关于理论力学教与学中CDIO理念应用的思考

洪哲浩++丁智++李丹薇

基于国际先进的CDIO工程教育理念，在《理论力学》这门土木工程必修课的教学中，让学生自由分组开展基于理论力学课程的CDIO项目的建模分析与实践，教师通过学生课堂上的成果展示进行评价和指导，可以有效的提升学生对理论力学的理解，更利于学生团队合作精神、科学探索思维、实践创新能力的培养。

教学创新理论力学CDIO项目一、引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2000万美元巨额资助，经过四年的探索研究，创立了 CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它改变了重理论轻视实践的传统教育模式，注重培养学生掌握扎实的工程基础理论和专业知识，在此基础上通过贯穿于学生个人团队设计和创新实践能力的培养，让学生以主动的、实践的、与课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生达到预定目标。

CDIO作为一种创新的教育模式，国内外经验表明这一理念和方法是先进可行的，在工程领域教学改革创新方面得到了广泛认同和大力推广。浙江大学城市学院的土木工程和机械工程是教育部首批CDIO工程教育试点专业之一。在工程教育的大氛围和大环境下《理论力学》中引入了CDIO项目，为本课程带来改革创新，提高了课程教育质量。本文将从CDIO项目对学习《理论力学》这门课程的理解及其对教学方法的启迪进行论述。

二、理论力学课程介绍及教学现状

1.课程介绍

《理论力学》研究物体机械运动的一般规律，是高等院校工科专业的一门核心基础课程，是与工程实际紧密联系的课程。系统介绍静力学、运动学与动力学的基本概念、基本原理以及处理问题的基本方法，不仅为《材料力学》《结构力学》《弹性力学》等后续课程的学习打下基础，更在于培养学生的逻辑思维、抽象思维能力。作为土木工程专业的基础必修课程，理论力学的课程学习效果将直接影响土木工程专业学生的后续学习能力和以后的发展。

2.教學现状

（1）理论力学的发展历史悠久，传统性知识比例较大，内容大多几代沿袭，知识陈旧，力学模型过于抽象，工程背景不够明显，学生普遍觉得课程枯燥乏味、难以掌握；另一方面，课堂教学方法和手段过于单一，导致学生参与教学程度低。

（2）受传统教育观念的影响，与其他课程一样，现阶段的理论力学课程，无论教材还是教学内容，都重理论，轻实践应用。

三、理论力学中CDIO项目的应用及效果

1.CDIO项目在理论力学中的应用

在理论力学的教学过程中，CDIO项目作为一个不可分割的存在，以一种不同于平时教学方法的形式，让同学们自己对静力学模型进行受力分析，得出结论，并进行展示来加深对理论力学的理解。

在开展CDIO项目之前，要求同学们先进行自由分组（3人以下包括3人），并将分组结果上传至BB平台。然后要求小组成员从身边的生活和工程实际问题中选择一个静力学模型，确定其不同的约束类型并对其进行简化。再对简化之后的模型进行受力分析，列出力学方程，计算出所有约束力的大小和方向，受力分析之后要求小组成员制作成果汇报PPT和计算书对力学模型进行介绍和分析，所有分析和计算过程在PPT和计算书上必须有所体现。最后在课堂上进行小组展示，其他小组以及老师通过对展示的小组进行提问和指导以及他们所展示的内容进行评分。在所有小组展示完毕后，每个小组需要将自己小组的成果文档、小组自评分和对其他小组的评分上传至BB平台。CDIO项目的最终得分有小组自评、同学互评和老师的评分总和而成，并占期末总评的15%。

在这一过程中，学生独立分析问题并对其他小组的展示进行提问，不仅巩固了所学到的知识，还对理论力学这门课程有了更为深刻的理解，为日后的专业课学习奠定了基础。

2.CDIO项目在理论力学教学中的效果

针对CDIO项目对理论力学教学效果、学生学习成效，本文选取本学期理论力学期末成绩进行分析。

图1中的期末成绩是指期末的卷面成绩，总评成绩是指期末卷面成绩与CDIO成绩按比例相加之后的成绩。图1中将期末成绩按高到低进行排序，再画出其对应的总评成绩曲线。分析图中曲线可知，CDIO项目对于期末成绩较差的同学来说，对总成绩的帮助很明显。对于成绩较为优秀的同学来说，对总评成绩的提高不是特别明显，甚至还有一些同学虽然期末卷面成绩很不错，但是由于CDIO项目没有做好，导致总评成绩有所下降。可见CDIO项目的实施更有效地考察了学生的知识综合运用水平。

