探索

摘要：为了培养满足经济全球化对现代工程师的要求的人才，本文详细分析了具有国际共识的CDIO工程教育模式，结合我们的教学实践，对在《材料力学》课程教学中贯彻CDIO理念进行了初步探讨，有益于《材料力学》课程的教学改革。

关键词：材料力学；CDIO；教学

在经济全球化的进程中，随着一带一路建设的发展要求，我国已在一带一路沿线国家开展了大规模的基础设施建设、在国内则大力发展实体经济，这就使得人才需求日显突出，迫切需要大量的满足社会需求、与国际接轨的现代化综合性工程技术人才。

如何培养这种具有技术基础扎实、专业知识宽广、工程应用能力强和良好团队协作能力的工程师，就成为我国工程教育面对的首要课题。而目前我国工程教育的现状与上述要求尚有一定的差距，还不能完全适应这种要求，出路就在教学改革。

一、CDIO理念

CDIO是由美国麻省理工学院和瑞典几所高校推出的一种基于构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate）全过程培养学生工程能力的新型工程教育模式。该模式强调综合的创新能力与社会大环境的协调发展，同时更关注工程实践、加强培养学生的实践能力，并提出了可操作性性的实施及检验测评的12条标准[1]。

CDIO是以产品研发到产品运行维护和废弃的全生命周期为载体，建立相互支撑和有机联系的一体化课程体系，让学生以主动、实践的方式学习工程。

CDIO模式以专业理论为基础，关注实践，强调新一代卓越工程师培养的核心信念。它是系统性、科学性和先进性的统一，反映了当代工程教育的发展趋势。

随着CDIO理念的推出，这种工程教育模式迅速推广到世界各国，很快就形成了国际共识。在欧美高等工程教学改革试验中获得了巨大成功。至今国内外有近百所大学加入了CDIO组织，在人才培养水平上取得了良好效果，其培养的学生深受企业与社会青睐。

在国内，推广CDIO理念的高校也日益增多，并取得了良好的预期效果。国家教育部也举办了关于CDIO的专题研讨会，使其契合我国中长期教育改革和发展规划的要求。

二、CDIO理念下的教学改革

为了贯彻CDIO理念，教学改革的目标应是通过注重培养学生系统工程技术能力，尤其是项目的构思、设计、开发和实践能力，以及较强的自学能力、组织沟通能力和协调能力，吸收世界先进的工程教育理念，建立符合国际工程教育共识的课程体系。

工程教育应以工程应用为主线，以工程实例为中心，以项目设计为导向，拓展课程的知识范围、加强课程之间的联系、拓宽课程的应用范围，提高学生的工程素质和工程思想。为此，需要对教学模式、教学内容、教学手段和方法进行全方位的改革。以达到贯彻CDIO的四个层次——即工程基础知识、个人能力、人际团队能力、工程系统能力的培养，成为高级工程专业人才的目的。

三、CDIO理念下的《材料力学》课程的教学改革

（一）《材料力学》课程的任务及特点

《材料力学》课程的任务是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为设计既经济又安全的构件，提供必要的理论基础和计算方法[2]。

由于工程构件的多样性，则在研究构件的强度、刚度和稳定性时，须抽象出其中的力学模型。因此建立力学模型就成为应用力学知识分析工程实际的第一步。

我校的《材料力学》课程是在大学二年级上学期开课。在机械工程、土木工程等专业中，其相关先期课程有《高等数学》、《理论力学》等，其后续相关课程有《机械原理及机械零件》、《机械设计基础》等。在这个课程群中，它在先期课程的基础上，为后期课程提供必不可少的理论基础知识和计算方法，起着承前启后的作用，成为工科教学中一门重要的专业基础课。

《材料力学》教程致力于构件的力学分析和计算，但由于工程構件的种类繁多、载荷状况各异，因而在其长期发展的过程中，重视传统的经典理论并应用大量教学工具进行公式推导，逐步形成了自身的完整体系。这种系统性、完整性和抽象性的特点，常使学生感到难懂难记。加之对于大学二年级的学生来说，无论是工程直接经验还是间接经验都极其缺乏，而课程本身又缺少工程背景，使得理论与工程实际脱节，减弱了学生将工程实际转换为力学问题的训练。

（二）《材料力学》课程的教学改革

《材料力学》课程的教学改革是相关专业教学改革中的一个组成部分，应在整体教学改革的框架下，结合自身的特点与相关课程的教学进行沟通与协调，以达到整体推进的目的。

国内在CDIO理念下进行的工科教学改革已在多门课程中推开。如《理论力学》、《工程力学》、《土木工程》、《软件工程》、《信息工程》等，而对《材料力学》教学改革的研究却相对较少。

《材料力学》既是基础科学，又是技术科学，因而它必须与工程实际相结合。由此，我们可环绕CDIO的四个层次实施对《材料力学》课程的教学改革，首先确立以引入工程背景为手段、以提高学生解决工程实际问题的能力为导向、提高学生综合实践及创新能力为目標的教学改革目标及包括教学模式、教学内容、教学手段与方法的总体改革框架。然后在CDIO的四个层次上进行改革。

