CDIO-OBE工程教育模式的材料力学实践教学研究与探索

2018-03-30周双喜

实验室研究与探索 2018年8期

周双喜，韩震，黄强

(华东交通大学土木建筑学院,南昌 330013)

0 引言

随着我国“一带一路”倡议的不断推进和“八纵八横”高铁网的规划建设，提升我国建设科技水平对增强我国基建企业的国际竞争力和高铁事业的科学持续发展显得尤为重要。近年来，我国启动了“卓越计划”“2011计划”等一系列国家重大改革项目，以培养具备科技创新能力和实践应用能力的“创新—应用”型人才，但我国目前工程技术人才缺口依然十分巨大。人社部就业司公布的2017年第一季度人力资源统计数据显示，建筑业和制造业对新型技术人才的需求与2016年相比同比增长27%和38.3%[1]。材料力学是土木工程、机械设计等专业的一门重要基础课，学生对其掌握与否直接影响到后续专业技术课的学习。而材料力学实验作为材料力学教学的重要实践部分，能够加深学生对理论知识的理解，提高学生动手实践、分析解决问题以及团队协作的能力，其授课质量的提高对促进我国新型技术人才的培育事业发展具有重要意义。而现今我国高校材料力学实验教学却普遍存在与培养要求不协调的问题，亟待进行深入改革。因此，近年来各高校对材料力学实验教学内容和教学模式进行了深入的探索，吴新如等[2]通过丰富实验教学内容和与学生互动教学的方式传授课程内容的同时多方面培养学生的科学研究素养；邓辉等[3]将研讨式案例教学法引入材料力学中，极大提高了学生思维能力、研讨能力以及分析解决问题能力的培养,但此种教学方法对教师的知识储备、组织能力和反应应变能力有极高要求，推广难度较大；吴艾辉[4]将同伴教学法引入到材料力学教学实践中，以提高学生学习积极性和主动性，但囿于学生需具备较强的自控能力和花费大量的课余时间预习；柒维斯等[5]建立了“引导-设计-实验-掌握”的创新实验教学模式，极大地调动了学生学习兴趣，以提高教学质量，但该模式加大了理论基础薄弱的同学完成实验的难度，存在一定的局限性；刘小蛮等[6]认为材料力学教学要求不应局限于“会做”，提出了“会做、会意、会用”的新要求，培养学生养成严谨的科研思维和创新意识，却未形成一套完善的教学实施方法。

鉴于此，我校土建学院积极探索材料力学实验教学新模式,引进国外先进的CDIO-OBE工程教育模式，取得了良好的教学效果，为参评国家实验教学示范中心打下了良好的基础。

1 传统材料力学实验的局限性

材料力学作为一门研究固体材料在外力作用下强度、刚度、稳定性等问题的课程，蕴含着丰富的科学思想和科学方法，对于学生工程思维的养成具有重要意义[8-9]。而材料力学实验能够帮助学生在更好掌握理论课知识的同时培养学生的动手能力，逐步使学生具有一定独立实验的能力[10]。但传统的教学模式存在很多不足之处，严重制约了我国人才培养质量的提高，其主要体现为：

(1) 实验内容单一，形式老套，工程背景不强。当前国内高校材料力学实验教学内容多为金属材料的拉伸、压缩、扭转等单元性、验证性实验，内容单一。学生在实验时基本按照实验书给定的步骤顺序完成，形式一成不变，且工程背景薄弱，极大地束缚了学生学习的主观能动性。

(2) 实验设备老旧，更新滞后，配套师资薄弱。高校的扩招，科技的飞速发展与实验室师资力量的更新滞后构成巨大矛盾，表现为：①以往的实验场所与设备难以满足激增的学生需求，形成实验由个别人操作，其他人观摩的现象，难以保证每个同学都能获得实验操作的机会，同学敷衍了事；②实验室设备老旧，已不能满足新时代、新规范的使用要求。

(3) 重视程度不够，课时较少，考核方式落后。在传统“重理论，轻实践”以及现今“厚基础、宽口径、强能力、重特色”教学观念下，材料力学的课时被不断的压缩，材料力学实验仅安排了6～8个课时，甚至还被理论课占用，且有时仅把期末考试成绩作为考核的唯一标准，实验不纳入考核，其地位可见一斑！