图2中的期末成绩是学生的期末卷面成绩，总评成绩是学生的期末卷面成绩和CDIO的成绩按比例相加后的总成绩。图2的柱状图表示了期末成绩和总评成绩在不同的分数段分别所占的人数。从中可以看出，CDIO项目对于期末卷面成绩相对较低的同学来说，对总成绩的提高有比较大的帮助。对于卷面成绩原本就比较高的同学的影响就不是很大。但还是能从图中看出，CDIO项目的分数对于期末总评成绩的提高还是有一定的帮助，尤其提高了80～89这个分数段人数所占的比例，降低了60分以下和60～69分数段的人数。可见CDIO项目的实施对学生期末知识掌握程度的考察更为全面，而不仅是停留在单一看卷面成绩的阶段。

四、理论力学中的优秀CDIO项目成果展示

本学期理论力学CDIO项目进展顺利，同学们分别对塔吊、升降起重机、龙门吊、桥梁、以及窗户等身边的生活和工程实际问题进行提炼、抽象出一个静力学模型，并进行独立的思考分析。在完成项目的过程中提升了对理论力学的学习认识，培养了学生团队合作精神、科学探索思维和实践创新能力。下面是一个小组的CDIO项目实例：endprint

Conceive（构思阶段）。该小组通过查找资料和观察生活和工程实际问题，讨论确立了基于工程背景下工程實际中的剪叉式液压升降起重机为小组CDIO项目的力学模型。考虑到理论力学主要是对静力学的分析，可以先制作出简易的剪叉式液压升降机的模型，使得受力分析变得更加简单和直观。再对其进行简化的受力分析。在成果汇报阶段便于同学们理解。

Design（设计阶段）。根据构思阶段的构思确立所有任务后，根据小组成员个人特长，进行合理分工，以及根据项目成果要求和组员课余时间，确立工作分配与时间安排表。

Implement（实现阶段）。首先制作出剪叉式液压升降机的简化模型，在对模型进行了观察和分析后，运用木材在上下两个底面制作了简易的凹槽，使其能实现升降的功能。再运用少量的木材在中间支撑整个模型，同时也模拟了液压器的原理和功能。再画出它的简化模型，进行受力分析，得到所有约束力。将结果和分析方式融合制作成果汇报PPT和计算书。

Operate（运作阶段，即成果展示）。先由小组长上台介绍剪叉式液压升降机，并通过所制作的模型更加形象的向同学们解释其原理。之后再结合PPT讲解受力分析过程，同时组员通过将模型在同学之间相互传阅的方式，加强台下同学们对该组模型的理解。

该小组的成果展示，让同学们对剪叉式液压升降机的工作原理，以及受力分析和力学计算过程都有了一个较为全面系统的理解。它极大的激发了同学对理论力学学习的兴趣，也能帮助同学对力学分析的理解，对同学集中课堂注意力也起到了良好的作用。在项目展示课堂上，不同小组之间的互相交流更是让同学们对许多工程、生活中的理论力学应用有了广泛的了解，将理论课堂延伸拓展到实际运用。

五、CDIO项目对教学的启示

理论力学一直是学生认为的较为枯燥又难理解的课程，如果老师在教学时能将模型与教学内容相结合，能将简易模型在受力分析时展示给同学，并演示其动态过程，能较大的激发学生学习理论力学的积极性。

此外，将做模型作为一种课后作业或者期末总评分标准，让同学们根据课上所要分析的模型或者知识点，自己动手制作简化模型。同学们在制作的过程中掌握了理论力学知识，同时也提高了结合理论力学与实践的能力，更锻炼了自主学习能力、组织协调能力和团队合作精神，提高了上课的进度和效率。

六、结语

CDIO工程教育模式是直接按照业界要求建立的一整套工程教育实施体系，它从“培养什么人”和“怎样培养人”这两个根本问题出发探索工程教育问题。而理论力学课程是土木工程专业的重点必修课程，相信在引入CDIO的理念后，将能更好的把实践与理论相结合，使其更便于理解，并提高学生自主学习、研究、分析的能力，为课堂教与学改革带来了的积极意义。本文的项目实例可为CDIO理念运用于更多的工程课程提供参考，相信以后会有更多类似项目开展，使大学课堂成为一个综合运用知识的乐学善用平台。

参考文献：

[1]李红霞，张淑佳，李乐.基于CDIO工程教育大纲的理论力学教学改革[J].神州，2011，（05）：14-15.

[2]孟祥勃，丁智，沈旭栋.模型加载实验在《材料力学》中的应用[J].文艺生活，2014，（06）：248.

本文系2015年浙江省课堂教学改革项目（Kg2015510）、浙江大学城市学院第七期重点课程建设项目（CD1401）。endprint