基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才《材料力学》课程教学模式探索

马雯波　许福

摘 要：CDIO模式强调工程活动的完整生命周期，即构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运作（Operate），注重工程师系统构建能力的培养。《材料力学》是一门理论性较强、在各工程技术领域应用极为广泛的技术基础学科。该课程知識需要对工程活动的完整生命周期的各个阶段进行系统化、定量化与科学化的描述。为解决传统教学中存在的不足，考虑《材料力学》课程的特点及目的，提出基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才力学课程教学模式探索。在CDIO模式下，以实际工程活动中产生的问题激发学生对该课程的学习兴趣，同时以虚拟仿真平台中的工程实例为中心进行授课，重点培养学生的工程思想。教学实践表明，基于CDIO理念，结合力学虚拟仿真平台，能够提高《材料力学》课程的教学效果，这也对高校学生全过程参与到工程活动的完整生命周期中，成为能为工程项目的完整生命周期全方位服务的工程师提供有力支持。

关键词：CDIO；虚拟仿真平台；材料力学；创新性人才

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）06-0019-03

Abstract： CDIO model emphasizes the full cycle of conceive， design， implementation and operation of engineering activities， and focuses on the training of engineers' system construction capabilities. Material Mechanics is a basic theory of science， which has a strong theoretical relationship with engineering and technology. The conceive， design， implementation， and operation of the product， process， and system need systematically， quantitatively and scientifically description of their processes based on the course. In order to solve the shortcomings in the traditional teaching and based on the characteristics and purpose of the Material Mechanics course， this paper proposes an exploration of the teaching mode of CDIO innovative talents mechanics course based on the virtual simulation platform. In the CDIO mode， students 'interest in the course is stimulated by the problems arising from the actual engineering activities. At the same time， the courses are given centering on the engineering examples in the virtual simulation platform， with a focus on cultivating students' engineering thinking. The teaching effect can be improved based on CDIO and virtual simulation platform of mechanics. It also provides a strong support for the university students to participate in the complete life cycle of engineering activities and become a full-service engineer for the complete life cycle of the engineering project.

Keywords： CDIO； virtual simulation platform； Material Mechanics； innovative talents

一、CDIO理念

当今时代，科学技术的快速进步，工程师面临的工程实践环境日渐复杂化、多样化，工程活动过程中的不确定性与风险加剧，对工程师提出了更高的要求。工程活动不仅需要工程师掌握简单的科学和技术原理，还需要其具有更广阔的技能和系统性的思维[1]。但是传统教学模式培养下的工程师对于当今社会的工程实践环境无法较好应对，当前社会发展要求工程师具有更扎实的理论基础、更高超的技术水平、良好团队合作能力及系统构建能力。

2004年美国的“2020工程师（The Engineer of 2020）”计划发表了名为《2020的工程师：新世界工程的愿景》的报告，对未来工程师的关键特征进行了描述：“2020的工程师应当具备什么特征？他应当具有莉莲·吉尔布雷斯的聪慧，爱因斯坦科学的洞察力，戈登·摩尔解决问题的能力，毕加索的创造力，埃莉诺·罗斯福的道德心，莱特兄弟的果断，马丁路德金的远见，以及小朋友的好奇心”。英国皇家工程院于2007年发布名为《培养21世纪的工程师》报告，该报告认为未来社会急切需要那些具有“真实产业环境的实践经验”的工科毕业生，工程人才最重要的特质就是“对理论知识的理解和创新，并具有团队合作、技术广度和商务技能等”[2]。未来社会和产业界不仅仅只关注工程人员的技术专长，而逐渐重视工程人员综合素质和能力。