2 CDIO—OBE工程教育模式材料力学实验构建思路

基于学习产出的教育模式(Outcomes Based Education,OBE)最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革，其核心思想是教育者对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标，即注重的不是学生了解什么，知道什么，而是关心学生能做什么[11-12]。CDIO即为构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的缩写，CDIO工程教育理念由麻省理工学院等4家单位研究创立,是现今国际上新起的先进培养理念，该培养理念是指以项目为载体,学生以主动、实践、课程之间有机联系的方式学习工程，以培养其工程专业知识、个人能力、团队协作能力和工程系统能力[13-14]。材料力学实验教学引进CDIO—OBE工程教育模式，能够克服当前存在的重理论、轻实践、教学课时短、实验内容与工程实际脱节以及考核方式落后等问题，提高学生积极主动性，有利于学生创新意识和综合素质的发展。

2.1 CDIO—OBE人才培养模式

CDIO—OBE工程教育模式由CDIO和OBE两个部分组成，其中OBE是目标，CDIO是手段，两者相辅相成。OBE根据国际上对毕业生所应具备的11条能力对课程内容进行“逆向设计”，即实现每一课程内容与所要求的能力矩阵相匹配，否则，必须对其重新设计；CDIO是对OBE所设立的目标的具体实践，其与传统教学法相比主要有三大转变：①学生由围绕课本学习到围绕项目学习；②学习过程由教师讲授为主到以学生学习为主；③由记忆理解知识点到内化应用知识点[12]。故为保证该模式的顺利落地，教育者必须对当前教学模式进行从教学内容、教学条件、教学方法等方面进行全面梳理改革。

2.2 建立多层次、创新型实验内容

中心在紧贴当前培养要求的基础上，调整更新实验内容。①力求减少验证性、单元性实验，增加电阻应变片的粘贴实验、电阻应变片的接桥实验等设计性、拓展性、创新性实验，以培养学生解决问题的能力，激发其创新思维；②结合土木工程专业交通特色，将工程背景引入实验，比如钢、砼弹性模量及泊松比的测试实验，引入当前桥梁工程中广泛使用的“钢-砼”组合结构。通过将所学理论知识与工程实践的结合，不仅能够加深学生对理论知识的掌握理解，更能增强同学的工程应用意识。③鼓励有志于在该领域继续深造的同学，参加“周培源大学生力学竞赛”“挑战杯”等科技赛事，并进一步参与教师的课题研究，以科研和赛事活动为载体，结合学院导师制的实施，以研促学，以赛促学，帮助学生学有所用，开阔视野，掌握专业前沿发展动态。

2.3 构建现代化、开放式实验平台

随着我国工业化进程的持续推进，许多新近投入使用的新型材料需进行力学性能测试，而该项工作的实施离不开先进的实验设备，因此材料力学实验设备必须与时俱进。硬件方面，面对材料力学设备不足和资金紧张的难题，中心先是购买引进了如微机控制电子式扭转试验机、高频疲劳试验机等先进设备；此外，自主研发了DZST-3C型材料力学多功能试验台和HD-16A型静态电阻应变仪，前者可进行切变模量的测定、复合梁的实验以及根据需要可扩充三铰拱、应力集中、T形梁和工字钢弯曲正应力实验等共17个实验项目，且转换简单，占地面积小，目前实验室共有该组合实验台共40座，可以同时容纳一个班同学实验。HD-16A型静态电阻应变仪为测力仪和应变仪二合一的组合产品，具有16个通道，可以同时对16个测点同时进行测试，在综合性、设计性实验中使用极其方便，尤其是在配合多媒体教学的情况下，学生可独立完成实验操作，大大减轻了老师的负担。目前上述两设备已在20余家高等院校得到推广，反馈效果良好。软件方面，中心以国家实验教学示范中心评审指标体系为标准，努力将中心建设成为现代化的材料力学科学实验中心。面对课时压缩问题，实验室实行开放式管理，实验时间不再局限于课堂，学生可自行协调实验时间，并通过实验预约系统预约实验。

2.4 搭建网络型、自主化教学体系

针对以往教学中存在的重理论，轻实践、学生积极性和动手能力不足等问题，中心紧紧围绕学生为主、教师为辅的教学主旨，从教学手段、教学方法和考核指标3个方面探索创新，搭建起网络型、自主化教学体系。在教学手段上，有机的采用多媒体进行教学，借助其展示直观，信息丰富的特点，活化课堂，提高课堂效率，解决课时和师资不足的问题。此外，为拓展学习渠道，增强学生自学能力，缓解课时压缩的压力，中心还增添了MOOC(大型开放式网络课程)。在教学方法上，结合CDIO—OBE工程教学模式特点，采用启发式教学，将“授人于鱼变为授之于渔”的教育理念贯穿全过程，充分发挥学生主体作用，提高其解决问题的能力。针对重理论、轻实践的问题，中心将实验纳入考核，实验成绩占学科期末成绩的30%～50%，而考核的指标主要是CDIO—OBE工程教育模式定义的“学习成果”的达成度，包括学生在项目实施过程中的协作能力，项目最终的质量及创新性等，从而加强材料力学实验地位，以培养创新能力强、适应经济社会发展需要的工程技术人才。