1.在专业基础知识培养的层次。在课堂教学中，我们在大量引入工程背景的基础上，重视理论知识及计算方法的讲解和推演，加强应用教学工具解决工程问题的能力。使学生清晰地了解由工程实际问题转换为力学模型的方法、步骤和求解过程，还可激发学生的学习兴趣和主动性。

按照这个思路，我们在各章节的课堂教学中都针对不同的构件形式和载荷种类，由简单到复杂，逐渐提高学生建立力学模型的能力，克服了学生以前只能根据已给出的计算简图才能分析实际力学问题的不足，增强了职业能力。

如在拉伸、压缩和剪切一章中，我们引入液压传动机构中的活塞杆，在油压和工作阻力下产生的拉伸变形，起重钢索在起吊重物时的拉伸变形和拉刀进行拉削时的拉伸变形等工程实例。然后引导学生关注外载的种类及与构件的相互关系，即外载的作用线与构件的纵轴线共线，且力的方向指向构件体外，从而形成构件的拉伸变形。由此得到了拉伸变形的力学模型。

如果外载荷的作用线与构件的纵轴线共线，但力的方向指向构件体内，则构件出现压缩变形，形成压缩变形的力学模型。由此引导学生了解到构件受力的力学模型与构件与载荷的受力点和方向有关。如工程实际中的内燃机连杆在燃气爆发的冲程中、千斤顶的螺杆在顶起重物时，都产生压缩变形。

由上可见，构件与载荷之间由于不同的相互位置及方向，会形成不同的变形形态，因而需要用不同的力学模型来进行设计和计算。这就使学生开始建立了观察、分析构件与载荷相互关系的工程思维。

进一步，对实际工程中，如桥式起重机大梁、火车轮轴等，它们外载荷的作用方向与杆的纵轴线不共线，而是相垂直，其产生的变形形态为弯曲，则需要建立新的力学模型——即弯曲变形的力学模型。

当载荷的种类发生变化，不是单纯的外力而是在杆件的两端作用两个大小相等、方向相反、且作用平面垂直于杆件轴线的力偶，则杆件的变形形态就变成使杆件的任意两个横截面都发生绕着杆件轴线的相对转动。如汽车转向轴、汽车传动轴、搅拌机轴、攻丝时丝锥的受力等都将产生这种变形形态——扭转变形。因此对于此类构件的力学分析，就需要建立扭转变形的力学模型。

这种逐步推进的方法，依靠引入大量的工程背景，使学生逐步认识到工程结构力学模型的建立不仅与构件和载荷的相互位置及方向有关，还与载荷的种类有关。同时也学习了由工程实际转换为力学建模的步骤和方法，提高了力学建模的能力及观察、分析工程实际的能力。

在解决了拉、压、剪、扭、弯这些基本变形的力学建模问题后，我们仍以工程实际为背景，针对工程实际中大量存在的复合变形，如电动机主轴、水轮机主轴、机床传动轴、镗削时镗杆的受载产生的变形等，学习了对它们通过静力等效和叠加原理来建立构件在组合变形下的力学模型的过程。这种面向工程实际的、处理复杂的工程问题的培养方法，消除了学生对建立力学模型很抽象的感觉，提高了他们解决复杂工程问题的信心和能力，为他们顺利进入职场和独立工作能力奠定了基础。

在引入大量工程背景时，我们利用图片、视频和动画等多媒体将所学的理论知识与工程实际相结合，评介众多的工程安全事故及理论发展的脉络，使学生加深了对理论知识的理解，从而使学生对技术基础知识的掌握更加扎实，提高了学生应用理论知识解决工程实际问题的能力和信心，还扩大了学生的工程视野，也顺理成章的解决了“为什么学”的问题。

由于采用多媒体方式引入工程实际，也节省了教学时间，有助于克服当前”课时少与内容多”的矛盾，符合当前《材料力学》课程教学改革“少学时、新内容、高水平，好效果”[3]的目标。

2.在个人能力培养的层次。在机械工程、土木工程的相关专业中，个人能力主要包括工程思维能力和动手能力。为了培养这种能力，一方面我们根据课程教学进程，适时组织非纸上谈兵的专题知识竞赛。由老师根据所学的理论知识提出一个相关的工程实际问题，指导学生通过搜集资料、查阅文献、分析工程实际问题的力学性质、提出解决问题的设计方案并进行可行性论证，然后写出报告或小论文，经过评议选出优胜者。