但是，目前世界各国均面临着工程人才在质量与数量上均不能满足社会发展需要的问题。英国工程及科技学会（IET）2013年度工程和技术技能与行业需求调查报告表明，一半的工程公司招聘到满足条件的工程师越来越困难；与2012年相比，更多的公司对刚毕业的大学生在校所学专业知识与学校教学内容感到不满；42%的受访者认为由于缺乏工程实践经验，工程技术人才的专业技能水平较低。在日本，工程技术人才缺失严重，仅数字技术行业就有近50万工程师的缺口，产生该现象的主要原因是在西化现象的冲击下，更多的年轻人选择艺术、金融等相关专业，而不选择制造业。截止2013年，我国91.5%的本科高校均开设有工科相关专业，2013年，普通工科本科与研究生在校生超过百万人，普通本科工科毕业生达百万人。可见，我国拥有世界上最大规模的工程教育[3]。但我国工程人才培养质量仍落后于世界先进水平，其中最主要原因就是工程实际训练不足、缺乏技术创新能力和工程创新意识等。

CDIO模式由美国麻省理工学院（MIT）为主导，联合瑞典的皇家技术学院（Royal Institute of Technology）、林雪平大学（Linkopin University）和查尔姆斯工业大学（Chalmers University of Technology）于2000年提出。CDIO模式，即构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate），它包含工程活動的整个生命周期，强调工程活动来源于实际的工程环境，提倡学生将理论与实践相结合的工程人才培养模式。CDIO的四部分囊括了整个工程活动的所有阶段，明确了现代工程师在工程活动各个阶段应当完成的工作，该模式提出的出发点就是使培养的工程人才成为能够胜任整个工程活动周期工作的工程师[4]。

为加快创新型人才的培养，我国在2010年制定发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》，同时教育部正式启动了“卓越工程师教育培养计划”，该举措是我国从工程教育大国走向工程教育强国的关键一步，旨在培养一批满足当前经济社会发展需要的高创新意识、高质量工程人才，为我国的社会主义现代化建设培养人才，使我国的综合国力和核心竞争力得以提高。另外我国于2013年6月正式成为《华盛顿协议》的第21个签约成员国，这在一定程度表明在中国社会多方不懈努力下，工程教育的质量增高并得到国际普遍认可。

CDIO工程教育模式经过专家学者多年的不断完善被认为是如今国际工程教育改革中十分成功的典范。2006年，汕头大学成为中国高校第一个CDIO成员，率先在中国进行CDIO工程教育模式改革，意味着CDIO工程教育模式正式进入中国。到如今，CDIO模式在我国工程教育界逐渐开花结果，对我国的工程人才培养模式改革产生了重大影响。

CDIO模式自进入中国以来，便受到了一些高校与学者的关注与推广，如今，该模式已经受到国际社会的认可。为使该模式在中国得到更大范围的传播应用，高校与政府等做出了多方面努力，围绕CDIO模式开展了多种多样的研讨会议和交流推广活动，这些努力主要体现在以下几个方面：

1. 举办各类会议和交流活动

2007年教育部组织召开了“2007年国际CDIO研讨会”，来自麻省理工学院、香港大学、清华大学等大学在内的40多所国内外高校的专家学者就如何推进CDIO项目开展以及未来的工作安排等内容进行了讨论，认识到当今时代下必须要进行工程教育改革以满足社会需要，将CDIO工程教育改革提上日程。随后，在教育部高教司理工处支持下，汕头大学联合国内外高校针对CDIO模式举办了各类国际级别和国家级别的会议和交流活动，CDIO理念在我国得以广泛传播， CDIO工程教育模式试点工作随之开展。

2. 成立研究与实践课题组及试点工作组

我国于2008年4月正式成立“CDIO工程教育模式研究与实践课题组”，主要任务就是研究国际CDIO工程教育改革的理念和做法，吸收经验教训，调查分析我国工程教育实际状况，对试点工作进行指导。同年12月，汕头大学联合教育部高教司理工处召开了CDIO工程教育模式试点工作会议，会议确定了首批CDIO试点高校名单，同时成立了CDIO试点工作组，对试点工作进行经验交流，为我国的工程教育改革做出重大贡献。