3 基于CDIO-OBE模式的组合梁弯曲正应力实验教学设计与实践

以组合梁弯曲正应力实验为例，介绍基于CDIO—OBE工程教育理念的材料力学实验模式。该实验以工程中常见的由两种材料的两根梁以简单叠合形式的复合加强梁为背景，研究上述组合梁受力后的应力分布。由于本实验具有钢—钢叠梁、钢—铝叠梁、钢—铝胶黏叠梁等多种形式，灵活多变，可以很好地锻炼学生的发散思维和实验能力。设定实验以小组的形式完成，每组2或3名成员，实验时间设定4课时，其中实验操作3个课时，实验完成后学生需提交相关的实验设计报告、实验分析报告以及实验的总结且组员须以PPT的形式对整个实验的完成情况及得失演示报告，考验的是学生的表达能力和团队协作能力。

3.1 构思阶段

学生选做该实验后，通过资料检索或者MOOC等方式查找包括测试原理、测试方法等实验知识，并选定实验测试方法，在分析报告上列出实验所需的技术支持等，随后征求指导老师意见，老师检查实验的科学正确性，并对关键点提出指导意见，如：本实验中的应变片的粘贴布置和理论计算公式的推算等。

3.2 设计阶段

实验的初步构思通过后，学生须进行科学详尽的实验设计，并注明设备支持、计算理论等。如若该实验以“钢—铝胶黏叠梁”进行设计，则至少需要多功能组合试验台和特制“钢—铝胶黏叠梁”一套，若是想研究钢筋混凝土中钢筋与浇混凝土的变形协调则需要提前预制该梁以及协调万能材料试验机等。

3.3 实现阶段

按照设计的步骤实验操作，收集数据，这里包括应变片的粘贴和搭桥，尤其是注意应变片粘贴位置必须平整、光滑以及丝栅与构件特征尺寸的交角关系准确，搭桥要熟悉电路原理，必要时寻求指导老师帮助。

3.4 运作阶段

实验操作完成后，学生对实验数据进行分析处理，撰写总结报告，并比较各个方式的优劣，总结得失，将实验的感悟、体会和取得的成就制作为PPT,在实验的验收课上进行答辩。

调查发现，该模式确实能够提高同学的动手积极性、解决问题的能力和口头表达能力，之前上台就紧张说不出话的同学，现在变得更加自信、沉稳。

4 实践教学实施效果

我校土建学院材料力学实验实践教学体系满足行业需要，培养了学生的创新意识和团队协作精神，提高了学生的动手实践能力、创新能力和工程能力，拓展了学生的综合素质。实践证明，将CDIO-OBE工程培养理念引进材料力学实验教学，能够改善以往材料力学教学存在的问题，较大程度上提高材料力学的教学质量。“土木工程实验教学中心”自实施该举措以来，取得了一系列喜人的成绩：在参评国家实验教学示范中心中，从全国120个参评的实验教学中心中脱颖而出被评为国家级教学示范中心，这是我校首次获得国家级实验教学建设项目；此外，在全国各类力学竞赛中，专业共有29人次获省级及以上殊荣，创我院历史之最。基于此，2015年，我院土木工程专业顺利通过了住建部专业评估；根据艾瑞深中国校友会网“2017中国大学评价研究报告”最新发布2017中国大学本科专业排行榜，我校土木工程专业跃升至全国第17位。

5 推进CDIO-OBE工程教育模式的思考

在当前高校“重科研，轻教学”的背景下，尽管CDIO—OBE工程教育模式存在较多优点，但由于其推进,教师需投入较多的精力去预设学习目标及制定实施细则，无形中增加了不少教师的工作压力,故难以调动教师积极性；此外，该模式也对教师的教育理论素养提出了较高的要求，包括教师要善于利用各类的教育资源，实时监测学生的知识、能力以及态度的发展水平，做到因材施教，促进学生的个性化发展[15-16]。故为促使该模式得到更广泛有效的推广，一定要改善现有教育模式，营造出重教学的校园文化，并增加对外学习交流的机会，不断提高教师的教育理论水平与业务水平。