通过这种专题知识竞赛，可使学习较快地进入将理论知识转化为解决工程实际问题的训练，掌握解决工程实际问题的途径和方法，有效地提高学生的工程思维能力。

个人能力对于工程技术人才来说，除了具有很强的工程思维能力外，良好的工程实验能力也尤显重要。然而在过去的教学中也发现有所谓的“高分低能”现象。虽然造成这种现象的原因是多方面的，但是在当前的《材料力学实验》的教学中，由于学生数量多、仪器设备相对不足，致使《材料力学实验》课多为演示性实验，使学生失去参与实验设计和动手的机会。但由于学时所限，难以增加实验课的学时。面对这种困难，我们与实验课程协调，提出开放实验室的构想。将实验分为基本实验、自选实验和研究型实验三类。

基本实验是在《材料力学实验》课程的教学时间内，完成该实验课程教学大纲中规定的实验项目。

在此基础上，利用开放实验室进行学生自选项目的实验。由学生根据项目或自身情况自主安排，利用实验室现有的仪器设备，在老师的帮助下，确定实验方案，自主完成仪器设备的安装、调试及试验的全过程。在此过程中，学生可实际接触及了解各种仪器设备的原理性能和使用方法，增加了对各种传感器及测试技术的知识，这对于训练学生进入职场后的动手能力有极大的帮助。

对于学有余力的学生，还可利用开放实验室，根据不同的力学模型，以实验或计算机仿真来完成所选课题的研究任务、形成电子版的小论文。

3.在人际团队能力培养的层次。现代的机械工程、土木工程往往是综合性极强的庞大的系统工程。它涵盖由基础科学到技术科学、由经济学到管理科学，甚至涉及能源、交通、环境保护和生态保护等各个方面。因此在工程的组织机构、各部门的任务分工与协调、资源分配等各個方面应必须统筹考虑，形成精干、高效的工程团队。

针对现代工程建设的这种特点，作为培养卓越工程师为目标的高等工程教育，就必须增强对学生人际团队能力的培养，创造机会进行这方面的训练。

由于学科庞杂，在整个教育体系中，各个专业都应根据各自的特点来完成培养人际团队能力的任务。

作为技术基础课的《材料力学》也须根据课程为力学分析的特点来加强这方面的训练。根据课程的教学进程，在相关理论的学习中，提出适当的课题，将学生进行分组所课题进行分解，如建模、电算、实验验证、资料整理、撰写报告等。这样在完成课题的过程中必然会涉及人际团队能力的问题。如建模中的数学问题有时就要与数学方面的人员交流、电算中的程序编制问题就要与计算机软件方面的人员交流、实验验证中的自主实验就要与实验人员交流、资料整理中的文字、图表处理也需与计算机方面的人员交流。至于撰写报告中的表述则要与各小组共同讨论、定稿。通过上述方式的訓练，使学生人际团队能力得到大幅提高。

此外，我们有计划地组织参观工厂、工地或到企业调研，与相关人员进行座谈。利用这些机会一方面使学生更深入地接触社会、接触工程实际，既扩大了学生的视野，又培养了学生的观察能力，同时也培养了学生的人际交往能力。

4.在工程系统能力的培养层次。在学校工科教育中，《材料力学》课程也是作为单独一门学科进行学习，而要在工程实际中加以运用就需要工程系统的能力。

首先要使学生了解到《材料力学》在工程中并不是孤立存在的，而是在出现的工程实际问题中，为了工程的安全，经过对问题的观察、思考和反复试验验证而提炼出来的一套解决工程结构的力学问题的理论和计算方法。因此，要了解《材料力学》在工程中的作用和地位，就必须具有工程系统能力。为了培养这种能力，我们在全部教学过程中，始终强调引入众多工程背景，在各种工程背景中分析构件的载荷状态、进而分析构件的力学性能，并提出解决各类问题的步骤、方法和计算公式，以满足整个工程系统的安全。这样就从一开始应将各类构件与整个工程系统联系在一起。同时我们还通过多种教学环节和多种教学方式引入与力学分析相关的传感器技术、计算机技术、测试技术及试验技术，使力学问题由单一学科形成多学科的集合、成为一个整体的工程系统。使学生养成一种工程系统思维习惯。

此外，我们还不失时机地组织学生参加社会上举办的相关研讨会、参观相关的产业博览会，如医疗器械、起重机械、工程机械、包装机械和工业机器人等。引导学生关注新工艺、新技术、新装备和新材料的应用和发展趋势，为提高工程系统能力提供知识储备。

四、小结

本文对在《材料力学》课程的教学改革中贯彻CDIO理念的具体实施进行了探索，构建了新的教学模式、教学内容及教学方式和手段，希望在《材料力学》课程教学中，为培养现代的、具有国际视野的卓越工程师起到一定的作用。

我们也注意到新的教学模式与现行的学校管理制度尚有某些不够协调的地方，需在进一步的改革中逐步完善。

参考文献：

[1]Crawley EF，Malmqrist， etc. Rethinking Engineering Education： The CDIO Approach [M].New York ； Springer，2007.

[2]刘鸿文.材料力学（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年武汉市属高校教育研究重点项目（项目编号：2013001）

作者简介：孙峙华，江汉大学机电与建筑工程学院教师，博士，主要研究方向：材料力學、工程力学。