3. 国内高校联合启动，开展试点工作

自汕头大学正式加入CDIO国际合作组织后，随后包括北京交通大学、清华大学在内的七所大学也先后加入该组织。与此同时，各校CDIO改革试点工作在教育部高教司的全力支持下得以全面开展，并迅速发展起来，目前我国共有39所大学参与CDIO工程教育改革试点工作，这个数字还在继续增加。

在CDIO能力培养大纲的前提上，汕头大学等一批学校根据自己的学科设置与教育目的等做了继承基础上的再创新，探索出了更适合自己实际的CDIO改革模式。汕头大学的EIP-CDIO模式和大连东软信息学院的TOPCARES-CDIO模式是目前国内创新发展出的两种比较有代表性的CDIO改革模式。汕头大学考虑自身的教学目标和办学特点，探索研究出了一种以设计为导向的EIP-CDIO创新人才培养模式，该模式认为如今社会需要工程师拥有更高的职业道德（Ethics）、诚信（Integrity）以及职业素养（Professionalism，在CDIO基本框架的基础上，融入了E、I、P元素。大连东软信息学院则结合我国工程教育现状和IT行业的人才需求标准，根据学校的IT专业实际情况，探索出了具有东软特色“TOPCARES-CDIO”工程人才培养模式。其中，TOPCARES每一个字母代表学生应具备的一项能力，具体为T（Technical Knowledge and Reasoning）技术知识与推理能力，O（Open Minded and Innovation）开放式思维与创新，P（Personal and Professional Skills）个人职业能力，C（Communication and Teamwork）沟通表达与团队工作，A（Attitude and Manner）态度与习惯，R（Responsibility）责任感，E（Ethical Values）价值观，S（Social Value Created by Application Practice）实践应用创造社会价值，最终让CDIO模式深深扎根于中国工程教育的土壤上。可以预想CDIO模式将应用在中国的多种领域，更加富于多样性与创新型。但目前大多数高等院校均只停留在对CDIO理念在课程安排中的创新，未能结合CDIO模式让学生对实际工程活动的完整生命周期（构思、设计、实施和运作）进行全方位认识了解，且未将运行成本更加低的虚拟仿真实验平台引入高等院校的CDIO培养模式。

二、《材料力学》教学现状

《材料力学》是一门理论性较强、紧密联系于实际工程实践的技术基础学科。产品、过程和系统的构思、设计、实施和运作的完整生命周期中都需要该专业知识去系统化、定量化和科学化地描述其过程[5]。故力学相关专业的学生（包括工程力学专业、机械工程专业和土木工程专业等）应熟练运用所学定理、定律和结论，并了解产品、过程和系统的构思、设计、实施和运作的完整生命周期，使得其所学知识能有的放矢地解决工程实际问题[6]。而对于大多数高等院校，《材料力学》的教学主要以下两个方面的问题。

一是教学内容和形式几乎相似，难以满足不同专业对《材料力学》教学要求，加上目前产业结构的调整速度加快，需要对该课程的教学内容和形式进行更新。“灌输式”教学仍然是目前课堂教学的主流，学生被动地接受教师所传授的只是，师生之间互动较少，课堂氛围沉闷。

二是缺少有目的性的实践练习，课堂上所讲授的理论内容没有进行充分地实践练习，学生学习完该课程后仍然存在盲目性。所以，在课堂授课的基础上应增加实践环节的联系，增强学生理论联系实践的能力，杜绝学生只会照搬教材的方法、不会变通的教学困境。而高等学校所开设的实习工厂、实习基地等场地存在诸多限制（如学生培养经费限制或本地缺乏工程活动全周期的相关产业），使得在校学生不能完整地了解产品的构思、设计、实施和运作的整个生命周期。

三、基于CDIO理念和虚拟仿真平台的教学改革探索

本研究借鉴世界高等工程教育推崇的CDIO模式，找出在工程活动的构思、设计、实施和运作的完整生命周期中的“材料力学”相关问题，通过虚拟仿真实验平台虚拟再现该工程活动，让高校学生能在更大范围和更低成本下，更深入地分析工程活动的构思、设计、实施和运作等过程。提高学生主动学习、团队交流等能力。

（一）优化教学内容

《材料力学》教学改革中，以应用型人才培养为目标，增加“材料力学”课程在工程应用方面讲解。协调好“材料力学”课程与其他课程间的教学内容的衔接，整合重复的教学内容，使得“材料力学”与其他课目紧密联系起来，形成整体教学。在教学大纲的目标要求下，可将授课内容分为基础知识和拓展知识两部分内容。基础知识为所有学生应熟练掌握的知识，该内容为后续的专业课程的学习基础。拓展知识的内容主要针对学有余力的学生，该内容主要为“材料力学”与其他课程间的联系内容，需要任课教师与各相关专业课程教师协商后制定。主要以小组讨论的形式进行，学生针对任课老师所列工程问题，分小组（一般为4～5人一组）搜集资料、结合所学知识开展工程问题的解答。此处需要结合虚拟仿真平台中的工程实例进行学习，其中工程实例由任课教师与各相关专业课程教师协商后制定。学生通过组队完成工程问题可以加深各课程间联系，提高思维能力和整体分析能力。

该方法通过激发学生学习兴趣来达到增强主动学习的意识的目的，使其在学习过程中完成工程问题，感受到学习成功的快乐。其中，工程问题的设置中，不仅需要任课教师与各相关专业课程教师协商后制定，而且需要结合工程活动中CDIO四个重要环节，以问题为驱动，激发学生的学习兴趣，同时以工程实例为中心，围绕工程实例进行授课。以应用为目标，将教学活动与工程任务结合在一起。

（二）改革课程考核方式

针对上述教学模式，需要对相应的考核方式进行必要修改。首先需要提高了平时成绩的比例，以40%为宜，且增加平时成绩的考核范围。针对某一工程问题的学习，需要对研究报告、报告展示等进行相关考核，记入平时成绩；增加课堂中讨论交流、课外读书报告、小论文等方面的成绩。针对学习过程中提出创新性想法的学生给予一定的加分。其次，注重学生工程实践能力的考核。一方面“材料力学”虚拟工程实践的成绩作为平时成绩计入期末成绩；另一方面，在期末考试中加入工程实践方面的考题，要求学生综合运用所学知识分析实际问题。让高校学生能更深入地分析工程活动的构思、设计、实施和运作各个过程。提高学生主动学习、团队交流等能力。

四、结束语

针对《材料力学》课程的特点以及传统教学中存在的不足，通过教学方式和教学内容的调整，提出基于虚拟仿真平台的CDIO创新型人才力学课程教学模式探索。在教学中，以工程活动中的问题为驱动，激发学生对该课程的学习兴趣，同时以虚拟仿真平台中的工程实例为中心进行授课，重点培养学生的工程思想。教学实践表明，基于CDIO理念，结合力学虚拟仿真平台，能够提高该课程的教学效果，这也为高校学生能更深入地分析工程活动的构思、设计、实施和运作等过程，成为能为产品、过程或系统的生命周期全方位服务的工程师提供有力支持。今后我们还将不断探索、总结经验，不断完善基于CDIO理念的虚拟仿真教学平台，为培养应用型人才发挥重要作用。

参考文献：

[1]岳桂杰，魏伟，谷莉，等.工程力学教学中的一些生活和工程实例[J].力学与实践，2012，34（2）：83-84.

[2]劉晓洲，吴寅.案例教学法在材料力学实践教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2016（41）：185-186.

[3]李颖.基于CDIO理念在《工程力学》教学实践中的应用[J].中国科技信息，2013（6）：174-174.

[4]陈静.基于CDIO思想的工程力学教学改革探索[J].高教学刊， 2016（9）：131-132.

[5]刘孟祥.基于CDIO理念的车辆工程专业教育模式改革研究[J]. 中国电力教育，2013（26）：37-37.

[6]孙峙华.基于CDIO理念的应用型本科《材料力学》课程教学改革初探[J].武汉商学院学报，2016，30（5）：94-96.